计算机集成制造系统(CIMS)的介绍

摘要 :介绍了计算机集成制造系统（CIMS）产生背景和基本概念，给出了CIMS体系结构、控制系统结构和集成的三个阶段，以及CIMS的发展趋势。

关键词 :计算机集成系统；背景；概念；体系结构；控制结构；阶段；趋势

Abstract: This is an essay that introduces the conception and the producing background of Computer Integrated Manufacturing System(CIMS),then three stages of CIMS-the system structure, control system structure and its integration are given. And the development of CIMS is also introduced.

Key word: Computer Integrated Manufacturing; Background; Concept; System structure; Control structure; Stage; Trend

中图分类号：G623.58文献标识码：A 文章编号：

1、背景

从20世纪60年代，计算机和数字控制技术领域在制造企业中得到广泛的应用。早期的计算机应用是从设计、制造、管理等领域独立发展起来的，等他们发展到一定程度后，却形成了一个个相互独立的“自动化孤岛”。虽然能取得孤岛的局部效益，但孤岛之间的相互通信和数据交换却很难进行，难以达到信息共享和整体最优的目的。[1]在这种形式的背景下，计算机集成制造（CIM）概念受到重视并被普遍接受。

2、概述

1973年美国约瑟夫·哈林顿（Joseph Harrington）博士提出计算机集成制造（Computer Integrated Manufacturing，CIM ）概念，在《Computer Integrated Manufacturing》一书中阐述了两个基本观点：

① 企业生产活动的各环节是密不可分的整体，从市场调研、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产活动要统一考虑；

②整个制造过程实质上是一个数据采集、传递、加工和利用的过程，最终产品可以看作是数据的物质化表现。

欧共体CIM-OSA（开放体系结构）课题委员会对CIM定义是：CIM是信息技术和生产技术的综合应用，旨在提高制造型企业的生产率和响应能力。企业所有功能、信息、组织管理等方面都是集成起来的整体的各个部分。

CIM是一种制造哲理，是一种思想；CIMS是CIM制造哲理的具体体现。CIMS是通过计算机软硬件，并综合应用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将与企业全部生产过程中有关的人、技术和经营管理三要素及其信息流与物料流有机集成并优化运行的复杂的大系统。[2]

3、CIMS的体系结构

CIMS的体系结构是指以现代信息技术的观点建立的企业管理模型框架，作为一个系统由若干个相互联系的分系统组成，通常划分为6个分系统，如图1：

各个分系统的功能分述如下：

① 管理信息分系统（MIS） 对一般离散制造系统如机械制造系统，通常以制造资源计划（MRPⅡ）或物料需求计划（ERP）为核心，由企业管理高层的经营决策，对生产活动进行计划和控制。具体内容包括经营管理（BM）、生产管理（PM）、物料管理（MM）、人事管理（LM）、财务管理（FM）等。

② 工程技术信息分系统（EIS或TIS） 其主要功能是进行产品设计、生产准备以及工艺过程和装配过程设计。具体内容包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAE）、计算机辅助工艺过程设计（CAPP）、计算机辅助工装设计（CATD）、数控程序编制（NPC）等。

③ 制造自动化分系统（MAS） 其主要功能是完成零件加工、检验、运输以及产品装配、检测、包装等工作。该系统包括各种自动化设备和系统，如计算机数控（CNC）、加工中心（MC）、柔性制造单元（FMC）、工业机器人（Robot）等 [3] 。

④ 质量信息分系统（QIS） 其主要功能是采集、存储、处理与评价各种质量数据，对生产过程进行质量控制。该分系统包括计算机辅助检验（CAI）、计算机辅助测试（CAT）、计算机辅助质量控制（CAQC）、三坐标测量机（CMM）等。

⑤ 数据库分系统（DB） 组成CIMS的各个功能分系统的信息都要在一个结构合理的数据库系统里进行存储和调用，以实现整个企业数据的集成与共享。数据库在逻辑上是统一的，在物理上是分布的。

⑥ 计算机网络分系统（Network） 是CIMS的主要支撑技术，是CIMS各个分系统重要的信息集成工具。采用国际标准和工业标准规定的网络协议，可以实现异种机互连、异构局部网络及多种网络互连，以实现整个企业的资源共享和数据传输。

4、CIMS控制系统结构

CIMS是一个复杂的大系统，通常采用递阶控制体系结构。所谓递阶控制就是将一个复杂的控制系统按照其功能分解成若干个层次，各层次进行独立控制处理，完成各自的功能。层与层之间的信息交流主要是通过上层对下层发出指令，下层向上层返回执行结果，通过信息联系构成完整的系统。这种控制模式减少了全局控制的难度以及系统开发的难度，成为当今复杂系统的主流控制模式。

美国国家标准技术研究所所属的AMRF将CIMS分为五层递阶控制结构。这五层分别是：工厂层、车间层、单元层、工作站层和设备层。每层都由各自独立计算机进行控制，功能单一，易于实现；层次越高，控制功能越强，计算机处理的任务越多；层次越低，则实时处理要求越高，控制回路内部的信息流速越快。

4.1工厂层

工厂层是企业最高决策层，具有市场预测，生产计划的制定，产品开发以及工艺过程规划的功能，同时还应具有成本核算、库存统计、用户订单处理、后续的跟踪服务等厂级经营管理的功能。工厂层的规划周期一般从几个月到几年时间。

4.2车间层

车间层是根据工厂的生产计划协调车间作业和辅助性工作以及资源配置，包括从设计部门的CAD/CAM系统中接受产品物料清单，从CAPP系统接受工艺过程数据，并根据工厂层的生产计划和物料需求计划进行车间内各单元的作业管理和资源分配。车间层的规划周期一般从几周到几个月。

4.3单元层

单元层主要负责加工零件的作业调度，包括零件在各个工作站的作业顺序，作业指令的发放和管理、协调工作站间的物料运输、进行机床和操作者的任务分配及调整。单元层的规划时间在几小时到几周。

4.4工作站层

工作站层的任务是负责指挥和协调车间中一个设备小组的活动，规划时间是几分钟到几小时。

4.5设备层

设备层包括各种设备（如机床、机器人、坐标测量机、无人小车、传送装置及存储检索系统等）的控制器。设备层执行上层的控制命令，完成加工、测量、运输等任务。其响应时间从几毫秒到几分钟。

在上述五层的递阶控制结构中，工厂层和车间层主要完成计划方面的任务，确定企业生产什么，需要什么资源，确定企业长期目标和近期任务；设备层是一个执行层，执行上层的控制命令；而企业生产监督管理任务则是由车间、单元层和工作站完成，因此，车间层兼有计划和监管的双重功能。

5、CIMS集成的三个阶段[5]

CIMS主题研究和实施的技术的核心内容是信息集成、过程集成和企业集成。

5.1信息集成

在生产的规划、设计、加工制造、质量控制、底层自动化等一系列的管理与控制活动中大量存在的自动化孤岛，实现信息正确、高效的共享和交换，是改善企业技术和管理水平必须首先解决的问题。

集成信息主要包含内容有：

① 企业建模、系统设计方法、软件工具和规范。这是系统总体设计的基础，是企业信息集成的基础。

② 异构环境下的信息集成。所谓异构是指系统中含有几种不同的操作系统、控制系统、数据库及应用软件。异构信息的主要解决3个问题：不同通信协议的共存及ISO/OSI的过渡；不同数据的相互访问；不同商用软件之间的接口。

5.2过程集成

企业为了提高产品的“功能”（F）、“效率”（E）、“质量”（Q）、“成本”（C）、“服务”（S），除了信息集成这一手段之外，还可以对过程进行重构。

传统的串行作业设计和开发过程往往造成产品开发过程经常反复，使产品开发周期增加、成本增加。如果将产品设计开发中的各串行过程尽可能多地转变为并行过程，在设计时考虑到后续工作中的可制造性、可装配质量，把设计开发中的信息大循环变成许多小循环，可以减少反复，缩短开发时间。

5.3企业集成

21世纪的制造业必须面对全球制造的新形势，充分利用全球制造资源，以便更快、更好、更省地响应市场需求。这就是敏捷制造的思想。敏捷制造的组织形势是企业之间针对某一特定产品建立企业动态联盟。敏捷的企业应该是“两头大、中间小”，“两头大”指强大的新产品设计与开发能力和强大的市场开拓能力，“中间小”指加工制造设备的能力可以小，多数零部件靠协作解决，企业可以在全球采购价格最便宜、质量最好的零件，因此，企业间的集成是企业优化的新台阶。

6、CIMS的发展趋势[6]

近些年并行工程、人工智能及专家系统技术在CIMS中的应用推动了CIMS技术的发展，增强了CIMS的柔性和智能性。随着信息技术的发展，在CIMS基础上又提出了各种先进制造系统，如精良制造、敏捷制造等。同时，将基因工程和生物工程模拟引入制造技术，建立一种具有更高柔性的开放的制造系统。

7、结论

当今世界各国的高新技术的发展水平已成为衡量一个国家综合国力及其国际地位的主要标志。我国是世界上第一大制造国，越来越受到其他国家的重视，因此我国各类企业都面临着持续多变和不可预测的全球市场化竞争。为了提高竞争力，现代的各类制造业必须结合我国国情、企业自身特点，采用CIM的理念及其有关的技术推动企业取得更大的经济效率和保持可持续发展的态势。CIMS研究、开发、应用体系，必将对增强制造企业的综合竞争力发挥更加重要的作用。

参考文献：

[1]马钢. 一种开放式网络数控系统的开发[J]，辽宁省交通高等专科学校学报，2006年

[2]张胜文. 企业先进生产模式的实现机制比较研究[J]，华东船舶工业学院学报，2000年

[3]焦庆武. 浅论机械制造技术[J]，中国科技博览，2010年

[4]陆雨辰. 基于Petri网和面向对象技术的FMS柔性仿真环境研究[D]2002年

[5]吴澄，李伯虎.从计算机集成制造到现代集成制造[J]，计算机集成制造系统，1998年

[6]张天顺.基于柔性制造系统（FMS）的刀具管理研究[D]，2005年

作者简介：吴平峰（1978—），男，贵州凯里市人，毕业于西安电子科技大学，现就职于贵州电子信息职业技术学院机电工程系，讲师，从事机电技术方面教学

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。