計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的介紹

摘要 :介紹了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）產(chǎn)生背景和基本概念，給出了CIMS體系結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和集成的三個(gè)階段，以及CIMS的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 :計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)；背景；概念；體系結(jié)構(gòu)；控制結(jié)構(gòu)；階段；趨勢(shì)

Abstract: This is an essay that introduces the conception and the producing background of Computer Integrated Manufacturing System(CIMS),then three stages of CIMS-the system structure, control system structure and its integration are given. And the development of CIMS is also introduced.

Key word: Computer Integrated Manufacturing; Background; Concept; System structure; Control structure; Stage; Trend

中圖分類號(hào)：G623.58文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

1、背景

從20世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)和數(shù)字控制技術(shù)領(lǐng)域在制造企業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。早期的計(jì)算機(jī)應(yīng)用是從設(shè)計(jì)、制造、管理等領(lǐng)域獨(dú)立發(fā)展起來的，等他們發(fā)展到一定程度后，卻形成了一個(gè)個(gè)相互獨(dú)立的“自動(dòng)化孤島”。雖然能取得孤島的局部效益，但孤島之間的相互通信和數(shù)據(jù)交換卻很難進(jìn)行，難以達(dá)到信息共享和整體最優(yōu)的目的。[1]在這種形式的背景下，計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）概念受到重視并被普遍接受。

2、概述

1973年美國(guó)約瑟夫·哈林頓（Joseph Harrington）博士提出計(jì)算機(jī)集成制造（Computer Integrated Manufacturing，CIM ）概念，在《Computer Integrated Manufacturing》一書中闡述了兩個(gè)基本觀點(diǎn)：

① 企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的各環(huán)節(jié)是密不可分的整體，從市場(chǎng)調(diào)研、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、經(jīng)營(yíng)管理到售后服務(wù)的全部生產(chǎn)活動(dòng)要統(tǒng)一考慮；

②整個(gè)制造過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)數(shù)據(jù)采集、傳遞、加工和利用的過程，最終產(chǎn)品可以看作是數(shù)據(jù)的物質(zhì)化表現(xiàn)。

歐共體CIM-OSA（開放體系結(jié)構(gòu)）課題委員會(huì)對(duì)CIM定義是：CIM是信息技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的綜合應(yīng)用，旨在提高制造型企業(yè)的生產(chǎn)率和響應(yīng)能力。企業(yè)所有功能、信息、組織管理等方面都是集成起來的整體的各個(gè)部分。

CIM是一種制造哲理，是一種思想；CIMS是CIM制造哲理的具體體現(xiàn)。CIMS是通過計(jì)算機(jī)軟硬件，并綜合應(yīng)用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)，將與企業(yè)全部生產(chǎn)過程中有關(guān)的人、技術(shù)和經(jīng)營(yíng)管理三要素及其信息流與物料流有機(jī)集成并優(yōu)化運(yùn)行的復(fù)雜的大系統(tǒng)。[2]

3、CIMS的體系結(jié)構(gòu)

CIMS的體系結(jié)構(gòu)是指以現(xiàn)代信息技術(shù)的觀點(diǎn)建立的企業(yè)管理模型框架，作為一個(gè)系統(tǒng)由若干個(gè)相互聯(lián)系的分系統(tǒng)組成，通常劃分為6個(gè)分系統(tǒng)，如圖1：

各個(gè)分系統(tǒng)的功能分述如下：

① 管理信息分系統(tǒng)（MIS） 對(duì)一般離散制造系統(tǒng)如機(jī)械制造系統(tǒng)，通常以制造資源計(jì)劃（MRPⅡ）或物料需求計(jì)劃（ERP）為核心，由企業(yè)管理高層的經(jīng)營(yíng)決策，對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行計(jì)劃和控制。具體內(nèi)容包括經(jīng)營(yíng)管理（BM）、生產(chǎn)管理（PM）、物料管理（MM）、人事管理（LM）、財(cái)務(wù)管理（FM）等。

② 工程技術(shù)信息分系統(tǒng)（EIS或TIS） 其主要功能是進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)準(zhǔn)備以及工藝過程和裝配過程設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)（CAPP）、計(jì)算機(jī)輔助工裝設(shè)計(jì)（CATD）、數(shù)控程序編制（NPC）等。

③ 制造自動(dòng)化分系統(tǒng)（MAS） 其主要功能是完成零件加工、檢驗(yàn)、運(yùn)輸以及產(chǎn)品裝配、檢測(cè)、包裝等工作。該系統(tǒng)包括各種自動(dòng)化設(shè)備和系統(tǒng)，如計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）、加工中心（MC）、柔性制造單元（FMC）、工業(yè)機(jī)器人（Robot）等 [3] 。

④ 質(zhì)量信息分系統(tǒng)（QIS） 其主要功能是采集、存儲(chǔ)、處理與評(píng)價(jià)各種質(zhì)量數(shù)據(jù)，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行質(zhì)量控制。該分系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)輔助檢驗(yàn)（CAI）、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（CAT）、計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量控制（CAQC）、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）等。

⑤ 數(shù)據(jù)庫(kù)分系統(tǒng)（DB） 組成CIMS的各個(gè)功能分系統(tǒng)的信息都要在一個(gè)結(jié)構(gòu)合理的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)里進(jìn)行存儲(chǔ)和調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)數(shù)據(jù)的集成與共享。數(shù)據(jù)庫(kù)在邏輯上是統(tǒng)一的，在物理上是分布的。

⑥ 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)（Network） 是CIMS的主要支撐技術(shù)，是CIMS各個(gè)分系統(tǒng)重要的信息集成工具。采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)異種機(jī)互連、異構(gòu)局部網(wǎng)絡(luò)及多種網(wǎng)絡(luò)互連，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的資源共享和數(shù)據(jù)傳輸。

4、CIMS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CIMS是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，通常采用遞階控制體系結(jié)構(gòu)。所謂遞階控制就是將一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)按照其功能分解成若干個(gè)層次，各層次進(jìn)行獨(dú)立控制處理，完成各自的功能。層與層之間的信息交流主要是通過上層對(duì)下層發(fā)出指令，下層向上層返回執(zhí)行結(jié)果，通過信息聯(lián)系構(gòu)成完整的系統(tǒng)。這種控制模式減少了全局控制的難度以及系統(tǒng)開發(fā)的難度，成為當(dāng)今復(fù)雜系統(tǒng)的主流控制模式。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所所屬的AMRF將CIMS分為五層遞階控制結(jié)構(gòu)。這五層分別是：工廠層、車間層、單元層、工作站層和設(shè)備層。每層都由各自獨(dú)立計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，功能單一，易于實(shí)現(xiàn)；層次越高，控制功能越強(qiáng)，計(jì)算機(jī)處理的任務(wù)越多；層次越低，則實(shí)時(shí)處理要求越高，控制回路內(nèi)部的信息流速越快。

4.1工廠層

工廠層是企業(yè)最高決策層，具有市場(chǎng)預(yù)測(cè)，生產(chǎn)計(jì)劃的制定，產(chǎn)品開發(fā)以及工藝過程規(guī)劃的功能，同時(shí)還應(yīng)具有成本核算、庫(kù)存統(tǒng)計(jì)、用戶訂單處理、后續(xù)的跟蹤服務(wù)等廠級(jí)經(jīng)營(yíng)管理的功能。工廠層的規(guī)劃周期一般從幾個(gè)月到幾年時(shí)間。

4.2車間層

車間層是根據(jù)工廠的生產(chǎn)計(jì)劃協(xié)調(diào)車間作業(yè)和輔助性工作以及資源配置，包括從設(shè)計(jì)部門的CAD/CAM系統(tǒng)中接受產(chǎn)品物料清單，從CAPP系統(tǒng)接受工藝過程數(shù)據(jù)，并根據(jù)工廠層的生產(chǎn)計(jì)劃和物料需求計(jì)劃進(jìn)行車間內(nèi)各單元的作業(yè)管理和資源分配。車間層的規(guī)劃周期一般從幾周到幾個(gè)月。

4.3單元層

單元層主要負(fù)責(zé)加工零件的作業(yè)調(diào)度，包括零件在各個(gè)工作站的作業(yè)順序，作業(yè)指令的發(fā)放和管理、協(xié)調(diào)工作站間的物料運(yùn)輸、進(jìn)行機(jī)床和操作者的任務(wù)分配及調(diào)整。單元層的規(guī)劃時(shí)間在幾小時(shí)到幾周。

4.4工作站層

工作站層的任務(wù)是負(fù)責(zé)指揮和協(xié)調(diào)車間中一個(gè)設(shè)備小組的活動(dòng)，規(guī)劃時(shí)間是幾分鐘到幾小時(shí)。

4.5設(shè)備層

設(shè)備層包括各種設(shè)備（如機(jī)床、機(jī)器人、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、無人小車、傳送裝置及存儲(chǔ)檢索系統(tǒng)等）的控制器。設(shè)備層執(zhí)行上層的控制命令，完成加工、測(cè)量、運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)。其響應(yīng)時(shí)間從幾毫秒到幾分鐘。

在上述五層的遞階控制結(jié)構(gòu)中，工廠層和車間層主要完成計(jì)劃方面的任務(wù)，確定企業(yè)生產(chǎn)什么，需要什么資源，確定企業(yè)長(zhǎng)期目標(biāo)和近期任務(wù)；設(shè)備層是一個(gè)執(zhí)行層，執(zhí)行上層的控制命令；而企業(yè)生產(chǎn)監(jiān)督管理任務(wù)則是由車間、單元層和工作站完成，因此，車間層兼有計(jì)劃和監(jiān)管的雙重功能。

5、CIMS集成的三個(gè)階段[5]

CIMS主題研究和實(shí)施的技術(shù)的核心內(nèi)容是信息集成、過程集成和企業(yè)集成。

5.1信息集成

在生產(chǎn)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、加工制造、質(zhì)量控制、底層自動(dòng)化等一系列的管理與控制活動(dòng)中大量存在的自動(dòng)化孤島，實(shí)現(xiàn)信息正確、高效的共享和交換，是改善企業(yè)技術(shù)和管理水平必須首先解決的問題。

集成信息主要包含內(nèi)容有：

① 企業(yè)建模、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、軟件工具和規(guī)范。這是系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是企業(yè)信息集成的基礎(chǔ)。

② 異構(gòu)環(huán)境下的信息集成。所謂異構(gòu)是指系統(tǒng)中含有幾種不同的操作系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)及應(yīng)用軟件。異構(gòu)信息的主要解決3個(gè)問題：不同通信協(xié)議的共存及ISO/OSI的過渡；不同數(shù)據(jù)的相互訪問；不同商用軟件之間的接口。

5.2過程集成

企業(yè)為了提高產(chǎn)品的“功能”（F）、“效率”（E）、“質(zhì)量”（Q）、“成本”（C）、“服務(wù)”（S），除了信息集成這一手段之外，還可以對(duì)過程進(jìn)行重構(gòu)。

傳統(tǒng)的串行作業(yè)設(shè)計(jì)和開發(fā)過程往往造成產(chǎn)品開發(fā)過程經(jīng)常反復(fù)，使產(chǎn)品開發(fā)周期增加、成本增加。如果將產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中的各串行過程盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿羞^程，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到后續(xù)工作中的可制造性、可裝配質(zhì)量，把設(shè)計(jì)開發(fā)中的信息大循環(huán)變成許多小循環(huán)，可以減少反復(fù)，縮短開發(fā)時(shí)間。

5.3企業(yè)集成

21世紀(jì)的制造業(yè)必須面對(duì)全球制造的新形勢(shì)，充分利用全球制造資源，以便更快、更好、更省地響應(yīng)市場(chǎng)需求。這就是敏捷制造的思想。敏捷制造的組織形勢(shì)是企業(yè)之間針對(duì)某一特定產(chǎn)品建立企業(yè)動(dòng)態(tài)聯(lián)盟。敏捷的企業(yè)應(yīng)該是“兩頭大、中間小”，“兩頭大”指強(qiáng)大的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)能力和強(qiáng)大的市場(chǎng)開拓能力，“中間小”指加工制造設(shè)備的能力可以小，多數(shù)零部件靠協(xié)作解決，企業(yè)可以在全球采購(gòu)價(jià)格最便宜、質(zhì)量最好的零件，因此，企業(yè)間的集成是企業(yè)優(yōu)化的新臺(tái)階。

6、CIMS的發(fā)展趨勢(shì)[6]

近些年并行工程、人工智能及專家系統(tǒng)技術(shù)在CIMS中的應(yīng)用推動(dòng)了CIMS技術(shù)的發(fā)展，增強(qiáng)了CIMS的柔性和智能性。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，在CIMS基礎(chǔ)上又提出了各種先進(jìn)制造系統(tǒng)，如精良制造、敏捷制造等。同時(shí)，將基因工程和生物工程模擬引入制造技術(shù)，建立一種具有更高柔性的開放的制造系統(tǒng)。

7、結(jié)論

當(dāng)今世界各國(guó)的高新技術(shù)的發(fā)展水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力及其國(guó)際地位的主要標(biāo)志。我國(guó)是世界上第一大制造國(guó)，越來越受到其他國(guó)家的重視，因此我國(guó)各類企業(yè)都面臨著持續(xù)多變和不可預(yù)測(cè)的全球市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)。為了提高競(jìng)爭(zhēng)力，現(xiàn)代的各類制造業(yè)必須結(jié)合我國(guó)國(guó)情、企業(yè)自身特點(diǎn)，采用CIM的理念及其有關(guān)的技術(shù)推動(dòng)企業(yè)取得更大的經(jīng)濟(jì)效率和保持可持續(xù)發(fā)展的態(tài)勢(shì)。CIMS研究、開發(fā)、應(yīng)用體系，必將對(duì)增強(qiáng)制造企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬鋼. 一種開放式網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)[J]，遼寧省交通高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2006年

[2]張勝文. 企業(yè)先進(jìn)生產(chǎn)模式的實(shí)現(xiàn)機(jī)制比較研究[J]，華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000年

[3]焦慶武. 淺論機(jī)械制造技術(shù)[J]，中國(guó)科技博覽，2010年

[4]陸雨辰. 基于Petri網(wǎng)和面向?qū)ο蠹夹g(shù)的FMS柔性仿真環(huán)境研究[D]2002年

[5]吳澄，李伯虎.從計(jì)算機(jī)集成制造到現(xiàn)代集成制造[J]，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，1998年

[6]張?zhí)祉?基于柔性制造系統(tǒng)（FMS）的刀具管理研究[D]，2005年

作者簡(jiǎn)介：吳平峰（1978—），男，貴州凱里市人，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，現(xiàn)就職于貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，講師，從事機(jī)電技術(shù)方面教學(xué)

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