【正文】 系統(tǒng)集成指南 企業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)分析與CIMS分類問(wèn)題 東北大學(xué)控制仿真中心　徐心和教授 一、引言 CIMS——計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufacturing System),10年前還是一個(gè)鮮為人知的英語(yǔ)詞組縮寫(xiě)。10年來(lái),在國(guó)家863計(jì)劃的推動(dòng)下,CIMS已經(jīng)喚起越來(lái)越多的專家學(xué)者和工程技術(shù)人員的參與,引起越來(lái)越多的企業(yè)的關(guān)注,一批試點(diǎn)企業(yè)已經(jīng)取得可喜的成果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益,一個(gè)CIMS推廣開(kāi)發(fā)的熱潮正在各行各業(yè)悄然興起。準(zhǔn)確地講,1974年約瑟夫哈林頓博士提出的CIM(計(jì)算機(jī)集成制造)是企業(yè)組織生產(chǎn)的先進(jìn)哲理(philosophy)。他的基本觀點(diǎn)是: (1) 企業(yè)的多個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)是不可分割的,需要統(tǒng)一考慮。 (2) 整個(gè)制造過(guò)程實(shí)質(zhì)上是信息采集、傳遞和加工處理的過(guò)程。 按照CIM哲理構(gòu)成的企業(yè)生產(chǎn)與管理的自動(dòng)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(huì)具有統(tǒng)一的模式。 值得注意的是,目前出版的有關(guān)CIMS的圖書(shū)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?yàn)楹诵牡墓芾硇畔⑾到y(tǒng)。 (2) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造工程設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)(CAD/CAPP/CAM)。 (3) 制造自動(dòng)化或柔性制造系統(tǒng)(FMS)。 (4) 質(zhì)量保證系統(tǒng)。 (5) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。 顯然,這種CIMS模式比較適合于離散型的機(jī)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(shí)原因,從其被提出到實(shí)現(xiàn)這10多年時(shí)間里,CIMS主要集中在機(jī)械制造行業(yè),而我國(guó)863計(jì)劃的示范工廠也是集中在機(jī)制行業(yè)。這種局限性還有其行業(yè)上的原因,那就是機(jī)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(chǔ)、轉(zhuǎn)換、控制和檢測(cè)等過(guò)程在設(shè)計(jì)、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(diǎn)。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(gè)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(yīng)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(duì)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(xué)簡(jiǎn)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(rèn)識(shí)到企業(yè)生產(chǎn)的區(qū)別外,很難感覺(jué)到CIMS的內(nèi)涵差別。 CIMS分類的本質(zhì)要素應(yīng)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能集成的技術(shù)難點(diǎn)所在,是影響CIMS發(fā)揮整體效益的技術(shù)關(guān)鍵所在。 前面談到,CIM是一種哲理。CIMS是在這一哲理指導(dǎo)下,通過(guò)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(yíng)活動(dòng)集成起來(lái)的一個(gè)高度自動(dòng)化的整體。目的是將質(zhì)量好、成本低的產(chǎn)品適時(shí)地推向市場(chǎng),從而獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 所謂物理集成,是要求各種自動(dòng)化設(shè)備的合理配置與到位。信息集成則要求通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)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(yīng)有的作用。功能集成則是要將企業(yè)主要的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)通過(guò)計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)。顯然功能集成是目的,而物理與信息集成是實(shí)現(xiàn)功能集成的基礎(chǔ)。 一般說(shuō)來(lái),如果企業(yè)具有一定的財(cái)力,實(shí)現(xiàn)物理集成與信息集成是不困難的,因?yàn)槭澜缟细鞔笥?jì)算機(jī)公司都在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品和搶占各種市場(chǎng)。即使對(duì)于某些自動(dòng)化孤島難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,那么,這種技術(shù)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(shí)現(xiàn),也就是如何設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)適合本企業(yè)特點(diǎn)的應(yīng)用系統(tǒng)。即使是世界著名的計(jì)算機(jī)公司也無(wú)法提供普遍適用的應(yīng)用系統(tǒng)(而不是應(yīng)用平臺(tái)),如果可以購(gòu)得這樣的應(yīng)用系統(tǒng)(主要是軟件系統(tǒng)),廠商的開(kāi)價(jià)也將是難以接受的。 三、企業(yè)特點(diǎn)與CIMS分類 筆者從實(shí)現(xiàn)企業(yè)功能集成的難點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)的角度,以很粗的線條勾劃出三類企業(yè)的特點(diǎn),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(jī)械加工企業(yè)。它們的基本生產(chǎn)特征是機(jī)器(機(jī)床)對(duì)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(jī)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(jī)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(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力,人們?cè)缇妥⒁獾綄?shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)化。如加工過(guò)程采用數(shù)控機(jī)床(NC)和柔性加工中心(FMC),工件的運(yùn)送采用自動(dòng)導(dǎo)引小車(AGV),還有產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(yíng)決策(MIS/DSS)也都可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率,取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益,通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫(kù)將以上這些功能集成起來(lái),便形成了典型的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS),這也是多年來(lái)人們?nèi)〉媒y(tǒng)一認(rèn)識(shí)的CIMS模式。 由于機(jī)械加工企業(yè)是以產(chǎn)品的功能、外型與成本為主要競(jìng)爭(zhēng)內(nèi)容,面對(duì)多品種小批量的買(mǎi)方市場(chǎng)和越來(lái)越挑剔的顧客,產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造成為生產(chǎn)的關(guān)鍵與核心。是否具有強(qiáng)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(shí)推出新穎實(shí)用商品的關(guān)鍵。許多企業(yè)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整中陷于困境,很大程度上也是受制于拿不出適銷對(duì)路、開(kāi)拓市場(chǎng)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(duì)象不間斷地通過(guò)生產(chǎn)設(shè)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(guò)一系列的加工裝置使原材料進(jìn)行規(guī)定的化學(xué)反應(yīng)或物理變化,最終得到滿意的產(chǎn)品。由于生產(chǎn)過(guò)程是24小時(shí)連續(xù)不斷的,人們也稱此類生產(chǎn)為過(guò)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(jià)取勝。因此,企業(yè)的自動(dòng)化目標(biāo)是如何有效地監(jiān)測(cè)和控制生產(chǎn)過(guò)程,使生產(chǎn)過(guò)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(shè)備的壽命等。由于全線設(shè)備的啟動(dòng)過(guò)程復(fù)雜,因此,除大中修外,很少中斷生產(chǎn)過(guò)程。對(duì)于原材料等外部條件的隨機(jī)變化,系統(tǒng)應(yīng)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(jí)(測(cè)量執(zhí)行級(jí)、回路控制級(jí)、單元控制級(jí)及過(guò)程控制級(jí))實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的自動(dòng)控制。顯然,此系統(tǒng)正常而高質(zhì)量的運(yùn)行要借助于完好的過(guò)程模型,其中多數(shù)為數(shù)學(xué)模型,有時(shí)也可以是圖模型、網(wǎng)絡(luò)模型或非結(jié)構(gòu)化模型。一般說(shuō)來(lái),只要有了良好的過(guò)程數(shù)模型,便可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。 鑒于此,可以將此類CIMS稱之為過(guò)程數(shù)模型CIMS。顯然,產(chǎn)品的設(shè)計(jì)(CAD)在這里并不主要。企業(yè)為了獲取更好的經(jīng)濟(jì)效益,根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格的變化及時(shí)調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是完全必要的。為此,建立企業(yè)的最優(yōu)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型也應(yīng)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(dòng)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(gè)連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程,但在各個(gè)工序間的銜接是靠分離的鐵(鋼)水罐、鑄坯、鑄錠、鋼卷等實(shí)現(xiàn)的。作為企業(yè)的宏觀運(yùn)行不僅存在物流平衡和資源(設(shè)備等)平衡問(wèn)題,而且由于是高溫作業(yè),還存在溫度平衡和時(shí)間平衡(列車時(shí)刻表)問(wèn)題。因此,這類企業(yè)實(shí)現(xiàn)CIMS時(shí),不僅要解決好每