计算机集成制造技术试卷-中国矿业大学工程硕士

计算机集成制造技术试卷-中国矿业大学工程硕士

中国矿业大学

工程硕士研究生课程试卷

学号

姓名

日期2013-6-15

工程领域通信

课程名称计算机集成制造技术

任课教师郭西进

中国矿业大学研究生培养管理科印制

计算机集成制造技术试卷

计算机集成制造技术试卷-中国矿业大学工程硕士

一、概念题(30分)

(1)计算机集成制造系统(CIMS)总目标是什么?

答: CIMS是在CIM哲理指导下建立的人机系统,以达到降低成本C(Cost)、提高质量Q(Quality)、缩短交货周期T(Time)等目的,从而提高企业的创新设计能力和市场竞争力。

(2)约瑟夫.哈林顿博士1974年提出两个基本观点是什么?

答:企业的整个生产过程,包括市场、设计、制造、管理以至售后服务等环节是一个整体,需要统一考虑;整个生产过程是信息的采集、传递和加工处理的过程,产品是信息的物化表现。

(3)CIMS基本要素及要素之间关系是什么?

答:CIMS基本要素是相同的,即人/机构、经营和技术这三个要素。关系:①使用技术以支持经营;②使用技术以支持人员工作;③设置机构/人员来协调工作以支持经营活动;④统一管理并实现经营、人员、技术的集成优化运行。

(4)CIMS功能分系统和支撑分系统之间关系是什么?

答:CIMS的组成是为实现其功能需求服务的,它是由6个分系统组织起来的,即管理信息系统、产品设计与制造工程设计自动化系统、制造自动化系统、质量保证系统、计算机网络系统和数据库系统。其中前4个是功能分系统,由它们来执行CIMS的功能,后2个是计算机支撑分系统,它为CIMS提供了必要的支撑环境。

分系统之间构成如下图所示:

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(5)叙述面向CIM系统功能构成和控制结构的体系结构。

答:面向控制功能的CIM系统结构:

CIMS是一个复杂的大系统,通常采用分层递阶控制体系结构。美国国家标准技术研究院(NIST)提出的五层递阶控制结构,这种形式与企业的组织机构及生产秩序相吻合,比较直观也易于操作。

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二、简述题(30分)

(1)叙述CIMS发展现状与趋势;

答:一、不断拓展中的CIMS理念与内涵。70年代,美国约瑟夫.哈林顿博士首次提出CIM理念或哲理。CIMS的理念、技术也随之有了很大的发展。代表性的论点出自美国的制造工程师协会SME、欧共体ESPRIT 等。

863/CIMS 主题结合国际上先进制造技术的发展,特别是基于主题上万名人员十余年的实践,提出了“现代集成制造”(Contemporary Integrated Manufacturing)的理念,它在广度上、深度上拓宽了传统CIM的内涵。我国“现代集成制造系统”拓展传统“计算机集成制造系统”的要点:细化了现代市场竟争的内容(P、T、Q、C、S、E、K);提出了 CIMS的现代化特征。二、.持续发展中的CIMS技术。从设计、管理、加工生产等“技术孤岛”发展为集成的CIMS技术体系;系统集成优化是CIMS技术与应用的核心技术,集成优化发展的角度而划分为三个阶段:信息集成(以早期计算机集成制造为代表)、过程集成(以并行工程为代表)和企业间集成(以敏捷制造为代表)。前者是后者的基础,同时,三类集成优化技术也还在不断发展之中。我国863/CIMS主题分别于1987年、1993年和1997年启动了这三个方面的工作。

CIMS技术的发展总趋势:

1)集成化-- 从当前的企业内部的信息集成和功能集成,发展到过程集成(以并行工程为代表)、并步入实现企业间集成的阶段(以敏捷制造、精良生产为代表)。

(2)数字化/虚拟化-- 从产品的数字化设计开始,发展到产品全生命周期中各类活动、设备及实体的数字化。在数字化基础上,虚拟化技术正在迅速发展,主要包括虚拟现实(VR)应用、虚拟产品开发(VPD)和虚拟制造(VM) 。

(3)网络化--从基于局域网发展到基于 Intranet/Internet的分布网络制造,以支持全球制造策略的实现。

(4)柔性化--正积极研究发展企业间动态联盟技术,敏捷设计生产技术,柔性可重组机器技术等,以实现敏捷制造。

(5)智能化-- 智能化是制造系统在柔性化和集成化基础上进一步的发展与延伸,引入各类人工智能和智能控制技术,实现具有自律、分布、智能、仿生、敏捷、分形等特点的新一代制造系统。

(6)绿色化-包括绿色制造、环境意识的设计与制造、生态工厂、清洁化生产等;它是全球可持续发展战略在制造业中的体现,它是摆在现代

制造业面前的一个崭新课题。值得指出, 1994年清华大学获得美国SME

的CIMS"大学领先奖" ,1999年华中理工大学又获本年度的"大学领先奖"

(一般每年在世界只评一名),表明我国已经处于这一领域的国际先进水

平。

(2)流程行业CIMS和机械制造行业CIMS差别。

答:流程工业的连续生产过程所特有的实时性,决定了对信息获取的必要性,正是流程工业的特点决定了它与制造工业CIMS的构成存在着较大的差异,主要表现在以下4个方面:

1、生产管理,流程工业的生产计划可以从生产过程的任意具有明显工艺特征的环节开始,制造工业只能从生产过程的起点开始计划;流程工业产品的物理结构相对简单,工艺过程比较固定,管理的复杂程度相对比较低。

2、工程设计,流程工业的产品和生产工艺相对固定,新产品的开发和工艺改进都是离线进行的,所以工程设计不必与生产管理集成在一起;制造工业的产品和生产工艺结构复杂,新产品的开发要紧跟市场,更新快,周期短,在生产过程中也有大量的变形设计任务,其

中还需要复杂的结构设计、工程分析、精密绘画、数控编程等,因此制造工业CIMS的重点应放这些子系统上。

3、工业生产,流程工业的生产对底层自动化程度要求比较高,强调基础自动化。产品的质量主要由生产过程的自动化设备保证。因此流程工业CIMS的质量管理与生产自动化系统紧密联系。产品检验以抽样方式为主要,采用传统质量控制,产品检验与生产管理和过程控制要严格集成,而制造工业CIMS的质量管理则作为相对独立的子系统。在物流管理方面,流程工业要实现稳产、高产,不仅要保证生

产设备运转的可靠性,而且要保证风、水、电、油、汽等辅助燃料和备品、备件供应的可靠性。流程工业的生产柔性主要靠改变生产过程中各设备装置的参数来实现的,因此要求系统有可靠的实时在线控制和应用优化技术。

4、信息处理,流程工业要求实时在线采集生产过程中的生产数据,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,保存历史数据,并以图

表、图形的形式实时予以显示。而制造工业对生产过程的实时数据信息要求不高,因此流程工业更加强调生产过程的实时在线状态监测。

三、论述题(任选一题)(40分,字数1000~2000)

煤炭作为重要能源之一,在工业生产和人们日常生活中有着举足轻重的影响。煤炭经济收入占我国国民经济总收入的很大份额。因此可以说,煤炭工业发展的优劣影响到了我国工业现代化的进程。我国煤矿多集中在山东、山西、内蒙古及甘肃等地,煤矿发展程度差异很大,煤矿的开采、运输以及洗煤工业自动化应用程度也差别很大。除了少数大型煤矿采用自动化井下作业及地面洗煤外,多数煤矿自动化程度很低,还有煤矿利用人力或畜力来工作,即便是采用自动化的煤矿,也是在某个工段上采用,各个环节彼此独立,形成了一个个自动化孤岛。以至于煤炭生产中资源浪费严重,工作效率低下,各职能部门彼此推诿责任,管理力度不够强,安全事故多。这些都阻碍了煤炭工业的发展。

针对煤炭工业中这些问题,国内外都在积极研究一种全新的煤炭工业发展模式。现在国外正研究把CIMS引入到煤矿生产中来,称为计算机综合煤矿综合自动化(CIMAS:Computer Integrated Coal Mine Automation System),并取得了一定的成绩。国际上CIMAS当前的发展动向有:通信网络的标准化,智能传感器与现场中线技术的应用及其标准化,专家系统的引入等。我国由于历史的原因,这方面的研究和应用刚刚起步,在煤炭工业还没有完全实现CIMS的应用。

我国在1986年制定了863/CIMS计划,并将其归为自动化技术领域。目前我国的CIMS研究与应用已步入世界先进水平,已有60多家骨干企业应用CIMS ,覆盖了机械、电子、航空、航天、轻工、纺织、石油、化工、冶金、通信、水泥、兵器等行业。在煤炭行业也有应用的例子,如兖矿集团南屯煤矿洗煤厂,作为国家863/CIMS的示范工程于1996年立项,开创了国内外煤炭行业应用CIMS的历史。但在整个煤矿大系统内,应用CIMS的企业国内很少。现在我国陕西省神木县境内的大柳塔煤矿为首家实现了煤矿综合自动化,也只局限于控制和监控实现自动化,实现的是生产环节的集成。

煤矿工业是一个复杂的行业,工作环节多,工种多,既有流程工业的特点,如地面生产系统的洗煤工业、井下采煤系统的综采工作面的运输系统等,又有

离散制造业的特点,如机械加工车间和机械维修车间中,生产皮带输送机、刮板输送机的工序,体现了制造业的特点。因此说,煤矿工业是一个混合型企业。从大系统理论的观点来说,具体到一个煤矿企业,把它视为一个大系统,按照工作环境分,下面可分为地面生产系统、井下生产系统、提升运输系统三个子系统,每个子系统又有许多子系统,如井下生产系统又可分为采煤系统、掘进系统、局部通风系统、局部排水系统及运输系统等。各个子系统在地理位置上跨距很大,从海拔+100多米到海拔-1000米左右,平面位置相距多达十几公里。这对整体规划和管理相当困难。

煤矿工作环境差,井下时常有瓦斯、煤尘等易燃、易爆气体,还会有突水、自燃火、冒顶、塌方等危险,这对信息检测、数据采集和设备控制提出了高的要求,信息难于集成。

此外,煤矿长期以来被人们误解,认为煤矿是劳动密集型的行业,只需要力气,不需要太多的技术,而且对传统技术改造来应用CIMS技术要花费大量资金,使用后短期内很难见效益,包括煤矿内部高层管人员都有这种看法,这对推广和应用先进自动化技术带来很大的困难,更谈不上CIMS的应用。

不过,由于煤矿工业在国民经济中占重要地位,煤炭消费85%集中在电力、冶金、化工、建材等行业,煤炭工业的兴衰直接影响到基础工业的发展,影响到整个国民经济的健康稳定发展,影响到人民生活的安康。因此煤炭工业长期以来作为重点行业发展。2002年国家经贸委提出了“十五”期间推广应用信息技术改造提升煤炭工业的重点项目:

1.全矿井信息化网络系统;

2.工作面自动化关键技术与装备;

3.矿井安全生产综合自动化监测监控系统;

4.煤炭运销系统信息化技术;

5.煤炭洗选加工过程自动化测控技术;

6.全国煤矿安全生产信息管理技术。

上面的内容覆盖了CIMS的基本内涵,可以看出研究、开发煤矿工业CIMS

势在必行。

CIMAS应用的最终目标是使矿井生产管理的全过程全面实现自动化控制与

管理,即“采煤、掘进、运输、通风、供排水、供电”六个生产环节实现综合自动化。其中“采煤”环节实现工作面生产自动化控制,地面集中监测;“运输、掘进”环节实现地面集中控制,无固定岗位工;“通风、供排水、供电”环节实现三遥控制,无人值守;建立灵敏、准确的信息系统,把企业生产、管理和经营在网络的层次上集成化,实现网络化、信息化管理;实现煤炭订货、销售、财务管理、煤质调查等环节的信息集成;通过管理控制一体化,实现生产自动化系统的实时数据库与管理信息系统关系数据库之间的数据集成,提高管理信息系统中有关生产的原始数据的准确性、实时性;同时通过对设备参CIMAS的具体内涵和应用

根据CIMS的体系结构,结合煤矿具体的特点,CIMAS的体系结构一般分为三级:综合信息管理级,监督控制级和现场控制级。第一级由管理计算机,管理信息系统(MIS)、生产自动化系统、办公自动化系统(OA) 、决策支持系统(DSS)等构成,对生产经营进行综合管理和调度。这一级体现了MRPII和ERP的管理理念;第二级由监控计算机、工程师站、操作员站等构成,完成对生产过程的监视、指挥、高级控制策略的实现等。在这一级中具体完成了MES系统的功能;第三级包括各种传感器、执行机构,对现场设备进行调节、控制等,完成对数据的采集和信息的传递。

CIMAS的通信网络也可分为三级,即管理局网、过程控制局网和现场总线网。由于CIMAS的运行环境有别于一般工业,在网络上选择由它的特点,主要表现在过程控制网和现场总线网两级。

(1)管理局网可采用MAP(Manufacturing Automation Protocol)协议。该协议是由即非标准化组织、也非计算机制造厂家的美国通用汽车公司提出,完全采用了ISO/OSI的七层参考模型。

现在多采用TCP/IP协议。TCP/IP协议(Transfer Control

Protocol/Internet Protocol)叫做传输控制/网际协议,又叫网络通讯协议,这个协议是Internet国际互联网络的基础。TCP/IP是网络中使用的基本的通信协议。TCP/IP是同ISO/OSI模型等价的。其基本原理是:当一个数据单元从网络应用程序下流到网络接口卡,它通过了一列的TCP/IP模块。这其中的每一步,数据单元都会同网络另一端对等TCP/IP模块所需的信息一起打成包。这样当数

据最终传到网卡时,它成了一个标准的以太帧(假设物理网络是以太网)。而接收端的TCP/IP软件通过剥去以太网帧并将数据向上传输过TCP/IP栈来为处于接收状态的应用程序重新恢复原始数据。TCP具有三种主要特征:

I、 TCP协议是面向联接的。这意味着在任何数据实施交换之前,TCP协议首先要在两台主机之间建立进程。

II、由于使用了序列号和返回通知,TCP协议使用户确信传输的可靠性。序列号允许TCP协议的数据段被划分成多个数据包传输,然后在接收端重新组装成原来的数据段。返回通知验证了数据已收到。

III、 TCP协议使用字节流通讯。这意味着数据被当作没有信息边际的字节序列来对待。

(2)过程控制网可采用IEC955标准PROWAY C(Process Data Highway),PROWAY是一种专门用于过程控制的网络协议,它可互连输入/输出设备、控制设备、人机接口设备等。特别强调实时性和可靠性。

可靠性:无论系统中个别联网设备发生什么故障,都不应导致整个网络瘫痪。为此一般的联网设备都要准备多个接口,并采用两套传输介质。实时性:对某些具有高优先权的用户,其获得传输介质的等待时间不大于2ms。

主要结构参数:

总线拓扑结构:总线长达2000米,传输速率1M位/秒,最大可容纳100个功能站。采用双总线冗余。令牌传递存取控制方式:完全的检测手段。

现场总线技术是伴随着传感器和现场控制装置的智能化而发展起来的,是当今自动化领域中研究的热点。20世纪80年代以前,大多采用4~20mA的电流标准进行通信,煤矿井下采用1~5mA、5~15Hz、200~1000Hz的模拟信号通信,还有采用基于HART协议的仪表。在智能传感器出现以后,应该首先考虑用数字化的仪表通信。

煤矿中应用的现场仪表即有用在井下,地面生产系统也有应用的地方,如空压机的安全检测压力表、机器断水、断油保护仪表;主通风机房和变电所应用的监测仪表等;洗煤厂跳汰机等处;这些仪表由于用在地面,工作环境好些,和其他行业应用仪表一样。而井下的瓦斯检测仪、矿压测量仪表、井下配电所用的仪表等,由于使用环境的特殊性,要选用本安型或隔爆型的仪表,仪表安装有严格

的要求。

矿用传感器已进入了智能化阶段,它们直接挂在一条现场总线上。模拟信号值的传感器也可通过信号变送器挂到总线上。现在国内外有多家开发智能传感器的厂家,相信开发智能传感器和现场总线技术在煤矿的应用必将迅速发展。

在知识成为经济增长的重要因素的知识经济时代,CIMAS技术是煤矿自动化的发展方向,它的应用正如在机械和其他行业取得显著成果一样,肯定也将为我国煤炭工业的健康发展带来新的希望。

这一点从大柳塔煤矿应用煤矿综合自动化技术取得的成绩可以得出。现在改造后的大柳塔煤矿全员工效达到了107吨/工,效率提高22%,是目前美国同行业平均工效的2倍、欧洲平均工效的4倍,生产效率跃居世界前列;

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