十流程工业计算机集成制造系统简介

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1、第十二章 流程工业计算机集 成制造系统简介12.1 概述 12.2 流程工业CIMS的体系结构 12.3 流程工业CIMS的核心问题及关 键技术 习题第十二章 流程工业计算机集成 制造系统简介随着近年来计算机（网络）技术的飞速 发展，在工业企业中计算机及其网络的应用 已日益普及。从生产过程参数的监测、控制 、优化、生产过程及装置的调度，到企业的 管理、经营、决策，计算机及其网络已成为 帮助企业全面提高生产和经营效率、增强市 场竞争力的重要工具。通过计算机网络，能 够将原本孤立的各个计算机系统联在一起， 包括生产过程计算机自动控制系统，以实现 它们之间的信息交互、数据共享，使企业各 部门、各层次

2、能及时沟通并充分利用这些信 息，使企业各项资源得到最佳调配和使用，从而 产生出最好的经济效益和社会效益。计算机 集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System,CIMS）正是反映了 工业基业计算机应用的这种趋势，因此近年 来发展迅速。作为过程计算机控制系统的扩 展个延伸，本章主要介绍CIMS的基本概念， 流程工业CIMS与离散工业CIMS的区别，流程 工业CIMS的体系结构，核心问题和关键技术 等。 12.1 概述 12.1.1 CIMS的概念与发展1.CIMS的概念CIM是利用现代信息技术、管理技术 和生产技术对生产企业从产品设计、生产准 备、

3、生产管理、加工制造，直到产品发货与 用户服务整个生产过程的信息进行统一管理 ，控制，以优化企业生产活动、提高企业效 益与市场竞争力的思想方法和生产模式。 CIMS即计算机集成制造系统，是基于 1973年美国Joseph Harrington博士在其博士 论文Computer Intergrated Manufacturing 中首次提出的CIM(Computer Integrated Manufacturing，计算机集成制造)的概念而 构成的一种现代制造系统。CIMS是实现 CIM思想的具体体现系统，即将CIM的各项 技术综合应用所形成的一个实现具体目标的 生产系统。CIMS与工厂自动化两者

4、既有共 同点，又有本质的区别。CIMS包含一个企 业全部生产经营活动的功能，即从市场预测 ，产品设计，加工制造，直到产品售后服务 的全部活动。CIMS比传统的工厂自动化的 范围要大得多，它是一个复杂的大系统。 CIMS 涉及的自动化不是工厂各环节的自动化或计 算机化的简单相加，而是有机的集成。不仅 是设备、机器的集成，更主要的是以体现信 息集成为特征的技术集成，从而创造整体协 作的环境，将各子系统紧密集成为一个整体 ，以提高企业的实力与竞争力。 为赶超国际先进技术，我国于1986年提 出了863高技术发展计划，其中对CIMS这一 推动工业发展的先进技术给与了充分肯定和 极大重视，将CIMS作为

5、在863计划自动化领 域设立的两个研究发展主题之一。经过十多 年对CIM概念的深入研究、探索，以及结合 我国国情的实践，863/CIMS主题对CIM和 CIMS的阐述分别为：“CIM是一种组织、 管理与运行企业生产的理念，它借助于计算 机硬件和软件，综合运用现代管理技术、制 造技术、信息技术、自动化技术、系统工程 技术，将企业生产过程中的有关人/组织、技 术、经营管理三要素及其信息流、物流和价 值流有机集成并优化运行，实现企业制造活 动的计算机化、信息化、智能化、集成优化 ，已达到产品上市快、高质、低耗、服务好 、环境清洁，进而提高企业的灵活性、健壮 性、敏捷性，使企业赢得市场竞争”； “CI

6、MS是一种基于CIM机理构成的计算机 化、信息化、智能化、集成优化的制造系统 ”。 2.CIMS的发展早在20世纪60年代，信息处理技术中就 已提出了“综合”或“继承”的概念。但是 由于当时计算机技术和企业经营管理水平比 较低，很难实现这个目标。20世纪70年代末 期到80年代初期，随着计算机技术和企业管 理水平的提高，CIM的实施开始提到日程上 来。1985年，在德国汉诺威工业博览会上， 美国IBM等几家大公司展示了他们的CIM模 型，促进了CIM的开发与研究。1987年以后 ，CIM已成为制造类企业计算机应用研究的 热点，许多计算机公司，如美国DEC公司， IBM公司，德国西门子公司，日本

7、东芝公司 ，富士通公司都相继提出了他们的CIM模型 。一些制造企业逐步开发CIMS系统，最 初的开发应用比较一种与机械制造领域，主 要解决机械制造离散性生产的自动化问题。 接着逐渐向其他离散型生产领域，如电子仪 器，通信设备，集成电路等企业扩展。美国 的麦道飞机公司，通用汽车公司，英国的 MSZAK机床公司，日本惠普公司等，都是 成功实现CIMS的实例。 目前CIMS处于应用的初级阶段，但已 显示出其强大的生命力，美国科学院对美国 在CIMS方面处于领先地位的五个公司进行 的调查和分析认为，采用CIMS可以获得以 下明显效益：产品质量提高200%300%； 生产周期缩短30%60%；工程费用减

8、少 15%20%；提高工程师的效率 300%3500%。CIMS正在发展阶段，CIMS的概念目前 还在不断完善和扩充。如西门子公司提出了 CAI的概念，将CAI定义为计算机辅助办公 系统（Computer-Aided Office,CAO）与 CIM的集成。其中的CAO包括了财务管理， 销售管理等一系列功能。美国提出的计算机 一体化生产经营CIB(Computer Integrated Business)，不仅在厂内实现了信息的统一管 理、控制，同时实现了与原材料供应厂、协 作厂、用户单位的信息直接传输和共享公用 信息，它是电子数据交换（Electronic DateInterchange,

9、EDI）的应用，是工厂CIM子 系统与工厂外经营功能的集成系统。一般来说，CIMS是在自动化技术，信息 技术以及制造技术的基础上，通过计算机及 其软件，将于制造工厂全部生产活动有关的 各种分散的计算机系统，自动化系统有机的 集成起来，适合于多品种，小批量生产的高 效率，高灵活性的制造系统。由此可见，CIMS是一种基于计算机和网 络技术的新型制造系统，不仅包括和集成了 CAD、CAM、CAPP、CAE等生产环节的先进制 造技术和MRP、MRP-II等先进的调度、管理 、决策策略与技术，而且包括和集成了企业 所 有与生产经营有关环节的活动与技术，其目 的就是为了追求高效率、高灵活性，最后取 得高效

10、益，以满足市场竞争的需求。12.1.2 流程工业CIMS与离散工业 CIMS之比较1. 流程工业特点流程工业属于广义的制造工业，一般是 指通过物理上的混合、分离、成型或化学反 应使原材料增值的行业。其生产过程一般是 连续的或成批的，需要严格的过程控制和安 全性措施，具有工艺过程相对固定、产品规 格较少、批量较大等特点，只要包括化工、冶金、石油、电力、橡胶、制药、食品、造 纸、塑料、陶瓷等行业。流程工业也是重要的制造业，它包括了 几乎所有的原材料和能源行业，其资本投入 大，产量产值也很高，在国民经济中占据着 非常重要的地位。据统计，流程工业的年产 值在全世界约有五万亿美元；而在我国，石 油，化工

11、，电力，冶金等流程工业的产值占 全国工业总产值的70%以上，因此提高流程 企业的竞争力，具有十分重大的意义。虽说流程工业也是制造业，但它与离散 制造业相比仍有重要区别。离散制造业包括 汽车、机床、家用电器等行业；由于市场对产品更新的要求高，企业除了要考虑产品 的质量和成本外，还必须在新产品上市速度 和生产的灵活性方面狠下功夫，才能保持市 场竞争力。而流程工业由于产品变化较少、 生产工艺固定、产品批量大，因此流程工业 企业提高自身竞争力的关键是提高产品质量 ，降低生产成本。2. 流程工业CIMS流程工业计算机集成制造系统（流程工 业CIMS）是CIM思想在流程工业中的应用 和体现。其含义是：在获

12、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等有机的集成起来，综合运用自动化技术、信息技术、 计算机技术、系统工程技术、生产加工技术 和现代管理科学，从生产过程的全局出发， 通过对生产活动所需的各种信息的集成，形 成一个控制、监测、优化、调度、管理、经 营、决策等功能于一体，能适应各种生产环 境和市场需求的、总体最优的、高质量、高 效益、高柔性的现代化企业综合自动化系统 ，以达到提高企业经济效益、适应能力和竞 争能力的目的。通常所说的计算机集成流程 生产系统（ComputerIntegrated Processing System, CIPS），企业（或

13、工 厂）综合自动化系统等，与流程工业CIMS都 是同一概念。 2. 流程CIMS与离散CIMS 的比较流程CIMS与离散CIMS都是CIM这里 在不同领域的应用，在财务，塞购，销售， 资产和人力资源管理等方面基本相似，他们 的主要区别如下。 （1）在生产计划方面。流程CIMS的 生产计划可以从生产过程中具有过程特征的 任何环节开始，离散CIMS只能从生产过程的 起点开始计划；流程CIMS采用过程结构和配 方进行物料需求计划，离散CIMS采用物料清 单进行物料需求计划；流程CIMS一般同时考 虑生产能力和物料，离散CIMS必须先进行物 料需求计划，后进行能力需求计划；离散 CIMS 的生产面向订

14、单，依靠工作单传递信息， 作业计划限定在一定时间范围之内，流程 CIMS的生产主要面向库存，没有作业单的 概念，作业计划中也没有可供调节的时间。（2）在工程设计方面。流程CIMS中新 产品开发过程不必与正常的生产管理，制造 过程集成，可以不包括工程设计子系统；离 散CIMS由于产品工艺结构复杂、更新周期 短，新产品开发和正常的生产制造过程中都 有大量的变形设计任务，需要进行复杂的结 构设计、工程分析、精密绘图、数控编程等 ，因此工程设计子系统是不可缺少的重要子 系统之一。 （3）在调度管理方面。流程CIMS中要 考虑产品配方、产品混合物料平衡污染防治 等问题，需要进行主产品、副产品、协产品 、

15、废品、成品、半成品和回流物的管理，而 在生产过程中占有重要地位的热蒸汽、冷冻 水、压缩空气、水、电等动力、能源辅助系 统也应纳入CIMS的集成框架，离散CIMS则 不必考虑这些问题；流程CIMS中生产过程 的柔性是靠改变各装置间的物流分配和生产 装置的工作点来实现的，必须要有先进的在 线优化技术、控制技术来保证，离散CIMS的 生产柔性则是靠生产重组等技术来保障；流 程的质量管理过程与生产过程自动化过程监 控系统紧密相关，产品检验以抽样方式为主 ，采 用统计质量控制，产品检验与生产过程控 制、管理系统严格集成、密切配合，离散 CIMS的质量控制子系统则是其中相对独立 的一部分。（4）在信息处理

16、方面。流程CIMS要求 实时在线采集大量的生产过程数据、工艺质 量数据、设备状态数据等，要及时处理大量 的动态数据，并以图表的形式予以显示，而 离散CIMS在这方面的需求则相对较少；流 程CIMS的数据库主要由实时数据库与历史 数据库组成，前者存放大量的体现生产过程 状态的实时测量数据，如过程变量、设备状 态、工艺参数等，实时性要求高，离散CIMS 的数据库则是主要以产品设计、制造、销售 。 维护整个生命周期中的静态数据为主，实时 性要求不高。(5) 在安全可靠性方面。流程CIMS由于 生产的连续性和大型化，必须保证生产高效 、安全、稳定运行，实现稳产、高产，才能 获得最大的经济效益，因此安全可靠生产是 流程工业的首要任务，全生产过程的动态监 控成为CIMS集成系统中不可缺少的部分； 离散CIMS则偏重于单个生产装置的监控， 监控的目的是保证产品技术指标的一致性， 并为实现柔性生产提供有利信息。（6）在经营决策方面。流程CIMS主要 通过稳产、高产、提高产品产量和质量、降 低能耗和原料、减少污染来提高生产效率，