基于功能块的可重构制造单元控制系统研究

论文摘要

制造单元的性能对企业快速响应市场变化以及提升竞争力,起着至关重要的作用。现有的制造单元控制系统大多不具备实时动态重构性能,难以根据变化的运行环境或异常情况进行快速实时配置或重配置。这大大增加了制造企业的成本。针对上述问题,本文提出了一种基于功能块的可重构制造单元控制系统的建模与设计方法。在系统模型构建方面,为了使制造设备具有实时动态重构能力,将国际电工委员会(IEC)61499功能块标准与制造报文规范(MMS)相结合,提出了通用虚拟制造设备(VMD)复合功能块的新概念。在此基础上,构筑了基于复合功能块的制造单元混合式控制体系结构。该结构将制造控制流区分为相互独立的重构控制流与执行控制流,从而实现了制造单元重构控制与执行控制的并行执行。为了提高各VMD复合功能块的局部自治能力,并且使控制系统软件具备良好的模块性、重用性、开放性、易集成性、可维护性等特性,建立了面向服务的制造单元控制软件体系结构。为了解决异质制造设备间信息传递的问题,提出了基于MMS与Web Services的制造信息传递模型。在动态建模方面,将面向对象着色Petri网技术与网络条件/事件系统(NCES)模型相结合,提出了面向对象着色NCES(OCNCES)的动态建模与分析方法:①提出了各通用VMD复合功能块的网络条件/事件模块(ONCEM)模型以及整个制造单元控制系统OCNCES模型的构造方法;②提出了检测通用VMD复合功能块ONCEM模型和整个制造单元控制系统OCNCES模型的死锁检测算法,并利用提出的算法,对上述模型进行了死锁分析;③提出了对上述模型可能出现的冲突事件的求解策略,并对各模型进行了输入/输出的冲突分析。在构建了系统模型并对其进行了动态建模与分析的基础上,进行系统设计、实例开发以及性能评价。以一个制造单元作为研究背景,采用统一建模语言(UML)的类图方法,对本文提出的制造单元控制系统进行了设计;利用Web Services技术,进行了控制系统软件的实例开发;通过仿真实验对VMD复合功能块间的信息传递性能以及不同开发平台下控制系统的重构性能进行了测试与评价;原型系统运行实例与性能评价验证了IEC 61499功能块标准、MMS协议以及Web Services中间件在实现网络环境下可实时动态重构制造单元控制系统方面的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 课题意义
• 1.2 可重构制造系统国内外研究现状
• 1.3 制造单元控制系统研究现状
• 1.3.1 制造单元及控制系统
• 1.3.2 制造单元控制系统体系结构设计研究现状
• 1.3.3 制造单元信息传递机制研究现状
• 1.3.4 制造单元控制系统发展现状与趋势
• 1.4 制造单元控制系统建模方法研究现状
• 1.4.1 基于功能模型建模方法
• 1.4.2 基于状态表建模方法
• 1.4.3 基于自动机理论建模方法
• 1.4.4 基于Petri网建模方法
• 1.5 功能块应用系统研究现状
• 1.5.1 IEC 61499 功能块模型
• 1.5.2 功能块应用系统研究现状与趋势
• 1.6 本文的主要工作及研究内容
• 第二章 基于功能块的可重构制造单元控制系统模型
• 2.1 引言
• 2.2 基于功能块的可重构制造单元控制体系结构
• 2.2.1 通用VMD复合功能块模型
• 2.2.2 基于复合功能块的混合式控制体系结构
• 2.2.3 混合式控制体系结构功能分析
• 2.3 面向服务的控制软件体系结构
• 2.3.1 可重构制造单元控制系统软件平台要求
• 2.3.2 分布式对象技术
• 2.3.3 面向服务的控制软件体系结构
• 2.4 制造单元信息传递模型
• 2.4.1 传统的基于MMS的制造通讯结构
• 2.4.2 基于MMS与Web Services的制造信息传递模型
• 2.4.3 基于Web Services的MMS PDU设计
• 2.4.4 VMD复合功能块Web服务接口设计
• 2.4.5 各类制造信息传递结构综合性能比较
• 2.5 系统模型特性分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于功能块的可重构制造单元控制系统动态建模
• 3.1 引言
• 3.2 OCNCES的定义
• 3.3 通用VMD复合功能块的ONCEM建模
• 3.3.1 基于VMD复合功能块的制造单元仿真模型
• 3.3.2 ONCEM建模方法
• 3.3.3 各个通用VMD复合功能块的ONCEM模型
• 3.4 基于功能块的可重构制造单元控制系统的OCNCES建模
• 3.4.1 基于功能块的可重构制造单元控制系统的基本ONCES模型
• 3.4.2 FBRMCCS执行控制部分的动态建模
• 3.4.3 FBRMCCS重构控制部分的动态建模
• 3.5 本章小结
• 第四章 制造单元控制系统OCNCES模型的动态行为分析
• 4.1 引言
• 4.2 通用VMD复合功能块ONCEM模型的死锁分析
• 4.2.1 ONCEM模型死锁分析的方法
• 4.2.2 通用机器人VMD复合功能块ONCEM模型的死锁分析
• 4.2.3 通用机床VMD复合功能块ONCEM模型的死锁分析
• 4.2.4 通用缓冲区VMD复合功能块ONCEM模型的死锁分析
• 4.3 制造单元控制系统OCNCES模型的死锁分析
• 4.3.1 OCNCES模型死锁分析的方法
• 4.3.2 OCNCES模型执行控制部分的死锁分析
• 4.3.3 OCNCES模型重构控制部分的死锁分析
• 4.4 OCNCES模型的冲突事件分析
• 4.4.1 OCNCES模型中冲突事件分类及求解策略
• 4.4.2 输入冲突事件分析
• 4.4.3 输出冲突事件分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 系统设计、实例开发及性能评价
• 5.1 引言
• 5.2 基于功能块的可重构制造单元控制系统设计
• 5.2.1 控制系统总体设计
• 5.2.2 功能块基类及各VMD复合功能块Web服务类设计
• 5.2.3 服务器执行子系统设计
• 5.2.4 主控计算机子系统设计
• 5.2.5 信息传递子系统设计
• 5.3 原型系统开发及运行实例
• 5.3.1 原型系统硬件环境
• 5.3.2 原型系统软件环境
• 5.3.3 原型系统开发及运行实例
• 5.4 基于功能块的可重构制造单元控制系统性能评价
• 5.4.1 VMD功能块对象间信息传递性能评价
• 5.4.2 不同开发平台下制造单元控制系统重构性能评价
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录一 符号与标记
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文
• 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 致谢