实验室CIMS信息集成系统设计和开发

[摘要] 本文针对《计算机集成制造系统》(CIMS)课程特点,以某一流程行业为研究背景,模拟实际生产工艺流程,并在计算机网络和数据库支撑环境下设计基于ERP/MES/PCS三层结构的实验室CIMS框架结构。通过预留某些数据和应用接口,研究和开发供学生实验、课程设计和科研使用的CIMS管控一体化网络信息集成系统,实现信息交互、数据共享,使信息能及时沟通并充分利用。

[关键词] CIMS 实验平台 信息集成

一、引言

CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)是基于CIM(Computer Integrated Manufacturing)哲理而组成的系统,其内涵是通过计算机硬软件并综合处理现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术和系统工程技术,将企业生产全部过程中有关人、技术、经营管理三要素及其信息流、物流和资金流有机集成并优化运行的复杂大系统。计算机集成制造系统(简称CIMS)作为信息时代提高企业竞争力的综合性高技术,涉及到计算机、网络、数据库、管理、自动控制、系统工程、运筹学等各门学科,它具有综合性、技术性强的特点,因此,CIMS课程的开设及实验环境的建立对培养综合型人才是非常有用的。

计算机集成制造系统(简称CIMS)是解决企业控制和管理“自动化孤岛”问题,实现企业资源优化管理和优化控制的一门综合性课程。在教学过程中,如果把CIMS仅仅停留在理论知识的讲授和某些应用案例的分析上,缺少实验环节,发现存在如下问题:

1.学生对企业过程控制和管理方法认识肤浅;

2.学生在设计性、综合性和大规模集成性实验能力薄弱。

目前,在国内,CIMS实验室都是以机械制造业为研究背景,缺乏以石油、化工、制药等连续生产过程为对象的CIMS实验系统。特别是缺少供学生课程设计、毕业设计或实验所用的流程行业CIMS实验平台。

针对CIMS课程特点,以某一流程行业为应用背景,构建实验室CIMS网络信息集成系统,让学生从全局出发,从认识层面上把握企业生产和管理信息集成系统的体系结构,从技术层面上侧重CIMS系统解决方案和具体编程技巧。实验室CIMS网络信息集成系统通过预留某些数据和应用接口,让学生在CIMS体系框架下进一步开发某些模块,一方面,可以加深学生对《计算机集成制造系统》基本概念、体系结构、功能描述、设计开发方法的理解,培养学生系统观点和集成观点,另一方面,可以锻炼学生在集成框架环境下协作能力和动手编程能力。还可以为研究生和教师提供科研实验平台,促进学科建设,提升教师教学和科研能力。

二、CIMS实验平台的结构

本文针对企业信息集成和资源优化过程存在的问题,结合前沿课程《计算机集成制造系统》的教学要求,从系统工程和试验设备资源优化角度统筹规划,建立实验室CIMS网络信息集成平台,旨在通过物理集成、信息集成、功能集成和过程集成,使其成为一个高度自动化的整体。

本文以污水处理流程行业为研究背景,采用文[3]提出的工业过程三层扁平化CIMS体系架构,计算机网络和数据库支撑环境下,该平台下分过程控制系统PCS、制造执行系统MES、企业资源规划ERP三层,每层下设不同实验模块供不同专业使用。具体包括:

1.底层过程控制系统PCS实验模块

以污水处理流程行业为研究背景,设计并开发基于matlab和组态软件的虚拟对象计算机软件平台。生产过程控制系统实验平台由优化计算机、监控计算机、虚拟对象计算机组成。

2.中间层制造执行系统MES实验平台

根据MESA提出的MES功能图,可见流程工业MES的功能包括质量管理、设备维护管理、生产调度、物流管理、生产成本管理等11个标准模块。本平台提供基于OPC、API、ODBC、NetDDE的实时数据库和关系数据库信息集成接口,实现低层过程控制系统PCS实时数据和MES和ERP系统之间的数据共享。提供某污水处理厂过程性能监视和故障诊断MES模块,包括实时和历史趋势浏览、报警、统计故障图形监视、统计故障诊断图形显示功能。

3.上层企业资源计划系统ERP实验平台

基于污水处理过程虚拟实验平台,设计和开发了污水处理厂优化操作和故障诊断决策支持实验模块。同时基于物料平衡和优化目标,设计和开发了企业资源优化实验模块。

三、数据集成方案

基于B/S结构,实现实时数据和关系数据库通信。ASP通过ADO和关系数据库连接,实现生产数据通过网页的形式进行动态发布。如图1所示。

四、结论

《计算机集成制造系统》立足于流程工业中的信息集成。在获取生产流程所需全部信息的基础上,将分散的过程控制系统、生产调度系统和管理决策系统有机地集成起来。本文针对流程工业控制和管理存在“自动化孤岛”现象,实时生产信息综合集成度低问题,以某污水处理厂自动化工程为应用研究背景,从工业控制系统和信息集成出发,将网络环境下控制网和管理网进行硬件集成和数据信息集成。同时,将web技术与工业监测组态软件结合在一起,形成具有web功能的工业监测组态软件,实现实时信息动态发布和远程控制。

参考文献:

[1]柴天佑,金以慧,任德祥,邵惠鹤,钱积新,李平,桂卫华,郑秉霖.基于三层结构的流程工业现代集成制造系统.控制工程,2002,9(3):1-6.

[2]宋执环,高春华,李平.流程工业CIMS若干问题探讨.系统工程理论与实践,2001,21(5):50-55.

[3]赵立杰,柴天佑,黄肖玲.城市污水处理过程综合自动化系统及其应用.计算机集成制造系统,2005.

[4]赵立杰,柴天佑,袁德成.SBR过程自适应非线性MPCA建模及在线监视.系统仿真学报,2005,17(9):2060-2064.

基金项目:辽宁省“十一五”教育科学规划课题资助。