基于着色赋时Petri网的柔性制造系统故障建模与过程监控研究外文翻译资料

 2022-03-22 09:03

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基于着色赋时Petri网的柔性制造系统故障建模与过程监控研究

Chung-Hsien Kuo and Han-Pang Huang

摘要 柔性制造系统（FMS）的性能取决于设备效率和过程控制，为了提高设备效率，可以采用故障模式分析和故障诊断来减少意外机器故障发生的频率。另外，统计过程控制（SPC）可用于调整过程参数以消除过程变化。在本文中，利用有色的赋时Petri网（CTPN）来模拟FMS过程中的行为, 此外，对基于CTPN的SPC，故障诊断以及失效模式与影响分析也分别进行了建模和分析。尤其是，所有的模块化模型都是集成的并基于CTPN进行链接，由于统一的CTPN建模，整个系统中的每个模块化模型的信息都可以直接和有效地交换和整合，最后，整个CTPN FMS模型使用G2实时专家系统实施，因此，本文提出的基于模拟器的系统可以当作一个实时的带有G2标准接口的FMS监控控制器。

关键词 CTPN，故障诊断，FMEA，FMS，SPC

1.引言

本文提出了使用着色赋时Petri网（CTPN）的柔性制造系统（FMS）的故障建模和过程监控。这种方法的目的是使用一个统一的建模方法将FMS的必要组件集成在一起。过程状态和数据可以从CTPN实时仿真器生成，并且可以使用统计过程控制（SPC），故障模型和效果分析（FMEA）以及故障诊断来分析它们以提高系统性能。

Petri网（PN）[4][21]可以使用图形和数学方法对系统中的并发和异步组件进行建模。最初，它用于讨论计算机系统的异步组件之间的通信。其中，Zhou等人[25]提出了一种使用PN的柔性制造单元结构数学模型。Jeng [12]提出了一种用于建模FMS的PN合成理论。Abdallah等人[1]提出了一种有效的搜索算法，用于使用PN的FMS中的无死锁调度。周等人[27]使用PN来生成柔性制造单元的最优控制策略。胡等人[6]使用广义随机PN来建模和分析一个FMS的调度和控制决策支持系统的应用程序。因此，本文选择一个PN来模拟FMS。由于FMS的行为非常复杂，操作时间和资源颜色属性对分析至关重要。时间属性表征了设备的效率。资源属性（颜色集）表征不同类型的产品和机器。因此，CTPN [14] - [17]是基于传统的PN开发的，添加了时间属性和颜色属性。此外，本文的CTPN采用模块化，面向对象和分层配置设计。

自动化设备的可靠性直接影响FMS的性能。 但是，高度可靠的设备成本更高,正确和快速的故障诊断可以减少故障平均修复时间（MTTR）并提高设备效率。另一方面，SPC可以用来识别、消除过程变化的缺陷。尤其是因为某些资源在某些时间段不可用导致机器的故障和失控影响到调度系统时，FMS中的组件是相互关联的并动态地互相干扰的，必须使用一致的方法对它们进行建模和分析，以减轻耦合效应。 因此，SPC，FMEA的综合建模方法，故障诊断，调度和使用CTPN的过程建模是必须的。

在本文中，FMS中的活动被嵌入多层次结构中[14] - [17]，即生产，过程，单元和机器级别。所提出的层次结构是从由[ 3 ]提议工厂协调（FC）的分层架构和生产活动控制（PAC）的分层体系结构中发展起来的。最后，本文的CTPN模型应用于台湾大学制造自动化技术研究中心（MATRC）的FMS，此外，本文提出的FMS模拟器是基于实时和面向对象的G21 [ 5 ]。GSI（G2标准接口）和GFI（G2文件接口）同时使用的专家系统基础上开发的。

2. 柔性制造系统及其建模

A.FMS

生产层次

过程层次

单元层次

机器层次

图1 柔性制造系统的分层结构

FMS [14]由许多系统组成，如过程操作，物料处理设备，物料储存，控制单元，检查站和测量站。柔性制造单元，机器和设备之间的材料流通常通过自动化材料搬运系统连接。包括过程信息，产品信息和控制命令在内的生产控制消息通过通信系统进行传递。 通信系统由计算机，控制单元和局域网组成[14]，[22]。 FMS可以生产多种和小批量的混合产品。 此外，灵活的路线，流程，机器等能够快速满足客户要求并及时交付产品。 因此，FMS有能力应对快速市场和需求的变化。

在本文中，FMS被分解为以下四个层次[14] - [17]：生产层次，过程层次，单元层次和机器层次，如图1所示。该体系结构是基于FC和PAC的分层体系结构开发的。这种控制架构类似于美国国家标准与技术研究院（美国国家标准局） - 自动化制造研究机构（CIM架构）。另外，国际标准化组织（ISO）为不同架构之间的转换提供了一个参考模型（ISO，1984 [11]）。生产水平操作是FMS中的最高级别，并管理FMS操作。它包括主生产计划，系统资源管理，数据库，维护和系统性能测量。FMS中这个操作协调和控制的所有单元，例如实时调度（调度）系统。单元控制过程是低于过程控制的制造单元级别。最后，机器层面可能由加工设备，检测设备和材料处理设备（如传送带，加工中心，车床，铣床，检测中心，机器人和自动导向车辆（AGV））组成。

另外，FMS的调度至关重要。 在这项研究中，使用了13条规则[14]。 调度规则可以基于工件或机器。 基于工件特征的规则如下：1）先到先得; 2）最短处理时间（SPT）; 3）加权SPT; 4）最短的剩余处理时间; 5）最长的剩余处理时间; 6）最少的操作剩余时间; 7）最大操作剩余时间; 和（8）最早到期日。 在另一方面，基于机器特性的规则如下：1）考虑替代方案的最短操作时间;2）考虑备选方案的最早开始时间（ESTA）;3）考虑替代方案的最长闲置时间（LITA）; 4）考虑替代方案的最早完成时间; 5）LITA ESTA（LITA和ESTA的组合）

B.CTPN

CTPN是一种PN。颜色属性[4]，[9]，[14] - [17]管理着大量类似的系统或冗余的逻辑结构。时间属性[4]，[14] - [17]允许在系统模型中进行各种基于时间的性能测量。延时可以分配到任何库所或变迁去对模型系统中的时间元素进行建模。CTPN十分重要，CTPN=(Pt,Tt,P0,T0,Pc,Tm, AX, BX, F, CX), Pt是一组定时的库所，Tt是一组定时的变迁，P0是一组即时库所，T0是一组即时变迁，Pc是一组交流库所，Tm是一组宏变迁，AX是一组有向弧，BX是一组抑制弧，F是一组中断弧，CX是一组迁移和库所的颜色集。详细的定义，属性， CTPN的启用条件可以参考[14]。简而言之，CTPN的组件如下所述。

即时库所描述了资源的条件或属性（没有时间因素）。 赋时库所描述资源的时间属性。 交流的库所描述CTPN中的通信软件包。 宏变迁之间的通信和接口是通过四种类型的交流库所进行。该下发和下收的库所适用于更高水平模块; 上发和上收的库所是较低的水平模块。 较高级别的模块使用下发库所发送（或间距）令牌给较低级别的模块。下收库所用于接收（或捕获）来自较低级别的令牌模块。 类似地，较低级别的模块使用上发将令牌发送到更高级别的模块。下收从上级模块获取令牌[14]。

即时变迁描述了资源的事件或行为（没有时间因素），定时变迁描述资源的时间属性。宏变迁通常用于形式化模块化设计[18]，[24]。宏变迁是一系列变迁，库所和弧的组合。不同层次之间的互联是通过通信库所实现的。基于宏变迁和通信库所，一个分层和模块化的FMS模型可以被构建。定向弧给变迁连接一个库所，反之亦然。与抑制弧相连的库所被称为抑制库所。当一种抑制剂库所包含与输出变迁相同的颜色标记，输出变迁被禁止触发。类似地，与中断弧相连的库所称为中断库所。当中断库所包含与输出相同的颜色标记转换，输出变迁的触发被中断，并且进一步抑制。对于即时变迁，中断和抑制剂弧的行为相同。对于定时变迁，如果定时变迁被触发，中断库所与它具有相同的时间，颜色，然后它中断这个变迁的触发并返回对输入位置的颜色标记[ 14 ]。图标定义系统如图2所示。进一步阐述了这些要素。如下[ 14 ]

图2 CTPN图的图标定义

即时库所

赋时库所

即时变迁

TOKEN

库所

库所

赋时变迁

弧

抑制弧

中断弧

宏变迁

库所

库所

1）库所：P={P1，P2，P3，P4hellip;.,Pn} 是一个有容量的库所，包括即时库所，赋时库所和交流库所。 注意即时库所描述条件或性质（没有时间因素），定时库所描述资源的时间属性，通讯库所描述在CTPN中的通信软件包。

2）变迁：T={t1,t2,t3hellip;hellip;.,tm} 是一组有容量限制的变迁，包括即时变迁，赋时变迁和宏变迁。注意，即时变迁描述资源的行为或事件（无时间因素）。赋时变迁描述资源的时间属性。

3）颜色：CX（P）和CX(T)表示位置P和转换T组成的颜色集。m n 是非负整数，a,b是库所和变迁的颜色，表示基数。

4）输入，输出，抑制和中断函数。I(p,t)(a,b):CX(p)XCX(t)N,它描述了颜色b从变迁t到库所a变成颜色a, N是非负整数；相似地，O(p,t)(a,b):CX(p)XCX(t)N,N是输出函数。Inh(p,t)(a,b):CX(p)XCX(t)N,N是一个抑制函数，Int(p,t)(a,b):CX(p)XCX(t)N,N是一个中断函数。

5）标记：有10个元素，是n*1维量定义如下，

=，nih 是颜色集aih的令牌，ui是库所pi中所有颜色的数量，表示库所pi中颜色令牌的数量，是初始标记。

6）启用和触发条件：如果变迁tj对应相对的颜色集bjk,如果：

当变迁tj被激发后，可能会出现两种结果，对即时变迁来说变成：

对于赋时变迁来说，基础标志变成：

在延时tj后，标记变成：

7）时间函数：它只是库所和变迁的时间属性。对变迁来说，：是与颜色bjk相关的完成赋时变迁t需要的时间，对库所来说， 是赋时库所P释放颜色aih的时间延迟。

8）可达性设置：它由初始标记中的所有可达标记组成。可达性是CTPN的基本属性。 从到， 中可以找到初始标记是否存在变迁的一系列触发。 触发顺序（FS）由：

表示变迁的颜色集设置。

9）活跃度，死锁[ 26 ]：对于任何可到达标记，如果存在一个激活序列以达到一个标记和启用变迁，然后变迁触发，如果网络中的所有变迁都是激活的，那么CTPN就会生效。 对于任何可达到的标记，如果没有激发的变迁序列以变迁触发，则变迁是死锁的。如果网络中不存在要启用的变迁，则CTPN会死锁。FMS CTPN生产模型[7]，[14]可以构建如下：1）分析FMS; 2）定义系统需求，资源，决策和事件; 3）使用宏变迁来模拟单元和机器; 4）以不同层次的材料流或机器来定义过程; 5）绘制过程的流程图; 6）定义界面和沟通的不同层次和宏变迁之间的转换；7）使用CTPN到步骤5中的流程图模型）；8）验证所构建的系统模型。此外，该系统的元素必须在FMS的物理组件的相关。这些关系可以参考[ 14 ]。

材料流

不可控因素

产品

质量特征

调整因素

可控因素

图3 SPC与过程的关系

3. CTPN-BASED SPC

A.FMS过程控制的操作

FMS过程控制的操作质量控制、管理和集成近年来被更强调[ 2 ]，[ 10 ]，[ 19 ]，[ 20 ]。然而,质量控制和管理体系不能孤立。必须使用收集的数据对它们进行分析，然后结果用于控制过程和防止缺陷。什么时候过程条件改变，过程参数必须根据过程变化调整。SPC可用于调查和控制过程，如图3所示。SPC[ 13 ]以统计为基础，广泛用于过程控制。提高产品质量，消除过程的可变性，以及隔离缺陷的原因。

本文介绍了过程控制包括过程容量和SPC，最初，过程容量得到验证。如果过程容量是可以接受的，那么SPC控制极限可以生成来研究过程可变性。如果任何测量被认为是失控的原因，缺陷被识别。因此，相应的过程参数进行调整以纠正该过程。流程控制如图4所示。本文给出了一个控制图。SPC工具[ 20 ]用于验证过程。

B. 基于SPC的模型系统

图4 SPC活动在FMS中的应用

本文中的SPC活动是按照CTPN构建的。 过程控制的两个主要功能，包括过程容量和SPC，被建模为宏观变迁。由于每个测量值都不相同，传统的PN无法处理基于属性的测量。 例如，SPC宏变迁可以生成结果（例如一个测量值是标准偏差的三倍）用于传入（不同值）的测量。 SPC活动在图4中可以转换成CTPN，如图5所示。描述了这个基于CTPN的SPC网络中的CTPN元素如下。 SPC_P1代表从商店收集的数据。 SPC_T1表示初始数据收集，SPC_T2表示后续的数据收集。 SPC_T1和SPC_T2由SPC_P2控制并相互抑制。号码SPC_P2中的令牌表示分析过程容量所需的初始数量。 如果令牌存在于SPC_P2中，那么SPC_T2被禁止。 SPC_T6代表容量分析过程。

过程容量用于对过程的过程能力的标准规范描述。在本文中，可以用术语来评估过程容量。精度、精度、性能及过程容量指数[ 20 ]。spc_p5包含过程容量的数据分析。spc_t3和spc_t4是通过对spc_p5令牌设置颜色的控制，和他们分别代表无容和有容的过程。如果一个过程分析容量是无的，那么spc_p6重启过程容量分析后调整工艺参数。

如果进程

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