FMS智能监测控制系统的开发 - 文章

FMS智能监测控制系统的开发

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摘要设计柔性制造系统（FMS）监测控制系统所考虑的主要原则应是使构成FMS的所有工作单元的使用效率最大化。文章针对一具体的FMS阐述应用此原则设计和开发智能监测控制系统时所涉及到的几个关键问题，介绍虚拟设备的概念，通过实例说明物料跟踪方法和自动导向小车（AGV）的事件驱动分配策略。
关键词柔性制造系统智能监测控制虚拟设备物料跟踪自动导向小车

1、引言

一般来说，柔性制造系统（FMS）是在计算机控制下，由一个自动化的物料输送系统将若干台数控机床和相关的其他操作设备连接在一起的一个有机整体，它能够以小批量和随机定货方式生产一定范围内的系列产品。FMS的监测控制包含对机床、物料输送设备、工件装卸设备以及其他辅助设备，即对所有构成FMS的设备的监控。

本文采用G2这一适用于开发和运行实时监测、诊断和控制系统的智能软件工具作为FMS监控系统的开发平台，运行在Sun Sparc10工作站上，采用Unix操作系统。

2、所研究FMS的主要特点

本文所研究的FMS的总体布局如图1所示,主要由两个工作单元，一个自动存取仓库，一套存储输送机械和一台将它们连接在一起的自动导向小车组成。工作单元1包含一台数控车床，一台立式加工中心，一台装卸工件用机器人，一部输入缓冲器与一部输出缓冲器。工作单元2包含一个去毛刺、抛光和装配站、一个检测站、一个自动测量站和一台搬运工件的机器人。存储输送机械第一部分用于现场临时存储经部分加工之后还需进行其它工序加工的工件，或者在工作单元1输入缓冲器已满时，临时存储原材料。存储输送机械第二部分是装配存储输送机械，用于临时存储待装配的工件。自动存取仓库存放原材料、制成品和部分未完成全部装配的半成品。围绕自动导向小车轨道旁共有7个上下料站用于自动导向小车装卸物料，其中料站1既可上料，即从自动导向小车上卸下物料，也可以下料，即将物料输送到自动导向小车上。其他六个料站只有一种上料或下料功能，如图1中箭头所示。逆时针单向行驶的自动导向小车可沿图1所示轨道实现表1所示的7种行驶路径。当每完成一次运送任务后，自动导向小车都会回到靠近存储输送机械第一部分附近的原位。

图1某柔性制造系统总体布局

表1在FMS中运行的自动导向小车路径

行驶路径	所涉及到的料站	功能
1	原位→料站1→料站2→原位	由自动存取仓库取原材料送到工作单元1加工
2	原位→料站1→料站4→原位	由自动存取仓库取原材料送到存储输送机械第一部分暂时存储
3	原位→料站5→料站2→原位	将原材料或经部分加工的工件从存储输送机械第一部分送到工作单元1加工
4	原位→料站3→料站4→原位	将部分加工的工件由工作单元1送到存储机械第一部分暂时存储
5	原位→料站3→料站6→原位	将已加工好的工件由工作单元1送到工作单元2去毛刺、抛光、自动测量或装配
6	原位→料站7→料站1→原位	将制成品或空托盘（因用于装配或检出废品）由工作单元2送回自动存取仓库
7	原位→料站1→料站6→原位	将制成品或半制成品由自动存取仓库送往工作单元2装配

3、虚拟设备

本FMS监控系统的设计开始于类（classes)的定义。将车间现场FMS中的实际设备与监控系统中的类对应从而形成虚拟设备。虚拟设备是由G2中的类定义实现的，在定义时赋予相应虚拟设备技术要求、特征以及在监控中起的作用等属性。在通过类定义虚拟设备自身的同时也定义类和类间的相互关系和联系。对于具备共同技术要求和特征等属性的类可先定义其“父”类，“子”类可以从“父”类继承共同的属性。举例来说，料站（feeding-station)类的数据结构定义为：

Class name（类名）feeding-station
Superior class(“父”类)Plant-item
Attributes specific to classagv-arrival is given by a fms-value
（本类特别属性）
Inherited attributes（继承属性）identity;
current-action;
current-event;
current-pallet is 0;
last-pallet is 0;
start-time;
expected-duration;
pallet-sensor is given by a fms-value

除了本类特别属性agv-arrival之外，feeding-station类还继承了其“父”类plant-item的八项属性，而plant-item类也是虚拟设备定义中顶层的类。fms-value是所定义的另一个类，其主要的作用是捕捉车间现场的传感器信号。从feeding-station类的定义中可知，类的属性可由另外的类来定义，从而增加了类的灵活性使虚拟设备适应复杂监控任务的要求。

按FMS实际设备的相互结构联系（图1），将虚拟设备类的实例按图2所示逻辑地连接起来，其中的箭头和连接关系说明了虚拟设备类的实例间的先、后、左、右和内在逻辑关系，这在G2软件开发中对于描述虚拟设备间的关系和作用，在监控程序运行时使数据及时、准确地从现场返回监控系统或从监控系统送到现场车间十分有用。

图2中各缩简英文字词为软件开发中虚拟设备类的实例名，其英文含义见表2。

图2虚拟设备间的连接

表2虚拟设备类的实例与实际设备的对应

虚拟设备类的实例	实际设备
Mill	加工中心
Mill-in-buffer	铣削用输入缓冲器
Lathe-in-buffer	车削用输入缓冲器
Lathe	数控车床
Autostore	自动存取仓库
AGV	自动导向小车
Localstore	存储输送机械第一部分
Assembly-buffer	存储输送机械第二部分
Assembly-station	工作单元2
FS1，FS2，…FS7	料站1，料站2，…料站7

4、在线物料跟踪

如图1所示，在本FMS中零件可在工作单元1的机床上加工，如果需要可在工作单元2的工作站上去毛刺、抛光、自动测量或与其他零件装配。为了将合适的物料在合适的时间送到合适的料站，有必要在线跟踪物料。在本FMS中，物料是放在托盘（pallet）上的，在监控系统中，虚拟托盘被定义为Pallet类,pallet类含有pallet-code特别属性，此属性反映了托盘的状态编码。当针对托盘的物料的某项操作完成时，该状态编码会发生改变。另一个有许多实例被称为activity的类含有pre-code和post-code特别属性，以对应一项操作前后的状态编码。通过识别具体的虚拟设备极其状态，实际设备的状态由触发在线工件托盘识别过程的一系列规则而受到监控。比如说，某一零件的原材料托盘状态码是3360，在车削后变为3361，成为半加工品，而在铣削后变为3362，成为完全加工品。然后，装有此完全加工品的托盘（装有两件完全加工品）应被自动导向小车送到存储输送机械第二部分。在去毛刺、抛光后，经过检测和自动测量，若两件或一件或没有零件通过检测的话，则相应状态码分别变成3363或3364或3369。根据各托盘状态码的不同，可跟踪物料流情况。

5、事件驱动自动导向小车分配

在FMS环境下，生产出一个典型的零件可能需要经过多个工作单元，而许多零件在不同工作单元经常并行处理。自动导向小车执行不同工作单元间的物料运送任务。一旦运送任务完成，若有运送请求，自动导向小车就会执行下一个运送任务。否则，自动导向小车被置空并等待运送请求。分析了多台自动导向小车问题以及采用分析和模拟方法解决它们的策略,提出了Petri网方法对FMS环境下的自动导向小车建模。

本研究中，单台自动导向小车的分配问题在FMS运行中可被分成两类：一是在同一时间或自动导向小车上次行驶期间有大于或等于一个料站请求自动导向小车运送；二是当自动导向小车返回其原位时，无运送请求。在第二类情况下，虚拟自动导向小车被置空，自动导向小车在原位等待运送请求。在第一种情况下，需制定必要的规则以便使自动导向小车分辨优先权，先到优先权大的料站运送物料，以最大限度发挥FMS的效能。当工作单元1的输入缓冲器空了时或输出缓冲器满了时，或者工作单元2下料站请求时，自动导向小车以先到先做（first-come first-serve)原则，立即执行运送任务。若上述运送请求是同时收到的话，则工作单元1因其缓冲器容量小，具有更高优先权。这一事件驱动自动导向小车分配策略保证加工和装配过程可连续不断进行。

6结论

本文在对一具体FMS结构特点做了深入分析的基础上，阐述了设计和开发智能监测控制系统的几个关键问题，包括虚拟设备的定义和相互关系，物料跟踪方法和事件驱动的自动导向小车分配策略。所开发的监控系统已用于某FMS中，近两年来取得了良好的运行效果。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/5/2006)


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