第九届国际会计师联合会控制教育进展国际自动控制联合会，俄罗斯下诺夫哥罗德，2012年一种基于水的制造过程K.K. Starkov，KampA.Y. 波格罗姆斯基阿丹Eindhoven University of Technology，Den Dolech 2，5600MB（电子邮件：K. tue.nl）。Wafer Based Solutions B.V.， High Tech Campus 9，5656AE，Eindhoven，The Netherlands（电子邮件：Hans.waferbasedsolutions.com）翻译后摘要：在本文中，我们提出了一个原型开发的教育和研究目的。原型是一个基于流体的制造网络过程仿真器在其核心，液基仿真器由几个电动泵和液体储存器。电动泵模仿制造机器的行为，而液体储存器用作中间产品储存器，也称为缓冲器。在平台中，泵和罐可以以灵活的方式相互连接。通过这种方式，原型允许一个简单和直观的方式研究制造控制技术和性能的几个网络拓扑结构。本文介绍了一个详细的系统描述及其应用。几个网络配置和实验的介绍和讨论。关键词：制造网络、流程控制、教学平台。1. 介绍来自荷兰埃因霍温理工大学（TUE）的数百名学生全年学习由机械工程系制造网络组（MN）提供的生产网络控制和性能的多个科目虽然从理论和模拟中学习这些学科足以为本科生或硕士生的未来载体做好准备，但实验工具的存在，所有研究的理论现象都可以可视化，为学生提供了获得知识的额外保证，此外，动手实验，让学生获得使用真实设备解决问题的能力，是他们作为工程师教育的基本组成部分。在TUE的MN组的情况下，它的一些教育相关活动包括在实验室工作期间对学生进行授课和监督，例如制造网络分析、嵌入式系统、混合动力学和制造系统控制课程。这是除了研究活动，其中还包括实验研究，这是由其整合者进行。高等院校工科系的科研和教学活动一般都涉及到一些实践性的任务。因此，有一个实验工具可以为他们的完成有很大的帮助。在本文中，我们提出了实验平台，最近设计的MN组和目前开发的晶圆为基础的解决方案公司1。亲-⋆1http://waferbasedsolutions.comtotype是一个基于液体的制造网络过程仿真器。该液基仿真器由多个电动泵和储液罐组成。液压泵模拟制造机器的液压缸，而液体储存器用作中间产品储存器，也称为缓冲器。这些泵和罐可以以任何可能的或所需的配置相互连接（参见第3节）。每个泵和储液器分别配备有流量和压力传感器。这样的原型允许一个简单和直观的方式来研究制造控制技术对几个网络拓扑结构的性能的影响。在流体动力学和工业过程的控制研究中，化学反应物液位和流量控制。Fang等人（2009年）将模糊决策机制应用于工业系统的一部分，其行为由Qunser2开发的耦合水箱系统模仿。Pan等人（2005）提出 了 一 种用于Quanser冷却 水箱系统 的非线性方法，其中作者出于提供精确液位控制的愿望，开发了一套用于状态耦合双水箱液位系统动力学的Boubakir等人（2009年）使用了TecQuipment3的两个耦合罐CE 105原型本文针对耦合贮箱系统，提出了一种具有非线性滑模面的神经模糊滑模实验结果表明，该方法具有相当大的优势相比，2Quanser控制挑战http://www.quanser.com3http://www.tecquipment.com/Control/Control-Engineering/CE105.aspx© 2012 IFAC 396 10.3182/20120619-3-RU-2024.000272012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会397Fig. 1. Liquitrol框图经 典 的 滑 模 控 制 。 四 槽 原 型 （ 见 Johansson（2000））的开发是出于对多变量零点位置和方向的演示工具的必要性，以说明的方式用于动力系统的频域分析该原型用于控制教育中的几门课程，例如，在瑞典隆德的LTH和瑞典斯德哥尔摩的KTH。目前，所有上述原型都在教育和研究中发挥着更大的作用然而，似乎并不存在任何实验室工具，可以模拟几个制造网络的动态在一个说明性的和简单的方式。这是开发Liquitrol平台的主要动机之一。该平台的名称来自于液体和控制这两个词的组合，分别描述了基本的操作原理和该设置的目的。本文件其余部分的结构如下。第2节详细介绍了机械和电气规格细分的系统说明。在第三节中，详细描述了在生产需求跟踪和网络库存控制器下运行的3个选定网络配置的平台行为的动态模型。Liquitrol可以模拟的另一个复杂网络拓扑可以在3.3小节中找到。第四部分介绍了三种类型的学生实践性实验。结论和未来的工作在第5节。2. 系统描述在本节中，我们将详细介绍Liquitrol平台。2.1 机械规范图1显示了配置为流程线的平台的框图该平台由6个由丙烯酸酯材料制成的水箱和8个电压驱动的水泵组成，每个水泵为12伏，最大输水速度为每分钟3升。一种流量传感器，图二. Liquitrol储液器这个容器一旦在系统中流通称为溢流槽的第二容器直接连接到供应容器。它安装在与水有关的设备下面，以提供保护，例如在突然的水箱溢出或平台意外漏水的情况下。图2显示了安装在平台上的六个相同水箱中的一个的侧视图。可以观察到，3升水箱具有4个底部连接：一个用于水输入，两个用于水输出，一个用于压力测量。在每个水箱的中间都装有由厚聚甲醛材料制成的溢流管。 在图2中，该管由白色矩形描绘。每个罐都有一个可选的1升体积减少在一个厚圆柱形状的聚甲醛制成。一旦安装在溢流管上，圆柱体就充当体积减小器（参见图2，溢流管周围的2个浅蓝色矩形）。因此允许更好的可视化和某些现象的更快发生，例如，Lu-Kumar网络中的不稳定性（Dai et al.（2004）），以表彰其在讲座中的介绍。由Wafer Based Solutions公司提供的Liquitrol平台设计的结果可以通过图3. 平台安装在四轮工作台上，其尺寸见表1。带有36个无泄漏铜接头的管道开关板安装在平台的前侧。在图3中示出了如何通过塑料管引导水流，塑料管通过无泄漏连接器将泵的输入或输出与3升罐或20升容器互连。因此，通过将水泵与制造机器和3升罐与用于中间产品存储的缓冲器相关联，可以在给定适当的管道连接的情况下模拟几种网络拓扑。表1.Liquitrol尺寸细蓝色三角形位于每个平台mm罐mm水泵每个水箱的容量为3升的高度900外径120每个水箱的水位可以通过压力测量宽度630内径114图1中红色箭头所示的传感器有长度990高度320平台上有两个20升的容器 一个容器将液体供应到系统中，所述液体返回到2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会398图三. Liquitrol平台见图4。Liquitrol电气框图2.2 电气规范平台的所有电气设备都通过Beckhoff EtherCAT4进行控制。Ethercat由几个模块组成，例如：电源端子、直流电机输出、耦合器和AD/DA信号输入/输出端子。所有这些模块都安装在控制柜内。控制柜的内容可以通过图4的框图以图形方式可视化。所有的到Liquitrol的数据采集和控制信号通过以太网电缆进行管理。该系统提供3个电隔离电源; 2个12伏电源和1个24伏电源。更详细的配电图见图5。3. 数学模型与控制应用在这里，我们描述的动态模型和选定的控制应用程序的一些配置的平台。它将显示如何在平台中的液体流动动力学可以与制造网络的流动模型相关联。3.1 生产线机器配置图6显示了Liquitrol平台的生产线配置示意图白色小矩形代表7台水泵，灰色大矩形代表4B eckhofAutomati onEtherCATathtp：//Beckhof f. 共m图五. Liquitrol电气框图见图6。7台灌装机的生产线配置示意图。描绘了6个水箱，并且箭头指示液体流动方向。在每个白色和灰色矩形的顶部，制造机器和缓冲器标签分别由Mj和Bj表示。字母M代表机器，其编号由常数j = 1，...，7，字母B代表缓冲区，j= 2，.，第七章据认为，对于 M1，原料（液体）由主要的20升沉积物提供在离散时间中，对于一个制造机器（水泵），在时间kK. 因此，离散时间生产线的流动模型定义为：y1（k+1）=y1（k）+β1（k）sign−（w2（k）−γ2），（ 1）yj（k+1）=yj（k）+βj（k）signBuff（wj（k）−βj（k））（2）×sign − （ wj+1 （ k ） − γj+1 ） ， j =2，. . . ，6，y7（k+1）=y7（k）+β7（k）signBuff（w7（k）−β7（k）），（3）其中yj（k）是机器Mj在时间k的累积输出，wj（k）= yj−1（k）− yj（k）是缓冲器（tank）Bj的 内 容，βj（k）=uj（k）+fj（k），nj=1，. . . ，其中fj是影响机器Mj的外部干扰（例如，生产速度变化，不希望的延迟或设置时间），uj是机器Mj的控制输入，符号Buff（x）=（1，如果x≥ 0 |0，否则），sign −（x）=（1，如果x ≤ 0|0，否则为0），γj+1是缓冲液（罐）含量wj+1的阈值。有限产品库存下的生产跟踪控制在假设总有足够的原料（液体）供给机器（泵）的情况下，这种网络的重要控制目标之一是跟踪非递减的累积产量2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会399要求其产量。为了解决这个问题，我们提出以下控制输入：uj（k）=µj sign+（εj+1（k）+wdj+1−wj+1（k）），（4）i= 1，. . . ，6，u7 （ k ） =µ7 sign+ （ yd （ k ） −y7 （ k ） ） ，（5）其中，μj是机器（泵）j的恒定处理（泵送）速度，wdj+1是表示缓冲器（罐）B j +1的期望库存水平（液位）的常数，εj+1是机器Mj+1的生产误差。M7的生产误差由ε7（k）=yd（k）−y7（k）给出，这是M7的累积生产需求与累积产量之间的差。我们可以通过使用yd（k）∈R来定义累积生产需求，yd （ k ） =yd0+vdk+v d （ k ） ，（6）其中，yd0是表示初始生产需求的正常数，其是需要泵送的液体的初始量，vd是定义平均期望需求速率（期望流速）的正常数，并且R（k）∈R是施加在线性需求vdk上的有界波动。这里阶跃函数sign+（ε（k））=（1，如果ε（k）> 0 |0，否则）。每个机器的跟踪误差由下式给出：εj（k）=εj+1（k）+（wdj+1-wj+1（k）），（7）i= 1，. . . ，6，ε7 （ k ） = yd （ k ） − y7 （ k ） 。（八）这里，εj（k）取决于相对于当前需求yd（k）（期望的液体量）和每个下游缓冲器的期望的缓冲器含量（期望的罐流体水平）wdj+1的生产产品的数量（转移的液体的量）yj（k）。这意味着每一台上游机器需要比下游机器多生产1批wdj+1引入恒定参数wd是为了防止下游机器饥饿，例如，在产品需求突然增长的情况下。关于这个主题的更详细的理论结果可以在（Starkov et al.（2011））。3.2 可重入网络配置图7显示了Liquitrol平台的可重入制造网络配置示意图。 白色小矩形代表7台水泵，其中1台水泵作为到达率发生器，其余水泵作为2站网络的生产阶段。 由虚线透明矩形给出的每个站包含3个水泵，其将液体供应到由灰色矩形表示的3升水箱。通过系统的液体流由灰色箭头指示在每个白色和灰色矩形的顶部，分别用数字表示生产阶段标签和缓冲液标签。字母S代表单词站，其中第一子索引i = 1，2表示站号，第二子索引j =1，2，3表示级号，这对于缓冲器Bi，j是类似的。 认为对于B1，1，原料（液体）通过到达率产生泵从主20升沉积物提供。见图7。2个生产站的折返线配置示意图。到达速率（由图7的泵1生成）和离散时间中的可重入管线的每个生产阶段的流动模型被定义为y1（k+1）=y1（k）+（vdk+n（k））sign−（w1，1（k）−γ1，1），yi，j（k+1）=yi，j（k）+βi，j（k）ui，j（k）sign−（wr，s（k）−γr，s），（九）其中，y1（k）是泵1在时间k的累积输出，vdk+f i（k）是原料到达S1的速率（类似于（6）），yi，j（k）∈R是处理阶段j中的站i在时间k的累积输出，uj（k）∈R是处理阶段j中的站i的控制输入，βi，j（k）=μi，j+fi，j（k），其中μi，j是表示机器i在其阶段j的处理速度（泵速度）的正常数，fi，j（k）∈R是影响第i个站在其阶段j的性能的未知外部干扰。变量wr，s（k）=yi，j（k）-yr，s（k）是缓冲器Br，s的缓冲器内容，并且γr，s是表示缓冲器Br，s的阈值库存水平的常数。常数r和s可以按如下方式选择如果i= 1，则r= 2，并且s=j。如果i= 2，则r= 1，并且s=j+1。生产流程控制这样一个系统的一个可能的 为了解决这个生产问题，我们对网络的每个站应用一个清算策略（见Kumar和Seidman（1990））。利用该控制策略，每个站以一次一个的方式清除其相邻缓冲器的内容在每个工作站，控制器激活一个生产阶段，其缓冲器提供一些产品内容。在选定的阶段，工作站清除其缓冲区，然后选择另一个阶段。上述也可以通过以下算法来描述：2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会400{qi（k）=Bi，j}如果wi，j（k）≥βi，j（k），则ui，j（k）= 1，ui，s（k）=0，us=ij，s，j=1。 . . ，7，qi（k+1）=Bi，j，如果wi，j（k）<βi，j（k）和β i，s（k）=j：wi，s（k）≥βi，s（k）则ui，j（k）= 0，ui，s（k）= 1，qi（k+1）=Bi，s，如果wi，s（k）<βi，s（k），βs，则ui，j（k）= 0，ui，s（k）= 0，s j，s，j = 1. . . ，7，qi（k+1）=0，（ 10）其中，qi（k）是表示Si正在处理的当前缓冲器（罐）的内部变量，对于当前时间步βi，j（k）是缓冲器Bi，j中的最小原材料含量（泵能够在不干涸的情况下输送的最小液体量），使得站Si能够在需要时在其阶段j处处理。总结（10），站一次只能在一个缓冲器上工作Si的每个生产阶段j的控制输入ui，j（k）只能取0（停止）或1（生产）的值。只有当生产阶段j需要生产（wi ，j（k）≥βi，j（k））时，ui，j（k）才接收值1机器将保持在其当前状态（qi（k）=Bi，j），同时满足状态的所有条件。如果不满足当前状态qi（k）=Bi，j的条件中的至少一个，则将值0给予级j的控制级j的控制信号的值的变化也意味着时间序列的时间序列q i（k）的变化。 一个人有三个人。由于2是Si可以工作的处理阶段的总数，其直接与机器的状态加上空闲状态（qi（k）= 0）相关关于这一主题的更详细的理论结果可以在例如Kumar（1993）。3.3 网络配置更复杂的网络配置类型也可以在Liquitrol平台上仿真。图8、图9、图10和图11示出了这种网络的一些示例这些网络的动态模型和控制应用的细节可以在Lefeber等人的文章中找到（2011）、Savkin andSomlo（ 2009）、 Banks and Dai（1997）和Kumar（1993）。由于广泛的技术细节和空间限制，我们省略了本小节描述的网络的动力学模型和控制应用，仅通过为感兴趣的读者提供参考书目来限制我们自己4. 实际实验学生在实习期间可以在Liquitrol上进行几个实验。见图8。交通管制见图9。柔性制造网络见图10。Bramson型重入网络见图11。Kumar-Seidman型重入网络4.1 熟悉LiquitrolBeckhoff TwinCAT 2.11软件为学生提供了熟悉该平台的机会。可以执行简单的任务，例如将液体从主容器泵送到其中一个罐，读取数据并校准压力和流量传感器。这种实验的屏幕截图如图12所示。在图中可以看到两个图和两个表上图显示了流速测量值，2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会401见图12。检验平台下图以百分比表示6个罐的容积泵和罐以直线配置布置（参见图6）。实验持续2分钟，最后的测量值报告在图12的表中。此外，一些基本的基于离散事件的控制器可以通过TwinCAT 2.11在Liquitrol上实现。4.2 基于理论的实验EtherLab是一个用于快速实时代码生成的开源工具包，可以帮助学生在平台5上实现控制模型。例如，给定选定的网络拓扑结构，液体的到达速率（确定性或随机性）和泵的生产速率（确定性或随机性），学生可以执行以下任务：识别瓶颈机器，平均吞吐量计算，网络计算中每台机器的利用率，在制品（Workin Process，缩写）识别，Push，Pull和Conwip策略的测试和4.3 生产控制更复杂的任务可以交给硕士生。例如，在不同的生产控制策略下运行的某个网络拓扑确定了给定网络的最优在延迟和建立时间的影响下对网络性能的评估。5. 结论在这项工作中，我们提出了一个制造网络仿真工具，我们已经开发，使学生可以可视化和控制的生产流程的几个制造网络拓扑结构的详细描述。有了这个工具，学生可以加深基本的，以及先进的制造网络动力学和控制的概念。本文第3节和第4节提到了其中一些控制概念此外，从第3节所示的拓扑结构中可以观察到，Liquitrol不仅限于制造网络，而且在分析交通控制问题时也很有用。原型是由基于晶圆的解决方案公司在3个月的时间后，其最终设计准备就绪。目前5对于Windows用户，通过一些额外的工作，可以通过TwinCAT 2.11管理与平台的界面该平台位于埃因霍温理工大学机械工程系，为制造网络集团的本科生和硕士生提供服务。未来的工作将包括通过互联网与Liquitrol进行通过这种方式，学生可以创建他们的控制模型，并通过一个有限访问的网页在平台上测试它们，该网页包含原型的实时视频图像和必要的工具，以上传和测试他们在平台上的任务。确认作 者 要 感 谢 Erjen Lefeber ， Henk van Rooy ， FransSoers，Mr. E。Rooda和Dennis Hendriks对平台设计提出了宝贵的意见和建议引用Banks，J. and Dai，J.（1997）.多类路由网络的仿真研究。 IIE Transactions，29，213- 219.Boubakir，A.，Boudjema，F.，和Labiod，S.（2009年）。一种基于非线性滑模面的神经模糊滑模控制器应用于耦合贮箱系统。国际自动化与计算杂志，6，72- 80。Dai，J.，Hasenbein，J.， Vate，J.（2004）. 两站排队 网 络 的 稳 定 性 与 不 稳 定 性 。TheAnnalsofAppliedProbility，14（1），326- 377.Fang，X.，中国科学院，Shen，T.，和Feng，X.（2009年）。基于模糊决策的水箱系统bang-bang控制。 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