制造单元控制系统的建模

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1　引言
　　敏捷制造是为了使制造企业快速响应市场的变化而提出的一个新的生产模式，它要求制造系统具有敏捷性，能够动态重构，以适应不同产品生产的需要。以单元为基础的基本生产单位，可根据市场需求迅速重组一个新的生产制造系统。因而，制造单元的可重构性是关键。制造单元由加工设备、输送设备、计算机硬件等物理设备组成，制造单元的重构是物理设备的重新组合。虽然可以把机床、机器人和计算机等物理设备作为积木块，搭成一个制造系统，但控制这些设备的软件必须专门开发。实施敏捷制造，敏捷性的概念影响到单元控制系统，制造单元重构时，要求敏捷制造单元控制系统必须能被快速有效地生产或修改。为了满足这种要求，单元控制软件应具有模块性和可重用性，在设计阶段建立的单元控制模型是关键。本文讨论敏捷制造单元控制模型的建立，提出了基于制造资源模型的系统控制模型。
　　Petri网具有图形表示和数学分析控制逻辑的特性，广泛应用于制造自动化系统的建模。面向对象的技术为制造系统的物理对象与软件中的对象之间提供了自然一对一的联系。用面向对象的方法与Petri网相结合的方法来表示资源的控制模型，建立OPN模型，容易实现模型到控制软件之间的转化。
6 R8 H/ w9 g* m+ I2　单元控制模型
' `  ]9 v1 }7 d) b) s& `- I  T　　按面向对象的分析方法，制造系统是由制造实体对象、信息对象和控制对象等三类对象组成的［1］。制造实体对象用以描述各类设备；信息对象用以描述控制系统用到的各类静态和动态信息，这些信息常放于数据库中；控制对象执行系统的各类控制任务如调度、诊断和控制等。面向对象的技术为制造系统的物理对象与软件中的对象之间提供了自然一对一的联系。用面向对象的方法设计控制器，控制器中与物理资源相对应的对象我们称为虚拟资源(VE)对象，如图1所示为单元控制模型。控制器中各对象之间有一个客户/服务关系，通过消息传递互相完成控制活动。上层控制(SC)对象决定做什么并给底层的VE对象执行任务的命令，SC要执行控制器的计划、调度和控制功能，还包括优化和死锁处理。该单元控制模型的特点是：(1)易理解性。因为控制系统的结构类似于系统的物理结构，制造系统的物理对象与软件中的对象之间形成了自然一对一的联系；(2)柔性。因为对象能被替换、重新编程和分别增加到系统中，不会使控制系统发生大的变化，控制系统的柔性将增加；(3)简单性。在递阶控制模式下，上级控制对象的设计将被明显地简化，因为仅仅是考虑一个复杂的任务(运输和装一个零件)，而不是考虑所有的子任务(运行机器人程序、夹紧装置等等)；(4)重用性。控制器将有适合重用的组件并且组件的设计也简单。

图1　单元控制模型
; G  h5 o1 m9 y3 h3　虚拟资源
　　虚拟资源对象执行制造资源的专门任务和记录制造资源的当前状态。根据虚拟资源控制的物理资源的类型，虚拟资源分成如下三类：
$ \6 G3 i$ W3 O+ V　　加工设备：它们能使产品性能发生物理变化和逻辑变化，例：CNC机床(物理变化)和测量工作站(逻辑变化)。
　　储存设备：它们仅能储存产品，不能改变产品的特性，例：局部缓冲器和储存系统。
　　运输设备：在加工设备和储存设备之间运输产品，例：AGV，机器人和运输装置。
　　在控制器各对象之间，传送的是高层消息，但在每个虚拟资源和它代表的物理设备之间，使用专用的消息协议。为了简化虚拟资源的实现，将虚拟资源分成两个部分，即通用部分和专用部分，见图1b，通用部分给出了资源的抽象描述，根据资源状态建模或利用Petri网建模；专用部分实现通用部分承担的高层功能，因而，上层控制对象为所有的虚拟资源提供了同一的消息界面。
　　虚拟资源的通用部分的主要功能是记录外部资源的当前状态，以及向控制器中其它对象发送消息和接受其它对象的消息。由于通用部分仅能处理高层消息和外部资源仅能处理物理装置拥有的协议，因而，消息不得不被转化，虚拟资源的专用部分的主要功能是转化发向物理设备的消息和来自物理设备的消息。此外，当物理装置缺乏通用部分约定的功能特性时，这个功能特性由虚拟资源的专用部分实现。
　　我们提出的高层消息协议的概念非常类似于制造消息规范(MMS)的国际标准［2］，但又有些不同。第一，MMS简化了控制器和设备之间的通信，但它不支持控制器中各对象之间基于消息的通信，因而MMS缺乏用于协调控制器各对象之间的有效服务。在高层消息协议中包含了所需的协调控制器各对象之间的服务，但是，能够利用MMS实现高层消息协议，例如：使用MMS的写变量服务。第二，MMS标准中包含了虚拟制造装置(VMD)的概念，它的作用类似于虚拟资源的通用部分的作用，它既提供了一个通用的和抽象的性能模型，也对所有物理设备提供了统一的接口，它与专门功能和通信能力无关。但VMD仅给出一个接口，没有我们所需的高层服务，VMD中的设备状态与虚拟资源的设备状态不同，VMD的状态信息仅给出与其它设备通信是否可能的信息，而在虚拟资源中要给出有关设备更详细的状态信息，例如：夹紧装置是处于夹紧或松开状态，设备是否正在加工零件等状态信息。
4　资源模型
　　为了设计和实现虚拟资源的通用部分，建立通用资源模型，该模型描述某类资源(见图1b)具有的共同属性。为了增加柔性和标准化，快速开发单元控制系统，将创建通用资源模型库(见图1c)。通用资源模型包含信息模型和控制模型，其中信息模型包含资源描述信息、资源状态信息、错误处理信息、约束信息和加工能力信息等。控制模型表示资源的动态特性和控制逻辑，用面向对象的Petri网来表示，即OPN模型，这样容易实现模型到控制软件之间的转化。由于同一类的资源具有相同的特性和相同的控制接口，因此可以用同样的方法建模。建立通用资源模型库的第一步是对国内外现有的制造单元的常见资源进行分析，总结它们的性能，形成一个较为通用的资源模型。
4.1　信息模型
7 A) B( g- `; V9 x- S4 m- B6 |% f　　对每个制造资源，控制系统需要用信息模型来表示，主要有下列信息：
　　描述资源信息　定义每个资源的特性。该信息是静态的。
3 w# t6 a* h2 l3 _　　资源状态信息　描述资源当前状态(当前夹具、当前可能的刀具、当前产品或零件、当前已装的程序、错误码和操作码)的动态信息。该信息由控制系统检索和更新。
8 Q& B: ^7 ?# d- u- X　　资源处理错误信息　描述在所给的错误状态下完成的动作的信息。
* g; z: B' I- N3 K! a5 i　　资源能力信息　描述资源能够完成哪些操作的信息。该信息分成静态部分和动态部分，静态部分描述资源固有的能力，动态部分描述当前的能力。
% A$ a0 ~9 J: ?. N2 ~8 T) C　　资源约束信息　资源执行的约束，如：假设产品在两台机床之间只能向一个方向流动。
4.2　控制模型
　　控制模型表示虚拟资源的不同的状态(动作)和迁移事件(消息)，用面向对象的petri网来表示，即OPN模型。Petri网是研究离散事件动态系统的有力工具，它是由位和迁移这两种节点构成的有向图，能够清晰地描述资源在制造系统中间的相互转换及转换发生的条件。制造系统的建模、仿真、调度及控制常常用到Petri网，但此时的Petri网模型涉及到系统中的所有设备，为了建立虚拟资源的控制模型，需要对系统Petri网模型进行分解。首先，Petri网中只涉及到某一种资源的位和迁移的部分被标识为该资源的Petri网块；然后，找出位于这种Petri网块边缘涉及到其他资源所对应的位的迁移，用信息位代替其他资源所对应的位来表示这种迁移发生的条件或是它引起的结果。我们可以分别建立虚拟资源的Petri网模型，加工机床虚拟资源的通用模型用Petri网描述，如图2所示。这种模型向虚拟资源对象软件的转换规则如下：
/ C% l! k( s, D3 q9 p5 B0 l0 r. m
$ Z6 Y& q+ w* ZT11:机床开始初始化
) S# S0 I* v( O" L$ t. j5 yT12:机床完成初始化
+ T# m: x$ T% |1 k% p( [T13:机床开始加工零件
T14:机床开始卸零件
T15:机床完成卸载
T16:机床检测到故障
" ~8 S; k* G4 s+ i  w: zT17:机床修理完毕
P11:机床空并可用
+ Q' h7 N% }# ?! q; h3 ~, f" p! jP12:机床正在初始化
P13:机床正在等待装截
P14:机床正在加工
* s4 |! l, v/ d# m2 t, {* l2 d4 ]P15:机床正在进行卸载
& n) C  S; j* IP16:故障并在修理
' U/ \, P: R% D& HMP11:请求初始化消息
MP14:零件从机床上卸下
1 i" G; I; b3 l5 N$ l8 rMP13:零件装进机床
3 ]8 U6 ^# F) j& U  v□迁移　 信息位　○状态位　 信息流　 物流
图2　加工资源的通用模型
' ?( E! e: x* A9 ]8 T* W　　Petri网中的状态位代表某种资源的状态，表示虚拟资源的属性。图2所示的Petri网模型中的位P11、P12、P13、P14、P15、P16可分别转换为虚拟资源所具有的空闲、初始化、等待装载、正在加工、正在卸载和修理等状态属性；
　　Petri网中的迁移转换为虚拟资源所具有的操作。图2所示的Petri网模型中的迁移T11、T13、T14可转换为初始化(Setup())、加工(Process())、卸零件(Unload())等加工设备虚拟资源的操作；
　　Petri网中的信息位可转换为虚拟资源发出或收到的消息，图2所示的Petri网中的信息位MP11转化为外来控制对象发送该加工设备虚拟资源的一种消息，该消息在设备状态为空闲的时候触发Setup操作的执行，MP12、MP14是由load和unload操作执行时发送给运输设备虚拟资源要求装卸工件的消息，MP13是运输设备虚拟资源发送加工设备虚拟资源表示装卸完毕的消息。
5　结束语
　　基于面向对象的分析方法，本文提出了制造单元控制模型，由上层控制对象与表示物理资源的虚拟资源对象组成，控制器中各对象之间采用基于消息的通信。该控制结构可作为单元控制的参考模型，根据这种参考模型和组成单元系统的物理资源类型，可以快速设计出满足特定应用要求的专用控制结构。为了实现虚拟资源的通用部分，建立了资源Petri网，确定了转换规则。进一步要做的工作是建立虚拟资源的通用模型库，为实现高柔性和可重用性的控制软件提供有力支撑。
文章关键词： 机床