制造系统运行优化理论与方法

第1章 绪论 1.1 制造系统概述 1.1.1 制造系统的基本概念 随着社会的进步和人类生产活动的发展，制造的内涵也在不断地深化和扩展。目前对“制造”有两种理解：一种是狭义的制造概念，指产品的制作过程，如机械零件的加工与制作，称为“小制造”；另一种是广义的制造概念，覆盖产品整个生命周期，称为“大制造”。现代制造的内涵已扩展到大制造。 朗文词典对“制造”(manufacture)的解释是“通过机器进行(产品)制作或生产，特别是以大批量的方式进行生产”。显然，这是狭义上的制造概念。广义的制造概念及内涵在“范围”和“过程”两个方面大大进行了扩展。范围方面，制造涉及的工业领域远非局限于机械制造，还涉及电子、化工、轻工、食品等国民经济的众多行业；过程方面，广义的制造不仅指具体的工艺制作过程，还包含产品市场分析、产品设计、生产准备、制造管理、售后服务等产品整个生命周期的全过程。国际生产工程学会(CIRP)在1983年定义“制造”为制造企业中所涉及产品设计、物料选择、生产计划、生产、质量保证、经营管理、市场销售和服务等一系列相关活动和工作的总称。 制造的概念可以从以下三个方面来理解： (1)制造是一个工艺过程。制造过程是将原材料经过一系列的转换使之成为产品。这些转换既可以是原材料在物理性质上的变化(如机械切削加工)，也可以是原材料在化学性质上的改变(如化工产品生产)。通常将这些转换称为制造工艺过程。在制造工艺过程中还伴随着能量的转换。 (2)制造是一个物料流动过程。制造过程总是伴随着物料的流动，包括物料的采购、存储、生产、装配、运输、销售等一系列活动。 (3)制造是一个信息流动过程。从信息的角度看，制造过程是一个信息传递、转换和加工的过程。整个产品的制造过程，从产品需求信息到产品设计信息、制造工艺信息、加工制造信息等，构成一个完整的制造信息链。同时，为保证制造过程能够顺利和协调地进行，制造过程还伴随着大量的管理信息和控制信息。 因此，制造过程是一个物料流、能量流和信息流“三流”合一的过程。韦氏大辞典将“系统”一词解释为“有组织的或被组织化的整体”，结“合着的整体所形成的各种概念和原理的综合”，“由有规则的相互作用、相互依存的形式组成的诸要素集合”等。一般系统论的创始人冯 贝塔兰菲把系统定义为“相互作用的诸要素的综合体”。我国著名科学家钱学森教授把一个极其复杂的研究对象称为系统，即“系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体，而这个系统本身又是它所从属的更大系统的组成部分”。 综合上述论述，可以将“系统”定义为：系统是由若干可以相互区别、相互联系而又相互作用的要素所组成，在一定的层次结构中分布，在给定的环境约束下为达到整体的目的而存在的有机集合体。 根据上述定义，可以进一步给出有关“系统”的若干概念： (1)系统与要素的关系：要素是构成系统的组分(组成部分)，系统是由诸要素组成的整体。 (2)系统的结构：诸要素相互作用、相互依赖所构成的组织形式。 (3)系统的功能：系统具有目的性或功能性，这是系统与环境相互作用的表现形式。系统的功能受到系统结构和环境的影响。 (4)系统的层次：系统可以划分为不同的层次，层次的划分具有相对性。任何所研究的系统是更高一级系统的组成要素，但任何所研究的系统要素又是一个更低一级别的系统，即“向上无限大，系统变要素；向下无限小，要素变系统”。 (5)系统的环境和边界：系统以外又与系统有关联的所有其他部分叫做环境，环境与系统的分界叫做边界。边界确定了系统的范围，也将系统与周围环境区别开来。系统与环境之间存在物质、能量和信息的交流，通常将环境对系统的作用称为系统的输入，将系统对环境的作用称为系统的输出。 系统是以不同形态存在的。根据生成原因的不同，系统可分为自然系统和人造系统。自然系统是自然界自发生成的一切物质和现象，与人类活动无关，如“地球生物系统”、“太空星球系统”等。人造系统是人类应用自然规律建造的、以自然系统为基础的一切满足人类生存和发展需要的人造物，如“生产制造系统”、交“通运输系统”、“社会经济系统”、“计算机系统”等。 无论是自然系统还是人造系统，一般都具有如下特性[1]： (1)整体性。系统不是诸要素的简单集合，否则它就不会具有作为整体的特定功能。具有独立功能的系统要素及要素间的相互作用是根据逻辑统一性的要求，协调存在于系统整体之中。也就是说，任何一个要素不能离开整体去研究，要素间的联系和作用也不能脱离整体的协调去考虑。脱离了整体性，要素的机能和要素间的作用便失去了原有的意义。 (2)集合性。系统是由两个或两个以上可以相互区别的要素(即集合的元素)所组成，这些要素可以是具体的物质，也可以是非物质的软件、组织等。例如，一个计算机系统一般是由处理器、存储器、输入输出设备等硬件和操作系统、应用程序等软件构成一个完整的集合体。 (3)相关性。组成系统的要素是相互联系、相互作用的，即“牵一发而动全身”。 (4)层次性。系统作为一个相互作用的诸要素构成的有机整体，它可以分解为一系列的子系统，并存在一定的层次结构，这种层次结构表述了不同层次子系统之间的从属关系或相互作用关系。 (5)目的性。通常系统都具有某种目的，它一般用更具体的目标来体现，并通过系统功能来实现。为了实现系统的目的，系统必须具有控制、调节和管理的功能。管理的过程也就是实现系统的有序化过程，使它进入与系统目的相适应的状态。 (6)环境适应性。一个具有持续生命力的系统必须适应外部环境的变化，并保持*优适应状态。例如，一个企业生产系统必须经常了解国内外市场需求及行业发展动态等环境的变化，并在此基础上制定企业的生产经营策略、调整企业的内部组织结构等以适应环境的变化。 根据上述“制造”和“系统”的内涵，给出制造系统的定义：制造系统是指为实现生产产品的目的，由完成制造过程所需的人员、加工设备、物流设备、原材料、能源和其他辅助装置，以及设计方法、加工工艺、管理规范和制造信息等组成的具有特定功能的有机整体。 根据上述定义，制造系统包含以下三个方面的含义： (1)制造系统是一个由制造过程所涉及的硬件(各种设备和装置)、软件(制造技术与信息)及人件(有关人员)所组成的统一整体。这是对制造系统的结构定义。 (2)制造系统是一个将制造资源(原材料、能源等)转变为产品或半成品的动态输入输出系统。这是对制造系统的功能定义。 (3)制造系统涵盖产品的生命周期全过程，包括市场分析、产品设计、工艺规划、制造实施、质量控制、产品销售、售后服务及回收处理等环节。这是对制造系统的过程定义。 以机械零件加工系统这一典型的制造系统为例，它以完成机械零件的加工制作为目的，由机床、刀具、夹具、操作人员、被加工工件、加工工艺与管理规范等组成。单台加工设备、制造单元、生产线、加工车间及制造企业等都可以看做是不同层次的机械制造系统。该系统的输入是各类制造资源(毛坯或半成品、劳动力能源等)，经过机械加工过程制成零件输出，这个过程就是制造资源向零件的转变过程，在此过程中伴随着物料流(毛坯→半成品→成品)、能量流(电能→机械能、热能、化学能)和信息流(市场需求信息→零件设计信息→制造工艺信息→加工过程信息)。如图1.1为机械制造系统中的物料流、信息流和能量流： (1)物料流：整个机械加工过程是物料的输入和输出过程。机械加工系统输入的是原材料、毛坯或半成品及相应的刀具、夹具、量具、润滑油、冷却液和其他辅助物料等，经过输送、装夹、加工和检验等过程，*后输出半成品或产品(一般还伴随切屑的输出)。这种物料在机械加工系统中的流动被称为物料流。 图1.1 机械制造系统中的物料流、信息流和能量流 (2)信息流：信息是制造系统运行的基本条件。为保证机械加工过程的正常进行，必须集成各方面的信息，这些信息主要包括市场需求、生产任务、产品质量指标、技术要求、加工方法、工艺参数、设备状态等。所有这些信息及其交换和处理过程构成了机械加工过程的信息系统，这个系统不断地和机械加工过程的各种状态进行信息交换，对加工过程进行管理和控制，保证机械加工系统的效率和产品质量。这种信息在机械加工系统中的流动与作用过程称为信息流。 (3)能量流：能量是驱动机械制造系统运行的动力源。机械加工系统也是一个能量转换系统，机械加工和物流环节都需要消耗能量。通常驱动机械系统运动的原动力是电能，通过电机将电能转化为机械能，改变原材料或毛坯的形状，完成机械切削加工，部分机械能再转化为液压能以驱动执行元件完成特定的动作，还有部分机械能转化为热能被消耗。物流环节中的能量还包括燃料燃烧产生的化学能。这种能量在机械加工系统中的传递与转换过程称为能量流。 1.1.2 制造系统的基本类型 1. 按产品性质分 根据产品性质和生产方式的不同，制造系统可分为两大类：连续型制造系统和离散型制造系统。连续型制造系统生产的产品一般是不可数的，通常以重量、容积等单位进行计量，其生产方式是通过各种生产工艺流程将原材料逐步变成产品。连续型制造系统的典型代表有：石油天然气生产系统、化工产品生产系统、酒类饮品生产系统、钢铁生产系统等。离散型制造系统生产的产品则是可数的，通常用件、台等单位进行计量，其生产方式一般是通过零件加工、部件装配、产品总装等在时间上的离散过程来制造出完整的产品。汽车制造系统、飞机制造系统、机床制造系统、家电产品制造系统等都是典型的离散型制造系统。 2. 按生产批量分 从生产批量的角度，可以把制造系统分为大批量、批量、单件小批量、个性化定制等制造系统。如果产品的预期市场需求量非常大，则产品的生产可以长时间连续地进行，这样的生产系统称为大批量制造系统，如当今的汽车制造系统、彩电生产系统等。如果产品的市场需求量非常小，则生产可以单件小批量的方式进行，如大型轮船、飞机、重型机床等产品的生产系统。在大批量和单件小批量之间的是批量制造系统，很多机床制造系统均属此种类型。个性化定制系统是近20年来为适应市场对产品的个性化需求而出现的一类新型制造系统，它追求以逼近大批量制造系统的效率实现产品品种的多样化，从而实现大规模客户化定制生产(mas customization，MC)。该类制造系统在服装、高档轿车等个性化产品的生产中已有成功应用。 3. 按生产计划分 制造企业的生产计划方式主要有订货式生产(make-to-order，MTO)和备货式生产(make-to-stock，MTS)两种，与之相对应，可将制造系统分类为订货式制造系统和备货式制造系统。在订货式制造系统中，生产计划的下达是根据客户的订单而进行的；而备货式制造系统的生产计划则是根据库存数量而非客户订货数量制订的，当然合理的库存量应建立在对市场需求科学预测的基础之上。上述两种生产方式显然与批量有关。一般而言，单件小批量制造和个性化定制生产属于订货式生产，而(大)批量制造则属于备货式生产。 4. 按技术水平分 在现代科技日益发展的今天，许多新技术和高科技往往首先应用于制造业，特别是计算机及信息技术(IT)的应用对现代制造系统的发展产生了重大而深远的影响。按制造系统应用现代科学技术的水平不同，可以将制造系统分为机械自动化制造系统(MAS)、数控柔性自动化制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)、智能制造系统(IMS)等。MAS主要采用机械自动化技术，FMS是在MAS的基础上进一步应用数控技术和自动控制技术实现制造过程的自动化与柔性化，CIMS则在FMS的基础上将IT技术广泛应用于生产经营中的各个环节(包括经营决策、产品设计、生产计划、质量控制乃至销售与售后服务等)