板材FMS的修正分层控制结构研究

摘要：研究板材柔性制造系统(FMS)控制系统结构。在比较了几种典型控制系统结构之后，采用修正分层结构作为板材FMS的控制系统框架；文章详细研究了板材FMS的物理组成以及修正分层控制系统结构形式及其实现方式。
关键词：板材；柔性制造系统(FMS)；修正分层控制结构

1、前言

板材加工是机械工业的重要组成部分，在家电、通信及电力等行业中具有重要作用。板材产品的生产批量往往较大，市场竞争的加剧使得产品更新速度大大加快。这就要求板材产品制造厂商具有快速应变能力。板材柔性制造系统(FMS)及柔性制造单元(FMC)具有高度柔性和自动化的加工能力，适应了产品快速变化的要求。1979年，日本研制成功世界上第一条板材加工FMS。目前，板材FMS基本为国外产品所垄断。

80年代以后，通过自主开发和引进技术，我国的数控冲床、数控剪床及数控折弯机等数控加工设备已形成规模生产。但就板材加工的总体技术水平而言，与工业发达国家仍存在着相当差距。在国产数控板材加工设备基础上进行集成，开发国产化、批量化生产的板材FMS，可以充分利用资源，降低成本，并在板材FMS单元设计、系统集成以及运行管理等技术上取得突破，从而提高我国板材加工装备的整体水平。

本文研究板材FMS的控制系统结构，提出以修正分层作为板材FMS的控制系统框架。

2、典型的车间级生产控制系统结构

FMS是以数控技术为核心，并与计算机技术、通信技术及数据库管理技术相结合的先进制造技术。它适合于多品种、中小批量零件族的生产，处于集成制造环境中的车间级层次。 应用最为广泛的车间级生产控制方式有集中控制结构(centralized control form)和分层控制结构(hierarchical control form)。

集中控制结构(图1)使用单一的处理器控制整个车间的生产活动。当系统规模较大时，控制系统的任务将显著加重；并且系统的局部故障或配置的改变，将影响到整个系统的运行。因此，这种控制结构的柔性差、效率低，不适合作为FMS的控制结构。

图1车间级的集中控制结构

随着计算机、网络和数据库技术的发展，人们提出了分层控制结构(图2)。在分层控制系统中，车间级控制系统负责控制、协调和管理各单元控制器的加工或运储活动，完成车间级作业计划；单元控制器负责各自单元内的作业调度及异常现象的处理；设备控制器负责接收单元控制器的指令，并控制设备完成相应的加工或物料运储活动，同时将设备状态实时反馈给单元控制器。

图2车间级的正规分层控制结构

与集中控制方式相比，分层控制系统结构具有以下优点：

(1)能降低控制系统的复杂性。板材FMS是复杂的离散事件动态系统，具有并发、冲突等诸多特征。分层控制结构可以将相互关联的复杂生产控制问题分解成容易解决的子问题进行求解。

(2)能够区分企业的长期、中期及短期计划。计划的合理分层，可以有条不紊地安排企业的生产活动。

(3)能够提高系统的稳定性和可控制性。分层控制可以在相应的层内解决问题而无需在更高分层上变更计划，从而提高了生产计划及控制决策的稳定性，减少了系统中的信息流量。

早期的分层控制结构中各单元控制器之间缺少相互通信；当系统规模较大时，车间级控制单元的任务过于繁重。因此，这种结构也不适合作为复杂车间及FMS的控制结构。为此，人们对正规分层控制结构作出各种改进，以提高控制系统的性能。修正分层控制结构(modified hierarchical control form)就是其中的一种改进形式。

与正规分层控制系统相比，修正分层控制系统(图3)加强了单元级节点间的通信协调能力， 提高了系统的自治性能，简化了控制系统的设计。单元内的对象(如：机床、运储设备等)与单元控制器通信，完成相应的任务；单元控制器接受车间级控制系统的指令，完成单元内设备的协调调度，向车间级控制系统报告单元状态及任务完成情况，并与同级的单元控制器之间进行必要的协调。在修正的分层控制结构中，单元控制器与其它对象之间有以下可能有三种相互作用：

(1)与车间级控制系统之间通信；
(2)与单元内设备之间的通信；
(3)与相关同级单元控制器之间的通信。

图3车间级的修正分层控制结构

3、板材FMS的修正分层控制结构分析

攻关项目的目标是以国产数控冲床、数控剪床及数控折弯机为基础，配以自动化的物料运储设备及计算机控制与管理系统，开发完全国产化和批量化的板材FMS。其基本物理布局如图4所示。

1.冲孔单元控制器2.剪切单元控制器3.仓库单元控制器
图4板材FMS物理布局示意图

该FMS系统运行的基本流程是：根据定单，在CAD/CAM编程计算机上用板材加工编程软件(如：Tecksoft®)进行绘图及排样(nesting)，编制相应的NC程序；计划与管理服务器负责作业计划的编制和系统数据管理，并向调度与监控计算机发送作业计划；调度与监控计算机根据各单元的运行状况完成系统的动态调度和实时监控，并向服务器报告计划的完成情况；各单元控制器接受调度与监控计算机发出的指令，控制单元内的设备完成指定的加工及运输活动，并向调度与监控计算机反馈设备状态及任务完成情况。

在板材FMS 控制系统设计中，我们采用修正分层控制结构(图5)。基于单元化和模块化思想，将FMS系统划分为中央控制单元、冲孔单元、剪切单元和仓库单元等四个单元。在解决单元技术和集成技术的基础上，根据用户需求和经济条件，可以将系统配置成：

(1)以冲孔单元为基础的板材FMC；
(2)具有多个冲孔单元及剪切单元的板材FMS；
(3)包括冲孔单元、剪切单元和折弯单元的功能完善的板材FMS。

图5板材FMS的修正分层控制结构示意图

中央控制单元属于车间级控制系统，是板材FMS控制系统的核心。它由计划与管理服务器、CAD/CAM编程计算机以及调度与监控计算机等共同组成。主要功能包括：NC程序的编制及管理、生产计划的制定及管理、库存管理、系统的调度与监控以及FMS系统的数据管理等。

冲孔、剪切及仓库等三个单元属于单元级。冲孔单元由冲床、上下料设备及冲孔单元控制器等组成，完成与冲孔作业相关的加工活动；冲孔单元是构成板材FMS的基础，冲孔单元中关键设备和技术的解决将为板材FMS集成创造条件。剪切单元由直角剪床、上下料设备、分检装置以及剪切单元控制器等组成，负责完成冲孔后的板材的剪切和分离工作；剪切单元控制器负责与中央控制单元的通信及对单元设备的控制，同时接受来自冲孔单元控制器的板材加工状态信息。对于冲孔后需要进行剪切的板材，剪切单元控制器将调度剪切单元内的设备完成相应的加工动作。仓库单元由立体仓库、堆垛机及出入库站台组成，负责完成原材料及成品的进出库操作。

在板材FMS的某些特定运行状况下，三个单元级的单元之间存在着需要相互协调的问题。例如：冲孔单元开始加工时的出库上料过程及冲孔加工任务完成后的退料入库过程，均涉及到仓库单元的堆垛机及冲孔单元的上料小车之间的协调问题。由于中央控制单元任务繁多、控制状态复杂，若采用正规分层控制结构，由中央控制单元来完成协调工作，将给控制软件的设计及PLC编程带来很大困难。采用修正分层控制结构后， 这些过程的完成无须中央控制系统进行协调， 而由两个单元控制器之间直接完成相应信息的传递。如：退料入库过程，当载有托盘的上料小车行驶到入库位置时，行程开关同时向仓库单元控制器和冲孔单元控制器发出触发信号。冲孔单元控制器接到此信号，表示该单元已完成退料入库的动作，可以进行复位等后续动作；仓库单元控制器接收到相应的信号后，向堆垛机发出入库指令，完成托盘的入库动作。另外，在冲孔单元与剪切单元、剪切单元与仓库单元之间也存在着单元之间的协调问题。限于篇幅，不再逐一进行赘述。

单元之间良好的信息沟通保证了FMS系统的高效运行。实际上，修正分层控制结构是通过控制系统软件、PLC及行程开关等软硬件共同实现的。它简化了控制系统的设计，提高了系统的效率。

4、结论

(1)本文研究板材FMS控制系统结构。文中提出采用修正分层结构作为板材FMS控制系统的结构形式。采用修正分层结构可以简化控制系统设计，降低控制系统的复杂性。
(2)90年代初，国内曾在进口主机的基础上研制成功过两条板材FMS，但没有形成批量生产，大量的板材FMS仍依赖进口。本攻关项目是为了在国产数控冲床、剪床及折弯机的基础上集成，开发国产化和批量生产的板材FMS。
(3)结合攻关项目及客户要求，以国产数控冲床为基础，配以物料运储系统和计算机管理控制系统的板材冲孔柔性加工单元(FMC)，已进入实施阶段。在板材FMC控制系统设计中，采用了修正分层控制结构，表明该控制结构具有可实现性。板材FMC设计过程中，对单元技术和集成方法的研究及相关设备的研制将为板材FMS的国产化和批量化生产创造坚实的条件。