【正文】 系統(tǒng)集成指南 企業(yè)生產(chǎn)特點分析與CIMS分類問題 東北大學控制仿真中心　徐心和教授 一、引言 CIMS——計算機集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufacturing System),10年前還是一個鮮為人知的英語詞組縮寫。10年來,在國家863計劃的推動下,CIMS已經(jīng)喚起越來越多的專家學者和工程技術人員的參與,引起越來越多的企業(yè)的關注,一批試點企業(yè)已經(jīng)取得可喜的成果和顯著的經(jīng)濟效益,一個CIMS推廣開發(fā)的熱潮正在各行各業(yè)悄然興起。準確地講,1974年約瑟夫哈林頓博士提出的CIM(計算機集成制造)是企業(yè)組織生產(chǎn)的先進哲理(philosophy)。他的基本觀點是: (1) 企業(yè)的多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)是不可分割的,需要統(tǒng)一考慮。 (2) 整個制造過程實質(zhì)上是信息采集、傳遞和加工處理的過程。 按照CIM哲理構成的企業(yè)生產(chǎn)與管理的自動化系統(tǒng)可稱之謂CIMS。顯然,由于生產(chǎn)企業(yè)的不同,CIMS不會具有統(tǒng)一的模式。 值得注意的是,目前出版的有關CIMS的圖書資料幾乎都屬于同一種模式,即CIMS由以下五大分系統(tǒng)組成: (1) 以MRPⅡ為核心的管理信息系統(tǒng)。 (2) 產(chǎn)品設計與制造工程設計自動化系統(tǒng)(CAD/CAPP/CAM)。 (3) 制造自動化或柔性制造系統(tǒng)(FMS)。 (4) 質(zhì)量保證系統(tǒng)。 (5) 計算機網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。 顯然,這種CIMS模式比較適合于離散型的機械制造型企業(yè)。 CIMS模式的這種局限性有其歷史原因和現(xiàn)實原因,從其被提出到實現(xiàn)這10多年時間里,CIMS主要集中在機械制造行業(yè),而我國863計劃的示范工廠也是集中在機制行業(yè)。這種局限性還有其行業(yè)上的原因,那就是機械制造行業(yè)比其它行業(yè)在信息集成方面要面臨更多的困難,即除了有面向管理的數(shù)據(jù)流外,還有面向幾何的數(shù)據(jù)流。幾何圖形的表示、存儲、轉(zhuǎn)換、控制和檢測等過程在設計、制造和管理之間造成了巨大的信息鴻溝,成為信息集成的難點。CIMS的中心議題是集成,其道理也在于此。 如今,CIMS已經(jīng)走向各個行業(yè),有人將企業(yè)粗略分為離散型、流程型和混合型。顯然,其相應的CIMS也將是不同的模式與類別。 二、CIMS分類的本質(zhì)要素 面對各種各樣的企業(yè)和形形色色的CIMS方案,目前還缺少一種科學簡明的分類方法。有人采用離散型、連續(xù)型(流程型)、混合型CIMS的分類方法,但除了使人認識到企業(yè)生產(chǎn)的區(qū)別外,很難感覺到CIMS的內(nèi)涵差別。 CIMS分類的本質(zhì)要素應是實現(xiàn)系統(tǒng)功能集成的技術難點所在,是影響CIMS發(fā)揮整體效益的技術關鍵所在。 前面談到,CIM是一種哲理。CIMS是在這一哲理指導下,通過物理集成、信息集成和功能集成,將企業(yè)的各種生產(chǎn)與經(jīng)營活動集成起來的一個高度自動化的整體。目的是將質(zhì)量好、成本低的產(chǎn)品適時地推向市場,從而獲得顯著的經(jīng)濟效益。 所謂物理集成,是要求各種自動化設備的合理配置與到位。信息集成則要求通過計算機網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)信息傳遞與共享,讓各種信息在各種控制、信息管理與決策中發(fā)揮其應有的作用。功能集成則是要將企業(yè)主要的生產(chǎn)經(jīng)營活動通過計算機協(xié)調(diào)實現(xiàn)。顯然功能集成是目的,而物理與信息集成是實現(xiàn)功能集成的基礎。 一般說來,如果企業(yè)具有一定的財力,實現(xiàn)物理集成與信息集成是不困難的,因為世界上各大計算機公司都在開發(fā)新產(chǎn)品和搶占各種市場。即使對于某些自動化孤島難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,那么,這種技術上的障礙也決非是企業(yè)本身可以逾越的。 企業(yè)面臨的最大困難是功能集成的實現(xiàn),也就是如何設計與開發(fā)適合本企業(yè)特點的應用系統(tǒng)。即使是世界著名的計算機公司也無法提供普遍適用的應用系統(tǒng)(而不是應用平臺),如果可以購得這樣的應用系統(tǒng)(主要是軟件系統(tǒng)),廠商的開價也將是難以接受的。 三、企業(yè)特點與CIMS分類 筆者從實現(xiàn)企業(yè)功能集成的難點與關鍵技術的角度,以很粗的線條勾劃出三類企業(yè)的特點,并提出三種類型的CIMS。 所謂離散型生產(chǎn)企業(yè)主要是指一大類機械加工企業(yè)。它們的基本生產(chǎn)特征是機器(機床)對工件外形的加工,再將不同的工件組裝成具有某種功能的產(chǎn)品。由于機器和工件都是分立的,故稱之為離散型生產(chǎn)方式。如汽車制造、飛機制造、電子企業(yè)和服裝企業(yè)等。為了提高企業(yè)產(chǎn)品在市場上的競爭能力,人們早就注意到實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營中各個環(huán)節(jié)的自動化與計算機化。如加工過程采用數(shù)控機床(NC)和柔性加工中心(FMC),工件的運送采用自動導引小車(AGV),還有產(chǎn)品設計與編程(CAD/CAPP/CAM)、材料資源規(guī)劃(MRPⅡ)、企業(yè)的生產(chǎn)管理與經(jīng)營決策(MIS/DSS)也都可用計算機實現(xiàn)。為了提高整個系統(tǒng)的運行效率,取得顯著的經(jīng)濟效益,通過計算機網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)庫將以上這些功能集成起來,便形成了典型的計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS),這也是多年來人們?nèi)〉媒y(tǒng)一認識的CIMS模式。 由于機械加工企業(yè)是以產(chǎn)品的功能、外型與成本為主要競爭內(nèi)容,面對多品種小批量的買方市場和越來越挑剔的顧客,產(chǎn)品的設計與制造成為生產(chǎn)的關鍵與核心。是否具有強大的適于本企業(yè)生產(chǎn)、研究與改型的CAD/CAM軟、硬件,便成為企業(yè)能否適時推出新穎實用商品的關鍵。許多企業(yè)在產(chǎn)品結構調(diào)整中陷于困境,很大程度上也是受制于拿不出適銷對路、開拓市場的產(chǎn)品。 鑒于此,可以將這類傳統(tǒng)的CIMS稱之為CAD/CAM型CIMS,以便與其它類型的CIMS相區(qū)別。 所謂流程型生產(chǎn)企業(yè)是指被加工對象不間斷地通過生產(chǎn)設備,如化工廠、煉油廠、水泥廠、發(fā)電廠等,這里基本的生產(chǎn)特征是通過一系列的加工裝置使原材料進行規(guī)定的化學反應或物理變化,最終得到滿意的產(chǎn)品。由于生產(chǎn)過程是24小時連續(xù)不斷的,人們也稱此類生產(chǎn)為過程型或連續(xù)型。 不難看出,許多流程型企業(yè)都是重要的能源和原材料工業(yè),產(chǎn)品品種穩(wěn)定,生產(chǎn)量大。它們的產(chǎn)品常常不是以新取勝,而是以質(zhì)和價取勝。因此,企業(yè)的自動化目標是如何有效地監(jiān)測和控制生產(chǎn)過程,使生產(chǎn)過程處于最佳狀態(tài),節(jié)省原材料,降低能耗與其它消耗,提高產(chǎn)品的收得率與優(yōu)質(zhì)品率,提高設備的壽命等。由于全線設備的啟動過程復雜,因此,除大中修外,很少中斷生產(chǎn)過程。對于原材料等外部條件的隨機變化,系統(tǒng)應有良好的抗干擾能力和性能魯棒性。 流程型系統(tǒng)的控制管理已經(jīng)有了大量成功的典型,普遍采用的是集散控制系統(tǒng)(DCS),由3～4級(測量執(zhí)行級、回路控制級、單元控制級及過程控制級)實現(xiàn)全過程的自動控制。顯然,此系統(tǒng)正常而高質(zhì)量的運行要借助于完好的過程模型,其中多數(shù)為數(shù)學模型,有時也可以是圖模型、網(wǎng)絡模型或非結構化模型。一般說來,只要有了良好的過程數(shù)模型,便可以實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。 鑒于此,可以將此類CIMS稱之為過程數(shù)模型CIMS。顯然,產(chǎn)品的設計(CAD)在這里并不主要。企業(yè)為了獲取更好的經(jīng)濟效益,根據(jù)市場價格的變化及時調(diào)整產(chǎn)品結構是完全必要的。為此,建立企業(yè)的最優(yōu)產(chǎn)品結構模型也應是功能集成的重要內(nèi)容。有人也將這類CIMS稱之為CIPS(Computer Integrated Processing System)。 所謂混合型企業(yè)是指其生產(chǎn)活動中既有流程型特征,又有離散型特征,如鋼鐵企業(yè)等。在這里,高爐煉鐵或轉(zhuǎn)(電)爐煉鋼、連續(xù)鑄造、熱帶連軋或冷帶連軋等每道工序本身都可以看作是一個連續(xù)生產(chǎn)過程,但在各個工序間的銜接是靠分離的鐵(鋼)水罐、鑄坯、鑄錠、鋼卷等實現(xiàn)的。作為企業(yè)的宏觀運行不僅存在物流平衡和資源(設備等)平衡問題,而且由于是高溫作業(yè),還存在溫度平衡和時間平衡(列車時刻表)問題。因此,這類企業(yè)實現(xiàn)CIMS時,不僅要解決好每