1、引言

為了配合“機(jī)械設(shè)備自動化”國家級試點專業(yè)建設(shè)，我校于1996年提出了建立FMS實驗系統(tǒng)的構(gòu)想，并付諸實施。系統(tǒng)方案既遵循FMS的一般體系結(jié)構(gòu)，又充分考慮到教學(xué)實驗的特點。在系統(tǒng)的實施過程中，我們自行研制開發(fā)了FMS運行控制軟件，該系統(tǒng)具有實時調(diào)度、仿真動畫、設(shè)備監(jiān)控等功能。

2、FMS系統(tǒng)布局

系統(tǒng)布局如圖1所示，F(xiàn)MS實驗系統(tǒng)由數(shù)控車床、數(shù)控加工中心、搬運機(jī)械手和四臺工控機(jī)組成。數(shù)控車床CK6150適用于回轉(zhuǎn)體零件的精加工。數(shù)控加工中心XH714具有三軸聯(lián)動控制，工件一次裝夾后可自動完成銑、鏜、鉸等工序的加工。機(jī)械手可在直線導(dǎo)軌上行走，手臂有四個自由度，前端帶有手爪，完成工件的輸送、搬運。

圖1 系統(tǒng)布局

三臺486工控機(jī)分別作為車床、加工中心和機(jī)械手等設(shè)備的控制工作站，上位機(jī)(586工控機(jī))和三臺工作站通過BITBUS現(xiàn)場總線互聯(lián)，實現(xiàn)系統(tǒng)的集成。

3、系統(tǒng)功能需求

運控軟件運行于上位機(jī)，包含以下主要功能：

(1) 實時調(diào)度控制

依據(jù)作業(yè)計劃、零件加工工藝路線以及生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備狀態(tài)，對搬運機(jī)械手進(jìn)行動態(tài)實時調(diào)度，實現(xiàn)工件的合理流動，同時協(xié)調(diào)機(jī)械手及所有被服務(wù)設(shè)備之間的工作。

(2) 仿真動畫

利用直觀的動態(tài)圖形方式，一方面在運行前對生產(chǎn)過程進(jìn)行模擬，分析調(diào)度控制策略的可行性及系統(tǒng)中物流的走向；另一方面可對系統(tǒng)實際運行進(jìn)行在線監(jiān)控，對物流阻塞和設(shè)備故障等異常情況及時發(fā)現(xiàn)，提高系統(tǒng)的可靠性。

(3) 輔助功能
除上述兩個基本功能之外，系統(tǒng)尚需提供作業(yè)計劃管理、數(shù)控程序管理、庫管理等輔助性功能。

4、調(diào)度控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 運控軟件與下位工作站的接口

BITBUS網(wǎng)絡(luò)物理層采用EIA－RS485規(guī)范，數(shù)據(jù)鏈路層基于IBM同步鏈路控制(SDLC)協(xié)議，應(yīng)用層提供遠(yuǎn)程訪問與控制(RAC)服務(wù)。籍此，上位機(jī)可完成對總線節(jié)點上的片內(nèi)、片外數(shù)據(jù)存儲器的讀寫，任務(wù)的調(diào)度和位總線消息的收發(fā)。

FMS實驗系統(tǒng)采用分布式控制模式，每個現(xiàn)場設(shè)備完全由相應(yīng)的下位工作站控制，上位機(jī)通過BITBUS網(wǎng)絡(luò)與各下位工作站進(jìn)行命令、狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息的通信，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的間接控制。上位機(jī)指揮設(shè)備動作時(如加工中心夾具松開)，將“控制命令”寫入相應(yīng)設(shè)備工作站節(jié)點上的片外數(shù)據(jù)存儲器。設(shè)備工作站定時掃描該區(qū)域，發(fā)現(xiàn)有效命令即加以處理，并將響應(yīng)執(zhí)行情況回寫，供上位機(jī)讀取。命令控制塊結(jié)構(gòu)如下：

300H：命令有效標(biāo)志
301H：命令代碼
302H-306H：命令參數(shù)
307H：命令響應(yīng)(上位機(jī)置FFH，由下位機(jī)回寫命令響應(yīng)情況)。
02H-0AH：命令失敗
01H：命令正在執(zhí)行
55H：命令已完成

4.2 調(diào)度控制基本策略

根據(jù)FMS是實驗系統(tǒng)布局及功能需求，將調(diào)度控制劃分為任務(wù)調(diào)度和設(shè)備控制兩個層次。任務(wù)調(diào)度層定義了一組基本運輸任務(wù)。每個任務(wù)實際上是一組設(shè)備控制命令序列，圖2給出了“取毛坯送加工中心加工”任務(wù)，這些命令只能串行、順序、連貫地執(zhí)行。

圖2 取毛坯送加工中心加工

任務(wù)調(diào)度層依據(jù)現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)、作業(yè)計劃及一組規(guī)則來安排運輸任務(wù)的執(zhí)行次序，以滿足系統(tǒng)的動態(tài)、實時要求。調(diào)度的基本目標(biāo)是提高機(jī)床的利用率。運輸機(jī)械手是物流系統(tǒng)的瓶頸設(shè)備、臨界資源，系統(tǒng)為每個任務(wù)設(shè)置一個優(yōu)先數(shù)，以仲裁多個任務(wù)對機(jī)械手的競爭。任務(wù)優(yōu)先數(shù)的計算依照任務(wù)的性質(zhì)、任務(wù)對應(yīng)零件在作業(yè)單中的加工優(yōu)先級以及機(jī)械手位置。 #p#分頁標(biāo)題#e#

調(diào)度層每選中一個任務(wù)后，即交給設(shè)備控制層處理。設(shè)備控制層依次逐個解釋執(zhí)行序列中的設(shè)備控制命令。設(shè)備控制采用異步的命令/響應(yīng)方式，即上位機(jī)向下位工作站發(fā)送控制命令后，即轉(zhuǎn)去處理其它事務(wù)，而由時鐘中斷定時查詢工作站在命令開始執(zhí)行及完成后發(fā)出的相應(yīng)回答。

值得注意的是，機(jī)床加工是一系列命令，包括NC程序下裝、安全門關(guān)閉、正式加工及加工完成后安全門的打開。而實際上，在“取毛坯送加工中心”任務(wù)中，機(jī)械手手爪縮回后，機(jī)械手已經(jīng)可以執(zhí)行其它運輸任務(wù)。如果讓機(jī)械手“空等”這些命令的執(zhí)行完成，顯然是不合適的。合理的方法應(yīng)是在保證系統(tǒng)安全的前提下，充分提高設(shè)備的并行程度，即一方面機(jī)械手手爪縮回后，機(jī)床加工馬上開始啟動，另一方面又要盡快把機(jī)械手“解脫”出來。具體設(shè)計中，將“啟動加工”歸結(jié)為填一個加工控制命令表，機(jī)械手手爪縮回后馬上可服務(wù)于其它任務(wù)，后續(xù)動作由其它程序根據(jù)這個控制命令表處理。

4.3 仿真動畫設(shè)計

考慮到仿真動畫運行的實時性要求以及與調(diào)度控制的并行性，系統(tǒng)的仿真動畫在定時中斷中實現(xiàn)。在動畫處理模塊中定義一組動畫“動作”，對應(yīng)與現(xiàn)場設(shè)備(主要是搬運機(jī)械手)的運行，設(shè)備控制層向下位工作站發(fā)送控制命令并得到響應(yīng)時，或在運行中捕捉到設(shè)備異常時，即向動畫處理模塊發(fā)送一個動作命令，啟動并保持畫面上“設(shè)備”與現(xiàn)場設(shè)備同步運行。

動畫實現(xiàn)主要利用屏幕象素的塊復(fù)制和塊恢復(fù)技術(shù)，而對復(fù)雜的動作如機(jī)械手手臂的翻轉(zhuǎn)等，筆者借用了幀動畫的有關(guān)概念，先建立許多幀局部圖片存入緩沖區(qū)中，需要時將這些圖片以適當(dāng)?shù)乃俾屎晚樞颍胺烹娪啊卑愕囊灰伙@示到屏幕上某一區(qū)域，產(chǎn)生相對復(fù)雜、精致的動畫效果。圖片可以利用“畫筆”等圖形軟件制作，以BMP格式保存在文件中，由程序讀出存入緩沖區(qū)。考慮到這些圖片需占用較大的內(nèi)存，系統(tǒng)將圖片緩沖區(qū)置于擴(kuò)展內(nèi)存。

4.4 軟件結(jié)構(gòu)

圖3 總體結(jié)構(gòu)

調(diào)度控制系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。數(shù)控程序管理模塊實現(xiàn)數(shù)控程序的編輯、語法檢查。作業(yè)計劃管理模塊完成作業(yè)計劃、零件工藝路線的編輯，并以文件的形式保存。集成運行模塊是整個系統(tǒng)的核心，圖4給出了該模塊的層次結(jié)構(gòu)。

圖4 集成運行模塊層次結(jié)構(gòu)

5、結(jié)束語

本文工作是基于實驗型的FMS系統(tǒng)。經(jīng)測試表明，運行控制系統(tǒng)在實際運行中安全、可靠，工件流動合理，達(dá)到了設(shè)計要求。