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7.2& FMS的硬件与软件
7.2.1& FMS的加工系统
一、加工系统在FMS中的角色
1.加工系统的作用
& & 柔性制造系统是一个计算机化的自动制造生产系统，能以最少的人的干预，加工任一范围的零件族工件，用于把原料转变为最后产品的设备称为加工设备，如机床、冲孔设备、装配站、锻造设备，等等。它与托盘等一些部件构成了FMS的加工系统。加工系统中所需设备的类型、数量、尺寸等均由被加工零件的类型、尺寸范围和批量大小来决定。目前，主要有两类零件在FMS中加工，即棱柱体类零件(包括箱体形、平板形等)和回转体类零件。换句话说，加工系统的结构即取决于被加工零件的类型、形状、尺寸、精度要求，也取决于批量大小及自动化程度。由于柔性制造系统加工的产品零件多种多样，且其自动化水平相差甚大，因此构成柔性制造系统的机床是多种的。可以是单一机床类型的，即仅由数控机床、车削加工心(TC)或适合系统的单一类型机床构成的FMS，称之为基本型的系统；也可以是以数控机床、数控加工中心(MC)为结构要素的FMS；还可以是由普通数控机床，数控加工中心及其他专用设备构成的多类型的FMS。
2.选择系统的原则
& & 纳入FMS运行的机床，应当是可靠、自动化、高效率的加工设备。在选择时，要考虑到该FMS加工零件的尺寸范围、经济效益、零件的工艺性、加工精度和材料，等等。换言之，FMS的加工能力完全是由其所包含的机床来确定的。现在，加工棱体类零件的FMS技术比加工回转体零件的更成熟。对于棱体类零件，机床的选择通常都在各种牌号的立式和卧式加工中心以及专用机床(如可换主轴箱的、转位主轴箱的)之中进行。
&&& 为了适应纯粹的棱体零件与带有大孔或圆支承面棱体零件的加工，可以采用立式转塔车床。对于长度、直径比小于2的回转体零件，如需要进行大量铣、钻和攻丝加工的圆盘、轮毂或轮盘，通常也是放在加工棱体零件的FMS中进行加工。系统若由加工中心与立式转塔车床组成，尤其是当立式转塔车床与卧式加工中心结合使用时，通常每种零件全都需要较多的夹具，因为这两种机床的旋转轴不同。这个问题可以通过在卧式机床采用可倾式回转台来解决。但也应当考虑到在标准加工中心上增加一可倾式回转工作台将大大增加其成本(因为事实上已成为一台五坐标机床)，此外，托盘、夹具和零件都悬伸出工作台外，由于下垂和加剧磨损等，使精度问题更为严重。
&&& 加工纯粹回转体零件(杆和轴)的FMS技术现在仍处在发展阶段。可以把具有加工轴类和盘类工件能力的标准CNC车床结合起来，构成一个加工回转体零件的FMS。
&&& 数控加工中心的类型很多，可以是基本形式的卧式或立式三坐标机床，这些机床只加工工件的一个侧面(或者能进行邻近几个面上的一些有限的加工)。这种方法一般需要多次装夹才能完成每个工件的加工。每次装夹后都由一个单独的零件程序处理，并且可以在同一台机床或不同机床上加工，这要取决于作业调度和生产线上的每台机床的刀具配套情况。若在卧式加工中心上增加一个或两个坐标轴(如称为第四个坐标轴的托盘旋转，称为第五坐标轴的主轴头倾斜)，就可以对工件进行更多表面的加工。要在立式加工中心上实现同样的工件多面加工，必须在基本机床上增加一个可倾式回转工作台。如果不考虑所增加的成本，这种方案对于小型的托盘和工件的加工还是很好的。
&&& 除这种多轴加工能力外，还可在一套托盘／夹具上装夹一个以上的工件。它可以使一个特定FMS的生产能力有所提高。通常第五个坐标轴用来满足一些非正交平面内的特殊加工需要或解决一些特殊范围的问题。
&&& 在一套FMS上待生产零件族决定着这些加工中心所需要的功率、加工尺寸范围和精度。一条生产线用不同机床的配合来达到某一范围的精度要求是很普遍的。但是，如果用一台高精度机床来达到孔的特殊公差要求，那么，整个生产线的作业就要取决于这台机床的正常运行时间，因为没有功能的余度(即冗余功能)。离线加工这些高精度孔可能更好，从调度的观点看，最有效的办法是所有机床都采用同一型号的机床以保证充分的余度。但是，由于工件的加工要求不同，可能必须放弃这种设想。
&&& 除了功率、加工尺寸范围和精度要求之外，选择FMS的加工中心还可能会进一步受到与物料运储系统连接问题的限制。
&&& FMS的所有加工中心都具有刀具存储能力，采用鼓形、链形等各种形式的刀库。为了满足FMS内零件品种对刀具有要求，通常要求有很大的刀具存储容量。在一个刀库中需要100个以上的刀座是很常见的。这样的容量连同某些刀具重量，特别是大的镗杆或平面铣刀，都要求对刀具传送和更换机构的可靠性给以很好的注意。
二、FMS对机床的要求及配置
1.FMS对机床的要求
&&& 一般来说，纳入FMS运行的机床主要有三个特点，即工序集中、高柔性与高生产率、易控制性。
&&& 工序集中是FMS中机床的最重要的特点。由于柔性制造系统是高度自动化的制造系统，价格昂贵，因此要求加工工位的数目尽量少，并能接近满负荷工作。此外，加工工位少可以减轻工件流的输送负担，还可保证零件的加工质量。所以工序集中成为柔性制造系统中的机床的主要特征。
&&& 机床的另一个特点是高柔性高生产率。为了满足生产柔性化和高生产率要求，近年来在机床结构设计上形成两个发展趋向：柔性化组合机床和模块化加工中心。所谓柔性化组合机床又称可调式机床，如自动更换主轴箱机床和转塔主轴箱机床。这就是把过去适合大批量生产的机床进行柔性化。模块化加工中心就是把加工中心也设计成由若干通用部件、标准模块组成，根据加工对象的不同要求组合成不同的加工中心。
&&& 机床的第三个特点是易控制性。柔性制造系统是采用计算机控制的集成化的制造系统，所采用的机床必须适合纳入整个控制系统。因此，机床的控制系统要能够实现自动循环，能够适应加工对象改变时易于重新调整的要求。
&&& 另外，FMS中的所有设备受到本身数控系统和整个计算机控制系统的调度、指挥，要能实现动态调度、资源共享、提高效率，就必须在各机床之间建立必要的接口和标准，以便准确及时地实现数据通信与交换，使各个生产设备、运储系统、控制系统等协调地工作。
2.FMS机床的配置形式
& FMS适用于中小批量生产，既要兼顾对生产率和柔性的要求，也要考虑系统的可靠性和机床的负荷率。因此，就产生了互替形式、互补形式以及混合形式等多种类型的机床配置方案。
&&& 所谓互替机床就是纳入系统的机床是可以互相代替的。例如，有数台加工中心组成的柔性制造系统，由于在加工中心上可以完成多种工序的加工，有时一台加工中心就能完成箱体的全部工序，工件可随机地输送到系统中任何恰好空闲的加工工位。这样的系统具有较大的柔性和较宽的工艺范围，而且可以达到较高的时间利用率。从系统的输入和输出来看，它们是并联环节，因而增加了系统的可靠性，即当某一台机床发生故障时，系统仍能正常工作。
&&& 所谓互补就是纳入系统的机床是可以互相补充的，各自完成某些特定的工序，各机床之间不能互相取代，工件在一定程度上必须按顺序经过各加工工位。它的特点是生产率较高，对机床的技术利用率较高，即可以充分发挥机床的性能。
&&& 从系统的输入和输出的角度来看，互补机床是串联环节，它减少了系统的可靠性，即当一台机床发生故障时，系统就不能正常工作。
&&& 互替机床和互补机床的特征比较列于表7-1。
表7-1& 互替机床和互补机床的特征比较
&&& 现有的柔性制造系统大多是互替机床和互补机床的混合使用，即FMS中的有些设备按互替形式布置，而另一些机床则以互补方式安排，以发挥各自的优点。
&&& 在某些情况下个别机床的负荷率很低，例如基面加工机床(对铸件通常是铣床，对回转体通常是铣端面打中心孔机床等)所采用的切削用量较大，加工内容简单，单件时间短。加上基面加工和后续工序之间往往要更换夹具，要实现自动化也有一定困难。因此常将这种机床放在柔性系统外，作为前置工区，由人工操作。
&&& 当某些工序加工要求较高或实现自动化还有一定困难时，也可采用类似方法，如精镗加工工序、检验工序、清洗工序等可作为后置工区，由人工操作。
7.2.2& FMS的运储系统
&&& FMS的运储系统的任务主要有以下三方面：
&&& (1)原材料、半成品、成品运输和储存。
&&& (2)刀具、夹具的运输和储存。
&&& (3)托盘、辅助材料、废品和备件的运输和储存。
&&& 图7-2总结了运输系统的任务和当前采用的工作方式。
图7-2& 运储系统的任务和工作方式
一、零件自动运输系统的组成和基本形式
1.FMS的总体布局
& 零件自动运输系统的组成与FMS总体布局有着密切的关系。因此在讨论零件自动运输系统的组成之前，首先介绍一下FMS总体布局的原则。根据各方面条件的考虑，系统的总体布局可概括为以下5种布局原则，参考图7-3。
&&& (1)随机布局原则(Random Layout)。这种布局方法是将若干机床随机地排列在一个长方形的车间内。它的缺点是非常明显的，只要多于两台机床，运输路线就会非常复杂。
& (2)功能原则(Functional Layout)(或叫工艺原则)。这种布局方法是根据加工设备的功能分门别类地将同类设备组织到一起，如车削设备、镗铣设备、磨削设备，等等，这样，工件的流动方向是从车间的这一头流向另一头。这是一种典型的按工种分类的车间。这种布局方法的零件运输路线也比较复杂，工件的加工路线，并不一定总是车、铣、磨这样流动，有时也会反方向流动，如车、铣加工以后又进行车削加工。
&&& (3)模块式布置原则(Modular Layout)。这种布置方式的车间，是由若干功能类似的独立模块组成。这种布置方式看来好像增加了生产能力的冗余度，但是在应酬紧急任务和意外事件方面有着明显的优点。
& (4)加工单元布置原则(Cellular Layout)。采用这种布置的车间，每一个加工单元都能完成相应的一类产品，这种构思的产生是建立在成组技术思想基础上的。
&&& (5)根据加工阶段来分(By Stages)。将车间加工阶段分为装备加工阶段、机械加工阶段和特种加工阶段。
图7-3& FMS总体布局原则
2.自动运输系统的组成
& & 零件的自动运输系统主要要完成两种性质不同的工作，一是零件的毛坯、原材料由外界搬运进系统以及将加工好的成品从系统中搬走；二是零件在系统内部的搬运。在一般情况下前者是需要人工干预的，而后者则应是自动完成的。
& 如果零件的毛坯是杆料或其他型材，通常是将材料运至装卸站后，在人工干预的情况下装进中央仓库或切断机床，或是直接将杆料和型材送到机床的自动进料装置。若是锻铸毛坯，则必须将毛坯装进夹具中，毛坯往夹具中的第一次安装也多是人工完成的，对于重型零件，还应采用起重机或机器人搬运，但在装卸站也是需要人工调整和由人操纵这些机器人和起重机。
& 零件在系统内部的搬运所采用的运输工具，目前比较实用的主要有三种：传送带、运输小车和搬运机器人。传送带主要是从古典的机械式自动线发展而来的，目前新设计的系统用得越来越少。运输小车的结构变化发展得很快，形式也是多种多样，大体上可分为无轨和有轨两大类。有轨小车有的采用地轨，像火车的轨道一样。也有的采用天轨，或称高架轨道即是把运输小车吊在两条高架轨道上移动。无轨小车，又因它们的导向方法的不同，分为有线导向、磁性导向、激光导向和无线电遥控等多种形式。FMS发展的初期，多采用有轨小车，随着FMS控制技术的成熟，采用自动导向的无轨小车越来越多。
3.自动运输系统的基本形式
& & 从零件自动运输系统的布局来看，又可将它们分为串行工作方式和随机工作方式两大类，串行工作方式又可分为直线移动(往复式)和封闭循环式两大类。随机工作方式又可分为直线往复式、封闭循环式和网络式三大类。图7-4列出了这五种典型运输方式的示意图。
图7-4& 典型运输方式的示意图
图7-5& 直线往复式运输方式之一
& & 不论串行方式还是随机方式，采用直线往复和封闭循环运输时，多数利用传输带来实现。而网络式则利用自动导引小车(AGV)或搬运机器人来实现。
& FMS发展的早期，可能是受机械式自动线的影响多采用直线往复式封闭循环的运输方式，图7-5和图7-6就是两个直线移动方式的例子。图7-5的特点是机床排列在运输线的一边。图7-6所举的例子也是一种直线往复式的运输方式，两台水平式加工中心，位于AGV的导向导轨的一端，彼此面对面地排列。导轨的另一端是装卸站。中间部分，导轨的两边并列排放着19个托盘站(包括小车上的托盘共有20个)。
图7-6& 直线往复式运输方式之二
图7-7& 简单的环形运输系统
&&& 该系统用来加工50种不同的铝铸件，批量大约为每月50件／种，有齿轮箱、法兰盘等。工件的基面加工由车间另外配置的一台加工中心和两台钻床来完成，以便保证工件在托盘上定位的精度。工人在装卸站将工件安装在相应的托盘中的同时，将托盘号和零件号输入给计算机，计算机根据调度计划，可以命令AGV在哪里装卸工件，并指令加工中心，调用加工程序控制加工。
图7-8& 加工曲轴FMS采用的环形运输系
& & 图7-7和图7-8则是两种循环式的布置，循环式布置的搬运工具可以用导轨也可以是各种形式的无轨小车。图7-7是一个简单的循环系统，用了两台运输小车，AGV1和AGV2，AGV1是刀具运输小车，它的任务是将中央工具库的刀具分别运到四台加工中心处，与加工中心的刀库交换刀具。AGV2是零件运输小车，任务是从自动从仓库中取出毛坯和原材料，运送至各加工中心，再把加工中心加工好的半成品或成品搬运到其他加工中心或中央仓库。
& 图7-8是一个用来加工两种不同类型曲轴的FMS，采用循环运输系统。图中有四种加工单元，Cell1,Cell2,Cell3和Cell4。Cell1包括一台Swedturn 18CNC车床，平衡机用来确定毛坯的中心线，并打上记号，Swedturn 18用来粗加工法兰面和主轴颈表面。Cell2包括一台VDFCNC铣床和一台车床，用来铣削曲轴承载表面和车削平衡重块。Cell3包括一台VGF Bochringer铣床和一台车床，用来进一步加工曲轴轴颈和两个孔口平面。Cell4包括一台精密的Swedturn 18CNC车床和一台加工中心，用来完成最后精加工。加工单元内有一桥式上料器，服务于两台机床之间。
& 零件的毛坯由装卸站进入系统，进入系统之前没有任何准备工序，操作人员在装卸站使用吊车将铸钢毛坯装在传送带上，传送带把它们送到第一个加工单元。传送带可装载15个曲轴，足够1.5h加工的需要。Cell1的桥式上料器拣起曲轴，送至机床上加工或放到托盘上等待加工，每个托盘上可放置5个工件。加工过的零件也由上料器送回托盘，等待运走。自动输送小车根据控制计算机的命令，可将一个单元的零件连同托盘送到另一个单元。托盘在单元内放在一个支架上，小车进入托盘的下面，小车的台面自动升起，就将托盘连同工件装到小车上。此后，就可以将工件连同托盘送到另一个加工单元。小车走到另一单元后，停在安放托盘的支架下面，小车的台面自动落下，托盘连同工件就停放在支架上。再根据加工命令，由桥式上料器将托盘上的工件搬运到机床上进行加工。
图7-9& 网络式运输系统
&&& 如果工件在运输过程中发现正在送往某个单元的托盘支架已经占用，就将托盘先送往托盘缓冲存储库，等该单元中的托盘支架空出后，再将存在缓冲库中的托盘取出，送往应当送往的单元中。缓冲库最多可存放6个托盘，也就是有30根曲轴的容量。
&&& 图7-9是一个网络式运输系统的例子，运输路线可以有几条封闭环路，网络式运输系统便于小车寻找最优的运输路径。
&&& 该系统是休斯飞机公司为了加工种类不多的铝合金壳体零件而设计的FMS生产线。加工种类为5～6种，批量为4 500～7 000件／年，属中批量生产。系统由9台加工中心、1台坐标测量机组成。每台加工中心和测量机都配备有一个专门的托盘短程传送装置，它把600 mm×600 mm的工件托盘连同工件，从物料传送线上取下，送至机床；或将工件托盘从机床上取下，送至物料运输线。
&&& 运输系统采用的运输工具为一种用牵引索牵引的小车，它可以自动地把工件输送到各台加工中心或坐标测量机。图中的箭头标出了运输小车行走的方向，只要控制小车在分叉处的走向，小车就会沿着不同的路线行走。
二、自动导向小车
& & 自动导向小车(Automatic Guided Vehicle)简称AGV，广泛应用于FMS的实际工作中。事实上早在20世纪50年代初期就曾出现了无人驾驶的拖拉机，20世纪60年代又出现了用来研究月球的登月机器人车。今天的自动导向小车，就是一种由微机控制的，按照一定的程序或轨道自动完成运输任务的运输工具。
& & 图7-10是一种小型的AGV的外形图和它的外形尺寸。miniCART―50，miniCART―100，miniCART―200的载重分别为50 kg,100 kg和200 kg。这些AGV有两种控制方法：编程器控制和遥控。编程器控制是根据事先编好的程序控制小车工作，采用遥控方法则是根据中央计算机的命令工作。
& 在FMS中使用AGV有以下4方面的优点：
&&& (1)较高的柔性。
&&& 只要改变一下导向程序，就可以很容易地改变、修正和扩充AGV的移动路线。如果改变固定的传送带运输线或有轨小车的轨道，相比之下改造的工作量要大得多。
& (2)实时监视和控制。
& 由于控制计算机实时地对AGV进行监视，如果FMS控制系统根据某种需要，要求改变进度表或作业计划，则可很方便地重新安排小车路线。此外，还可以为紧急需要服务，向计算机报告负载的失效、零件错放等事故。如果采用的是无线电控制，可以实现AGV和计算机之间的双向通讯。不管小车在何处或处于何种状态，运动或者静止，计算机都可以用调频法通过它的发送器向任一特定的小车发出命令，且只有响应的那一台小车才能读到这个命令，并根据命令完成某一地点到另一地点的移动、停车装料、卸料、再充电等一系列的动作。另一方面小车也能向计算机发出信号，报告小车的状态、小车故障、蓄电池状态等。
& (3)安全可靠。
&&& AGV能以低速运行，一般在10～70 m／min范围内操作。通常AGV有微处理器控制，能同本区的控制器通讯，可以防止相互之间的碰撞。有的AGV上面还安装了定位精度传感器或定中心装置，可保证定位精度达到±30 mm，精确定位的AGV其定位精度可达到±30 mm，从而避免了在装卸站或在运动过程中小车与小车之间发生碰撞，以及工件卡死的现象。
& AGV也可装报警信号灯、扬声器、紧停按钮、放火安全连锁装置，以保证运输的安全。
& (4)维护方便。
& 维护包括对小车蓄电池的再充电，以及对电动机、车上控制器、通读装置、安全报警装置(如报警扬声器、保险框、传感器等)的常规检测。大多数AGV都装备有蓄电池状况自动报告设施，它与中央计算机联机，蓄电池的储备能量降到需要充电的规定值时AGV便自动去充电站充电，一般AGV可工作8 h，无须充电。
&&& 自动导向小车(AGV)的导向方法，目前有以下几种：有轨小车、有线小车和遥控小车。
1.有轨小车
&&& 有轨小车的加速过程和移动速度都比较快且适合搬运重型零件，同时它与旧设备的结合也比较容易。它可以很方便地在同一轨道上来回移动，在短距离移动时它的机动性能比较好，停靠准确。它的一个不足之处是，一旦将轨道铺设好后就不便改动；另一个缺点就是转弯的角度不能太小。
& 一般概念的有轨小车就是指小车在轨道上行走，由车辆上的马达牵引。此外，还有一种连锁牵引小车，在小车的底盘前后各装一导向销，地面上修好一组固定路线的沟槽，导向销嵌入沟槽内，保证小车行进时沿着沟槽移动。前面的销杆除做定向用外，还作为链牵动小车行进的推杆。推杆活动的，可在套筒中上下滑动。链索每隔一定距离有一个推头，小车前面的推杆可自由地插入或脱开链索的推头，由埋设在沟槽内适当地点的接近开关和限位开关控制。销杆脱开链索的推头，小车停止前进；销杆插入推头，链索即推动小车前进。小车底盘下有车轮，支承负载和滚动前进。这种小车只能向一个方向运动，所以适合简单的环行运输方式。
&&& 采用空架导轨和悬挂式机器人，也应属于一种变化发展的有轨小车。悬挂式的机器人可以由电动机拖动在导轨上行走，像厂房中的吊车一样工作。工作以及安装工件的托盘可以由机器人的支持架托起，并可以上下移动和旋转。由于机器人可自由地在X，Y两方向上移动，并可将吊在机器人下臂上面的支持架上下移动和旋转，它就可以将工件连同托盘，转移到导轨允许到达的任意地方的托盘交换台交换托盘和工件。
2.有线小车(线导小车)
&&& 有线小车(Wire Guided AGV)的导向方法是靠敷设在地面上的导线来引导小车运动。一般在地面上挖一条长3～10 mm，宽10～200 mm的槽，将导线埋在其中。
&&& 导线通过低频交变电流在导线周围形成一个环行电磁场。小车上面装有一对电感探头，当小车偏离轨道时，两个探头的感应电势就会产生差别，利用其感应电势差，控制小车保持始终沿着导线移动。
&&& 为了转弯的灵便，小车的车轮应设计成三轮车的形状，马达带动两个后轮，推动小车前进，独立的前轮安装在一个方向接头上面，所以小车的转向非常灵活。应用在大型或重型的零件车间，为了增加小车的承载能力，可以采用四轮甚至八轮的小车。但转弯灵活性相应要降低，这种小车的转弯半径不能太小。
3.遥控小车
&&& 这种小车没有传送信息的电缆，而是以无线电形式发送给接收设备，传送命令和信息，车辆的控制(如起停、转弯)都是以无线电信号形式传递。小车活动范围和路线基本上不受限，故柔性最大。当然，其控制器和操纵机构也就相对复杂，目前还不十分成熟，只是处在实验研究阶段。
4.光导小车(LightGuided)
&&& 有些AGV采用光学导向，其原理是直接在地面上涂上一层荧光材料，或敷设一层涂有荧光材料的带子，光线照射后，利用荧光材料的反光，激发光敏传感器辨认出小车应走的路线，引导小车移动，这种小车用于办公室和装配车间更为方便。它的最大优点是成本低且便于更改行走路线。
7.2.3& 柔性制造系统运动控制
&&& 运行控制系统是柔性制造系统的大脑，负责控制整个系统协调、优化、高效地运作。本节首先介绍FMS的控制系统，然后分别介绍FMS的质量保证系统及数据管理与通讯网络系统。
一、FMS控制系统
1.FMS的递阶控制结构
& & FMS是一个复杂的制造系统，它的控制系统必然也是很复杂的。复杂控制系统采用递阶控制结构方式是当今的主流方向。也就是说，人们通过对系统的控制功能进行正确、合理的分解，划分成若干层次，各层次分别进行独立处理，完成各自的功能，层与层间保持信息交换，上层向下层发送命令，下层向上层回送命令的执行结果，通过信息联系，构成完整的系统。把一个复杂的控制系统分解为分层控制，减少了全局控制和开发的难度。实际上，美国国家标准局(NBS，现在为NIST)在其CIMS参考模型中提出的递阶控制结构的概念已在国际上被广泛地认可与引用。NIST对CIMS提出的五层(即工厂层、车间层、单元层、工作站层、设备层)递阶控制结构如图7-11所示。
& 实践证明，分层递阶的概念为FMS的实现提供了一个行之有效的方法。首先，把复杂的控制过程的管理和控制进行分解，分为相对简单的过程，分别由各层计算机去处理，功能单一，易于实现，不易出错。其次，各层的处理相对独立，易于实现模块化，使局部增、删、修改简单易行，从而增加了整个系统的柔性和对新技术的开放性。最后，分层处理对实时性要求有很大差别的任务，可以充分有效地利用计算机资源。不过，究意分几层为好，这要视具体对象和条件而定，不可千篇一律。
& 在由工厂、车间、单元、工作站、设备等五层控制所组成CIMS体系结构模型中，柔性制造系统覆盖罗列其中的底三层，即单元层、工作站层和设备层。在工厂的经营管理、工程设计、加工制造三大功能中，FMS负责制造功能的实施，所有产品的物理转换都是由制造单元完成的。工厂的经营管理所制定的经营目标，设计部门所完成的产品设计、工艺设计等都要由制造单元来实现。可见制造单元的运行特性在整个工厂具有举足轻重的作用。
图7-11& CIMS递阶控制结构
& & FMS控制系统是一个多级递阶控制系统。它的第一级是设备级控制器，是各种设备：机器人、机床、坐标测量机、小车、传送装置以及储存／检索系统等的协调控制器。其规划的时间可以从几毫秒到几分钟。这一级控制系统向上与工作站控制系统用接口连接，向下与设备连接。设备控制器的功能是把工作站控制器的命令转换成可操作的、有次序的简单任务，并通过各种传感器控制这些任务的执行。第二级是工作站控制器，这一级控制器负责指挥和协调车间中一个设备小组的活动，它的规划时间可以从几分钟到几小时。例如一个典型的加工工作站可由一台机器人、一台机床、一个物料贮运器和一台控制计算机组成。加工工作站负责处理由物料贮运系统交来的零件托盘，工作站控制器通过工件调整、零件夹紧、切削加工、切屑清除、加工过程检验、卸下工件以及清洗工件等对设备级各子系统调度。
& FMS控制系统的第三级是单元控制器，通常也称为FMS控制器。它的规划时间范围可以从几小时到几周。单元控制器作为制造单元的最高一级控制器，是柔性制造系统全部活动的总体控制系统，全面管理、协调和控制单元内的制造活动。同时它还是承上启下、沟通与上级(车间)控制器信息联系的桥梁。因此，单元控制器对实现底三层有效的集成控制，提高集成制造系统的经济效益，特别是生产能力 ，具有十分重要的意义。
&&& 单元控制器的主要任务是实现给定生产任务的优化分配，实现单元内工作站和设备资源的合理分配和利用，控制并调度单元内所有资源的活动，按规定的生产控制和管理目标高效益地完成给定的全部生产任务。
2.具有开放性的单元控制器结构模型
&&& 由于制造企业总是处在多供货商的环境中，而且企业面对的是一个多变需求的环境，这就要求制造企业必须在组织和生产结构上具备一种自适应的动态调节能力，以适应外部环境在技术、市场、组织机构等方面发生的变化或发展。因此作为直接控制FMS制造活动的单元控制器，应当有一个合适的体系结构。这个结构必须具有时间上和空间上的开放性，以满足企业因外界发生的变化进而调整经营过程对管理和控制单元在结构上及功能上所提出的要求。
&&& 单元控制器的空间开放性，是指它对不同的硬件环境是开放的，软件能够运行在不同制造厂商的异构的计算机系统中，即在空间上具有互连性。单元控制器的时间开放性是指它能适应新技术的发展、容纳新设备的能力，即是在时间上具有连续性。
&&& 根据对单元控制器的时空开放性要求，单元控制器开放性体系结构的内涵是：
&& （1）在功能结构上具有柔性。所谓柔性是指基于不同的生产任务能够灵活地分割及组合，提供不同的服务，并且能够方便的地修改或增加开发的新功能。
&& （2）在应用与实践过程中具有适应性。所谓适应性是指适应多种多样的生产环境，在异构计算机环境中能够方便地从一种硬件环境或操作系统转化到另外一种。
&&& 由此可见，单元控制器开放性体系结构应当是一个对用户开放的、对新技术开放的、对设备制造商开放的框架结构。
&&& 为了实现开放的目的，单元控制器的开放体系结构在技术上具体体现为平台技术。它本质上就是CIM／OSA(Open System Architeture)单元在这个领域(Domain)的集成基础结构(Integrating Infrastructure)。这个平台为单元控制器提供了一套结构化核心服务和公共服务，并且遵循有关的国际标准和协议。其作用是：
&&& (1)将用户的应用程序与单元控制器的实施环境相隔离；
&&& (2)实现单元控制器与上级控制器(车间)、同级控制器以及下级控制器(工作站)的互连，使单元控制器成为CIM系统中有机的组成部分。
图7-12& 开放体系结构的单元控制器
&&& 图7-12是一种符合开放性概念的单元控制器模型，它由核心功能服务、通讯服务、信息服务和前端服务四大部分组成。
&&& (1)核心功能服务。 它提供的是单元层最核心、最基本的服务。这些服务是指计划、调度和监控服务。通过这些服务，实现单元控制器的最基本的功能。
&&& 1)计划。根据车间下达的周生产计划，在一定的策略支持下，制定出单元的日／班作业计划和相应的生产准备计划。
&&& 2)调度。根据单元的实际运行状态，为完成单元生产计划而作出的具体实施计划。它是在调度规则库的支持下，决定工件进入系统的队列和进入系统后的加工队列。并对意外情况如机床发生故障、紧急订货等进行实时调度。
&&& 3)监控。实时处理和反馈单元内加工状态和资源状态信息，为计划和调度提供依据。同时产生统计报告。
&& (2)通讯服务。& 单元控制器作为CIMS计算机网络上的一个节点，其内部的信息交换是通过数据交换服务完成的，而与网上其他节点之间的信息交换则是由数据交换和通讯管理两个服务共同完成的。用户并不需要知道具体的通讯过程和与其通讯的实体位置。
&&& 1)数据交换服务：直接处理通讯请求；并为单元控制器内部各种服务之间提供通讯服务。
&&& 2)通讯管理：它是基于开放系统互连基本参考模型OSI的概念和有关国际标准，实现网上节点与节点间的通讯，支持异构系统的应用集成。
&&& (3)信息服务。& 信息服务的目的是管理单元控制器数据的存储和检索，保证数据一致性和有效性。它不要求用户去了解数据存储于何处和如何存储。信息服务包括以下两部分：
&&& 1)前端服务。它负责对数据存储和检索请求的控制。作为用户和系统之间的数据处理接口，处理所有用户对信息的所有请求。
&&& 2)数据管理。负责处理和响应来自数据前端的请求，通过DBMS接口，实现数据的存储、检索、恢复和转换。
&&& (4)前端服务。& 前端服务提供了FMS所有功能实体与集成平台所有服务的交互，这些前端服务包括：
&&& 1)机器前端服务。它以统一的方式表示所有的外部数据处理设备，例如CNC机床、机器人控制器、可编程控制器等，并实现外部设备与单元控制器内各种服务的交互。按照CIMS通常的五层递阶控制结构，单元控制器的下一级是工作站控制器，而不是底层设备控制器，因此机器前端服务应当在工作站这个节点内，在单元控制器中可以没有机器前端服务。但是作为一个通用的结构模式，这里还是设置了机器前端服务。因为在某些场合，单元控制器直接控制设备，而没有工作站这一层。
&&& 2)人员前端服务。这里的人员是指操作人员、交互设备和设备代理等。人员前端服务的目的是将人员与系统紧密连接，而这种连接是与应用程序和设备无关的，它提供用户接口，实现人员与各种服务的交互。
&&& 3)应用前端服务。实现应用程序与系统各个服务的交互，并使应用程序与环境无关，从而使应用程序易于维护和移植。
&&& 在单元控制器这个平台的基础上，可以开发一系列应用软件模块以供选择。平台通过应用前端与不同应用软件模块的灵活组合，使得单元控制器可以满足不同用户的要求或同一用户的不同要求，而这样的单元控制器其体系结构是开放的。
&&& 因此按照上述概念设计的单元控制器，功能分解合理，提供服务完善，各模块之间关系清楚，开放性好，事实上，这个具有开放体系结构的控制器模型，不仅适用于单元控制器，同样也适用于车间控制器和工作站控制器，所不同的是其各自的核心功能服务内容不同而已，而作为计算机网上的一个节点，它们的公共服务本质上是一样的。
3.动态重构单元控制器
&&& 现代企业面对的是一个多变的需求环境，FMS面对的加工任务也是多变的。这种变化包括生产零件的品种、类型、规格、批量和交货期等各个因素的变化。由于生产任务的不同，其加工工艺路线也会变化，使得所需的设备资源和设备负荷也不同，因此，传统的将设备资源固定在一个制造单元的资源组织模式存在以下问题：
&&& (1)由于设备负荷的不平衡，使得某些资源的利用率下降，从而造成资源浪费，生产成本上升。
&&& (2)由于设备负荷的不平衡，又使得某些资源特别紧张，形成瓶颈，使得生产率下降。
&&& (3)由于单元内设备资源是固定的，不能适应因为生产任务的变化而需要的最优工艺路线组合，从而造成工件跨单元的加工，导致了辅助资源(例如：物流输送系统的小车、托盘、夹具等)的紧张，使得生产能力下降，交货期拖延。
&&& 为了克服以上缺点，一个适应市场竞争需要的FMS或制造单元应当是一种动态可重构单元，它的控制器是动态重构单元控制器。这种动态可重构单元具有以下特征：
&&& (1)单元是由若干个具有相对独立功能的工作站组成。
&&& (2)单元控制器所控制的工作站不是固定的，随着生产任务的不同，组成单元的工作站是动态变化的。在某个时间片段内，为了完成某项具体的生产任务，根据单元重构的原则和算法，确定车间内那些工作站属于哪个单元。一旦任务完成，旧单元解体，并根据新任务的要求又重构新的单元，所以单元的组成是动态的。
&&& (3)工作站的物理位置是固定的，单元重构时并不要求这些设备重新布置，所以这是一种逻辑上重构的单元，因此也称为逻辑单元或虚拟单元。它是通过计算机网络实现对工作站的分布式控制的。因此单元的重构需要计算机网络通讯技术的强有力支持，以实现单元控制器与工作站之间的通讯应答和数据传递。图7-13给出了适用于单元重构的系统局部网络的形式之一。
图7-13&&&&&& 计算机网络支持下的单元重构
&SC―车间控制器
LCC―逻辑单元控制器
WC―工作站控制器
& (4)车间控制器根据生产任务的不同，作出对虚拟单元如何重构和何时重构决策。因此单元重构的软件系统是驻留在车间控制器内的。
& (5)由于虚拟单元控制器控制的工作站的数目和类型是随着重构的实现而动态变化的。因此虚拟单元控制器应当是一个具有开放体系结构的通用单元控制器。
& 就功能而言，虚拟单元控制器从其重构开始到解体为止的生命周期内和一般单元控制器一样，起着承上启下的作用，负责对单元层的控制、管理和协调工作。
& 动态逻辑可重构单元的概念是对CIMS开发系统结构的重要贡献。美国国家标准局在80年代初首先提出了虚拟单元的概念，在世界上CIMS研究领域引起了巨大反响，欧洲共同体ESPRIT计划以及我国对此也开展了深入的研究。可以预计单元重构的思想和研究单元重构的技术将会随着CIMS／FMS技术的推广而越来越受到人们的重视。
二、FMS的质量保证体系。
1.FMS的质量保证体系结构、功能概念
& & 制造业经历了由产品导向、制造导向、销售导向发展到了今天的竞争导向阶段。随着制造业的发展，质量观念也随之发生变化。在生产导向阶段，产品质量是指产品是否达到了设计者期望的功能；在制造导向阶段，高质量意味着符合产品规范；在销售导向阶段，质量要求除符合规格外，还包括质量保证的一系列措施；在竞争导向阶段，所谓质量则是指满足用户愿望与需求，并保证产品在其生命期内始终使用户满意。对一个生产经营型企业来说，提高质量就是从经营的目的出发，用最经济的方法在产品性能、价格、交货期、售后服务方面满足用户的需求。产品质量是六种质量的综合体现：规范质量、设计质量、供给质量、制造质量、检验质量、使用质量。企业为满足用户的要求，使自己的产品具有竞争力，就必须将市场调研、产品设计、生产技术准备、产品制造、检验直到销售等一系列活动作为一个有机的整体，对生产活动实行全面的质量控制(TQC)。
& 柔性制造系统是一个将机械制造、计算机技术、自动化技术、信息通讯技术集于一身的具有高度自动化水平、高度柔性的先进制造系统。质量保证系统QAS(Quality Assurance System)是其一个重要组成部分。柔性制造环境下的质量保证系统的作用在于：
& & (1)通过质量信息的集成，实现质量信息的及时处理与反馈，从而保证产品质量及制造过程的改善。
& (2)可以将用户的需求直接用于控制产品的设计工作，并对设计及工艺进行分析和审核，尽早发现在制造过程中可能出现的质量缺陷，实现在设计阶段保证产品质量。
& (3)及时向操作者和管理人员提供正确的制造过程信息及产品质量信息。柔性制造环境下质量保证系统有如下特点：
& 1)QAS对产品的整个制造过程进行质量控制。典型的质量环如图7-14所示。
& 2)QAS通过分布式数据系统及计算机网实现质量信息的提取、交换、共享和处理。
& 3)QAS广泛采用各种智能技术(专家系统、神经元网络等)进行各种复杂信息处理，实现系统功能。
&&& 4)QAS强调在质量问题的“源”处控制质量，即在质量缺陷产生的初期进行控制，而不是仅仅对已产生的质量缺陷进行处理；进行过程控制而不仅仅是产品控制。
图7-14& 典型质量环
& 基于FMS QAS的上述特点，QAS包括了从设计、生产技术准备、产品制造、检验、评价与改进等方面的活动，是一个非常复杂的系统。为了提高整个系统的可靠性、信息处理的及时性及信息的共享，QAS采用分布式质量数据库为基础的分级结构：工厂级、车间级、工作站及和设备级。
&&& 在工厂级，QAS主要完成如下任务：
& & (1)将用户对产品需求信息转化为产品的设计、制造和检验参数，使得产品的设计、制造过程受到用户的直接控制。
& (2)对产品的设计方案、工艺方案进行审核与仿真，预防和发现设计及工艺准备中出现的质量问题，并反馈给CAD，CAPP系统及时进行修改。
& (3)制造生产过程检验计划和产品工序质量控制及质量检验计划。
&&& (4)进行质量成本的计划与分析，制定质量改进计划。在车间级，QAS主要功能有：
& (1)根据工厂级下达的生产过程检测计划和产品工序质量控制及质量检验计划，生成相应的检验与控制程序指令，并下达给单元控制器。
& (2)对整个生产过程进行及时监控。
& (3)对发生的故障进行分析和诊断、排除。
& (4)对产品的工序间加工质量及最终质量问题进行分析和诊断，并提出相应的调整措施。
&&& (5)将有关的质量信息反馈给有关的子系统部门。
& & 在工作站级，QAS主要完成如下任务:
&&& 接收车间级下达的各项指令，并据此控制有关设备的协调工作。
在设备级，QAS主要完成如下任务：
根据工作站控制器下达的指令，进行具体操作，实现系统的基本功能。
图7-15&& FMS QAS分级系统结构图
&&& FMS QAS的这种分级结构使各级均可利用有关质量信息，同时完成各自动能，因而具有较快的响应速度，对质量问题进行及时控制，其系统结构如图715所示。在工厂级的各个子系统之间通过以太网联接，实现信息的交换与传输；车间采用MINIMAP网；在工厂与车间之间利用网桥实现信息交换与共享；工作站与各设备间利用串行接口进行通讯。
2.质量保证、质量管理与质量控制
& & 质量保证(QA)是指：对某一产品或服务能满足规定质量要求，提供适当信任所必需的全部有计划、有系统的活动。
& 质量保证是一种有目的、有计划、有系统的活动。不是仅仅针对某项具体质量要求的活动，不是一些互不相关的活动，也不是一些质量活动的机械组合。
& 质量保证分为内部质量保证和外部质量保证两个部分。内部质量保证是质量管理职能的一个组成部分，这是为向组织各层次管理者提供信任，使他们相信本组织提供的产品或服务满足要求。外部质量保证是为了向需求方提供信任，使需求方相信该组织提供的产品或服务满足要求。
& 质量管理(QM)是指：制定和实施质量方针的全部管理职能。
& 这里提到的方针是一个组织的总的质量宗旨和质量方向，是一个比较长远的、组织所应遵循的有关质量方面的总的宗旨。因为质量管理的职责是负责质量方针的制定与实施，是由组织的最高管理者承担并与组织内各成员相关的一项系统性活动。
&&& 质量控制(QC)是指：为达到质量要求所采取的作业技术和活动。
& 定义中的“作业技术和活动”是为了达到质量要求所采取的，而不是组织所有的作业技术和活动。“质量要求”需要转化为质量特性，这些质量特性可用定量或定性的规范来表示，以便于质量控制的执行和检查。
& 质量系统(QS)是指：为实施质量管理的组织结构、职责、程序、过程和资源。对质量系统的理解应注意以下两点：
&&& (1)质量系统不仅包括组织结构、职责、程序等软件，还包括“资源”。资源是指：
& & 1）人才资源和专业资源；
& 2）设计和研究设备；
& 3）制造设备；
& 4）检验和试验设备；
& 5）仪器、仪表和计算机软件。
&&& (2)质量系统并不包括质量方针的制定。因此一个组织的质量系统是包含在该组织的质量管理范畴之内的。
&&& 质量保证、质量管理、质量控制的关系如图7-16所示。
图7-16& 质量保证、质量管理、质量控制的关系
& & 由图中不难看出：
& & 1)最外的正方形代表质量管理，它包括质量方针的制定与实施，是一个大的概念，它包括了质量方针、质量体系、质量控制、质量保证。
&&& 2)正方形内最大的虚线代表质量体系。实施质量管理依靠质量体系，它包括了质量控制和质量保证。
& 3)正方形内的小虚线圆被S形虚线所隔开，分别为内部质量保证方面和质量控制方面。S形虚线隔开是说明内部质量保证和质量控制犬牙交错、密不可分，内部质量保证离不开质量控制。
& 4)剖面线代表了合同环境下外部质量保证方面。在合同环境下对某一特定产品或服务的质量保证都是在该组织质量体系的基础上增减要素所形成的不同保证模式。
3.质量系统的发展与现状
& & 全面质量管理(TQC)的概念，早在20世纪60年代初由美国通用电气公司Feigenbum博士首先提出，并为世界各国所接受。日本质量专家石川庆先生提出的全公司范围的质量管理(CWQC)是TQC思想的深化和具体应用。
& 基于TQC方式适应企业的质量系统是20世纪70年代才开始的。在20世纪80年代，质量职能向广泛的、多职能的全面质量保证发展，质量系统在理论上能综合而连续地控制全部关键的活动，使质量保证真正普及整个组织范围之内，而不仅仅限于生产过程。在20世纪90年代，由于制造技术和检测手段的自动化，再加上计算机技术的普及，质量系统也向自动化、集成化迈进。
&&& 目前国外对自动化系统(如FMS CIMS)中的质量系统的研究有两个流派：一个为了与CAD，CAPP，CAM相比较，将其表示为CAQ；另一个就是把它看成相对独立的子系统，表示为IQS。德国人常使用前一个名称，最典型的是在德国国家标准技术研究所(DIN)的研究报告中关于CIM的定义。美英学者认为质量系统是一个相对独立的系统，常使用IQS的概念。IQS的最早概念是美国Illinois大学Urbana分校的S.G.Kappor等人在1984年AIIE会议上提出的。
&&& 日本学者对质量系统的研究着眼于质量控制方法。日本人认为产品质量问题主要是管理方面的问题，它占整个质量问题的80%以上。因此，日本人广泛开展QC小组活动，把制造过程QC小组推广到设计、采购等部门，使QC小组在全厂范围内普及。
&&& 国外对自动化系统中QS的研究比CAD，CAPP，CAM的研究大约晚5年，但从20世纪80年代中期以来，CAQ和CIQS的研究和开展受到越来越广泛的重视。具有代表性的是1989年由IFIP召开的，CIM系统中的计算机集成质量系统(Computer Integrated Quality System in CIM System)国际会议。会议主题包括：①CIQS的建模和体系结构；②CIM中的CAD，CAM，CAQ的集成软件；③生产检测的柔性自动化；④CIQS中的知识工程和专家系统。
&&& 与此同时先进国家的一些企业，为了提高产品质量，增加企业产品竞争力，也开发了各自的质量系统。如前联邦德国MTU公司在其大功率发动机生产中正在实施的质量信息管理系统(QUISS)包括了质量保证的四种基本功能，即质量计划、质量检验、质量控制和质量改进。
&&& 我国是开展TQC较迟的国家，计算机和自动化技术在质量系统中的应用也只是近几年的事，而且大部分主要用于质量报表的生成，远远落后于发达的工业国家。从20世纪90年代初期开始，我国的一些高等院校已开展了FMS中QS技术的研究，目前在FMS检测监控与故障诊断、柔性制造环境下质量系统体系结构、检测规划的自动生成等方面进行了研究，并获得了进展和成果。目前正在此基础上进行更深层次的研究。
三、FMS的数据管理与通讯网络
1.FMS信息系统的开放体系结构
&&& FMS是工厂的一个制造单元，是生产的调度和控制的集成体。但是由于FMS是CIMS的单元技术，因而在谈及FMS信息系统时，应该联系CIMS的体系结构。否则，又将是一个自动化孤岛。
&&& 在设计FMS信息系统体系结构时，必须解决两个问题：一个是信息的集成，另一个则是信息的共享问题。而开放性的体系结构，正好提供了这两个支持。
&&& (1)必要性
&&& 由于FMS中，各计算机承担不同的功能，完成不同的任务。设计系统的计算机要求速度快、容量大和图形功能强；单元层计算机需要有管理、调度的功能，实时性要求不那么严格；工作站层机和设备控制机要求可靠性高、实施性强的工业级计算机。因此，在FMS中计算机将不会是统一的，有小型机(或服务器)、CAD工作站和工业级计算机。一般来说，众多计算机将会分成若干子网，然后联接到主干网上，这就形成不同型号，不同厂家、不同年代计算机的联网问题以及不同网络的互联问题。这一切都需要有一个强有力的集成环境，因此，开放体系结构的形成就成为必然结果。
&&& (2)实现的条件
&&& 由于世界各国在高技术领域的竞争，实施自己的高技术发展，FMS、CIMS工程的异军突起，迫使各计算机厂商都致力于建立自己的开放系统的研制，并成立了若干国际的标准化组织，如电子电机学会(IEEE)的可移植式操作系统界面标准委员会(IEEE／POSIX)、X／Open、开放式软件基金委员会(OSF)等。这三个标准化组织，完成UNIX操作系统的标准化，并提供可移植的应用环境标准。它们的工作重点有两个：一为应用程序界面(API)，促使操作系统和应用软件互通；另一个为使用者界面，促使屏幕、表格、视窗和其他功能能以标准方式让使用者和系统沟通。另外，国际标准化组织颁布的开放系统互连(ISO／OSI)的7层参考模型，为各种网络协议提供了参考模型标准。现有的网络标准都在向此标准靠拢，兼容较好的是MAP／TOP协议(30版)。MAP30的应用层协议的MMS(制造信息规范)为FMS提供了完整的服务定义，这些服务定义已被国际标准化组织以ISO／IEC9506标准正式颁布。
&&& (3)FMS信息系统组织与原理模型
&&& FMS信息系统是由不同类型、不同年代、不同厂家的计算机组成的多级计算机控制系统，在此系统中每台计算机担负不同的任务。众多的计算机在网络和数据库的支持下，得到数据共享和相互通信，使整个系统协调一致地工作。完成从产品设计(包括工艺设计、工装设计)、零件加工到产品检验全过程的调度控制。
&&& FMS多级计算机控制系统一般是按照美国国家标准局自动化制造研究实验基地AMRF(Automated Manufacturing Research Facility)的五层递阶结构的下三层来设计的，即单元层、工作站层和设备层。
&&& 1)单元控制器主要完成作业调度。包括零件在工作站的作业顺序、路线选择、加工时间与提前期的预估；作业调度指令集的发放与管理；中央刀库的调度管理；且还应有出错恢复功能。它包含有三个模块：排队管理模块、调度管理模块和分配模块。
&&& 2)工作站控制器主要功能是按照上一层分配下达的作业生成实施操作命令，同时对控制过程进行监控，为故障监测与诊断提供依据。本层还要统计作业完成情况，包括成品、次废品、加工总件数、加工时间和刀具使用时间等。
&&& 3)设备控制器的功能是把工作站控制器的命令转换成可操作的、有次序的简单任务，并通过各种传感器监控这些任务的执行。完成产品的加工、装卸、运输、测量和监测监控等工作。此层是控制信息的执行者，它是整个系统中信息流的终端。
& & 在复杂的FMS系统中，信息流的管理系统极其重要的，它是FMS的神经中枢。为了适应三级控制的需要，必须要有数据和网络两个管理子系统来支持。另外，为适应开放性体系结构，还需有符合标准的应用程序接口(API)。这样，才能保证让单元控制器、工作站控制器和设备控制器之间的信息得到共享和传输。图7-17给出了FMS信息系统工作原理模型。
图7-17& 信息系统原理模型
&&& 图7-17中，OS表示操作系统，DBMS表示数据库管理系统。设备层中各框仅代表类型，由于有的设备可直接上MiniMAP网，就没有必再经过场地网(Field Bus)定，这样能节省资源。网关(Gateway)是起协议转换作用的。
2.开放体系结构说明
&&& 前面提到了开放体系可提供FMS信息的集成环境，这是为什么?现从开放系统定义来阐明这个道理，此处仅作为参考列出其定义：“在接口、服务和支持方式充分采用规范，以便使常规应用软件经过最少的变化，便可在很大范围内的各种系统之间移植，并可与本地和远程系统中的其他应用软件进行交互式操作，同时允许用户按照自己的习惯易于移植。”
&&& 规范或者标准，这是计算机工业极其重要的工作。目前计算机标准化的主要内容是：应用软件界面、使用者界面、图形、数据库管理、安全、子系统、工具、网络和语言等。其目的是使不同厂家生产的计算机可以连接起来协调一致地工作，应用软件能在不同型号计算机上执行，使现有的设备能够与未来的标准设备相容并存。这样，才能保证FMS这样信息复杂的系统能有集成的可能。
&&& 目前，计算机的标准化可分为两类，一类是工业标准，另一类是事实上的标准。前者是提供硬件和软件的结构和功能的详细规格，后者是由各厂商广泛使用和接受的，变成非正式的标准。今天，对未来计算机发展具有深远影响的标准化工作已逐步展开，标准化的中枢概念就是开放系统，而开放系统的目的是要建立一个标准的计算机操作环境。
&&& 伴随开放系统，有几个新名词：交互操作性(Interoperability)、规模可变性(Scalability)、可移植性(Portability)和可连接性(Connectivity)。交互操作性是应用程序和应用程序“交谈”，OSF的远程过程调用(RFC)就是这种接口的一个实例；可连接性是指系统与系统的“交谈”，这是通过网络协议来完成的，MAP／TOP(Manufacturing Automation Protocol／Technical and Office Protocol),Ethernet,NFS,X25是这种接口的实列；可移植性为应用程序从一个平台移到另一个平台，要达到移植的目的，需要在不同的系统中设置相同的接口集，并将应用程序写在这些接口上，这方面的实例是X／Open XPG3系统接口与语言规范；最后，规模可变性是指允许同一应用软件在某一系列产品各种系统上均能运行的能力。另外，还需特别指出的是，标准是针对接口的，而不是产品，并且必须由独立(或称中性)机构来制定，而不是由特定的硬件或软件厂商来制定。
图7-18& FMS开放系统原理模型
&&& 综上所述，一个具有开放FMS的信息系统，应具有符合标准的操作系统、能实现数据共享的分布式数据管理系统、与OSI七层协议兼容性好的网络以及标准的应用程序接口，这样的系统才能提供应用程序的可移植性和相互操作性以及系统间可连接性，最终才能完成FMS的信息集成和功能集成。图7-18给出了开放系统的原理模型，但在设计一个具体的FMS系统时，并不是那么简单，特别是设备的进网问题尤其突出。一般来说，有较大一部分数控设备仅有点对点的通讯能力，有的甚至连这一点能力都不具备。因此，还得采取集中器的设计方法，将信息集中和转换，形成所需之格式，进入网络系统进行交换和处理。
&&& 在复杂的FMS信息系统中，为适应AMRF分级控制的需要，必须有一个计算机系统的支持(或支撑)环境。这个环境包括两个子系统：数据管理和通讯网络。
图7-19& 柔性制造系统数据库流程
3.数据管理
& & 在FMS中，系统数据管理是十分重要的的一个组成部分。因为它关系到信息是否流畅，数据的冗余度是否恰当，以及对各执行机构的控制是否行之有效等一系列问题。为了解决好上述这些问题，在FMS中就必须采用数据库技术。首先，数据库的重要性是不言而喻的，它比文件方式更方便，通常文件仅能包含同一种数据类型，所有记录是按同一种方式布置的；而数据库具有一种逻辑结构，可以使得它的应用达到最佳。对于FMS数据库它不仅覆盖于制造业务，而且能连同其他软件一起支撑整个工厂的运行。FMS数据库与制造资源计划(MRPⅡ)、计算机辅助设计(CAD)以及库存控制等之间的信息关系如图7-19所示。
& & (1)层次数据库：
& 层次数据库就是库中信息之间具有一定的层次结构(或称为树形结构)。也就是说这些信息从上到下相互之间有一定的层次，在数据库技术中通常称为父子关系。在这种关系中的最高层称为数据库的根层，从根层往下可以有若干子层，对于根以外的其他结点只能有一个父结点。层次数据库的层次结构如图7-20所示。
&&& 图7-20中描述的是在层次数据库中信息项间的父子关系。数据库含有一个单独的根类型A，根的下一层是类型B与C，B的下一层是D与E，等等。层次数据库非常适合于一对多关系的表示。在FMS中也可以找到这种数据关系，如可以用来描述与产品有关的工艺、工具、机器、运输路线等。
图7-20& 层次数据库的层次
& & (2)网络数据：
& 在层次模型中，存在着两个限制条件，一是高层只有一个结点，称为根；二是根以外的其他结点有一个且只能有一个父结点。去掉上述两个限制，便成为网络模型。
& 因此，可以说层次模型是网络模型的特殊形式，网络模型是层次模型的一般形式。
&&& 网络数据能在冗余与操作之间用一个较好的折中方法来描述多对多的情况，网络数据库对那些本身不能提供很好层次关系的复杂的甚至混乱的关系也能很好地进行处理。这些描述在变化复杂的FMS中会出现。
& 描述数据项的组称为集合(Set)，数据项是集合的成员，但注意这里所讲的集合并不遵循数学集合理论的相同规则。
图7-21& 工厂、机器、部件与物料清单的环形结构
& & 一个集合是由一个环形图中描述项连接而成的，由集合的主人启动，通过每一个成员，然后回到集合的主人。在机器与零件的例子中，用一台机器作为集合开始，通过所有能制造的零件，回到机器结束。同样，在一个工厂的集合中，它所包含的所有机器只是它的集合的一部分，图7-21给出了工厂、机器以及零件等的环形结构。
& (3)关系数据库：
& 在现实的信息关系中经常会碰到很多难以由一个层次数据库表示的信息关系。而这些信息却又具有某种关系，例如，要创建一个“孩子”记录是有多个“父亲”的这种结构时，层次数据库就难以实现。在我们前面谈到的层次数据库和网络数据库中，实体之间的联系是通过指针来实现的，即把有联系的实体用指针链接起来。例如层次模型中的父结点与子结点之间，以及孪生兄弟之间等。在网络数据库中，系主与成员之间可用链串接起来，所以从这一点来讲，层次数据库和网络数据库本质上是一致的；而关系数据库则是采取完全不同的思路，即采用表格数据来表示实体之间的关系，这就是关系模型的实质所在。从理论上讲在关系数据库中关系与关系之间是没有指针的，然而有时为了提高存取效率，在实际系统中也采用指针来建立两个关系之间的联系。图7-21是一个工厂机器与零件对应关系的例子。
& 从图中可以清楚地看到机器有一个独立的表，零件也有一个独立的表。对于机器来讲，一台机器可加工多种零件，如编号为223的机器可以加工5种零件，在这种情况下往往需建立一个联接机器与零件的关系文件。上面我们简单介绍了具有代表性的三种数据库，由于这些数据库在结构方式上以及数据库的操作上都存在着很大的差异，因此在选择数据库时要慎重，特别要注意避免选择投资大而又已证明难以实现的技术方式。在FMS中由于数据的类型多，数据量在，而且数据分布也很广，所以在FMS中选择数据库时更要慎重。
4.FMS通讯网络结构
&&& (1)一般结构
&&& 在FMS中，由于各种设备，如AGV(自动导引小车)，CNC(数控机床或加工中心)，ROBOT(机器人)等，它们的自动化程度较高，如何将这些既相关、又独立的自动化孤岛集成起来，即采用什么样的网络结构将它们联接起来，这是设计FMS系统应首先考虑的问题。根据国内外实现FMS的经验来看，采用递阶控制的结构比较合理。这种结构的特点是：层次分明，隔层不透明，每层只接受上层下达的命令，并向上层反馈信息，同层的协调由上层来完成，层次间由通讯网络来完成。图7-22给出FMS网络结构示意图，其中，工作站与设备之间一般采用场地总线网(Field Bus)或位总线网(BitBus)，各子系统之间则采用MiniMAP网或Ethernet网。
图7-22& 机器与零件的对应关系
&&& 作为FMS网络，它既可以是工厂CMS网络中的一个子网，也可以是一个独立的局域网络系统。
& 长春FMS实验中心，是我国自行研制的第一条FMS实验线，它的多级计算机控制，就是按照三级递阶结构设计的，并采用了国际上FMS主流网络MAP30标准，见图7-23所示。
图7-23& FMS网络结构示意图
&&& 其中，Sun386i/250工作站作为单元层计算机，主要进行作业调度、编制NC程序、指令集的发放与监控、故障的分析与处理、进行在线仿真显示、工作站的管理等。两台STD5A机作为工作站计算机，一台控制刀具流，一台控制物料流，它们的功能主要是MAP网络协议与CCP协议的转换，分解和组装运控命令，协调子系统个设备间的联系，并向单元层反馈执行情况和故障信息等，而AGV，CNC，ROBOT等设备主要是执行运控命令，并根据工作站层的要求，反馈执行情况和设备状态等信息。
图7-24& 长春FMS控制系统结构
&&& (2)终端点到主机的联接
&&& 在FMS系统中，单元层与工作站层之间的通讯通常采用局域网连接。目前国内外普遍采用的是Ethernet网络或MAP网。由于Ethernet网物理层和数据链路层采用了IEEE8023协议标准，即CSMA／CD(载波侦听多路存取／冲突检测)技术，在网络节点较少的情况下，能够满足FMS系统中信息传输的要求，一旦节点增加，由于冲突的存在，将影响网络的实时响应性能，使FMS系统的实时性得不到保证。而MAP网络是美国通用汽车公司(GM)80年代初制定的专门用于自动化的局域网络协议，它的物理层和数据链路层符合IEEE802.4协议标准，即令牌传递总线(Token Passing Bus)协议。由于该协议规定，只有令牌的执有者才能控制总线，才能进行信息的传递，从而避免了冲突的发生，使网络的响应性能得到改善，特别适用于对响应性能要求较高的生产控制过程。
&&& 对于网间传输介质的选取，由于工厂环境恶劣，如尘埃、油污和腐蚀性气体的存在，加上强电设备启动频繁，一般多采用同轴电缆，以保证传输线路的正常通讯。对Ethernet网，通常采用50 Ω的同轴电缆，数据速率可达10 Mb/s，最大分段长度为500 m，采用转发器后，站间距离最大的可达2.3 km。而MAP网络采用的传输介质为93 Ω的同轴电缆，它的数据速率可达10 Mb/s，最大分段长度可达600 m，通过有源连接器，站间最大距离可达6 km。
&&& 光缆是一种新型的传输介质，由于它把电信号变成光信号在直径很细的光导纤维中传输，在目的结点再把光信号转换成电信号，因为光具有高速、安全保密以及重量轻、体积小等优点，正受到重视。目前由于光缆价格较贵，且安装复杂，实际应用并不多。
&&& 对于工作站层到各执行设备之间的联接，通常有三种类型：点到点联接、主从式总线互联、局域网互联。设备直接上网虽然可行，但如果所有的设备都作为局域网的一个站的话，势必增加网络的负担，增加网络管理难度，使网络的实时性受到影响。采用主从式总线联接，将要求设备控制器增加专用接口部件，且目前国内现有设备控制系统各异，实现起来困难很大，故采用点到点联接的居多。点到点联接最常用的是串行通讯方式，采用RS―232或RS―422标准，也有采用电流环式数据传送。当然有条件采用位总线(Bit Bus)或场总线(Field Bus)标准更好。
&&& 在长春FMS实验线，单元层与工作站之间的网络通讯采用了MAP30网络协议，传输介质为93 Ω的同轴电缆，工作站层与设备层之间采用了点到点联接，采用了基于ISO BASIC标准的通讯控制协议CCP。
&&& (3)FMS设备的集成
&&& 从系统工程优化的观点出发，从技术性能上讲，FMS可划分为信息流技术、刀具流技术和物料流技术。把信息技术和生产技术有机地结合起来，合理地组织刀具流和物料流，通过信息的共享和集成，及时、准确、可靠地提供各类功能系统所需的信息，以充分发挥FMS的集成效果。
&&& 从形式上看，FMS似乎是各种设备的集合，其实质是信息的集成。通过信息的集成实现各种不同设备的集成。各种设备通过接口及时地与主机交换信息，是实现信息集成的惟一的途径。因此，接口的设计技术直接关系到系统的集成效果。在进行FMS的设计时，应从实际出发，详细分析各子系统(即刀具流子系统、物料流子系统)及子系统中各设备信息交换的需求，除配置满足功能需要的软件和硬件外，应十分注意集成这些软、硬件所必须的软件接口、硬件接口、专用接口和人机接口的研究开发。注意这些信息传递的规范及实现这些规范的方法。显然，一个十分友善的人机接口会给用户的工作带来极大的方便。各种软件和各种设备之间的接口也会因软件和设备的不同而差异较大。下面只从概念上描述这些接口。
&&& 1)软件接口
&&& FMS各子系统在局域网络和分布式数据库的支持下，跨越不同的子系统或同一子系统中的不同部分，进行数据的存取、维护、通信，实现资源和信息的共享。单元层计算机系统，以共享数据库为核心，实现资源和信息的共享，运行控制软件系统通过到数据库的访问，数据处理实现对各部分的控制。运行控制软件系统主要由人机接口、实时控制、故障处理、动画仿真、网络接口等5大部分组成，这些应用软件通过数据库管理软件与数据库相连接。
&&& 外部数据通过相应的应用软件做接口。把数据输入到数据库中，这些数据主要是：
&& ?用户键入的各种命令
&& ?条形码输入器输入的刀具补偿参数
&& ?工程子系统输入的NC程序，CAD／CAPP数据
&& ?设备报警信号的输入
&&& 根据用户的命令或运控软件的控制，数据库的一些数据通过相应的应用程序接口输出给设备，这些输出设备主要是：
&& ?报文输出
&& ?动画仿真
&& ?信息或运行状态的监视
&&& 局域网络是实现FMS各部分资源和信息共享的主要通道，网络接口子系统作为共享数据库子系统和FMS各子系统的接口，把单元层的信息通过网络接口软件发送到网络其他站点上。同理，其他站点的信息也可通过网络接口软件输入到单元层控制系统。图7-25表示上面所述的主要软件接口。
图7-25& 软件接口
&&& 2)硬件接口
&&& 有了网络和分布数据库的支持，这样仅具备了FMS系统集成的基本环境。为了实现单元控制系统的集成，还需要各种硬件接口。
&&& 各单元控制器通过并行接口连接打印机，通过RS―232C或RS―422／3接口连接输入设备、工程子系统等设备。在FMS物流子系统中，像工件装卸和清洗站设备，采用PLC(可编程逻辑控制器)。因此，工作站与这些设备之间只能采取开关输入输出方式进行通信，凡采用这种通信方式的推荐采用互锁式通信，并加延时滤波措施，以提高通信的可靠性。
&&& 在工作站与加工中心联接时，如加工中心控制器不具备FMS接口，还需对加工中心进行改造，设计一个专门的接口，即辅助控制器，也就是说：加工中心控制器＋辅助控制器＝设备层控制器。
&&& 由上可知，工作站层与设备层之间的接口要视设备而定，它们所使用的通信协议也不可能统一。
&&& (4)分布式应用的支持
&&& 在FMS环境下，由于有众多的不同年代、不同类型的制造设备和辅助设备，这些设备是由不同的计算机及操作系统异构的网络和数据库联接在一起的，因此数据的访问和相互通信将不是一件容易的事，而FMS的处理速度将是FMS效率的主要组成部分，为了数据修改和实时错误的恢复，提供一个带有局部智能的分布式处理系统是必要的。所谓的局部智能，是指柔性和可靠的数据处理系统。
&&& 关于FMS数据库在7.3节中已经介绍，此处仅就网络对分布式处理系统的支持做一简单的描述。由于在复杂的FMS系统中，通信网络往往是不同种类的，因为各个子系统对数据传输要求是不一样的。有的要求报文长，传输速率可以稍慢一些，比如，设计系统、车间管理等；但有的一定要具有很强的实时性，例如，对加工设备的控制命令就要求越快越好。为此，在FMS系统中，往往要选用两种或三种不同类型网络。要想将这些网络互连，就需要提供重发器、网桥、路由器和能进行上层协议转换的网关(Gateway)来组网。
&&& 重发器的功能是将一段网上接受到信息逐位放大后重传至它所互连的同类型的网络，即实现比特流的放大、补偿传输信号的衰减并整形，主要是用来扩大网络传输的范围，例如，常用的以太网收发器只能支持500 m长的粗缆或185 m长的细缆。重发器可将若干段电缆连接起来，延长电缆的总长，扩展LAN除对电缆或光缆的总长度有所限制外，对重发器的个数也应有一定的限制，一般允许串联两个，有的厂商也允许串联四个重发器。
&&& 桥接器(Bridge，网桥)是一种存储转发设备，LAN接受到一个完整帧后，对帧头进行校验，可对帧头作适当修改，包括删除或增加一些字段，然后转发到另一LAN或者丢弃该帧。如果网桥收到的帧的源地址和目的地地址同属一个LAN，则该帧丢弃，否则，将转发。网桥一般用于同一种协议的两个LAN之间的互连。网桥是链路层互连设备，不再受MAC定时特性的限制，可以比重发器互连更大范围地扩展LAN，最大距离可达10 km。另外，桥接器具有筛选／过滤功能，包括提高整个扩展LAN的吞吐量的网络响应速度，并且改善网络的安全保密性。
&&& 路由器是网络层互连设备，可分为单协议和多协议路由两大类。单协议路由器用于具有相同网络协议的网络的互连，多协议路由器可以支持多种网络层协议。路由器完成的主要任务之一是路由选择，通过路由器中的路由表来完成。用路由器来组网比用桥接器组网有更多的优点：可实行不同类型的网络互连；具有很强的流量控制能力，可以采用优化和路由选择算法均衡网络负载，从而有效地控制拥塞；不仅可以根据LAN地址和协议类型，而且可以根据网间地址、主机地址、数据类型过滤信息。因此，有比网桥更强的隔离能力，将有利于提高网络性能和安全保密性。
&&& 协议转换器或称网关(Gateway)，是比以上三个互连设备功能更强的异构网互连设备。一般是用于两个具有不同协议，且物理上也相互独立的网络互连。例如，Ethernet网和MAP网，在协议上分别为TCP／IP和MAP，物理层则为IEEE802.3和IEEE802.4，要完成这个协议转换是相当复杂的，因此不可能提供通用的协议转换器，只有一对一地进行研制。一般来说，网关比前述三种网络互连设备更为复杂，成本高，吞吐量更高一些。在FMS这样复杂的计算机网络中，需恰当应用上述四种组网技术，为了使传输速率更高，最好选用一种网络协议是较为合适的。
&&& 在FMS中，只要完成了异种机的连网和异构网的互连，就能支持具有分布式处理信息系统的数据的实时传递。另外，如果能做到利用网络协议服务去操作数据库，那就能大大提高FMS的柔性和生产效率。
&&& (5)网络管理
&&& 从设计原则上讲，网络管理是一种异常管理，网络管理的功能是纠正错误的一种工具。正如MAP21标准所描述的那样：网络管理的任务是通过网络设备来收集网络介质使用方面的信息，确保网络的正确操作以及提供报告。
&&& 不论是广域网或是局域网，也不管网络执行何种协议，网络管理大致应执行下面两种基本功能：
&&& 1)配置管理：用来进行网络状态的控制和效应，包括网络的初始化，网络站点的进入和退出。
&&& 2)故障管理：对网络运行状态进行监控，包括网络故障的监测和诊断，以及故障排除后自动恢复。
&&& 随着半导体集成电路和技术的发展，LSI(Large Scale Integration,大规模集成电路)和VLSI(Very Large Scale Integration，超大规模集成电路)技术的日益成熟，将局域网的功能集成在少数几个芯片已成为现实。如Intel公司推出的网络专用芯片8，可支持10 Mb/s的基带Ethernet网络；Motorola公司推出的MC68824和MC68194，可执行5 Mb/sIEEE8024载带物理层和数据链路层MAC的功能，当网络中站点数发生变化时，可自动进行重构。由于网络芯片的集成化和智能化，也给LAN网络的管理和维护带来极大的方便。}