智能制造控制体系结构

【摘要】为提高制造控制系统的智能重构能力，扩展了IEC 61499基本功能块模型，提出了知识功能块新概念，并将其作为功能单元构建了智能重构制造控制系统集成框架。在阐述了智能重构与智能控制并行执行过程的基础上，提出了基于Web Services面向服务的制造控制系统软件体系结构，并采用统一化建模语言建模语言进行了系统设计。通过一个原型系统运行实例，验证了IEC 61499功能块标准、Web服务中间件和面向服务哲理在实现智能重构制造控制系统方面的有效性。

【关键词】制造控制系统；集成框架；智能重构；知识功能块；Web服务

引言

激烈的市场竞争和动态多变的制造环境，迫使企业不断提高对制造控制系统可重构性能的要求。最初是简单重构，然后是动态重构，目前发展的主要趋势是智能重构。

IEC 61499功能块采用分布式和硬实时的设计原理，既具有面向对象的特征，又具有优良的自治性，已被学者们作为研究新一代智能制造控制系统的重要基础。本文将人工智能领域的知识表达与IEC 61499功能块标准相结合，提出了知识功能块新概念，并以其作为功能单元，构建了智能重构制造控制系统（Intelligently Reconfigurable Manufacturing Control System，IRMCS）集成框架。在此框架下，智能重构与智能控制过程能够并行进行，各个计算机化的可编程制造设备可相互协作并相互促进，从而使制造控制系统达到全局优化的效果。最后，开发了一个原型系统，用于验证所提出的集成框架的有效性。

1.基于知识功能块的智能重构制造控制系统集成框架

1.1 知识功能块模型

将IEC 61499基本功能块模型进行扩展，提出了适应智能重构的知识功能块模型（如图1）。其特点是：①将事件流区分为执行事件与重构事件两种类型；②同时将数据流区分为执行数据与重构数据两种类型；③相应地增加了与重构事件及数据相关联的重构控制表及重构算法；④为了便于智能重构与智能控制的并行执行过程的相互协作，还增加了用于功能块实体与制造知识库交互的协调知识数据流。该模型在逻辑上与基本功能块完全相同，既提高了可重构性，又保持了功能块组织结构的稳定性。知识功能块的控制功能或者是控制加工资源的操作（如机器人的移动），或者是控制制造元过程（meta process），即制造过程的最小组合单元。为简便起见，下述功能块均指知识功能块。

1.2 基于知识功能块的智能重构制造控制系统集成框架

在集成工程知识、制造过程知识和制造资源能力的基础上，构建了以具有自治与协作能力的知识功能块为最小功能单元的IRMCS集成框架，其特点如下：

（1）采用金字塔型结构的思想，在逻辑上以制造系统集成（Manufact uring Systems Integration，MSI）结构的递阶方式，将控制系统分成系统层、规划层和资源层三层，资源层又分为虚拟制造设备（Virt ual Manufacturing Device，VMD）层和设备控制器层。复合功能块由多个基本功能块通过数据流和事件流连接形成，以完成更为复杂的控制任务。控制任务的完成依赖于功能块（基本功能块或/和复合功能块）之间的信息传递。

（2）将功能块间的信息传递分为软实时通讯与（硬）实时通讯两种方式。软实时通讯采用基于Web服务的客户机/服务器（Client/Server，C/S）方式实现，（硬）实时通讯则采用基于制造报文规范（Manufacturing Message Specification，MMS）及Web服务的报文传输机制实现。从本质上看，两者都采用统一的标准报文格式（以简单对象访问协议（Simple Object Access Protocol，SOAP）为消息传递形式的Web服务C/S机制接口）。

（3）从信息传递性能来看，各功能块实体均具有数据、报文传输能力，因此松弛了层次间的“主-仆”关系，提高了从属层次上各功能块实体的局部自治能力，从而大幅降低了对层次间实时通讯的需求。

2.智能重构与智能控制的并行执行过程

为了使制造控制系统具有自组织与自适应能力，其智能重构与智能控制过程必须能够并行进行。预先确定好的控制应用的执行逻辑约束，以及功能块本身所具有的重构支持机制，将确保重构过程自动平稳进行，避免初始的应用逻辑与当前的执行条件发生冲突。智能重构与智能控制的并行执行过程。该过程存在执行控制流与重构控制流两种类型的控制流，前者由计划调度复合功能块产生，后者由重构控制复合功能块产生。在制造控制系统动态演化过程中，监督协调复合功能块在制造知识库的支持下，根据重构规则及控制规则协调智能重构行为与智能控制应用的并行执行。

3.系统设计

一个简化的柔性制造系统（Flexible Manufact uring System，FMS），它包括两台机床（M1与M2）和一个缓冲区B1。两台机床共享一台机器人R1；FMS共享一台负责运输零件的自动导引小车A1；还包括一个智能仓库，可在任意时刻提供系统所需的零件和存储空间。此外，一台主控计算机负责控制整个系统及监视所有设备的运行情况。如基于Web服务面向服务的控制软件体系结构将面向服务的思想与IEC 61499功能块标准相结合，并采用Web服务作为功能块的实现技术，提出了基于Web服务面向服务的IRMCS软件体系结构。通过功能映射，上述IRMCS集成框架中逻辑层面上的功能块体现为各种具体的功能块Web服务。底层是功能块Web服务组件库（包含各个功能块Web服务的具体实现）；MMS服务集合提供制造信息传递规范；Web服务技术是整个体系结构的实现平台，其协议堆栈为客户端与服务器提供Internet/Int ranet环境下的网络服务；采用Web服务的Web服务描述语言（Web Serivce Description Language，WSDL）描述功能块Web服务，并到统一描述、发现和集成（Uni2 versal Description，Discovery and Integration，UD2 DI）协议注册节点，然后客户端控制应用可从注册节点发现需要的功能块Web服务并使用它们。此外，客户端与服务器通过SOAP相互通讯。

由于Web服务本质上建立在一系列基于可扩展标记语言（eXtensible Markup Language，XML）的开放标准（WSDL，SOAP及UDDI）基础之上IEC 61499功能块标准与Web服务相结合可以给制造控制系统带来真正的与硬件平台、操作系统与编程语言无关的通讯能力，提高了它的柔性、可重用性、可扩展性与互操作性。同时，由于Web服务的动态、发现及绑定机制，IRMCS具有动态的可重构性与集成能力。

上述系统模型中的制造设备通过串口通讯（如RS2232C通讯协议）与服务器计算机相联系，服务器计算机与主控计算机具有相似的硬件配置Pentium IV 2.4GHz，512M RAM，以太网卡。为了展示IRMCS的跨语言、跨平台性能，客户应用及各设备VMD功能块Web服务选择Windows 2000为开发平台，J ava为编程语言，Sun J RE为运行环境，Bor2 land JBuilder 9作为开发工具，Tomcat作为Web服务器；另一方面，计划调度功能块Web服务及重构控制功能块Web服务选择Linux为开发平台，C#为编程语言，Microsof CLR为运行环境，Visual St 为开发工具，IIS为Web服务器。这种执行方式也可验证IRMCS在异质环境下的互操作性。在Internet/Int ranet环境下，用户可利用客户程序方便地远程监控该FMS的实际运行情况。

结束语

为了实现制造控制系统的智能重构，提出了知识功能块的新概念，并以其为基础构建了IRMCS集成框架。IRMCS原型系统验证了IEC 61499功能块标准、Web服务中间件和面向服务概念在实现智能重构制造控制系统方面的有效性。

但在实际应用中，基于Internet/Int ranet的集成框架需考虑制造控制专用信息传递过程中的安全问题。未来将研究采用安全套接字层（SecureSocket Layer，SSL）技术对制造通讯信息进行加密与解密。

参考文献

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