齿轮加工生产线监控管理系统总体结构及仿真分析研究修.docx
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齿轮加工生产线监控管理系统总体结构及仿真分析研究修
齿轮加工生产线监控管理系统总体结构及仿
真分析研究
⑧
重庆大学硕士学位论文
学术学位
学生姓名:
彭斌
指导教师:
刘
飞教授
专业:
机械制造及其自动化
学科门类:
工学
重庆大学机械工程学院
二一二年五月?
?
\删
⑧
’
.
:
中文摘要
摘要
推进制造业信息化是《国家中长期科学和技术发展规划纲要年》
确定的制造业发展重点方向,是提升我国制造业自主创新能力、实现产业结构转
型升级和跨越发展的重要技术支撑,是落实“以信息化带动工业化,以工业化促进
信息化”战略的重大举措。
目前,将信息化从企业设计层和管理层向车间设备层延
伸,利用制造执行系统提升企业生产车间及其生产线的管理水平和制造过程能力,
已成为当前制造业信息化领域的一个研究热点。
论文以国家科技重大专项课题?
中拟开发的条国产轿车
变速箱齿轮加工生产线为依托,对齿轮加工生产线监控管理系统的总体结构展开
了研究,旨在解决传统生产线生产管理中的手工记帐、生产信息不透明、管理不
科学等一系列问题;在此基础上对齿轮加工生产线的加工过程进行了仿真分析,
为生产管理提供决策支持。
首先,分析国内外制造执行系统以及我国传统的机械加工生产线监控管理的研
究现状,接着对齿轮加工生产线的生产特点与生产管理现状进行了阐述,并在此
基础上提出了齿轮加工生产线的监控管理需求。
然后,对齿轮加工生产线监控管理系统的总体结构进行了研究,建立了齿轮加
工生产线监控管理系统的体系结构、功能体系与网络结构;其中功能体系以生产
任务为主线,包括基础数据管理、监控基础设置、生产任务管理、监控过程管理、
动态监控、统计分析、综合信息查询、系统管理等八大功能模块。
然后根据车间
现场加工的特点,对硬件系统进行了研究以及硬件核心部件生产线服务器的独立
设计,最后对软件系统进行了相应的开发。
然后,在此基础上对利用广义随机网对齿轮加工生产线的加工过程进行
了仿真分析,并就设备故障、刀具寿命、质量异常等复杂因素与齿轮加工生产线
性能间的关系进行了定量分析,为生产管理提供决策支持。
将以上研究成果应用于国家科技重大专项子课题项目号:
?
的开发中,并作为主研人员之一开发出了我国第一条“齿轮
自动生产线的网络化现场管理与智能监控系统”,可实现齿轮生产线图纸
工艺及生产任务动态下达、生产进度信息采集与任务监控、加工质量动态监控、
生产线设备运行状态监控故障或正常状态、换刀监控、生产状况分析、包括设
备利用率统计、生产效率统计、废品率统计等系列功能;该系统已在重庆蓝黛实
业有限公司制齿车间应用到生产实践,取得了较好的效果。
关键词:
齿轮加工生产线,监控管理,仿真分析,制造执行系统,生产进度英文摘要?
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重庆大学硕士学位论文,,.?
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目录
目录
中文摘要..
英文摘要
绪论?
?
.
.论文的选题背景
.国内外相关研究现状综述..国内外制造执行系统的研究现状.
..生产线建模仿真的研究现状.论文的研究的目的意义及课题来源?
..论文的研究目的意义..论文的课题来源?
.论文研究内容的安排?
齿轮加工生产线的概述.齿轮加工生产线的介绍?
?
.
.齿轮加工生产线生产管理的特点与现状?
.
.需求分析?
?
.
.本章小结?
?
.
齿轮加工生产线监控管理系统总体结构研究?
.齿轮加工生产线监控管理系统的体系结构.
.齿轮加工生产线监控管理系统的功能体系.
..基础数据管理?
..
..监控基础设置?
一
..生产任务管理?
一
..动态监控管理?
..
..监控过程管理?
..
..统计分析一
..综合信息查询?
..
..系统管理..
.齿轮加工生产线监控管理系统的网络结构研究?
.
..典型的网络结构分析?
一
..基于以太网与相结合的网络结构?
?
.
.齿轮加工生产线监控管理系统的硬件系统研究?
.
重庆大学硕士学位论文
..硬件系统的总体设计..齿轮加工生产线服务器的设计?
.齿轮加工生产线监控管理系统的软件系统研究?
..
..软件系统的构建原则..软件系统的架构?
.系统的数据库设计
..系统的软件运行环境.本章小结?
?
一
基于建模的齿轮加工生产线生产过程复杂因素分析?
.概述?
..
.齿轮加工生产线的广义随机网建模一
..广义随机网建模方法?
?
.
..齿轮加工生产线的建模?
.实例分析?
?
~
..实例概述?
..性能分析?
.本章小结?
?
..
齿轮加工生产线监控管理系统的实施与应用?
.
.应用企业介绍一
.齿轮加工生产线监控管理软件系统简介?
..
.齿轮加工生产线监控管理系统的实施和应用情况..
.本章小结?
?
..
结论?
?
..
致谢
参考文献
附录
.作者在攻读硕士学位期间发表的论文
.作者在攻读硕士学位期间从事的主要科研工作.作者在攻读硕士学位期间所获奖励?
绪论
绪论
.论文的选题背景
制造业是我国国民经济重要的支柱产业,在第二产业中占据中心地位。
伴随
中国加入和经济全球化,中国正在成为世界制造业的中心。
推进制造业信
息化是《国家中长期科学和技术发展规划纲要?
年》确定的制造业
发展重点方向,是提升我国制造业自主创新能力、实现产业结构转型升级和跨越
发展的重要技术支撑,是落实“以信息化带动工业化,以工业化促进信息化”战略的
重大举措【
。
用信息技术改造传统产业,是通过建立起自动化系统,不断提高研究
开发、生产、经营、管理、决策、营销的效率和水平,进而提高企业经济效益和
企业竞争力的过程。
在这种新的生产方式中,技术、信息及人力资本在提高竞争
力方面起着决定性的作用,尤其是信息技术为制造业发展提供了新的动力,它使
信息的采集、加工和传递可以在瞬间完成,为降低成本、提高生产力、提高质量
和效率提供了可能。
一个制造企业的信息化可分三个阶段,即产品设计与制造的数字化、企业资
源整合与集成、企业信息化集成。
而企业信息化集成是将企业的产品研发与制造、
企业资源计划的各个环节通过网络实现无逢对接;使企业各个环节的信息化工作
实现广度、深度、流程、关联度上的综合性集成【。
这种综合性集成也可以说由原
来的层工厂层、车间层、单元层、工作站层、设备层变成了由计划层、
制造执行系统和过程控制系统构成的层结构,如图.所示。
上层是建立在信息技术基础之上,是为企业决策层以及员工提供决策运行手
段的管理平台,湖泽生产计划的制定、库存控制和财务管理,侧重于优化企业生
产组织、生产管理、经营决策等;中间部分为系统,目标是实现生产综合综
合指标的优化,包括优化运行、优化控制及优化管理,其承上启下、下载上传、
运筹调度的中枢作用,作为基础数据处理平台,具有生产调度,物料跟踪、生产
过程资源配置管理、质量管理、流程模拟以及生产过程系统数据采集、模型计算
及过程优化等功能;最底层能有效地对生产工艺过程进行高精度的控制,包
括过程控制、仪表控制、电气控制和执行机构包括各种信号转换、驱动控制设
备,确保产品在质量、成本、交货期等方面具有强大的竞争力,其主要功能是完
成设备对工艺过程的控制?
。
重庆大学硕士学位论文
、
/
/
¨划厶
阁.生产管理三层结构模型
.但在实际应用中,大部分企业却很难做到以上要求。
究其原因,主要有以下
几个方面?
:
①虽然已经非常成熟,但它属于企业管理的上层,几乎不涉及车间内部
具体生产活动的管理如生产单元间的资源调配、计划执行、生产监督等。
企业
生产管理软件和制造单位控制软件之间不能有效集成,上层软件系统精确的
生产数据不能从生产车间得到支持,而制造控制单元又常常不能及时得到指令来
调整工作状态,形成了上层信息不能直接传输到生产和设备控制系统的局面。
而
制造控制单元的制造信息也不能及时准确地上传到。
造成了我国制造业信息
化工程主要集中在设计信息化和企业管理信息化等企业的中上层面。
②现在大多数企业制造车间的生产管理和技术信息是通过工单任务书、
图纸、工艺路、质量检验规程、检验纪录、质量控制卡、点检纪录等纸质文档进
行传递,采用“手工上报”等方式与企业管理与设计层进行信息的沟通,存在加工进
度信息实时性差、容易出差错、浪费人力资源等问题。
企业的底层即车间层特别
是机械制造等离散企业的作业车间信息化相对较弱,影响了企业信息化应有的效
益。
③我国装备制造业的发展目前还处于部分依赖进口设备的阶段,很多企业所
使用的设备都是在信息化时代之前采购的,设备投入使用的时间很长。
同时,由于
国外设备供应商提供上班升级服务的价格昂贵,国内又缺少源代码等技术资料,
所以国内厂家很难对进口设备进行二次开发等方面的原因,很多现代化的技术无
法在这些设备上无法实现,如网络化等,这一切都成为企业提高生产能力的瓶颈。
目前,将信息化从企业设计层和管理层向车间设备层延伸,利用制造执行系
统提升企业生产车间的管理水平和制造过程能力等,已成为当前制造业信息化领
域的一个研究热点与难点。
本课题以国家科技重大专项项目号:
.中拟开发的条国产轿车变速箱齿轮生产线为依托,对
齿轮加工生产线监控管理系统的总体结构展开了研究,旨在解决××公司生产管理
中的手工记帐、生产信息不透明、管理不科学等一系列问题。
在此基础上对齿轮绪论
加工生产线的加工过程进行了仿真分析,为生产管理提供决策支持。
.国内外相关研究现状综述
..国内外制造执行系统的研究现状
伴随企业信息化的不断提高,制造执行系统的重要性显的越来越明显,但在
:
其发展过程中,由于各种原因企业信息系统长期存在以下问题【
①信,皂、孤岛。
在年代,离散制造车间内出现了数据采集、工艺管理、质
量管理、生产调度、过程监控等相互独立的系统,这些系统之间相互独立、缺乏
数据共享,从而导致功能重叠、数据矛盾等一系列问题。
信息孤岛造成了车间制
造信息在水平方向的阻断,所带来的问题严重地制约着车间内各种系统间的协调,
阻碍了系统的发展,降低了制造领域信息化的整体作用。
②信息断层。
随着市场竞争的加剧,上层计划管理系统受市场影响越来越大,
计划的适应性问题愈来愈突出。
企业的决策者逐渐认识到计划的制定和执行受市
场需求和生产执行状况的影响越来越严重。
由于企业级的业务管理系统无法得到
及时准确的生产实际信息,无法把握生产现场的真实情况,使得上层制定的计划
准确性和可行性难以得到保证。
同时,由于生产现场人员与设备得不到切实可行
的生产计划与指示,使得生产执行系统失去了应有的作用。
一方面造成在制品库
存量过多,使车间管理出现混乱以及资金占用过多,延误交货期;另一方面由于
设备空闲,造成资源浪费。
为了解决制造企业中存在的信息孤岛和信息断层问题,年,美国的调查
咨询公司首次提出制造执行系统
的概念,并将定位于重点解决生
产执行层的生产管理问题,定义为“位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之
间的面向车间层的管理信息系统”,集成了车间中生产调度、工艺管理、质
量管理、设备维护、过程控制等相互独立的系统,使这些系统之间的数据实现完
全共享,完全解决了信息孤岛状态下的数据重叠和数据矛盾的问题。
同时,系
统收集生产过程中大量的实时数据,对实时事件实现及时处理;同计划层和生产
控制层保持双向通信,从上下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产指令¨。
目前,还没有一个统一的定义,具有代表性的定义主要有两个:
国
际联合会的定义和美国国家标准技术局的定义。
认为是能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过
程进行优化管理。
当工厂发生实时事件时,能对此及时做出反应、报告,并
用当前的准确数据对他们进行指导处理。
这种对状态变化的迅速响应使能
够减少企业内部没有附加值的活动,有效地指导工厂的生产运作过程,从而使其重庆大学硕士学位论文
既能够提高工厂及时交货能力,改善物料的流通性能,又能提高生产回报率。
且
能通过双向的直接通信在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键
任务信息‘。
在的定义中强调了以下三点:
是对整个车间制造过程的优
化,而不是单一的解决某个生产瓶颈;必须提供实时收集生产过程中数据
的功能,并做出相应的分析和处理;需要与计划层和控制层进行信息交互,
通过企业的连续信息流来实现企业信息全集成。
对的定义为:
制造执行系统是一套硬件或软件组件,这些组件能
够使人们对从生产命令下发到产品完成的生产活动进行管理和优化。
通过维护实
时精确的数据,当有生产活动发生时,制造执行系统能够指导、开始、响应并报
告这些活动。
制造执行系统在整个企业范围内向决策支持处理系统提供有关生产
活动的关键任务信息。
从以上定义可以看出,上述两种定义同时强调对实时生产数据的收集、
反馈和分析控制的重视。
由此,我们可以看出的本质是面向制造过程的集成
化车间生产管理与控制系统,它位于层和控制层之间,起到了桥梁的作用并
缩小了和控制层之间的鸿沟。
系统使用来自系统计划工作派遣单
和来自车间层的资源状态信息制定短期的制造计划,并分发工作单或加工指令到
车间层进行加工。
在加工过程中,控制层向系统提供各种状态信息;系
统则根据这些信息对在制品进行跟踪、控过程,并根据车间层发生的
事件做出实时响应。
同时,系统可以查询定单状态、状态和其它性能数
。
据以便做出符合实际的预测和决策【
在国外尤其是美国和日本得到了广泛而深入的研究和应用。
日本的制造
科学与技术中心受日本信息技术促进局委托在电子商业公共基础设施建设项目
提出了
。
】。
其规范由电子元件制造过程抽象而来,为了实现框架的
框架规范
平台无关性,采用了技术。
该框架的文档主要是给那些想独立开发应用
项目的组织提供一个易于理解的概念性的框架。
.和.
?
提出了一种基于的合作制造执行系统一?
研究虚拟工厂环境下.体系结构及信息框架,并在一个面向订单的电子器件
制造工厂中验证了该系统【引。
..和.在建立柔性制造系统的
功能模型基础上,提出了一种环境下管理制造执行系统的二层框架体
系结构。
系统由.和?
组成,其中?
负责车间层管理,
?
负责生产线的管理与控制,最后将该系统运用到冲压模和零件加
工的生产线管理中
。
土耳其中东技术大学制造工程系集成制造研究组的
绪论
技术实现了一个分布式的
和等采用
原型系统,但系统的可移植性和所包括的功能都很有限,主要是从实现技术
上进行了较深入的研究。
目前国际上比较知名的产品包括公
、、
司的公司的
公司的、公司的、
、公司的公司的
、公司的、公司的?
以及的等。
国内对的研究起步较晚,但国内很多高校和研究院所如台湾成功大学、
华中理工大学、南京航空航天大学、北京航空航天大学、大连理工大学、浙江大
学、重庆大学等单位也相继在国家计划的资助下进行了的研究与实践探
索,在理论研究方面加入了并行、敏捷、网络化、可重构等一些先进思想;在系
统设计方面则采用面向对象、构件、代理等技术,在信息交互方面更加注重与车
间现场作业人员之间的交互。
国内的研究亦取得了不少有益的成果。
如:
台湾成功
大学制造工程研究所的郑芳田教授应用面向对象技术与规范开发了一个
集成的框架【’,并自行开发了与硬件相关的软件系统来集成各种独立的自
动化设备,如无轨小车、自动仓储系统/、机械臂以及仿真设备
等,使其成为一个适用于半导体制造的集成制造自动化实验工厂。
华中理工大学
饶运清教授等人认为是实现车间生产管理敏捷化的基本技术手段,指出敏捷
化、智能化和集成化是技术与系统的重要发展趋势,并采用分布式人工智
能中的?
理论与方法以及基于
公共对象请求代理体系结构的分布式对象技术研究
敏捷化智能框架模型,设计了的统一结构形式以及各之间的
协作机制,并开发了相应的原型系统圆等;南京航空航天大学杨浩教授
等以敏捷企业为背景,对智能制造执行系统进行了研究,采用多技术作为
系统的实现形式,对多系统的建模方法、系统的多组织结构、系统中
多间的通信和协作机制、基于多和遗传算法的分布式混合调度等理论
问题和关键技术进行了研究,建立了敏捷化智能的实施框架,采用技
术和平台设计了一个原型系统等。
北京航空航天大学张书亭教授等从
建立敏捷制造企业的车间生产管理系统出发,分析和论述了制造执行系统的功能
和应用特点,提出使用先进的思想和软件辅助建立敏捷车间系统,他们还构
建了基于的的框架结构以实现车间的柔性控制、增强车间的快速反应
能力;曾波教授等提出利用建立分布式的调度问题;周华教授等
基于全能体构造,阐述了在车间多变环境下,如何保证制造系统的伸重庆大学硕士学位论文
缩性和敏捷性等。
大连理工大学王万雷教授等针对制造执行系统生产计划滚动时
难以保证实时性的问题,提出了一种物料工艺状态建模技术:
基于结构和过程特
征识别的转换方法,建立转换的数据映射模型,并针对
的装配属性和自然属性的不同,制定了相应的转换规则,实现向的自动转换等。
浙江大学胡春教授等
在模型的基础上提出由计划执行与工厂管理、数据采集与处理两部分组成
的功能模型,并比较和分析了连续工业生产与离散工业生产对各模
块功能需求及模块间关系。
重庆大学刘飞教授等针对离散制造业应用
首先得实现设备层的
特点,指出离散制造企业需要实现与设备层的集成【
信息化,认为车间无纸化生产能够加速生产信息在各个生产环节的快速准确传递,
有助于车间生产活动更好的保持协调一致,对于提高车间制造系统的敏捷性和制
造执行能力具有重要作用,基于这一认识,设计了一种嵌入式智能信息交互终端
以改善当前大多数车间存在的管理层和设计层到车间层特别是车间设备层信息、交
互困难的问题。
等等【¨
整体来看,被纳入了国家科技规划,在科技部计划的大力支持下,流
程工业领域成为技术研究的突破口。
面向钢铁和石化两个典型流程制造行
业,开发完成了若干自主产权的系统,如上海宝信、中石化等。
目前已在钢铁、石化行业得到成功应用,应用所产生的效益也得到了
大家的一致认可。
在十五期间我国对离散制造业的进行了探索性研究,由航天厂、
西安飞机公司、华中科技大学、西北工业大学、重庆大学等单位联合承担的国家
十五重大专项《数字化制造管理与执行关键技术研究及应用》针对汽车、航
空等典型离散行业进行了重点应用开发,取得了初步的成效如成飞等。
十五期间,国内的一些高校和软件公司针对典型离散行业进行的系统研发
和应用实践,形成了一些初步的解决方案,如:
华中科技大学开发的面向汽车行
业混流装配生产的系统,西北工业大学研发的面向航空行业多品种小批量
生产的系统,大连华铁海兴科技有限责任研发的天为系
统,以及重庆大学面向离散作业车间开发的支持装备集成运行的?
等。
总体来说,与西方发达国家相比,我国无论是在技术深度与应用广度
上都还存在比较大的差距,十二五期间,离散制造业仍是国家计划
研究和应用的重点。
..生产线建模仿真的研究现状
根据系统模型的特性分类,仿真分为离散事件系统仿真和连续系统仿真‘矧。
绪论
生产线制造系统是一种典型的离散制造系统。
离散事件系统所包含事件的发生在
时间和空间上都是离散的,它定义为一组实体的集合,为了达到某些目的,这些
元素以某种规则相互作用、相互关联而集合在一起。
例如生产制造系统由机器、
操作工、生产工位以及零部件等组成。
构成离散事件系统的三个基本要素是:
实体,活动和事件。
实体是系统运行
的基础,是指存在于系统中一段时间的临时实体或相对固定的永久实体。
对于生
产系统而言,实体是指生产系统中各种固定的生产设备、资源、或在各个工位间
流动的加工工件等。
活动则是系统中各个设备、资源的行为。
当事件发生时引起
系统状态的改变,即引起活动的开始或结束。
对于离散事件系统,系统的状态的变化是随机的,一种状态可以向多种状态
进行转变,它们之间很难用函数形式来描述内部状态的变化,只能通过统计方法
来掌握内部状态变化的规律。
同时,系统的内部状态变化也是在离散的时间上发
生变化,且状态在一段时间内是保持不变的。
因此,在建立离散事件模型时,只
需要考虑状态发生变化发生的时间点以及发生的原因,不用去描述状态发生变化
的过程。
在离散事件系统仿真中,其过程是产生处理这些状态发生变化的时间历程,
它是面向事件的,即事件的发生是由仿真时钟推进的。
离散事件系统的仿真就是
按照实际的工作流程,在规定时间内顺序地改变实体的状态。
所谓工作流程是指
实体在整个仿真过程中活动的顺序。
每发生一个事件,系统的状态就发生一次变
化,且在实际过程中、事件的发生是不连续的,发生的时间间隔也是不相等,而
是具有随机性的【引。
。
仿真是一种基于模型的活动,它的基本概念框架是:
“建模一实验一分析”【
生产线的建模依赖于制造系统的建模方法,而制造系统建模始于上世纪年代,
目前有许多数学方法,如排队论、数学规划、活动循环图法、网理论、扰动
分析法等被应用于制造系统的建模【。
其中排队论和扰动分析法对离散事件系统
的基本假设和抽象是一致的。
它们都将系统视为一系列的服务台,系统运行的过
程就是被服务对象流入和流出各个服务台的过程。
对系统的动态表达都采用事件
序列的方式,事件序列的生灭演变过程显示了系统中各项活动的发生结束情况:
与排队论和扰动分析法相比,数学规划的方法应用范围相对狭窄,因为它没有对
系统进行一般性的抽象。
利用数学规划建立系统的模型其实是一个整体寻优的过
程。
它提出系统的一个或多个目标函数,在系统约束的作用下,按照一定的寻优
方法寻求参数的最佳取值。
数学规划法的最大局限在于模型建立的灵活性大,没
有一个固定的方法。
并且对于很多复杂系统,建立满意的数学规划模型是很困难
的。
从计算机仿真角度来看,数学规划法建立系统模型不如排队论模型更容易转重庆大学硕士学位论文
化为仿真模型;排队论、扰动分析、数学规划都是系统的数学模型。
活动循环图
则是系统框架模型的典型代表【引。
它将系统抽象为若干活动的循环往复过程,以
图形方式将其直观的表示出来一圳。
框架模型和数学模型的根本目的是不同的,数
学模型在于反应系统的重要参数、解析系统行为、了解系统性能。
框架模型则是
为了明晰系统结构,了解系统要素相关性,是为系统仿真做准备的。
活动循环图
法最大的优点在于模型的运行规则适应性强,比较容易被转化为仿真模型;与以
上各种方法不同,网理论建立的是系统的网络化模型,它将系统定义为状态
的变迁过程,能够很好的分析系统的动态随机性。
近些年来,生产线的建模与仿真在领域得到了初步的运用,主要用于解决以
下问题:
①在生产线系统改造和重组方面:
通过建立生产系统的业务流程模型并仿真
分析,把各部分之间的关系和各种决策对系统造成的影响量化,为业务流程再造
方案的可行性验证提供必要的手段和依据【?
。
②在制造单元分析方面:
通过建立和运行实体仿真模型,能够验证设备布局、
数量、系统物流的合理性,验证关键资源的配置情况,核算关键资源的利用率备、
人,估测系统生产能力和生产周期,预测设备故障对生产系统的影响,为制造单
元方案确定提供依据【。
③在生产线系统仿真模型建立后,生产管理人员可以把对生产线系统的策略
调整比如质量管理策略、设备维修策略、人员调配策略、工艺路线调整、价格管
理策略、供应链库存管理策略作为输入,通过运行模型预先掌握决
升级会员 