实验室简介实验体系设计

        工业工程学科实践性强,通过引入实验教学可以强化学生的专业基本技能和专业综合技能。此外通过合理的实验设计弥补教学课程细分造成的实验孤立,构建整体融合的实验教学体系。此外,实验的设计将不仅仅局限于加强学生对课本知识的理解,而更强调紧密结合实践,为学生提供创新研发与实践拓展的平台。

一、实验室简介
        整个实验体系重点围绕并服务于我校工业工程专业课程, 如:运筹学基础、工程统计学、生产计划与控制、生产系统建模与仿真、质量管理、管理信息系统等,通过现代化的工业工程工具和平台, 强化学生应用工业工程方法和工具的能力,提高学生从事制造系统规划、设计、优化、运作和创新能力和素养。实验室包含分布式制造系统实时仿真系统和数字化平台两大部分:
1. 分布式制造系统实时仿真系统


图1. 分布式制造系统实时仿真系统

        分布式制造系统实时仿真系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成,能适应加工对象变换的自动化机械制造系统。其工艺基础是成组技术,它按照成组的加工对象确定工艺过程,选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统,并由计算机进行控制。故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产,并能及时地改变产品以满足市场需求。系统兼有加工制造和部分生产管理两种功能,因此能综合地提高生产效益。分布式制作系统实时仿真系统是一种技术复杂、高度自动化的系统,它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机地结合起来,理想和圆满地解决了机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾。它具有设备利用率高、生产能力相对稳定、产品质量高、运行灵活和产品应变能力大的优点。

系统硬件设备组成:
(1)全自动立体仓库:包含嵌入式运动控制器,Panasonic 交流伺服电机,步进电机,高速高精度,并具有多重安全包含,可单机独立运行;
(2)混合式流水线:包含交流电机驱动皮带线,动力辊筒线,以及平移机构、工作站;
(3)GCV4030 三维雕刻机:工作台尺寸(L×W) 450×350 mm,X、Y、Z 轴运动定位精度 0.02/300 mm,X、Y、Z 轴运动重复定位精度 0.02 mm,X、Y、Z 轴工作行程 400×300×60 mm,主轴转速 0-20000 Rpm,最高运动速度 6 m/min,最高雕刻进给速度 3 m/min;
(4)行走机器人及具有缓冲功能的上下料工位:为了模拟 FMS 系统中的节拍与设备冲突情况,该系统中额外设计了具有缓冲功能的工位工作站和具有行走功能的气动上下料机械臂; 三个工位及三个缓冲站,可以进行上下料工位托盘暂存功能;行走机器人可以在三个上下料工位及两台加工设备之间实现点到点的搬运工能。


图2. 软件系统架构

软件系统分成三层结构:
Control 层:即硬件层,通过ProfiBus-DP 现场总线将所有设备进行组网,并实现硬件层的控制与协调。
MES 层:执行制造系统层。对系统进行仓储管理,工艺管理及工艺执行,以实现系统的任务控制。
MRP/ERP 层:通过MES 层的接口可以进行该层的开发,客户可以根据系统需求进行上层功能扩展。包括MRP/CAPP 等。
所有软件之间的接口都是通过数据库的方式来实现的。在数据库中进行业务数据的管理,并由MES 层下达给Control 控制层,由控制层进行任务解析,并实现硬件动作。

2. 数字化平台

        数字化平台目前安装多个计算、优化、仿真等专业软件。

(1)ILOG CPLEX优化软件平台
优化是一种以数字运筹为基础,用以合理分配资源而达到最大化运作效率的技术。简言之,优化是一种决策辅助工具,可被应用与许多领域中:
- 制造业:生产、库存和人员的计划和安排;
- 运输业:车(船)队、机组、出入口、车辆和人员的安排;
- 通信业:网络、设备、频率、操作人员和技术人员的计划调度;
- 其它行业:投资计划、公用事业运营、军队后勤等。
ILOG CPLEX 是全球最为著名的优化软件,它能快速有效地解决现实世界中许多规模庞大的供应链计划、网络设计、生产制造、公用事业以及其他各行各业中的数学规划模型,从而帮助企业管理者做出更全面、更有效的决策。主要包含:
- 算法引擎(CPLEX/CP Optimizer):CPLEX是数学规划算法引擎,可以解决线性规划问题、混合整数规划问题、二次规划问题、二次约束规划问题、混合整数二次规划问题和混合整数二次约束规划问题。同时,许多非线性问题和随机问题也可通过适当转换得以解决。
- 建模工具(OPL Studio):OPL(Optimization Programming Language)是调用算法引擎CPLEX和CP Optimizer的最方便的数学建模工具,其简洁的编程语言、友好的编辑环境和执行环境更方便纠错与调试。

(2)Witness仿真软件
        仿真技术作为一门独立的学科已经有50 多年的历史,它不仅用于航天、航空、各种武器系统的研制部门,而且已经广泛应用于电力、交通运输、通信、化工、核能各个领域。特别是,近20年来,随着系 统工程与科学的迅速发展,仿真技术已从传统的工程领域扩展到非工程领域,因而在社会经济系统、环境生态系统、能源系统、生物医学系统、教育训练系统也得到 了广泛的应用。仿真技术正是从其广泛的应用中获得了日益强大的生命力,而仿真技术的的发展反过来使其得到越来越广泛的应用。
        在系统的规划、设计、运行、分析及改造的各个阶段,仿真技术都可以发挥重要作用。随着人类所研究的对象规模日益庞大,结构日益复杂,仅仅依靠人的经验及传统的技术难于满足 越来越高的要求。基于现代计算机及其网络的仿真技术,不但能提高效率,缩短研究开发周期,减少训练时间,不受环境及气候限制,而且对保证安全、节约开支、 提高质量尤其具有突出的功效。
        Witness是英国Lanner集团集数十年系统仿真经验开发出的面向工业系统、商业系统流程的动态系统建模于仿真软件平台。是世界上在该领域上的的主流仿真软件。无论在制造业或服务业,都可以使用该仿真平台建立自己流程的仿真模型,仿真模型是工厂或流程的真实表示,基于此的仿真试验可以较准确的进行工厂或流程的行为预测。
        仿真提供给用户基于决策的更大的幅度和深度的信息,它不仅仅是一个优化的工具。它能处理复杂的大的系统,即使是整个工厂。另外,仿真通过快速改变模型逻辑和数据支持灵敏度分析。

(3)客户关系管理软件SugarCRM
        SugarCRM是由美SugarCRM公司推出的一个开源客户关系管理系统(Customer Relationship Management),SugarCRM软件在推出以后不久就取得了巨大的成功。SugarCRM具有很强的可操作性、灵活的适用性、完善的功能、独特的个性化设计和专业的技术安全保障,是辅助企业实现客户关系管理的理想之选。最主要的是,SugarCRM不仅仅是一种应用类软件,更是先进的销售管理解决方案,专业的销售培训使你的销售效果倍增,确实提高销售人员的业务水平。它在企业管理人员、销售人员和客户之间建立了一个立体的管理系统,帮助企业对内和对外实现以“客户为中心”的全方位管理。

二、实验体系设计
        实验体系分为专业课程实验、综合课程实验和创新拓展实验三个递进的层次。该体系涵盖基本型实验、综合设计型实验、研究创新型实验等,不仅能强化学生的专业基本技能和专业综合技能,加深学生对整个学科体系全面而又深入的理解,而且能为学生提供创新研发与实践拓展的平台。具体内容为:
1.专业课程实验开发:主要针对本学科中专业性较强的课程单元,开发针对性的专业实验,进行相关单项基本技能的训练并巩固课堂教学中的理论知识。这些课程包括:《生产计划与控制》、《运筹学基础》、《生产系统建模与仿真》、《工程统计学》等。
2. 综合课程实验开发:将多门专业课程内容有机的结合在一起,开发具有较强综合性的实验项目,着重培养学生对专业所需各项基本技能在具体业务流程中的综合运用能力。
3.创新拓展类实验开发:为了满足研究型大学高层次人才培养的需要,侧重培养学生综合利用数字化平台优化及仿真软件,以及柔性制造生产线提供的扩展功能。结合科研项目开发创新性实验,在分析现实问题的基础上,设计模型,通过软件进行现实问题的解决和优化。根据科研需要及学生兴趣,开放柔性制造生产线的开发平台,通过实验项目培养学生的创新和拓展能力。着眼于培养学生的综合决策能力、团队意识、创新意识以及应用所学专业知识进行创业的能力。


图3. 实验体系设计

        不同层次的实验课程在理论知识方面存在交叉,同层次的实验课程也存在实践运用中的交叉,学生通过不同层次的实验课程和层次之间的交叉课程可以加深对工业工程理论的理解和实际运用能力。其中专业课程实验体系包括6 个实验单元, 并相互关联, 构成一个有机整体。
(1)运筹学实验单元:该单元通过数学建模优化软件,提供一个对实际运作问题进行数学建模、求解、结果分析的实验环境,使学生掌握应用运筹学基本理论进行独立建模的能力,具有将典型优化问题抽象为数学模型的能力。提高分析问题和解决问题的综合能力,也为后续实验课的模型分析部分提供理论和方法基础。
(2)生产计划与控制单元:通过分布式制造系统实时仿真系统的软硬件环境,了解车间作业计划在生产计划及ERP中的地位及作用。学习典型车间作业调度问题的基本方法和技术,掌握对车间作业调度问题及其约束的定义、描述方法,以及评价指标。
(3)生产系统规划和设计单元:主要是通过生产系统建模仿真软件环境, 提供学生对生产系统的规划、设计、运作管理方面的实验,使学生了解如何运用计算机仿真技术模拟对生产系统的布置和调度管理,以培养学生运用生产系统设计和现代集成制造设计理论、方法从事制造系统的规划设计的能力。
(4)数据统计和分析单元:该单元通过统计过程控制SPC 软件,提供一个数据采集、统计、处理和分析的实验环境, 使学生掌握统计学的基本原理、基本方法及基本统计指标的核算,并能运用所学知识,完成对统计资料的搜集、整理和分析。提高学生对工程问题的数量分析能力,从而提高工程管理水平。
(5)质量控制和分析单元:该单元通过统计过程控制SPC软件,以及红珠实验,提供一个模拟生产系统质量状态分析和平均的实验环境,使学生能够对生产或工作过程是否处于稳定状态进行正确分析和评价,认识稳定生产系统中变异及质量缺陷的产生因素。并学会如何应用统计工具找出质量问题的根源,提出生产系统产品质量进行改善的途径。
(6)供应链和客户关系管理单元:Internet 时代,企业在运作的空间上已经从传统的企业组织内部延伸到对上游供应商和下游客户网络的管理。该实验单元主要使学生对e 时代现代企业运作的新方法和内容以及相应的信息技术平台有一个全面的了解,熟悉典型企业客户关系管理业务流程及典型信息管理系统的基本组成。
综合实验课程将工业工程学科理论与实验有机结合,验证学生所学专业理论知识,训练学生专业技能,培养其综合设计和系统分析的能力。综合实验根据专业发展方向,寻找各门课间的联系,实现知识集成。并将知识集成变成实验集成,形成综合实验项目。如综合实验项目“基于实验室生产系统进行车间作业计划调度模型及算法的开发”, 进行:生产系统作业模型分析,作业调度规则分析,瓶颈设备及作业分析,以及调度算法的开发及实现等。综合生产系统计划与控制、运筹学基础、生产系统建模与仿真等多门课程。


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