基于Simevents的機電自動化生產(chǎn)系統(tǒng)控制

哈爾濱工程大學工程訓(xùn)練中心 黃雪梅

機電自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的有效控制技術(shù)是對其性能起到?jīng)Q定作用的因素。生產(chǎn)系統(tǒng)控制是涵蓋大量生產(chǎn)制造信息的復(fù)雜高實時決策過程，相關(guān)信息包括產(chǎn)品的生產(chǎn)制造工藝、制造設(shè)備的性能、工藝能力等。有效的控制系統(tǒng)需要遵循生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)制造機理，包括生產(chǎn)訂單的調(diào)度與分配、生產(chǎn)單元級別的任務(wù)分配、考慮滿足訂單的時間約束、產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝約束、設(shè)備的制造能力約束等多耦合規(guī)則，實現(xiàn)生產(chǎn)狀態(tài)的實時監(jiān)控、生產(chǎn)系統(tǒng)的性能分析與優(yōu)化等。鑒于控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，決定必須提供有效的軟件技術(shù)支持，開發(fā)能夠進行機電自動化系統(tǒng)設(shè)計、分析及性能優(yōu)化的綜合系統(tǒng)，解決其中的關(guān)鍵技術(shù)問題。

Simevents是Matlab提供的眾多功能強大的工具箱之一，以基于事件驅(qū)動的離散事件仿真系統(tǒng)的設(shè)計與分析為主要功能，由于與自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的運行機理相吻合，因此是適宜生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計的有效工具。Pingel等[1]將Simevents用于柔性裝配系統(tǒng)，分析了Simevents適合用于制造系統(tǒng)性能分析，具體說明了裝配系統(tǒng)承擔產(chǎn)量分析、運輸托盤數(shù)量優(yōu)化、控制策略實現(xiàn)等具體問題。本文應(yīng)用Simevents作為分析工具研究機電自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的控制問題。

1 基于Simevents的機電自動化生產(chǎn)系統(tǒng)控制機理

1.1 機電自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的控制機理

從物理結(jié)構(gòu)角度分析，機電自動化生產(chǎn)系統(tǒng)其本組成單位為以自動化生產(chǎn)設(shè)備為核心的生產(chǎn)單元，各具體生產(chǎn)單元提供以設(shè)備生產(chǎn)能力為特征的零件加工工藝能力服務(wù)，完成零件加工、裝配、檢測等具體工藝操作。物流運輸設(shè)備根據(jù)各加工單元工藝能力將各單元連接成為具有綜合與特定生產(chǎn)能力的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)。生產(chǎn)訂單所包含的產(chǎn)品生產(chǎn)工藝規(guī)程及所產(chǎn)生的工藝需求在生產(chǎn)系統(tǒng)層次進行分解與調(diào)度，通過各生產(chǎn)單元與物料運輸單元的相互協(xié)同，在規(guī)定的時間約束條件內(nèi)完成產(chǎn)品的生產(chǎn)制造任務(wù)。

自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的控制由系統(tǒng)的運行機理所決定。控制系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)、工作單元、生產(chǎn)設(shè)備控制器的不同運行機制將有所側(cè)重。生產(chǎn)單元作為生產(chǎn)系統(tǒng)的基本組成單位，在規(guī)劃完成自身生產(chǎn)任務(wù)、生產(chǎn)設(shè)備工作過程控制的同時，必須完成與生產(chǎn)系統(tǒng)的通訊與協(xié)同，共享相關(guān)制造信息，包括單元的工藝能力、實時工作狀態(tài)、承擔加工任務(wù)的在線規(guī)劃狀態(tài)等，接受生產(chǎn)任務(wù)并按規(guī)定要求完成。而對底層生產(chǎn)設(shè)備的控制，以設(shè)備完成的具體加工任務(wù)為核心，實時調(diào)整與優(yōu)化控制器參數(shù)完成工作。能夠?qū)φ麄€過程進行有效控制的軟件系統(tǒng)需要具有如下的綜合能力：對復(fù)雜的制造信息進行描述的能力、生產(chǎn)決策與執(zhí)行的能力、生產(chǎn)過程的實時控制以及生產(chǎn)工程的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與性能分析的能力等。

1.2 Simevent離散事件工作機理及在自動化生產(chǎn)系統(tǒng)控制中的應(yīng)用

Simevents是Matlab[2-6]以離散事件仿真分析關(guān)鍵為核心功能的工具箱，以基于事件驅(qū)動的系統(tǒng)運行機制為主要特征。事件驅(qū)動系統(tǒng)核心元素實體根據(jù)各種規(guī)則生成，實體生成同時根據(jù)具體情況賦予各種屬性，屬性中包含了實體具有的相應(yīng)各類型信息。經(jīng)過服務(wù)器對實體完成不同功能的處理，運用相應(yīng)策略控制實體行為，更新實體屬性，最終完成整個運行過程。系統(tǒng)各功能塊通過各自的信號輸出端口（signal output port）和信號示波器（signal scope）提供各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)，供系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化。

Simevents的主要功能塊包括以下[7]：實體與屬性、排隊與服務(wù)、實體路徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、與simulink和stateflow的接口。

機電自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的控制過程體現(xiàn)出明顯的事件驅(qū)動特征。圍繞生產(chǎn)訂單制定與驅(qū)動生產(chǎn)系統(tǒng)，訂單中包含的加工零件即可視為Simevents系統(tǒng)中的實體，通過對零件生產(chǎn)工藝規(guī)程的制定與生產(chǎn)單元級別的任務(wù)分解，控制零件在整個生產(chǎn)系統(tǒng)中的流動過程。隸屬于具體訂單中零件的相關(guān)加工制造信息，包括完工時間、工序內(nèi)容、加工參數(shù)、具體工序的加工設(shè)備分配等，皆作為屬性信息跟隨相應(yīng)實體在離散系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)流動，屬性信息根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)的動態(tài)行為及驅(qū)動事件進行更新并提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析結(jié)果，如零件的實時加工狀態(tài)等。生產(chǎn)單元中的加工設(shè)備作為服務(wù)器對零件進行處理，排隊、實體等功能塊對零件的加工路徑進行規(guī)劃，零件的排隊、設(shè)備的利用率等信息可隨時提供，同時系統(tǒng)的統(tǒng)計功能可進行生產(chǎn)系統(tǒng)的瓶頸分析、產(chǎn)量評估、物流運輸系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化等。

2 基于Simevents的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的控制

基于Simevents的機電自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)主要由3部分組成。第1部分主要以生產(chǎn)制造信息的處理為主，具體包括生產(chǎn)訂單的處理及產(chǎn)品族工藝規(guī)程制定等工作。第2部分以分析決策為主，主要完成針對工藝規(guī)程的決策與工序的執(zhí)行。第3部分為系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計與性能分析部分。限于篇幅，本文主要對前兩部分加以說明。

2.1 零件工藝規(guī)程描述及生產(chǎn)計劃生成

主要包含兩部分的內(nèi)容：一是對生產(chǎn)系統(tǒng)中的各零件族的工藝規(guī)劃進行描述，然后生成生產(chǎn)訂單并安排其投產(chǎn)順序。系統(tǒng)根據(jù)訂單內(nèi)包含的零件族種類與生產(chǎn)數(shù)量，生成驅(qū)動離散生產(chǎn)系統(tǒng)運行的實體。通過對實體的屬性賦予，完成對具體加工零件的生產(chǎn)制造信息的描述，信息中包括各零件的工藝規(guī)程及在各生產(chǎn)單元的工序計劃。本部分工作主要由Simevents的實體生成及屬性功能塊來完成（見圖1）。實體的生成在系統(tǒng)中可有基于時間和基于事件的2種方式[2]，根據(jù)生產(chǎn)實際中的運行規(guī)律與訂單生產(chǎn)計劃的安排方法，訂單生成在本文采用基于時間的生成方法，由signal port輸入符合正態(tài)分布的時間產(chǎn)生規(guī)律。訂單實體的屬性信息中包含了訂單號（Order ID）、完工時間（Due time）、零件族種類（Order Variants）、零件數(shù)量（Part Num）、具體零件編號(Part ID)等制造信息。

訂單實體屬性中包含的零件信息進一步驅(qū)動零件實體的生成，零件實體需要包含具體零件在生產(chǎn)系統(tǒng)中的全面制造信息，包括工藝規(guī)程種類（同類變異產(chǎn)品的工藝規(guī)程相同，Process ID）,在具體工作單元中的工序分配（Process Route）及加工時間（Process Time），零件的實時加工狀態(tài)（Process Status）及數(shù)據(jù)統(tǒng)計等，具體由Set Attributes功能塊來完成（見圖1）。

圖1 工藝規(guī)程描述與生產(chǎn)計劃制定Fig.1 Process planning description and production plan determination

2.2 加工路徑?jīng)Q策與生產(chǎn)單元生產(chǎn)過程執(zhí)行

機電自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中的生產(chǎn)單元根據(jù)功能可劃分為加工單元和物料運輸單元。其中加工單元根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備的工藝能力，完成實體零件某具體工序的加工任務(wù)，具體包括單元內(nèi)部生產(chǎn)任務(wù)的規(guī)劃與執(zhí)行、從生產(chǎn)系統(tǒng)處承接的生產(chǎn)任務(wù)與任務(wù)交付、設(shè)備自身故障監(jiān)控與維護等。在本軟件控制系統(tǒng)中主要由服務(wù)器和排隊兩類功能塊組成。而物料運輸單元需要根據(jù)零件的工藝規(guī)程調(diào)度零件在不同加工單元的加工路徑，本系統(tǒng)由嵌入式Matlab函數(shù)（Embedded Matlab function, EMF）和實體路徑規(guī)劃功能塊Route來完成（見圖2）。其中自定義的嵌入式函數(shù)（EMF RefreshProcess）在零件于某加工單元加工完成后更新了零件實時工藝狀態(tài)，實體路徑規(guī)劃功能塊（ProcessRoute）將更新后的零件由輸送線運往下一個工作單元，輸送線完成具體的輸送過程。

圖2 生產(chǎn)單元的工作過程Fig.2 Working procedure of production unit

3 自動化生產(chǎn)系統(tǒng)控制實例

本文采用的實例系統(tǒng)為物理組成結(jié)構(gòu)略做調(diào)整的固高公司柔性制造系統(tǒng)FMS。物理組成包括自動化立體倉庫和堆垛機組成的物料存儲系統(tǒng)，有皮帶式輸送機、動力輥筒式輸送機、倍速鏈輸送線、轉(zhuǎn)角平移機等組成的混合連接運送線用于物料運送，原系統(tǒng)由內(nèi)雕機及二自由度機械臂組成的內(nèi)雕工作單元保留，作為本實例系統(tǒng)的工作單元1，同時又增加了2個工作單元，即三自由度外雕機組成的外雕單元（工作單元2）和XY工作平臺組成的數(shù)控加工單元（工作單元3）。系統(tǒng)控制硬件方案為研祥工控機IPC作為生產(chǎn)中心，PLC＋交流變頻控制物料運送線，生產(chǎn)單元采用PC+固高GT-400-SV運動控制卡的基于PC控制系統(tǒng)，整條生產(chǎn)線由Profibus-DP連接，實行基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)化控制。由Simevents開發(fā)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 基于Simevent的固高FMS控制系統(tǒng)Fig.3 Control system of Googol FMS based on Simevents

4 結(jié)論

機電自動化生產(chǎn)系統(tǒng)控制是在綜合考慮零件工藝規(guī)程規(guī)劃、自動化生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)控制等復(fù)雜制造信息基礎(chǔ)上，遵循生產(chǎn)系統(tǒng)運行機制與產(chǎn)品生產(chǎn)制造規(guī)律進行的大量決策、分析與優(yōu)化過程。Matlab的Simevents工具箱憑借基于事件驅(qū)動的離散事件仿真運行機制，輔助以Matlab綜合環(huán)境中其他功能強大的各種工具箱的支持，是進行機電自動化生產(chǎn)系統(tǒng)控制設(shè)計的適宜工具。本文基于Simevents設(shè)計機電自動化控制系統(tǒng)進行了零件相關(guān)制造信息描述與處理、工藝規(guī)程描述與生產(chǎn)計劃制定、加工過程復(fù)雜制造邏輯的生產(chǎn)與實現(xiàn)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計與性能分析等具體工作。研究表明Simevents在制造控制系統(tǒng)設(shè)計中的能力與優(yōu)勢。以該軟件控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，更為復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)制造機理及邏輯設(shè)計與實施、更為全面的產(chǎn)品及加工設(shè)備制造信息的融合、控制系統(tǒng)縱向延伸到底層設(shè)備控制器等成為可能，最終形成具有復(fù)雜混雜邏輯行為機制的控制系統(tǒng)設(shè)計、基于事件的機制向生產(chǎn)系統(tǒng)智能分布式控制方面的應(yīng)用。

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