CIMS技术

CIMS技术（精选7篇）

CIMS技术 篇1

一、研究背景

工业化和计算机技术的发展, 使制造系统每天产生的数据量不断增加, 整个制造业产生的数据量远高于其他行业[1]。面对日益复杂的制造业生产系统, 通过保存其运行过程中的中间数据, 并对数据进行研究, 能够解决当前的系统建模手段无法解决的问题。传统的数据分析方案一般先将数据保存到关系型数据库中, 然后借助联机分析、处理等手段为决策提供支持[2]。

当面对制造业的海量数据时, 可能会有如下缺陷[3]:

(1) 数据来自不同地区的工作站、传感器等, 而且数据格式不统一, 既有结构化数据, 也有非结构化数据, 不利于处理;

(2) 联机分析处理过程中会有大量的数据移动操作, 当数据量达到PB级时, 大量数据移动造成的开销变得难以接受。

因此, 有必要研究并实现一个能够合并存储异构数据、并且可以完成基于大数据的CIMS数据分析处理的平台。本文将Hadoop大数据技术引入到CIMS海量工业数据的监测和分析中。

二、研究现状

范剑青[4]阐述了大数据独有的特点, 说明大数据提供的海量数据给统计、处理以及统计估算和检验带来的问题。Jiang等人[5]对电子商务网站的大量商品数据进行分析处理, 提出了基于Hadoop的协同过滤算法。

Duke能源公司模拟大数据解决方案, 使维护专家远程观看设备和记录异常指数, 甚至可以及时采取纠正操作, 但还不能真正实现大数据分析和处理平台。通用电气 (GE) 于2013年推出其大数据分析平台, 用以将云平台中的工业机器产生的海量数据转化为实时信息, 此平台可以认为是第一个能够真正管理工业海量数据的平台, 但是难以处理来自多个数据源的数据。美国国家仪器公司和IBM联手推出Info Sphere Streams大数据解决方案, 能够以很高的数据吞吐率分析来自多个数据源的信息, 但其处理带有一定的数据延时, 实时性不佳。

为解决海量数据处理时的实时性问题, 本文拟采用开源的Storm流处理技术, 并借助类SQL和Piglatin等过程化语言扩展, 以实时监控整个大数据平台。

三、大数据技术在CIMS监测与分析平台中的设计

工业应用数据在数据量上远超普通应用, 其海量数据存储的要求超过了传统的关系型数据库的存储能力。另外, 工业应用数据也由传统的结构化数据扩展到结构化、半结构化以及非结构化数据并存, 对这些数据格式以及数据类型都存在不同的工业数据进行采集、分析和处理的方式有别于传统方式, 因此需要对监测和分析平台进行设计, 从软件结构、通信方式以及数据存储方式等各个方面进行分析。

3.1 CIMS海量数据监测与分析平台的设计

在将大数据技术应用于CIMS海量数据的监测与分析时, 海量的工业数据不再存放在传统的关系型数据库, 而是存放到HDFS分布式文件系统上。因此, 软件结构设计要与Hadoop的HDFS文件系统相对应。

3.1.1软件结构

本文设计的CIMS海量工业数据监测和分析平台 (以下简称“平台”) 采用Master-slave主从架构, Hadoop集群的Name Node节点作为监测和分析平台的管理节点, 完成数据采集、数据分析等各功能的功能模块是工作节点。管理节点管理整个集群的相关信息, 并维护包括节点的主机名、IP地址等机器状态。工作节点可以根据工业应用的需求进行灵活的配置, 也可以动态增加或减少。

平台主要分为如下部分[6]:客户端、消息中间件、数据查询模块、数据分析模块、数据采集模块以及Hadoop集群。客户端接收用户请求, 向平台发出任务请求;数据采集模块、数据查询模块以及数据分析模块是平台的功能组件, 分别提供工业大数据分析流程中的对应功能[7]:数据采集模块对外提供数据的访问接口, 其功能是从不同的数据源获取数据, 并将这些数据存储到Hadoop的HDFS文件系统上。

数据查询模块从HDFS文件系统中查询数据的存储索引, 并返回给数据分析模块;数据分析模块中实现不同的数据分析配置方法, 并交由Map Reduce框架分布式地实现数据分析任务。

3.1.2系统功能模块

平台中监测和分析的数据一般都是离散数据, 所以选择消息中间件作为通信管理模块, 消息中间件实现平台中各个模块间的通信。

以功能节点上线为例, 由于管理节点存储了所有节点的状态信息, 所以为保证整个集群信息的一致性, 功能节点上线时需要先向管理节点注册其信息, 管理节点会向消息中间件订阅“注册”这一主题, 消息中间件接收到订阅请求后会创建相应的队列, 并持续监听此队列的消息情况。消息队列中的消息是以文本格式存在的, 本文的消息传递方式采用XML。平台中的操作请求都会发送给任务管理模块, 由其解析后, 再发送给相应的功能模块执行。

数据采集模块从基于HDFS文件系统的Hbase数据库中获取来自客户端的数据, 由于工业数据的采集并发量可能比较大, 因此要在采集端部署大量数据库;除此之外, ETL工具负责将异构数据源的数据抽取处理进行数据清洗。Hadoop上的数据分析模块能够完成多维分析, 由于Map Reduce的具备很强的并行处理能力, 因此分析维度的增加并不会使数据分析的开销显著增加, 这无疑是传统的数据分析平台所无可比拟的。

3.1.3数据存储方式

传统的关系型数据库不能很好的支持结构化和半结构化的数据, HDFS分布式文件系统克服了这一缺陷, 将非结构化数据和结构化数据都以文件形式存放, 实现了廉价而又可靠数据存储。

工业数据可能来自多个不同的数据源, 平台借助中间件屏蔽了它们之间的异构性, 然后将这些原本异构的数据存储到HDFS文件系统中。这种异构数据存储方式不需要昂贵的存储设备, 廉价的服务器即可组成可靠的存储集群;另外, 存储集群节点同时还是Hadoop集群的工作节点, 提高了数据存储节点的利用率[8]。

四、大数据技术在CIMS监测与分析平台的性能优化

软件工程思想中, 不能只设计软件的结构, 同时要对软件进行不断优化。平台集中了多个数据来源的数据, 因此平台间的数据传递吞吐量比较大;另外, 平台各个组件间的网络依赖关系比较复杂, 合理分配网络资源对提升平台性能有重要的影响。

系统动力学研究复杂系统的结构、功能以及动态行为模式, 可以利用系统动力学的相关原理和方法, 对本文设计的平台进行模拟仿真研究。

在进行实际的大数据平台仿真分析时, 为搭建Hadoop集群本文配置4台服务器, 其中一台作为Name Node, 其他服务器作为Data Node。具体的配置信息如表1所示:

系统动力学分析软件系统的基本思路是把与系统相关的网络变量转换为因果图及流图, 因果图表征了变量间的相互影响关系, 流图说明了变量的反馈积累;然后利用DYNAMO方程描述变量间的关系。因果图反应了平台中的反馈回路的正负极性, 表示出系统元素间基本的相互影响关系。

基于以上分析, 对本文设计的平台进行系统动力学分析如下:由于平台是一个非线性时变系统, 影响其性能的因素不仅包括管理节点、消息中间件、Hadoop集群等, 还包含网络带宽、服务器配置等客观因素。根据系统建模目的, 可以知道系统边界应该包括如下因素:用户请求数目、数据采集模块采集到的输入数据、消息中间件队列中的消息数量、消息中间件路由消息的延迟、Hadoop集群的性能等。

平台的系统边界确定后, 接下来需要分析系统边界内的元素间的影响关系, 以及它们之间是否有因果关系。经分析可知, 用户请求的增加会导致消息中间件队列中的消息增加, 而消息中间件路由消息的延迟降低会降低系统中消息传递的整体时延。

消息中间件的工作性能和系统各个模块的工作时延组成正反馈回路, 说明消息中间件和系统模块是正相关的, 所以平台整体性能的提升依赖于消息中间件和系统模块的合理资源配置。

消息中间件的各种配置参数, 比如响应速度、吞吐量等参数对提升平台的分析性能影响很大, 在优化消息中间件的各种参数后, 比较本文设计的基于大数据的数据分析平台和传统的工业数据平台的性能, 在同时对PB级别的工业数据进行分析时, 当CPU数目相同时, 响应速度的结果如表2所示:

对于不同的数据级别, 两种大数据平台的处理效果如表3所示:

由结果可知, 在处理相同的数据量时, 在响应速度的性能上, 本文设计的工业数据分析平台要优于传统的数据分析平台。

当处理不同的数据量时, 随着数据量的增加, 传统的大数据处理平台的处理时间也呈现显著增加, 而本文设计的大数据处理平台处理时间是线性的, 明显优于传统大数据处理平台。

五、总结与展望

本文首先介绍了Hadoop大数据技术, 分析了其HDFS文件系统和Map Reduce计算框架;

接下来对基于大数据技术的CIMS海量工业数据监测和分析平台进行设计, 从软件结构、通信方式以及数据存储方式等各个方面进行了分析。最后利用系统动力学的原理, 对影响平台性能的因素进行了研究。

与Duke能源公司模拟的大数据解决方案相比, 本文设计的平台已经能够采集、分析并处理海量数据, 真正意义上在工业领域引入了大数据技术;而且此平台还能够处理来自多个数据源的数据, 比通用电气的大数据分析平台具备一定的优势。

参考文献

[1]韩燕波, 赵卓峰.面向大规模感知数据的实时数据流处理方法及关键技术[J].计算机集成制造系统.2013, 19 (3) :641-653.

[2]邓华锋, 刘云生, 肖迎元.分布式数据流处理系统的动态负载平衡技术[J].计算机科学.2007 (07)

[3]胡茂胜.基于数据中心模式的分布式异构空间数据无缝集成技术研究[D].武汉:中国地质大学, 2012.

[4]杨林青, 李湛, 牟雁超等.面向大规模数据集的并行化Top-k Skyline查询算法[J].计算机科学与探索.2014, 12 (26) .

[5]J.Jiang, J.Lu, G.Zhang, and G.Long.Scaling-up item-based collaborative filtering recommendation algorithm based on hadoop.SERVICES, pp.490-497, 2011.

[6]王黎维, 黄泽谦, 罗敏, 彭智勇.集成对象代理数据库的科学工作流服务框架中的数据跟踪[J].计算机学报.2008 (05)

[7]多雪松, 张晶, 高强.基于Hadoop的海量数据管理系统[J].微计算机信息.2010 (13)

[8]陈康, 郑纬民.云计算:系统实例与研究现状[J].软件学报.2009 (05)

CIMS技术 篇2

CIMS环境下基于特征的产品模型注意：本文已经在《机械科学与技术》(,17(1):129～131)杂志发表

使用者请注明文章内容出处

（EI village已经收录本文）

李龙梅     张暴暴    冯辛安    刘晓冰

(大连理工大学CIMS中心  大连  116024)

摘要：CAD/CAM是CIMS的核心，基于特征的产品建模是实现CAD/CAM集成的关键，本文通过分析典型CIMS中工程设计分系统功能模型，给出CIMS环境下CAD/CAM产品特征模型。

关键词：特征    产品信息模型   CAD/CAM

中图号：TP391.        CIMS集成产品模型与CAD/CAM基于特征的产品模型        计算机集成制造系统CIMS作为新一代工厂自动化模式之一覆盖了产品的整个生命周期。机械产品的生命周期包括从产品的市场需求分析、立项论证、生产决策、产品设计、工艺设计、加工制造、装配、测试到销售和售后服务的全过程。CIMS集成产品模型是产品生命周期中全部数据的集合，它是整个CIMS研究和处理的对象，所有类型的产品信息都集中储存在这个集成的产品信息模型中，信息的表达已将产品生命周期中的不同阶段都考虑进去，是整个企业在生产周期的任何阶段能共享的信息模型，它能在整体上和局部级上支持各种应用活动，使得面向制造、面向装配、面向质量等成为可能。集成产品模型是以用户需求、市场分析为出发点，以产品设计制造模型（CAD/CAM的模型）为基础，在产品整个生命周期内不断扩充、不断更新版本的动态模型。它应能克服以往仅从某一特定阶段的数据需求和数据处理的特点来建立数据模型，改善对产品产品生命周期中所有数据需求的全局分析的不足，而使得在产品生命周期中各阶段实现信息交换与共享。工程设计分系统CAD/CAM是CIMS的核心。 CAD/CAM就是按照产品设计-制造的实际进程，在计算机里实现应用程序所需要的信息处理和交换，形成连续的、协调的和科学的系统。实现CAD/CAM一体化的关键在于信息的集成。基于特征的产品模型，是实现CAD/CAM有效集成最佳方法，是CIMS集成产品模型的一个子集，是集成产品模型的基础模型，也是CAD/CAM系统中数据共享的核心。传统的基于实体造型的CAD系统仅仅是几何形状的描述，缺乏对产品零件信息的完整描述，与制造所需信息彼此是分离的，从而导致CAD/CAM系统集成的困难。将特征概念引入CAD/CAM，出现了产品特征模型。基于特征的建模是CAD建模的一个新的里程碑，它是CAD/CAM技术的发展和应用到达一定水平，要求进一步提高生产组织的集成化及自动化程度的历史进程中逐步发展起来的。基于特征的建模着眼于更好地表达产品的完整技术和管理信息，为建立产品集成信息模型服务，它使产品设计在更高层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，直接体现了设计意图，使建立的产品模型容易为非设计人员理解并便于组织生产，设计图样更容易修改，有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工检验各部门之间的联系，更好地将产品设计意图贯彻到下游环节，并及时得到意见反馈。因此特征建模是解决产品模型建立的可靠途径，于是出现了许多关于特征建模的研究。对特征技术的研究工作，主要可以概括为七个方面：特征的定义与分类、特征识别、特征建模、特征表达、特征检验、特征映射和特征数据库。特征的定义和分类的研究是特征技术研究的基础，但到目前为止，对特征定义和分类的研究还没有形成一个统一的标准，这是因为特征的定义和分类受到特征研究应用背景的制约。CAD/CAM的特征建模究竟应当包含哪些特征，各说不一。作者认为，作为CIMS的核心－－CAD/CAM系统的开发应用，完全可以按照CIMS信息集成的概念进行,由于CAD/CAM最终要集成到CIMS中，基于特征产品模型最终要为CIMS中所有子系统共享，所以在研究特征造型时不仅需要考虑CAD/CAM本身的信息需求，而且需考虑其在CIMS中的地位、作用及其与CIMS中其它分系统之关系。本文就是通过研究典型CIMS中工程设计分系统功能模型各二级子系统的信息需求、本分系统与其它分系统信息联系，得出基于特征的建模应包含的特征定义与分类。2.  CIMS中工程设计分系统的功能模型     一般可以将CIMS分为四个功能分系统和两个支撑分系统。四个功能分系统分别是工程设计分系统、管理信息分系统、制造自动化分系统和计算机质量保证分系统。两个支撑分系统分别是数据库和网络支撑分系统。图(1)所示为典型的工程设计分系统的功能模型图。工程设计分系统由产品数据管理（PDM）、产品设计、工艺设计和制造准备四个二级子系统组成。从这个图中我们可以清楚地看出系统内部数据信息的需求和流动。首先通过PDM将产品开发计划、生产经营计划管理等信息传到产品设计模块，将产品设计模块输出产品的技术报价、BOM表、图纸、技术文档等信息所形成的产品设计模型返回到PDM；工艺设计分系统从PDM中获取有关信息，完成工艺设计并将设计结果，如：工艺规程、专用工装图等技术文档返回PDM；制造准备模块从PDM中获得信息，编制数控加工、夹具需求计划等制造数据信息和各类技术文档返回PDM。产品设计、工艺设计和制造准备之间的信息通过PDM传送，改善数据的统一性和安全性。最后形成的基于特征的产品模型就存在于PDM中了。工程设计分系统的输入信息是市场信息和管理信息分系统传递的生产管理信息，输出O1将又成为质量保证分系统、制造自动化分系统、管理信息分系统的输入。在CIMS环境下，工程设计分系统应与生产管理、质量管理、制造自动化集成起来，因此特征建模时，应考虑这些分系统的信息需求。例如，质量保证分系统的功能是规划和执行企业的质量保证活动，它需要工程设计分系统提供有关产品几何数据、零件、原材料的基本数据、图纸、零件明细、产品结构、标准规范、加工、装配与检测规程和程序等，并从质量保证角度向CAD模块提出产品质量方面的要求和修改设计的意见，提出有关质量方面的要求和达到质量要求建议采取的措施，通过生产控制和维修实现质量控制。由于安排生产作业计划、物料需求计划、能力平衡计划、合同管理、仓库管理等需在管理信息分系统中完成，所以管

理信息分系统与工程设计分系统之信息交换包括：供应商、用户基本数据，用户订单和车间下达任务的有关数据、图纸、零件明细、产品结构有关工具、消耗品数据、工艺规程等。

3.  特征的定义与分类   3.1特征的定义    在一个产品整个生命周期中产生的信息很多，其中包括：设计信息、制造信息、管理信息、质量信息、使用和维护信息等。这些信息又被CIMS中其它系统以不同的方式使用。产品设计初始特征模型是由设计人员建立的，然而在产品整个生命周期内，这个特征模型的不断完善需要设计师、工艺师、质量检测人员等的共同协作。

本文对特征的定义是在CIMS环境下，特征是产品生命周期内信息完整描述的载体，特征是一种信息表示方法，包括几何信息和非几何信息。

尽管特征的定义由于应用的不同而有差异，但特征的性质和作用是基本一致的。首先特征是低层的几何元素与零部件间联系的桥梁，特征将构成特征的几何元素有机地结合起来，形成能够表达特定功能或含义的形状结构，以体现面向应用的形状信息；此外，特征的组成元素可以作为尺寸 公差、表面粗糙度等加工信息的相关载体，使得工艺信息能完整地借助特征而得到表达。基于特征的产品模型不仅能支持各种应用所需的产品定义信息，而且能提供符合人们思维的高层次工程描述术语，并反映设计和制造意图，从而克服现行CAD/CAM系统中产品信息定义不完备性和低层数据抽象性的不足。为CAD/CAM信息的真正集成、及其向CIMS的集成提供保障。

特征除了具有一定的几何信息以外，还包括在设计、工艺规划和制造过程中需要技术、功能等信息，即特征给各种数据赋予了一定的语义。特征建模所需处理的数据纷繁复杂，系统中的数据类型繁多，数据之间的关系也十分复杂，既包括反映产品形状几何拓朴信息的几何模型，又有反映设计结构功能的设计模型，还需处理具有加工特点和装配特性的制造模型，既要存储静态的产品标准、规范等信息，又要涉及动态产品设计、制造过程信息。

3.2特征的分类     在对CIMS工程设计分系统各子系统信息交换分析的基础上，从特征建模的角度出发可以将零件特征分以下6类:

1)形状特征：零件上有一定拓扑关系的一组几何元素所构成的一个特定形状。它具有特定的功能及其特定的加工方法集。形状特征可以分为主形状特征和辅形状特征。其中主形状特征用于构造零件的主体形状(如圆柱体、圆锥体等)，辅形状特征用于对主特征的局部修饰(如倒角、键槽、退刀槽、中心孔等)。辅形状特征附加于主特征之上，或附加于另一辅特征之上，根据辅特征的特点还可以将之进一步划分为简单辅特征、组合辅特征和复制辅特征。简单辅特征是指如倒角、退刀槽等单一特征；组合辅特征是由一些简单辅特征组合而成的特征如阶梯孔等；复制辅特征是同一辅特征按一定规律在空间不同位置上复制而成的特征，如周向均布孔、矩阵列孔等。也可以按获得形状的加工方法不同将形状特征分类。

2)精度特征：用于表达零件各要素尺寸公差、形状公差、位置公差和表面粗糙度等精度要求信息。需特别指出的是，一般形位公差除公差项目名、公差值、基准外，还应包含公差检测原则(如包容原则、最大实体原则等)。精度特征是形成零件质量指标的主要依据。

3)管理特征：用于描述零件的管理信息，如标题栏中的设计者、批量、一台份的.件数、零件与其它产品的借用与通用关系、日期、编码以及生产管理中MRP－II所需信息，和设计过程管理，包括版本管理，使用者权限设定与管理，审定等，并为PDM提供所需的信息。

4)技术特征：用于描述零件的性能、功能等相关信息。说明外观要求、搬运要求等图纸上无法在图上标注的要求，零件运行过程中工况条件（常规、极限），载荷与约束条件，为CAE提供模拟信息，为性能实验，分析计算、优化，有限元前处理提供条件。

5)材料特征：用于描述零件材料的类型、理化指标及热处理等特殊要求、表面处理的信息集合。

6)装配特征：用于表达零件在装配过程中所需用的信息，如与其它零件之配合、配作等关系，装配尺寸链信息、父项子项的信息。为装配工艺提供必要的信息。如组成产品的零部件之间在装配中的关系可分为：

层次关系：机械产品是由具有层次关系的零部件组成的系统

装配关系：包括描述实体模型几何元素之间直接的相互关系的几何关系，比如平面贴合、点面接触相切；描述零部件之间高于几何测层次的机械关系，如螺纹联接、键联接等；描述零部件之间运动关系（相对运动或传递运动），如相对转动，齿轮传动等。

参数约束关系：设计中的参数分为两大类，一类是从上一层传递下来的参数，本层设计部门必须满足，而且无权直接修改，称之为继承参数，一类是设计中产生的新参数，它们有的是从继承参数中导出的，有的是根据当前设计需要制定的统称为生成参数。当继承参数改变时，相关的生成参数要随之调整。

以上特征中，形状特征和精度特征是与零件建模直接相关的特征，而其余特征是CAPP系统选择毛坯、下料、制定工艺的依据，是质量保证系统制定质量检测规划的依据。特征之间的关系有反映主形状特征之间的空间相互位置关系的邻接关系；辅助特征从属于一个主特征或另一个辅特征时构成的附属关系；描述特征类之间关联属性而相互引用的引用关系；不同层次特征之间的继承关系等。

以上特征是根据产品的对象定义的，支持产品生命周期多个阶段的通用特征，不同阶段之间的信息传递主要是通过基本特征这个信息载体，又可以称为基本特征。基本特征对不同应用领域具有不同视口、不同投影与继承，是特征模型支持下游操作和模型本身不断完善的途径。各个分系统结合各自不同信息，就形成了各自的应用特征，如工艺特征、制造特征、检测特征。所以应用特征，是面向具体应用领域或具体应用系统的专用特征，它满足具体系统的操作要求，同时它的信息是可以从基本特征中导出的。

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图1 工程设计自动化分系统功能模型图

Feature-Based  Product  Model  In  CIMS

Li Longmei, Zhang Baobao, Feng Xinan, Liu Xiaobing

(CIMS Centre of Dalian University of Technology, Dalian, P.R. China, 116024)

ABSTRACT:  CAD/CAM is a core element in CIMS, and hence the feature-based product modeling is the key to CAD/CAM integration. In this paper, a typical functional model of automatic engineering design system of  CIMS  is  analyzed,  and the definition and classification of features in CIMS-oriented and feature-based product modeling are discussed.

Keywords:  Feature, Product information model, CAD/CAM

参考文献

[1]冯辛安主编，CAD/CAM技术概论，北京：机械工业出版社.1995.

[2]贺建平、丁秋林、孙正兴，基于特征的产品信息建模技术研究，计算机辅助设计与制造,96(3).

[3]肖田元，CIMS与先进制造技术，工程设计CAD及自动化,96(4).

[4]唐荣锡、张关康、关红明，结合国情研究特征造型技术，计算机辅助设计与图形学学报,92(4).

[5]潘东、张申生、步丰林，基于装配的并行设计辅助系统的研究，计算机辅助设计与制造,96(7).

CIMS在冶金企业中的应用研究 篇3

CIMS计算机集成制造系统是将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合,并应用于企业产品全生命周期的各个阶段,通过过程优化及资源优化,实现物流、信息流、资金流的集成和优化运行,达到人、技术、经营的集成,以改进产品的设计生产、管理、经营决策和市场服务,从而提高企业的市场应变和竞争能力。本文针对企业普遍存在的产品研发能力不足、生产经营管理滞后及信息集成度差等主要问题,根据冶金企业生产工艺流程特点,在对大型钢铁企业生产经营管理、设备自动化和过程自动化现状分析的基础上,结合冶金企业流行的CIMS体系结构,提出CIMS系统构建模式,并对CIMS实施中的关键问题进行讨论。

2 CIMS的开发设计

2.1 开发流程

开发CIMS是一个周期长、难度大、涉及面广的大型工程项目,在开发CIMS时应重视人在系统中的作用,强调系统的开放性、实用性和可行性,重点抓好基础数据的管理工作。CIMS的核心是信息集成,应从顶向下进行总体设计,再由底向上分步实施。一般开发步骤为:总体设计→详细设计→开发实施→测试验收→交付使用。

在开发应用CIMS时,首先应进行本企业CIMS的总体设计,其中关键要作好企业的需求分析,找出企业生产经营活动中存在的“瓶颈”问题和制约因素,然后合理设计CIMS系统的功能模型和信息模型,在此基础上设计整个CIMS系统的结构及各个分系统,从而得到系统软硬件配置图,最后进行可行性论证和效益分析,制定实施计划,设置相应的组织机构等。总体设计结束后,应组织专家对设计方案进行评审,然后才能进入CIMS的详细设计阶段,也就是开始各分系统的详细设计。详细设计结束后,即可购置设备,正式开发各个分系统,并进入实施阶段。CIMS系统建成后进行测试验收,最后交付使用[1]。

2.2 效益分析

CIMS系统的实施效益主要体现在提高设备利用率;降低劳动强度,有较高的设备利用率和生产率;缩短制造周期;生产计划可调性和灵活性等方面。其效果直接表现在降低产品成本、缩短生产周期和提高产品质量上,还可提高企业市场竞争力,加快产品更新换代,提高顾客满意度,改善企业形象及提高员工素质等。因此,开发和实施CIMS系统已成为现代企业发展的一项重要战略任务。只有依靠技术进步和运用先进的生产经营管理模式和机制,才能加快实现经济增长方式转变[2]。

3 CIMS应用

下面以某大型钢铁公司热轧自动化生产系统为例,说明CIMS在冶金企业中的应用情况。

3.1 系统简介

某热带钢连轧机组生产工艺流程为:板坯库→加热炉→粗轧区→精轧区→卷取区→钢卷库→精整区→出厂→冷轧。

板坯从板坯库进入加热炉加热后,根据轧制规程要求,以一定生产节奏将对应板坯由加热炉取出送往粗轧区轧制,然后经中间辊道进入精轧区轧成带钢,接着经热输出辊道冷却后,由卷取机卷成卷经运输链送往钢卷库。热轧钢卷一部分作为冷轧原料,送往冷轧继续加工;一部分通过精整加工,作为热轧钢板成捆包装出厂。

热轧自动化生产系统结构为:(MS)管理计算机系统→(PCS)生产控制计算机系统→(PCC)过程控制计算机系统→(BA)基础自动化微机控制系统[3]。

3.2 系统功能

系统由四个分系统组成,各分系统的主要功能如下。

3.2.1 基础自动化多微机控制系统

该系统直接对设备和物料进行控制,包括如下子系统。

(1)轧线自动化系统

板坯库区辊道运行控制,加热炉区装炉、出炉及运行控制,粗轧、精轧机组控制,带钢冷却、取卷控制等,均为自动化控制。

(2)钢卷运输自动化系统

包括运输链、步进梁、钢卷小车的程序控制。

(3)精整线自动化

包括平整、剪切控制,钢板自动分选,速度控制等。

(4)热轧线集中监视控制系统

监控板坯库、加热炉、粗轧、精轧、卷取各区状态(运行一停止一故障)和机组故障报警。

3.2.2 过程控制计算机系统

用于完成各种初始数据的输入,工艺参数计算及控制,物料跟踪,操作指导及生产操作情况监控与记录,对质量参数进行分类统计等。

3.2.3 生产控制计算机系统

用于完成对热轧物料跟踪,实施热轧、精整和发货计划,对板坯库、钢卷库和成品库进行管理,向过程控制计算机下达生产指令并传送现场信息,将采集的生产信息传送给生产管理计算机系统(MS),进行质量监控等。

3.2.4 管理计算机系统

最上位的生产管理计算机系统(MS)是热轧厂完整的生产管理信息系统,它是整个钢铁公司管理信息系统(MIS)的一个组成部分。

3.3 热轧生产管理系统的组成

热轧生产管理系统主要由以下三个应用子系统组成。

3.3.1 生产计划子系统

(1)合同的输入和处理

在合同输入和处理功能中,除了合同登录外包括了质量设计、取样检验等。另外还包括对生产加工单元的设计、生产工序的编排等。

(2)合同计划

确定各阶段的生产日期及用户的供货期,均衡生产并尽量缩短工期。

(3)合同跟踪

对已投入生产的全部合同进行平衡处理。

(4)

按炉次向炼钢厂和初轧厂申请板坯计划。

(5)合同匹配

将工厂中的物料和订货合同有机结合。

(6)轧制计划

在满足生产要求的前提下,根据加工工艺规范制定将板坯轧成钢卷的作业计划。

(7)精整计划

在满足生产要求的前提下,根据精整工艺规范制定将钢卷加工成捆包的作业计划。

(8)发货计划

对已加工好的产品,按订货要求制定发贷计划。

(9)试样处理及质保书编制

建立材料检验处理工艺规范,制定材料的取样、制样、检验指令书,收集检验结果,编辑打印发货产品的质保书[4]。

3.3.2 技术信息子系统

(1)收集全部技术活动信息,形成一个可供用户方便使用的综合技术信息系统,将生产现场发生的各种事件和管理部门各种管理活动分解成若干个类型。

(2)按照日、月、季方式进行数据分析和评价。

(3)编制热轧厂的各种生产经营数据。

(4)进行各种数据统计分析。

3.3.3 设备管理子系统

(1)设备档案管理

建立设备档案和设备台帐,能进行维护、查询及修改等。

(2)设备维修管理

制定设备修理和设备改造计划,能进行查询、统计及修改。

(3)设备状态管理

制定设备调拨单,对设备进行报废管理,能进行查询、统计及维护。

(4)设备润滑管理

制定设备润滑计划,修改设备润滑台账,能进行查询和统计。

(5)设备备件管理

建立备件到货、检验、入库的基础数据,备件库存管理及订货处理等。

(6)统计

根据设备完好、事故、维修等信息,生成相应月报、季报、年报。

4 结语

某大型钢铁企业应用CIMS后,优化了生产管理过程,缩短了产品开发周期,降低了生产经营成本,造就了一批高水平技术人才队伍,将现代集成制造技术应用推上了新台阶,取得了明显的经济效益和社会效益,具有一定的推广应用价值。

参考文献

[1]肖世德.CIMS现代集成制造系统基础[M].成都:西南交通大学出版社,2000.

[2]胡仁安.钢铁工业自动化的新技术(上)[J].冶金自动化,2001(1):1-4.

[3]赵欣宇,柴天佑,余章雄,等.冶金企业CIMS体系结构的研究[J].钢铁,2000(3):73-78.

CIMS技术 篇4

使用者请注明文章出处赵 博 刘晓冰（大连理工大学CIMS中心）摘要：本文简要介绍了企业经营过程重构的基本内涵，探讨了将企业经营过程重构的技术引入到CIMS工程当中去的必要性，并且较为详细论述了几个关键的技术。最后提出了CIMS环境下企业经营过程重构的方法和步骤。关键词：企业经营过程重构；BPR；计算机集成制造系统；CIMS

中图资料法分类号：F406八十年代中期以来，计算机集成制造技术和系统（CIM和CIMS）日渐成为制造业的热点，人们把CIMS看作二十一世纪占主导地位的生产方式，世界上许多国家和企业都把发展CIMS作为本国制造业或企业的发展战略，制定了许多由政府和工业界支持的计划，用以推动CIMS技术和系统的开发和利用。最近几年，又有一些新的制造技术和哲理相继提出并且被纳入CIMS体系当中去，大大丰富了CIMS的内涵。CIMS的出现是科学技术迅速发展和市场竞争日益激烈的必然结果。CIM不仅仅是一项技术，更是企业组织和管理生产过程的一种哲理、思想和方法，而CIMS则是这种思想的具体体现。同其它具体的制造技术不同，CIMS着眼于从整个系统的角度来考虑生产和管理，强调制造系统整体的最优化，它象一个巨大的中枢神经网络，将企业的各个部门紧密联系起来，使企业的生产经营活动更加协调、有序、高效。CIMS对企业的组织结构和经营过程产生了重大的影响，国外的一些企业在实施CIMS工程时，往往按照CIMS的结构和要求对企业的组织进行全面改造和优化。1990年，美国原马萨诸塞理工大学的Michael Hammer教授提出企业经营过程重构理论（Business Process Reengineering，简称BPR），引起了席卷欧美的管理革命浪潮，同时也为CIMS的思想体系注入了新的内容，目前对于CIMS环境下的企业经营过程重构研究已经成为CIMS研究领域的一个重要课题。一．企业经营过程重构的内涵企业经营过程重构是充分利用先进的信息技术对企业的经营过程作根本性的重新思考和彻底改造，使企业在成本、质量、服务和对市场变化的反应等方面获得重大的改善，以显著提高企业的生产效率和在市场中的竞争能力。其基本思想是：（1）以用户的需求为中心，采用市场需求拉动的企业业务流程和组织形式；（2）精简企业组织结构，减少纵向管理层次，增加横向的管理范围，以灵活多变、基于项目组形式的组织结构代替传统的阶梯式组织结构，并且尽可能缩小中央管理部门的功能，而把更多的权限下放到业务部门；（3）最大程度地简化企业生产经营过程，剔除一切不增值的企业活动，加快业务流程和企业各部门之间的通讯；（4）企业经营过程和组织结构应同新的生产和管理技术相适应；（5）坚持“服务至上”原则，并且将供应商和用户作为重要的元素纳入到企业经营过程中去[1]。所以经过重构后的企业，其技术资源、设备资源和人才资源等都能够得到最大程度的利用，生产的敏捷性不断提高，对市场需求变化的适应能力也显著增强，从本质上讲，企业经营过程重构的目标不是渐进提高和局部改善，而是性能和绩效的巨大飞跃。通过企业经营过程重构，建立全新的体制，使企业管理发生质的变化。任何企业都包含三个基本要素：技术、组织和人。所以企业经营过程的重构主要体现为对这三个基本要素的重构[2]。1．对技术的重构企业生产效益的提高不仅需要先进的制造技术和管理技术，而且还需要将这两个方面的技术有机结合起来，这就要求改造企业的信息基础结构，利用先进的信息技术建立覆盖整个企业的信息网络，使员工能够及时得到同自己有关的各种信息。另外，面对用户不断增加的多样化和个性化需求及产品结构与制造工艺日益复杂化的特点，企业应不断加强产品设计、工艺设计和制造装配上等基本单元技术的标准化和模块化，使各种单元技术能够根据生产任务的需要快速及时地组织起来，满足市场对生产产品的敏捷性要求。2．对组织结构的重构目前，传统的金字塔式组织结构已经不能适应不断变化的市场环境，代替它的应该是扁平化的组织结构，这种结构中的单元是能够适应新技术和面向过程的、跨职能的、具有高度自适应机制的工作组，这有利于组织内部以及与外部之间信息交流的迅捷畅通，同时组织权力下放，分散决策，提高了员工的自主性，进而提高了企业的反应速度。组织结构的变化必然伴随着企业运行机制的变化，包括运营程序、约束机制和激励机制等。企业的经营过程将得到重新整合，原有的直线式的经营过程可能要被打破，一个经营过程的各个子过程既可以按照自然顺序进行，也可以根据需要并行或交叉进行。3．对人力资源的重构现在的制造系统中，人的因素越来越受到广泛的重视，从很大程度上来说，一个制造系统成功与否，取决于是否能够充分发挥人的作用。对人力资源的重构主要有两个方面：（1）对各种不同性格特点的人才的优化组合。一个好的人才重构策略应该充分考虑到人才之间的性格和能力的互补，这样组合起来的群体作用会大大超过个体之和。反之只会对企业的高效运行起破坏作用。（2）对员工的观念教育和培训。首先要创造适应新技术和新组织运营机制的企业文化和价值观念，员工应从控制对象转变为授权对象，尽可能让他们参与过程运营的日常决策，创建更加开放、更加简捷的交流报告机制，使员工真正确立“顾客至上”的意识；其次要对员工进行经常性的新技术培训，使他们成为多面型人才，这样更能发挥他们的主动性和创造性。二．将企业经营过程重构的思想引入到CIMS中传统上，CIMS是建立在对已有的各单元技术集成的基础之上的，早期的CAD、CAPP、CAM和MRP等单元技术是分别设计和开发的，彼此之间的联系比较小，成为一个个“自动化孤岛”，按照CIM的思想，各子系统设计时必须考虑系统集成的需要，所以人们提出了许多对现有子系统集成的技术和方法，但这种由下至上的被动集成在技术上有很大难度，并且增加了集成费用。另外，人们发现，制造系统中各子系统的集成不仅仅是计算机化和设计几个数据接口的问题，制造系统设计的简捷合理更是至关重要的，因此企业必须根据系统和集成的观点对现有的企业各要素进行重构，在CIMS的开发和实施过程中应采用“先重构后集成”的策略[1]。CIMS企业的经营过程重构意味着企业按照CIMS的思想重新设计企业的生产经营过程，这包含了生产和管理技术的重新组合和组织结构的重大调整。主要包括以下几个方

面：

（1）产品结构的模块化和标准化。

（2）生产装备的智能化和柔性化。

（3）管理技术同生产技术的适应性。

（4）分布式的组织结构。

（5）并行的工作流程。

（6）信息流和物料流的简化。

（7）员工的主动性、创造性、自律性和多岗位适应性。

（8）用户―系统的一体化。

三．几个关键技术

国外的学术界和企业界经过几年的研究和探索，总结了一些BPR的关键技术，有些技术可以有效地运用到CIMS环境中，主要有以下几种：

1．基准研究

基准研究（Benchmarking）是一个连续、系统化地对其它企业特别是那些技术和效益领先企业进行分析和评价的过程，目的是吸收这些企业的经验和教训，确定出最优的经营过程和工作方法，作为本企业进行重构的样板。

基准研究主要包括以下四个步骤：

（1）确定基准研究的对象，这主要同企业所要重构的内容有关。

（2）成立基准研究组织。这个组织中应包括企业的重要决策者、信息方面的负责人、数据采集和分析人员和多个领域的专家，必要时也可以将用户吸收进来。

（3）信息的采集与整理，即以合法的手段搜集其它企业特别是同行企业的信息，主要是有关一些企业生产经营策略、企业内部组织改造及企业文化树立等经验和教训。然后对这些信息进行整理和筛选。

（4）基准的制定。将处理过的信息进行定性和定量分析，制定出适合本企业实际情况的基准。

由于到目前为止还没有一个标准的CIMS概念，世界各国都是根据自己的理解结合本国的实际情况来开展CIMS的，所以企业在确立自己的基准时不仅要考虑本企业的特点，更要注意本国的实际情况和所要面临的市场环境。

2．建模与仿真技术

CIMS工程对企业来说是投资强度较大、开发周期较长、技术复杂、风险大的系统工程， 一旦失败，将要给企业造成不可估量的损失，所以在CIMS开发和实施过程中，系统建模和仿真是必不可少的技术。企业的经营过程重构是实施CIMS工程的第一个步骤，对企业经营过程重构的建模和仿真也就显得格外重要。

（1）建模

CIMS属于离散事件动态系统（Discrete Event Dynamic System，简称DEDS），因此离散事件动态系统理论是构成CIMS理论体系的重要理论之一。目前基于这种理论的建模方法很多，其中Petri Nets和极大代数法是两种重要的建模方法。

Petri Nets是近几年来比较热门的离散系统建模工具之一，它能够模拟系统的动态变化过程，方法是将系统划分为两种基本元素：库所和变迁，用库所或库所的集合表示系统的各个状态，而变迁则表示从一个状态到另一个状态的变化，通过对网系统状态变化的分析，就可以对系统结构进行适当地简化和优化，并且找出系统的缺陷，进而提出改方案。

极大代数法是离散事件动态系统建模的另一个重要方法。其主要特点是可以将CIMS这样极其复杂的非线形系统转换为建立在极大代数基础上的线性系统。目前，有的学者已经能够将这种方法成功地运用于企业的生产系统建模和工业过程建模。

Petri Nets和极大代数法也能模拟企业经营过程，所建立的模型能够初步地反映出企业工作流程和组织结构上存在的问题。

（2）仿真

企业生产经营过程模型建立起来之后，通过实时仿真更能直观和全面地了解现有经营过程存在的问题，再通过迭代和比较建立全新的经营过程模型。其最大优点是能够充分发挥人们的想象力和创造力，并且具有较低的成本。由于企业经营过程重构涉及到企业方方面面的问题很多，特别是人的重构问题，处理起来比较困难，需要从企业最高的决策层到最低的执行层的支持和协作，借助仿真工具的强大图形功能，员工们不仅能够看到未来的经营过程及其运作情况，而且还可以体验一下自己在未来的企业经营过程中所起的作用，使他们真正理解重构活动的意义。

3．基于Intranet的工作流系统（Workflow System）

工作流系统是一种智能化的信息系统，它能够管理和协调企业经营过程的有关信息，并且将这些信息迅速地传送到指定的地点。其主要原理是：计划管理员从他的工作站上查阅用户的申请单，根据顾客的要求确定执行哪些活动，并输入相应的活动代码和信息，然后系统自动生成一个“电子文件夹”，通过网络系统将其送至指定活动代码的.工作站上。业务员们将根据“电子文件夹”中的指令开始在各自工作站上执行相应的活动。当一个环节的活动结束时，负责下一个环节的业务员会在自己的工作站上得到提示，于是执行自己的活动。整个过程一直这样进行下去，直到将一个用户的申请单处理完为止。

工作流系统的主要优点是：

（1）信息传递速度快，而且经营过程的每一个步骤都环环相扣，因此可以缩短整个运营过程的周期。

（2）信息处理成本低，省略了许多原先人工处理的中间环节和协调工作，减少了工作人员的数量。

（3）经营过程处理的可靠性高，信息能够在线传送、在线监控。系统能够对每个“电子文件夹”的信息进行检查，发现问题立即反馈给计划管理员，而且系统还能够自动记录服务质量和测试数据，并且生成服务质量报告。

（4）服务效率高，体现了“服务至上”原则。由于工作流系统可以在线响应用户的需求，所以能够及时地为用户提供个性化的服务。

基于Intranet的工作流系统不仅继承了原来工作流系统的优点，而且为用户和业务人员提供了更为良好的用户界面，借助Web浏览器用户和计划管理员之间、计划管理员和业务人员之间及业务人员之间的信息交流更加方便、迅速，而且原先的工作流系统中业务人员获取信息的方式为“推动” 式，而在Intranet上，业务人员还能够搜集和“拉动”信息，细节的多少由业务人员自己决定。使用Intranet还能够快速地定位人员所需要的信息，并与之对话。

CIMS技术 篇5

关键词：选煤厂,CIMS,数据融合,车间自动化,调度管理,决策管理

0 引言

南屯选煤厂CIMS (Computer/Contemporary Integrated Manufacturing Systems, 计算机/现代集成制造系统) 是基于CIM理论构成的计算机化、信息化、智能化、集成化的制造系统。它不仅是一个工程技术系统, 更是一个企业整体集成优化系统。CIMS的核心是集成, 其集成特性主要包括人员集成、信息集成、功能集成和技术集成等[1,2]。由于选煤厂具有生产高度集成化的特点, 因此应用CIMS对生产的均衡性、稳定性、及时性具有十分重要的意义。

在多传感器信息系统中, 采用数据融合技术可使系统具有良好的鲁棒性, 有利于扩展系统的空间覆盖能力和时间覆盖能力, 增加系统的可信度, 减少系统的信息模糊程度, 改善系统的检测能力[3]。因此, 本文将数据融合的思想应用到南屯选煤厂CIMS中, 以提高选煤厂信息化集成程度, 从而提高选煤厂的生产效率。

1 南屯选煤厂CIMS环境

南屯选煤厂是一个复杂的大系统。考虑到选煤厂生产过程集中和经营管理的特点 (即在选煤厂的整体生产工艺过程中要求产品质量合格、设备分选效率高、工艺指标最佳, 使得选煤厂的技术、管理、效益处于最佳状态) , 以及选煤厂现有的组织结构和功能需求, 将南屯选煤厂CIMS控制结构分为工厂层、调动层和车间层三层[1], 如图1所示, 其中车间层包括设备层。

2 数据融合技术

数据融合是人们将多感官信息进行交叉处理的过程, 它通过对空间分布的多源信息, 即各种传感器信息进行时空采样, 对所关心的目标进行检测、关联、跟踪、估计和综合等多级多功能处理, 以更高的精度、较高的概率或置信度得到所需要的目标状态和身份估计, 以及完整、及时的态势和威胁估计, 从而为决策层提供有效的决策信息。

按照美国实验室理事联合会 (JDL) 数据融合工作组提出的模型对数据融合的功能进行划分[3,4] (见图2) , 能够有效区别目标优化、态势评估、效果评估和过程优化等各种数据融合处理。

3 南屯选煤厂CIMS环境下的数据融合体系

采用控制论方法研究南屯选煤厂CIMS环境下的数据融合体系结构。控制论研究的是如何调节与控制复杂的系统, 从而使系统按照预定的目标运行。图3为南屯选煤厂CIMS环境下的数据融合控制过程。该控制过程是一个闭合回路, 控制单元接收内部及外部两方面的信息并对其进行加工处理, 然后输出统一的信息指令控制执行单元;执行单元必须严格按照控制单元发出的信息履行自己的职责;取样单元必须真实地反映执行单元的实际执行结果, 并反馈给控制单元。

图3同时体现了CIMS控制与数据融合控制的对应关系。数据融合控制过程可以是完全自动化控制, 也可以是人工控制。人工控制时, 控制单元是指人根据经验及相应的计算制定出控制策略, 类似CIMS中的调度控制;取样单元可以自动取样, 也可以人工取样或经验观测, 在数据融合中这一功能集中体现在特征提取融合阶段, 而在CIMS控制中体现在检测、监控和诊断上;执行单元可以自动执行, 也可以人工调节某些参数后执行, 而在CIMS控制中这部分功能体现在调度管理和设备控制上。

针对南屯选煤厂提出了CIMS环境下的数据融合模型, 如图4所示。

从图4可看出南屯选煤厂的3个分系统分别对应不同的数据融合过程。其中车间自动化分系统对应传感器融合和检测诊断两个过程, 传感器融合过程是指通过对传感器信号进行处理, 提取或观测传感器的滤波信号, 并将滤波后的信号传递给检测诊断过程;检测诊断过程负责处理从车间自动化分系统提取的滤波信号, 并对这些信号进行特征提取定位。调度管理分系统对应调度管理过程, 该过程负责执行调度管理分系统的各种行为, 提供选煤厂CIMS的控制功能, 并将设备检测结果传递给决策管理分系统。决策管理分系统负责对检测和诊断的结果进行评价, 同时做出全局决策, 并将决策方案传递给调度管理分系统中的调度管理过程, 从而控制选煤厂CIMS, 优化调节选煤厂CIMS系统的综合效能。

南屯选煤厂CIMS环境下的数据融合过程如图5所示。从图5可看出, 车间自动化分系统对应信号级融合和特征级融合两个过程;调度管理分系统对应过程级融合, 这是选煤厂CIMS环境的核心部分;决策管理分系统对应决策级融合。

4 CIMS分系统数据融合过程

4.1 车间自动化分系统数据融合过程

车间自动化分系统数据融合过程如图6所示。该部分数据融合主要针对设备检测和诊断过程, 所采用的算法流程如图7所示。首先从多个传感器提取设备状态的运行信息, 并对信息进行预处理, 其中最小二乘融合方法可采用Kalman滤波、最优值理论、似然估计等方法[5];然后对局部信息进行融合, 主要采用神经网络方法, 得到单一和复合的初步检测和诊断证据;接下来应用D-S证据理论对初步检测和诊断证据进行融合, 得到部分检测和诊断证据;最后综合决策层进行总的数据融合处理。

4.2 调度管理分系统数据融合过程

调度管理分系统数据融合过程如图8所示, 它是在车间自动化分系统的基础上, 应用调度和集成控制方法对选煤厂设备进行调度管理的过程。

调度管理分系统数据融合算法流程如图9所示。该算法需要根据实际情况建立调度数学模型, 并采用遗传算法对该模型的相关系数进行优化;对单一传感器采集的数据通过产品配煤调度模型技术确定单一调度的方法;集中调度对所有单一调度的方法进行汇总, 给出总的调度方法, 作用于CIMS, 对设备进行集中控制。

以南屯选煤厂配煤车间的数据融合为例, 首先建立三产品配煤模型, 该模型以精煤灰分和目标煤灰分为参数;然后建立配煤调度的数学模型, 该数学模型以整个选煤厂经济效益最大化为目标, 以实际生产精煤灰分和库存精煤的百分比为目标函数参数, 利用遗传算法求解实际生产精煤灰分和库存精煤百分比的最优解, 根据最优解调度库存精煤量、生产速度、火车运力、库存原煤量等相关车间的生产过程参数。

4.3 决策管理分系统数据融合过程

图10为决策管理分系统的数据融合过程。该过程也是先对单一项进行评估, 然后对单元项进行单元评估, 最后对单元评估进行汇总融合, 得出总的评估和决策。

图11为基于云模型思想的决策管理分系统数据融合算法流程[6,7]。该算法流程是对选煤厂综合效能的评估过程, 其中目标模型用于提供评估参数;权值代表各个指标相对于它的上一级指标的重要程度, 采用层次分析法求得;上一级的综合云模型根据当前级的云模型指标由综合云求解算法求得。

5 结语

设计了南屯选煤厂CIMS环境下的数据融合体系结构, 分别给出了车间自动化分系统、调度管理分系统、决策管理分系统的数据融合过程及所采用的算法。通过分析可看出, 提出的选煤厂CIMS环境下的数据融合方法有利于提高选煤厂的综合管理水平, 对于理论研究和工程实践有一定参考价值。

参考文献

[1]郭西进.选煤厂CIMS环境下管理信息系统的分析、设计、应用[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2003.

[2]王雪松, 许世范.CMIS环境下的选煤厂管理信息系统的研究和实施[C]//中国控制与决策学会论文集, 2001:2-4.

[3]杨万海.多传感器数据融合及其应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2004.

[4]杨真容.基于云模型的舰队作战数据融合研究[D].镇江:江苏科技大学, 2008.

[5]肖龙光.部分智能优化算法的改进及其数学理论分析[D].上海:东华大学, 2005.

[6]王新洲, 史文中, 王树良.模糊空间信息处理[M].武汉:武汉大学出版社, 2003:240-268.

CIMS技术 篇6

关键词：MES,质量管理,系统分析

1 引言

美国著名质量管理大师朱兰指出:“20世纪是生产率的世纪, 21世纪是将是质量的世纪”。随着全球经济一体化及网络信息技术的不断发展, 质量管理将进入一个新的发展阶段, 现代钢铁企业质量管理应当融入以信息技术为支撑的先进质量管理理念[1]。钢铁企业质量管理主要是指从原料到半成品、产成品各环节的所有质量信息相集成, 形成一个完整的质量信息反馈体系, 并实现产品质量生产的全程追溯。本文以钢铁企业制造执行系统 (MES) 中质量管理子系统的分析与设计为研究主题, 在对国内外已有的钢铁企业质量管理系统开发等相关文献进行研究的基础上[2,3,4], 首先根对钢铁产品质量特性进行了详细分析, 在此基础上根据实际需求构建了钢铁企业质量管理系统模块的整体架构, 并重点就各子模块具体功能进行了详细描述, 以期在CIMS环境下通过计算机信息技术来整合企业资源, 优化质量管理流程, 实现质量信息和数据的共享, 实现企业经济效益和社会效益最大化。

2 钢铁产品质量特性分析

钢铁产品质量特性大致分为直接质量特性和参数质量特性两部分。合同规定的客户需求一般反映的是直接质量特性, 包括主质量特性, 如钢号、标准、形状、规格等;以及辅助质量特性, 如交货状态、加工用途、冶炼方法、技术条款等。而生产过程中参照的目标是产品的参数质量特性, 包括化学成分质量特性, 如C、Si、Mn等元素的含量要求;物理质量特性, 如形状、规格、力学性能、高低倍要求等;以及交货期等时间质量特性。产品质量设计的实质就是将产品的直接质量特性映射为产品的参数质量特性, 并将它们分解到各个加工工序中进行控制, 作为生产过程控制和质量检验的目标以及判定合格与否的依据。具体分类参见图1。

3 质量管理系统需求分析

钢铁生产可分为炼钢、连铸、轧制等阶段, 其在炼钢连铸阶段是连续的, 而在后续轧制等阶段是离散的, 因此钢铁生产是半连续半离散的分阶段式生产方式。而从物质上来看, 钢铁生产过程是从单一钢水投入经后续不同加工工艺, 按用户合同要求生产出产品性能、规格各异的产品的分解过程, 其产品规格虽复杂, 但生产工艺却有着很多的相似之处。基于以上对钢铁产品特性及钢铁生产流程的了解, 其质量管理系统需求应须把握以下几点[5]:

(1) 工序过程质量控制:通过对生产过程各工序过程质量进行控制, 以保证产品的最终质量符合用户要求。

(2) 质量检验及数据采集:系统在生产过程中各关键工序设置质量采集点以采集工序质量数据, 并与数据库中标准数据进行自动对比, 并把对比结果实时显示。

(3) 检 (化) 验及质量判定:按照试样检验要求及时为其他工序提供准确的检验数据并结合现场检验结果对半成品和成品进行综合判定。

(4) 质保书模板设计与应用。

(5) 质量控制与生产放行:通过对产品生产质量进行监督控制, 对不合格半成品采取封锁、返修等措施, 杜绝不合格半成品不经允许流转到下道工序或出厂。

(6) 产品质量分析与缺陷反查:通过对产品生产过程中各关键工序节点采集的质量工艺控制数据、成分物理性能数据、在线检验数据及各种标准数据进行综合分析, 找出产品形成缺陷的原因, 为改进产品质量提供有力保障。

(7) 改判业务处理:对检验结果无法满足订单要求但符合另外一个牌号标准的产品, 系统提供判定顺序, 指导牌号的改判, 要确保改判结果的准确性和改判钢种的合理性。

4 质量管理系统总体架构设计及各功能模块分析

4.1 质量管理系统总体架构设计

通过以上对质量管理系统需求的分析, 可知质量管理系统总体架构主要包括质量标准管理、产品质量设计、质量采集与检验、质量判定管理、质保书管理、质量跟踪与分析等模块。具体见表1。

4.2 质量管理系统各功能模块分析

由表1可知, 质量管理系统架构大致分为6个子模块, 其质量管理流程图 (以钢卷生产为例) 如图2所示。

4.2.1 质量标准管理

钢铁企业质量标准管理通常由企业质量标准科在充分考虑并综合执行国际、国家、钢铁行业及客户特殊要求等基础上制定, 并及时下达至作业部门, 制定企业钢铁内部标准, 控制产品生产质量。具体包括: (1) 国际冶金规范标准; (2) 国家冶金规范标准; (3) 企业内控标准, 包括性能控制标准、成分控制标准、外观控制标准、工艺路线标准、工艺参数标准; (4) 客户要求标准, 即企业根据客户个性化需求制定生产标准。

系统质量标准冶金规范数据库是钢铁企业技术质量管理部门对管理的所有工序工艺控制参数、检 (化) 验要求等作业指令进行有机归并后形成的集合, 它是合同质量设计的重要的基础数据来源之一, 包括质量判定规范和工艺技术规范管理。其中质量判定规范在ERP, 产品工艺技术规范在MES。工艺技术规范是质量管理部门针对每道工序的控制参数、检 (化) 验要求、执行标准等作业指令进行数据合并的集合。企业MES系统提供工艺技术规范的管理功能, 包括查询、增加、修改、删除等操作。系统建立有化学成分标准库、机械性能标准库、高倍和工艺性能标准库、热轧工艺状态库、热处理状态库等, 分别存放着各种限值及判定条件[6]。

4.2.2 产品质量设计

由企业质量设计科根据产品质量标准和客户合同进行产品质量设计, 质量设计人员通过从ERP系统接收过来的客户订单进行质量设计, 确定该产品在各工艺流程阶段需要达到的质量规范和工艺参数表的设定值。如各种文档控制, 各工序加工设定值等。在此后的生产过程中, 计算机就按照质量设计输出的质量标准进行严格的质量控制。用户合同的质量设计过程包括产品质量设计和生产质量设计两个阶段[7], 其具体设计过程包括:

(1) 首先, 在合同处理时, 根据销售合同中输入的产品大类、产品名称、牌号、交货状态、质量标准等用户需求特性, 在产品规范库中查找对应的产品规范码, 再根据产品规范内的具体内容完成合同的产品质量设计。

(2) 根据产品规范码、客户代码 (CUST_NO) 和产品最终用途码 (APN) , 找到相应的冶金规范码 (MIC) 。冶金规范码是生产质量设计的关键。

(3) 产品个性化需求由系统根据用户的不同和使用用途来决定, 而所有制造参数由冶金规范码管理, 所以, 系统内建立了用户、使用用途与冶金规范码的对应表。

(4) 对合同进行生产质量设计。以冶金规范码为关键字, 并以长度、厚度、宽度等度量型特征属性及其他特殊要求为次关键字, 在冶金规范库中找到相对应的生产路径 (不同路径用LineNo来区别) 和路径下所有机组的控制规范, 该过程实现了对合同产线设计及产线机组制造标准的设计。

(5) 对于有多产线路径的合同, 还需要根据实际生产状况确定主产线, 其他生产路径作为备选的次产线。

(6) 产线路径是产品生产机组的组合, 在冶金规范中同样的产品可以对应几条生产线路径, 主制程确定时一般主要考虑各产线的物流顺畅平衡和生产成本等, 在实际生产过程中, 计划员可以进行主次产线的变更, 实现柔性生产。

(7) 在合同实际制造过程中, 当合同的物料进入不同机组计划执行时, 将进行工序分解, 自动将前期设计的对应机组制造标准数据下发给相应的PCC计算机, PCC计算机按标准数据进行生产控制。

4.2.3 质量采集及检验

质检部在各分厂设有质量监测站, 其主要职能是对该分厂的产品进行在线监测以及对中心实验室的检测结果依据标准进行质量判定, 对定量结果进行自动判定, 对定性结果进行人工判定。其中送来中心实验室检验的对象统称为委托方, 它包括各生产分厂、物供、技术中心、质量部、钢研所及其他外委单位。送料包括足够检验项目所需的试验、检验卡片 (即大票) , 检验卡片上注明委托方、炉号、规格、技术条件等信息。检验项目主要包括物理和化学两大类, 其中物理检验分为力学性能和高低倍检验, 化学检验分为化学成分和气体分析检验。质量采集取样委托流程如图3所示。

图3质量采集取样委托流程

4.2.4 质量判定管理

将质检部在各分厂收集到的质量数据, 按编号输入到计算机内, 与系统事先建立的工序放行标准 (相应工序牌号产品的化学成分标准库、物理机械性能和高倍、工艺性能等各质量规范标准库数据) 相对照, 判定内容包括: (1) 成分实际判定, 对比各阶段产品的实际化学成分与标准库中的成分标准, 检验其成分实际值是否在标准范围内; (2) 性能实际判定, 对比各阶段半成品机械性能实际、工艺性能、表面质量、尺寸规格与各相应的性能标准, 检验其值是否在标准范围内。如果以上判定都符合各相应的标准, 则相应工序放行通过, 进入下一道工序。如不符合放行标准, 就要进入质量异常处理, 根据异常实际情况的不同, 分别进入“判废” (废品) 、“改判” (不良品) 和“返回” (返回品) 流程。如果进入“判废”流程, 则终止该在制品的制造流程, 将其送入废品库。如果进入改判流程, 同样终止制造流程, 但该在制品被降级改变牌号或规格, 作为可利用材转入中间产品库, 以便在调配调度时供其他合同使用。如果进入“返回”流程, 同样终止制造流程, 但该在制品将返回前面出错的流程进行返修。此时原合同必须进行重新补料, 重新申请材料等等[8]。质量判定流程如图4所示。

图4质量判定流程

4.2.5 质保书生成及管理

质保书内容需满足国家法规和订货合同要求, 主要包括合同相关事项和产品检 (化) 验数据结果, 包括:质量证明书标识、产品标识、用户标识、合同标识、发货日期、运输标识、发货人、审核人、执行标准、批号、炉罐号、牌号、规格、数量、重量、化学成分、物理检验等。质保书生成过程如图5所示。

出厂产品录入:根据发货通知单, 输入需要开具质保书的产品相关信息。

出厂产品分析: (1) 对发货通知单上的产品支数、质量进行有效性校对 (主要指定尺及长度要求的钢管) ; (2) 调用化学成分台账, 检查化学成分分析结果; (3) 调用机械、工艺、高倍数据台账、查验分析结果; (4) 列出前3项分析不合格的产品, 提出警告。

产品质保书信息修改:对录入或分析结果错误的出厂产品信息进行修改。

产品质保书生成管理: (1) 对经过分析质量完全合格的产品自动登记分配质保书号; (2) 按质保书号屏幕显示质保书; (3) 按开出日期打印质保书; (4) 按质保书号打印质保书; (5) 开具的质保书存档。

4.2.6 质量跟踪与分析

质量跟踪主要是针对在制品每道工序的在线和离线质量情况, 对其理化性能进行跟踪和判定, 对所有的质量数据以成品材料 (捆) 为单位, 在系统中保留一定的时期, 结合物料跟踪管理模块, 可以对从原料到成品的所有质量数据进行查询和追溯。目的是为了对产品的质量信息进行分析, 找出存在的问题和改进方法, 以期对未来产品质量和生产管理水平的提高起到促进作用。

质量分析是将被控变量与预定的质量规范或质量标准给定值进行比较, 达到修正质量偏差的目的。通过产品质量分析, 及时找出引发质量问题的原因和根源, 根据产品的质量状况制定相应的措施并监督执行, 为改进工艺或操作规程提供参考依据。

5 结论

质量管理是无缝钢管MES系统的重要组成部分, 本文所研究的钢铁企业质量管理系统从钢铁企业质量管理所面临的实际问题出发, 以先进管理思想和技术理念为指导, 以PDCA质量控制为理念, 针对钢铁企业质量管理流程优化、先进制造管理平台构建、信息系统集成等问题, 建立了覆盖钢铁产品生产全过程的一贯制质量管理架构体系, 并重点就各功能子模块进行了详细分析及说明。

参考文献

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CIMS技术 篇7

一、企业材料核算与成本管理信息化实施的目标及步骤

系统能有效减轻企业材料核算和成本管理的工作量, 能有效利用CIMS系统的相关数据为企业财务管理服务, 具体步骤分为以下三步: (1) 利用CIMS系统数据实现材料核算自动化; (2) 实现账务软件、核算和成本模块在CIMS系统中的应用; (3) 最终达到材料核算和成本管理的信息化管理及集成的要求。

二、船舶企业经营及成本管理的特点

大型船舶制造企业属订单式生产, 与重复生产和连续生产等类型的企业相比, 有如下管理特点:

1.工程项目结构复杂、生产周期长、重复作业的比率低, 生产组织困难, 难以采用流水线或专用工装设备进行生产;

2.船舶产品是根据订单组织设计的, 船舶产品的标准成本及构成需在完成产品和工艺设计, 形成物料清单、工料定额后才能确定, 船舶产品的目标成本控制视工程项目的不同而不同;

3.通常地, 船舶产品的生产组织要在完成产品设计和工艺设计后, 才能编制出合理的生产准备计划和生产作业计划;

4.企业各部门之间的大量信息沟通不及时, 在管理上不可避免地存在着成本失控。

三、CIMS环境、财务软件、材料核算与成本管理系统

目前中国船企引进的CIMS系统, 一般为韩国的CIMS系统, 并均以此为起点进行二次开发, 该系统一般集成了设计管理系统、生产管理系统、物资管理系统、质量管理系统等。

财务软件是进行财务核算和账务管理的信息系统, 作为企业信息系统的一部分, 财务软件对企业基础信息进行加工和处理, 形成财务数据与报表。该系统一般为国内软件商提供。

材料核算与成本管理是财务核算的重要基础, 它的数据来源于物资管理、生产管理等系统, 而引进的CIMS系统一般并没有财务模块, 因此, 为提高核算效率和质量必须建立材料核算与成本管理系统, 它作为CIMS系统的子模块或单独存在为财务系统提供支撑。

四、材料核算与成本管理系统的实施

(一) 功能需求分析

图1是材料核算和成本管理系统的功能界定示意图, 从图中可知, 系统作为CIMS系统的子模块实现材料核算和成本管理的功能, 产生的处理结果集成到财务系统中。图中灰色部分为材料核算和成本管理系统的功能范围。

1. 材料核算

材料是生产过程中的劳动对象, 是构成产品的实体, 或为劳动工具所消耗, 或有助于产品的形成。材料核算在任务上可以概括为材料采购核算、材料入库核算、材料出库核算。

材料采购核算是财务部材料核算员审核采购入库单, 并根据发票和入库单对应关系进行的账务处理。

材料入库核算是指从材料采购科目转至原材料科目的业务处理流程。材料运达企业后, 仓库保管员根据结算凭证所列材料清单办理验收入库手续, 并定期进行入库核算。

材料出库核算是仓库对生产部门领料申请进行实发出库, 财务部对领料单进行审核。月末, 对已审核的领料单出库单进行汇总, 并根据领用物料属性、受益部门、受益工程的性质, 对应成本费用科目, 自动形成出库汇总表或出库凭证。

期末, 财务部对本月已审核未报销的入库单据作暂估标志, 并生成月末暂估汇总表。

2. 成本管理

成本管理的基础是核算。成本核算是对企业一定时期内的生产费用进行审核、归集、分配, 计算出各种产品的总成本和单位成本。成本核算包括原材料分配、工资及福利费分配、制造费用核算、辅助生产核算、产成品核算等。

船舶企业是订单企业, 目前成本管理以目标成本为主。成本管理包括:材料成本分析、加工费分析、辅助生产分析、专项费用分析、实际成本查询、对比、预测、目标成本分析。

(二) 系统设计及开发

在明确了系统信息需求的基础上, 信息系统的设计与开发就成为下面的任务。实施系统时, 一般面临几种选择:选择合适的通用软件提供商、选择合适的定制软件提供商、选择自行开发适合自己的软件系统。一般来说, 企业信息化实力较强的企业选择自行开发比较适宜, 因为比较了解企业需求, 但周期较长。

(三) 系统实施及数据转换

信息系统开发出来经过测试、试运行以后, 就需要着手进行系统的转换工作, 让系统进入实际运行状态。系统转换的方式一般有:直接转换、并行方式、分阶段逐步转换方式。由于材料核算与成本管理的数据极其庞大, 各项日常处理又不能停止, 因此系统采取分阶段转换是比较可行的方式。

五、系统实施效果

实施成功后, 能利用CIMS系统数据实现材料核算自动化及成本数据收集与分析, 实现账务软件使用材料核算与成本管理系统、CIMS系统的其他数据进行核算。