1、引言

為了配合“機械設備自動化”國家級試點專業建設，我校于1996年提出了建立FMS實驗系統的構想，并付諸實施。系統方案既遵循FMS的一般體系結構，又充分考慮到教學實驗的特點。在系統的實施過程中，我們自行研制開發了FMS運行控制軟件，該系統具有實時調度、仿真動畫、設備監控等功能。

2、FMS系統布局

系統布局如圖1所示，FMS實驗系統由數控車床、數控加工中心、搬運機械手和四臺工控機組成。數控車床CK6150適用于回轉體零件的精加工。數控加工中心XH714具有三軸聯動控制，工件一次裝夾后可自動完成銑、鏜、鉸等工序的加工。機械手可在直線導軌上行走，手臂有四個自由度，前端帶有手爪，完成工件的輸送、搬運。

圖1 系統布局

三臺486工控機分別作為車床、加工中心和機械手等設備的控制工作站，上位機(586工控機)和三臺工作站通過BITBUS現場總線互聯，實現系統的集成。

3、系統功能需求

運控軟件運行于上位機，包含以下主要功能：

(1) 實時調度控制

依據作業計劃、零件加工工藝路線以及生產現場的設備狀態，對搬運機械手進行動態實時調度，實現工件的合理流動，同時協調機械手及所有被服務設備之間的工作。

(2) 仿真動畫

利用直觀的動態圖形方式，一方面在運行前對生產過程進行模擬，分析調度控制策略的可行性及系統中物流的走向；另一方面可對系統實際運行進行在線監控，對物流阻塞和設備故障等異常情況及時發現，提高系統的可靠性。

(3) 輔助功能
除上述兩個基本功能之外，系統尚需提供作業計劃管理、數控程序管理、庫管理等輔助性功能。

4、調度控制系統設計

4.1 運控軟件與下位工作站的接口

BITBUS網絡物理層采用EIA－RS485規范，數據鏈路層基于IBM同步鏈路控制(SDLC)協議，應用層提供遠程訪問與控制(RAC)服務。籍此，上位機可完成對總線節點上的片內、片外數據存儲器的讀寫，任務的調度和位總線消息的收發。

FMS實驗系統采用分布式控制模式，每個現場設備完全由相應的下位工作站控制，上位機通過BITBUS網絡與各下位工作站進行命令、狀態和數據信息的通信，從而實現對現場設備的間接控制。上位機指揮設備動作時(如加工中心夾具松開)，將“控制命令”寫入相應設備工作站節點上的片外數據存儲器。設備工作站定時掃描該區域，發現有效命令即加以處理，并將響應執行情況回寫，供上位機讀取。命令控制塊結構如下：

300H：命令有效標志
301H：命令代碼
302H-306H：命令參數
307H：命令響應(上位機置FFH，由下位機回寫命令響應情況)。
02H-0AH：命令失敗
01H：命令正在執行
55H：命令已完成

4.2 調度控制基本策略

根據FMS是實驗系統布局及功能需求，將調度控制劃分為任務調度和設備控制兩個層次。任務調度層定義了一組基本運輸任務。每個任務實際上是一組設備控制命令序列，圖2給出了“取毛坯送加工中心加工”任務，這些命令只能串行、順序、連貫地執行。

圖2 取毛坯送加工中心加工

任務調度層依據現場設備狀態、作業計劃及一組規則來安排運輸任務的執行次序，以滿足系統的動態、實時要求。調度的基本目標是提高機床的利用率。運輸機械手是物流系統的瓶頸設備、臨界資源，系統為每個任務設置一個優先數，以仲裁多個任務對機械手的競爭。任務優先數的計算依照任務的性質、任務對應零件在作業單中的加工優先級以及機械手位置。 #p#分頁標題#e#

調度層每選中一個任務后，即交給設備控制層處理。設備控制層依次逐個解釋執行序列中的設備控制命令。設備控制采用異步的命令/響應方式，即上位機向下位工作站發送控制命令后，即轉去處理其它事務，而由時鐘中斷定時查詢工作站在命令開始執行及完成后發出的相應回答。

值得注意的是，機床加工是一系列命令，包括NC程序下裝、安全門關閉、正式加工及加工完成后安全門的打開。而實際上，在“取毛坯送加工中心”任務中，機械手手爪縮回后，機械手已經可以執行其它運輸任務。如果讓機械手“空等”這些命令的執行完成，顯然是不合適的。合理的方法應是在保證系統安全的前提下，充分提高設備的并行程度，即一方面機械手手爪縮回后，機床加工馬上開始啟動，另一方面又要盡快把機械手“解脫”出來。具體設計中，將“啟動加工”歸結為填一個加工控制命令表，機械手手爪縮回后馬上可服務于其它任務，后續動作由其它程序根據這個控制命令表處理。

4.3 仿真動畫設計

考慮到仿真動畫運行的實時性要求以及與調度控制的并行性，系統的仿真動畫在定時中斷中實現。在動畫處理模塊中定義一組動畫“動作”，對應與現場設備(主要是搬運機械手)的運行，設備控制層向下位工作站發送控制命令并得到響應時，或在運行中捕捉到設備異常時，即向動畫處理模塊發送一個動作命令，啟動并保持畫面上“設備”與現場設備同步運行。

動畫實現主要利用屏幕象素的塊復制和塊恢復技術，而對復雜的動作如機械手手臂的翻轉等，筆者借用了幀動畫的有關概念，先建立許多幀局部圖片存入緩沖區中，需要時將這些圖片以適當的速率和順序，“放電影”般的一一顯示到屏幕上某一區域，產生相對復雜、精致的動畫效果。圖片可以利用“畫筆”等圖形軟件制作，以BMP格式保存在文件中，由程序讀出存入緩沖區。考慮到這些圖片需占用較大的內存，系統將圖片緩沖區置于擴展內存。

4.4 軟件結構

圖3 總體結構

調度控制系統軟件的總體結構如圖3所示。數控程序管理模塊實現數控程序的編輯、語法檢查。作業計劃管理模塊完成作業計劃、零件工藝路線的編輯，并以文件的形式保存。集成運行模塊是整個系統的核心，圖4給出了該模塊的層次結構。

圖4 集成運行模塊層次結構

5、結束語

本文工作是基于實驗型的FMS系統。經測試表明，運行控制系統在實際運行中安全、可靠，工件流動合理，達到了設計要求。