專利名稱：制造過(guò)程模擬的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造過(guò)程，特別涉及制造過(guò)程模擬以評(píng)估它們預(yù)期的商業(yè)和實(shí)用價(jià)值。
在將一提議的制造過(guò)程充分發(fā)揮作用而投入人力和物力之前，通常需要確定該制造過(guò)程是否具有商業(yè)及實(shí)用價(jià)值。有時(shí)，可以通過(guò)以小規(guī)模實(shí)施該過(guò)程并按比例評(píng)估其擴(kuò)大后的結(jié)果來(lái)獲得。對(duì)某些過(guò)程來(lái)說(shuō)，可充分獲知每個(gè)獨(dú)立步驟和在過(guò)程中改進(jìn)該步驟對(duì)其它步驟的影響，因此可通過(guò)適當(dāng)編程的計(jì)算機(jī)模擬整個(gè)過(guò)程，然后由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生數(shù)據(jù)，例如，與該過(guò)程的全部時(shí)間或涉及的成本有關(guān)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是充分可靠的。
然而，某些制造過(guò)程的小規(guī)模“模型”是不可行的或者不能給出適用于整體規(guī)模工作的結(jié)果。而且，至少這些過(guò)程中的一部分不能全部用計(jì)算機(jī)模擬，這是因?yàn)槔?，某些步驟對(duì)于模擬來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜或無(wú)法得到與這些步驟有關(guān)的數(shù)據(jù)。
一種不易于通過(guò)小規(guī)模模型或計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行商業(yè)及實(shí)用價(jià)值分析的特殊類型的制造過(guò)程涉及核燃料工業(yè)。在該行業(yè)中，制造供核電站使用的燃料組件。每個(gè)燃料組件包括大量由柵格骨架固定的燃料棒。通過(guò)裝載帶有燃料芯塊的載藥管構(gòu)成燃料棒，管內(nèi)的燃料芯塊按頭頂頭(end-to-end)關(guān)系設(shè)置。
為了制造(或裝配)燃料組件，必須執(zhí)行一系列復(fù)雜的制造步驟。燃料組件制造廠可能被要求制造供不同類型反應(yīng)堆使用的燃料組件。例如，用于不同輕水反應(yīng)堆的燃料組件互不相同，包括那些用于加壓水反應(yīng)堆，沸水反應(yīng)堆和東歐VVER反應(yīng)堆的燃料組件。另外，還有用于重水反應(yīng)堆的不同需求。因此對(duì)制造廠而言需要能夠靈活滿足不同用途。例如，需要它們具有從一種燃料類型迅速轉(zhuǎn)換成另一種燃料類型的能力，和迅速擴(kuò)大工廠及工廠內(nèi)設(shè)備的能力。當(dāng)制造廠接到燃料的定單時(shí)，需要明確各種指標(biāo)，包括反應(yīng)堆類型，和如今越來(lái)越重要的構(gòu)成燃料組件一個(gè)部分的每個(gè)棒的燃料構(gòu)成。所謂的多區(qū)層式構(gòu)成(multi-zoned stack makeup)成為對(duì)任何制造廠的日益增長(zhǎng)的需求。
為了滿足燃料定單的要求，必須進(jìn)行大量的設(shè)計(jì)工作以確保所需的燃料組件能在一定的時(shí)間內(nèi)，一定的成本下被制造并保持所需的安全水平。制造過(guò)程中通常具有涉及所謂的風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)的步驟，即在特定的制造條件下，采用這種技術(shù)帶來(lái)的價(jià)值和其它結(jié)果不是完全可預(yù)測(cè)的。
依照本發(fā)明，提供用于評(píng)估制造過(guò)程商業(yè)和實(shí)用價(jià)值的裝置。所述過(guò)程包括多個(gè)步驟，所述裝置包括經(jīng)編程利用與某些而不是所有步驟有關(guān)的性能和其它數(shù)據(jù)而模擬該過(guò)程的計(jì)算機(jī)；至少執(zhí)行其中一個(gè)步驟的物理設(shè)備；用于控制物理設(shè)備在計(jì)算機(jī)要求下執(zhí)行所述至少一個(gè)步驟的裝置；和用于顯示與模擬結(jié)果有關(guān)的數(shù)據(jù)的顯示裝置。
本發(fā)明還包括對(duì)制造過(guò)程的商業(yè)和實(shí)用價(jià)值進(jìn)行評(píng)估的方法。所述過(guò)程包括多個(gè)步驟，所述方法包括使用經(jīng)編程的計(jì)算機(jī)利用與某些而不是所有步驟有關(guān)的性能和數(shù)據(jù)模擬該過(guò)程，控制物理設(shè)備完成其中至少一個(gè)步驟，得到至少一些所述性能和其它數(shù)據(jù)作為所述操作的結(jié)果，并顯示與模擬結(jié)果有關(guān)的數(shù)據(jù)。
依照本發(fā)明優(yōu)選的裝置控制系統(tǒng)包括操作者接口，告警處理功能和通信功能。更好的是所述通信功能與至少一個(gè)可編程邏輯功能通信。最好的是所述可編程邏輯功能控制所述物理設(shè)備。由可編程邏輯功能控制的物理設(shè)備的例子包括燃料裝配過(guò)程設(shè)備，托盤(pán)取出單元，機(jī)械手，視測(cè)系統(tǒng)和伺服電機(jī)。
優(yōu)選地，所述裝置包括錯(cuò)誤恢復(fù)系統(tǒng)，用于檢測(cè)物理設(shè)備或其操作中的故障和錯(cuò)誤狀態(tài)。
優(yōu)選地，該計(jì)算機(jī)包括用于提供一定范圍內(nèi)的商業(yè)和實(shí)用價(jià)值的指標(biāo)的裝置，包括效益預(yù)測(cè)，風(fēng)險(xiǎn)分析及投資評(píng)估。另外或可選擇地，該計(jì)算機(jī)可包括在其分析中使用資本及操作成本信息，工廠設(shè)計(jì)信息和財(cái)政成本信息的裝置。
在附圖中，僅通過(guò)舉例展示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，有以下附圖

圖1展示了根據(jù)本發(fā)明的裝置的主要方面；圖2展示了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件包與圖1所示裝置的開(kāi)發(fā)設(shè)備之間的關(guān)系；和圖3展示了與圖1中的裝置相連接的物理設(shè)備。
本發(fā)明涉及使用計(jì)算機(jī)技術(shù)和以太網(wǎng)/因特網(wǎng)通信在虛擬世界環(huán)境中把財(cái)政分析與“高技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)”物理硬件相結(jié)合，從而在開(kāi)發(fā)的早期階段確定可能是其整個(gè)服務(wù)壽命的時(shí)期內(nèi)制造廠的使用成本，以及使與投資意向相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。圖中所示裝置為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。通過(guò)使用本發(fā)明，對(duì)于能夠迅速適應(yīng)不同的制造需要以及根據(jù)制造需要而擴(kuò)展(或縮減)的制造廠，可以減少其設(shè)計(jì)時(shí)間。本發(fā)明的裝置可使所設(shè)計(jì)的工廠考慮到工廠的操作中的幾乎所有問(wèn)題，例如瓶頸效應(yīng)，機(jī)器的阻尼和停機(jī)時(shí)間。在該裝置的操作中，消除了由“風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)”所代表的上述幾個(gè)方面。
本發(fā)明的該實(shí)施例利用先進(jìn)的三維隨機(jī)過(guò)程并使用虛擬世界工廠模擬來(lái)設(shè)計(jì)和優(yōu)化制造廠。典型地，開(kāi)發(fā)了多個(gè)概念化工廠設(shè)計(jì)方案以滿足從啟動(dòng)到最大吞吐量的多種銷售規(guī)劃項(xiàng)目。這些方案確定為滿足增長(zhǎng)的產(chǎn)品吞吐量所需的工廠和設(shè)備中的附加量。根據(jù)該概念化工廠設(shè)計(jì)，可產(chǎn)生設(shè)備服務(wù)壽命內(nèi)的資本和工作成本。
用模擬軟件和開(kāi)發(fā)設(shè)備電子集成了高級(jí)工廠控制系統(tǒng)。本發(fā)明的一個(gè)重要方面是這樣一個(gè)概念，即將物理檢測(cè)設(shè)備插入虛擬世界環(huán)境并使該復(fù)合系統(tǒng)作為一個(gè)制造廠操作。該復(fù)合設(shè)備根據(jù)從客戶定單和交貨日期產(chǎn)生的生產(chǎn)工作定單來(lái)產(chǎn)生，檢測(cè)和驗(yàn)證實(shí)際制造量和工廠的可操作性。
參考圖1，根據(jù)本發(fā)明的裝置包括工廠控制系統(tǒng)1，其提供較高級(jí)的管理信息，控制和生產(chǎn)調(diào)度，允許在工廠中操作的策略級(jí)控制以及保持可追蹤性。
工廠控制系統(tǒng)包括兩層。下層3提供諸如操作者接口和告警處理的SCADA功能。這些功能由作為實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件包提供。下層通過(guò)以太網(wǎng)與多個(gè)可編程邏輯控制器(PLC)和系統(tǒng)的模擬器部分通信。這一級(jí)還包括通過(guò)PLC驅(qū)動(dòng)物理機(jī)器的應(yīng)用軟件，該軟件還增加數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用說(shuō)明部分。
工廠控制系統(tǒng)1的上層5包括提供產(chǎn)品調(diào)度功能的軟件包。在Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)管理信息。
有3個(gè)PLC系統(tǒng)7提供機(jī)器的策略級(jí)控制和工廠9中的伺服驅(qū)動(dòng)。每個(gè)PLC具有提供人機(jī)接口的小面板。所有3個(gè)PLC通過(guò)直接輸入/輸出與工廠直接通信。PLC之間的通信通過(guò)適當(dāng)?shù)能浖瓿伞?br> 模擬器11用以模擬整個(gè)工廠或僅是那些未與物理設(shè)備一同顯示的部分。工廠使用稱為Quest的軟件包和稱為Syslink的軟件包建模，其中Syslink軟件包用于驅(qū)動(dòng)至較高級(jí)系統(tǒng)的接口。如圖1所示，PLC1與控制物理機(jī)器操作的特定方面的兩個(gè)系統(tǒng)13，15連接。類似地，PLC2具有涉及物理設(shè)備控制的其它方面的兩個(gè)系統(tǒng)17，19。這將在下面詳細(xì)討論。
此外，基于G2 A1系統(tǒng)的錯(cuò)誤恢復(fù)系統(tǒng)21利用以太網(wǎng)監(jiān)視每個(gè)PLC上輸入/輸出裝置的狀態(tài)。錯(cuò)誤恢復(fù)系統(tǒng)21檢測(cè)工廠的故障和錯(cuò)誤狀態(tài)，并向操作者提供用來(lái)糾正問(wèn)題的一個(gè)或多個(gè)可能方法的建議。其以實(shí)時(shí)方式工作，提供用于處理錯(cuò)誤監(jiān)視和恢復(fù)的專家系統(tǒng)。其包括錯(cuò)誤，相關(guān)起因和補(bǔ)救措施的庫(kù)，當(dāng)新的狀態(tài)發(fā)生并被補(bǔ)救后能夠相應(yīng)增大該庫(kù)。
在進(jìn)一步說(shuō)明圖1中的裝置前，先參考圖2，其中顯示了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件包和用于評(píng)估制造選項(xiàng)的開(kāi)發(fā)設(shè)備之間的關(guān)系。
為了全面理解本發(fā)明的裝置的使用，下面參考圖3說(shuō)明與該裝置相關(guān)的物理設(shè)備。圖3中顯示的裝置代表核燃料組件的制造中作為風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)步驟的演示設(shè)備。一般來(lái)說(shuō)，核燃料組件的制造步驟首先是從存儲(chǔ)位置取出需要的核燃料芯塊。所需的核燃料芯塊被傳送到使其成柱狀的設(shè)備，稱重并裝入承料管以制成燃料棒。制成的燃料棒被插入柵格骨架中以形成燃料組件。
圖3中顯示的裝置包括用于演示制造過(guò)程中的一些階段的設(shè)備。該設(shè)備包括托盤(pán)取出單元31，用于將成托盤(pán)的燃料芯塊傳送到使其成為柱狀或子堆的區(qū)域。托盤(pán)取出單元的托盤(pán)33被傳送到指示臺(tái)35，機(jī)械手37從托盤(pán)除去頂住端桿的燃料芯塊。然后將托盤(pán)33移動(dòng)到圖3中39指示的位置，此處包含視測(cè)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)41找到托盤(pán)上的燃料芯塊列，建立所需長(zhǎng)度的子堆。子堆位于堆承重梁43上，堆承重梁在裝入燃料芯塊時(shí)從實(shí)線指示的位置移動(dòng)到虛線指示的位置(見(jiàn)圖3中的箭頭)。從該后面的位置，通過(guò)燃料芯塊裝載頭45和氣封47把燃料芯塊推入燃料管49。進(jìn)一步的對(duì)燃料棒(已被裝載的燃料管)的操作通過(guò)模擬器而不是實(shí)際物理設(shè)備進(jìn)行。
在制作燃料組件時(shí)，系統(tǒng)請(qǐng)求模擬器提供燃料棒。模擬器則將指示控制系統(tǒng)其已經(jīng)提供了燃料棒。操作者將燃料棒裝載到燃料棒推進(jìn)裝置51上，該裝置再把燃料棒裝載到位于定位設(shè)備55上的燃料骨架53中。該設(shè)備將把燃料棒裝入燃料組裝件中的合適位置，并當(dāng)所有燃料棒已經(jīng)被裝入后，模擬器接著進(jìn)行剩余的操作。
再參考圖1，現(xiàn)在可參考實(shí)際演示器對(duì)系統(tǒng)13，15，17和19進(jìn)行說(shuō)明。視測(cè)系統(tǒng)17是基于PC的系統(tǒng)，用于識(shí)別燃料芯塊在燃料芯塊托盤(pán)上的位置以及測(cè)量子堆。它與PLC2通信。
伺服控制系統(tǒng)19管理整個(gè)演示器的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。其用于移動(dòng)指示臺(tái)的驅(qū)動(dòng)，燃料芯塊推動(dòng)器和燃料棒裝載機(jī)。
系統(tǒng)17和19顯示為與PLC2連接。因此，PLC2控制子堆的建立，堆重和燃料芯塊向管中的裝載。其還包括視測(cè)系統(tǒng)和伺服單元。
系統(tǒng)13是托盤(pán)取出單元控制系統(tǒng)，控制把燃料芯塊托盤(pán)從托盤(pán)儲(chǔ)放處傳送至托盤(pán)指示臺(tái)的機(jī)構(gòu)。在不再需要時(shí)再將它們移去。該系統(tǒng)由通過(guò)數(shù)字I/O進(jìn)行通信的PLC1控制。
系統(tǒng)15控制機(jī)械手，在托盤(pán)被放在指示臺(tái)上后從燃料芯塊托盤(pán)移去端桿，以使燃料芯塊從指示臺(tái)上移開(kāi)。該系統(tǒng)與PLC1通信。
由此，PLC1通過(guò)托盤(pán)取出單元控制在指示臺(tái)上燃料芯塊托盤(pán)的裝載和卸載。其還控制托盤(pán)指示臺(tái)的移動(dòng)和托盤(pán)定位器的移去。
最后，PLC3控制燃料裝配過(guò)程。
在操作中，本發(fā)明的裝置將根據(jù)工作定單操作，該工作定單的發(fā)生需要各種資源，例如原材料或部分制造過(guò)的材料，機(jī)床和工具。有兩種類型的工作定單，燃料棒工作定單和燃料工作定單。操作者通過(guò)控制系統(tǒng)的產(chǎn)品調(diào)度包定義工作定單。使用該調(diào)度系統(tǒng)允許短時(shí)間的產(chǎn)品計(jì)劃，其對(duì)工廠的現(xiàn)狀有實(shí)時(shí)的了解。該系統(tǒng)不允許在不具備所需資源的情況下開(kāi)始工作定單。
當(dāng)工作定單已定好時(shí)，操作者檢查機(jī)器是否就緒并指示工作定單在機(jī)器上開(kāi)始進(jìn)行。機(jī)器在合適的材料到達(dá)時(shí)可對(duì)材料進(jìn)行制造。一旦機(jī)器為了一工作定單而起動(dòng)，則不能再使用產(chǎn)品調(diào)度系統(tǒng)對(duì)該工作定單重新調(diào)排。
一旦工作定單已經(jīng)開(kāi)始執(zhí)行，模擬器將開(kāi)始標(biāo)記已使用的承載器以對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。然后其將燃料棒插入。如果系統(tǒng)處于全工廠模擬模式，則持續(xù)制造燃料直至工作定單完成。否則，一旦其底端插入了燃料棒，模擬器就暫停工作。然后系統(tǒng)等待插入燃料棒的底端到達(dá)堆構(gòu)造；這是由堆構(gòu)造PLC通過(guò)條形碼讀取檢測(cè)的。
進(jìn)一步的操作如上所述，從而產(chǎn)生燃料組件。一旦對(duì)于工作定單中的每個(gè)所需的燃料組件已裝入了所有燃料棒，則工作定單完成。如工作定單的最后材料所規(guī)定的，其可能對(duì)每個(gè)工廠區(qū)順序完成。下一工作定單可以在前一定單完成后立即在設(shè)備的一部分開(kāi)始。
應(yīng)理解，在整個(gè)制造廠中，對(duì)于每個(gè)需要伺服控制的機(jī)器將有一個(gè)或多個(gè)分離的伺服系統(tǒng)直接與相關(guān)的PLC通信。在附圖中顯示的裝置中，PLC2管理用于整個(gè)工廠的伺服控制系統(tǒng)，這是從成本方面考慮而決定的。
通過(guò)使用本發(fā)明的裝置提供了一種具有穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)性的方法，用于為新的和現(xiàn)存的制造廠產(chǎn)生和分析投資評(píng)估。研究和開(kāi)發(fā)僅集中在高技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。這樣開(kāi)發(fā)成本被最小化。可對(duì)財(cái)政敏感性進(jìn)行評(píng)估和量化。
此外，本發(fā)明的制造廠的動(dòng)態(tài)三維方案模擬對(duì)于工廠管理者的評(píng)估是“可見(jiàn)的”，這是為了可操作性和安全指示方面的考慮。
總之，為滿足財(cái)政目標(biāo)進(jìn)行的資本投資方案的設(shè)計(jì)和再設(shè)計(jì)被最小化。對(duì)于建造工廠從提出概念到財(cái)政批準(zhǔn)的“超前時(shí)間”顯著減少。
權(quán)利要求
1.一種用于評(píng)估制造過(guò)程的商業(yè)和實(shí)用價(jià)值的裝置，所述過(guò)程包括多個(gè)步驟，所述裝置包括經(jīng)編程后模擬所述過(guò)程以及使用與某些而不是所有步驟相關(guān)的性能和其它數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)；用于執(zhí)行至少一個(gè)步驟的物理設(shè)備，至少一些所述性能和其它數(shù)據(jù)是由此得出；用于控制物理設(shè)備以執(zhí)行所述至少一個(gè)步驟的裝置；和用于顯示與模擬結(jié)果有關(guān)的數(shù)據(jù)的顯示裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中控制系統(tǒng)包括操作者接口，告警處理功能和通信功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中通信功能與至少一個(gè)可編程邏輯功能通信。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其中所述的或每個(gè)可編程邏輯功能控制所述物理設(shè)備。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4的裝置，其中所述的或一可編程邏輯功能控制托盤(pán)取出單元和機(jī)械手。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4的裝置，其中所述的或一可編程邏輯功能控制視測(cè)系統(tǒng)和伺服電機(jī)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4的裝置，其中所述的或一可編程邏輯功能控制燃料裝配過(guò)程。
8.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的裝置，包括錯(cuò)誤恢復(fù)系統(tǒng)，用于檢測(cè)物理設(shè)備操作中的故障和錯(cuò)誤狀態(tài)。
9.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的裝置，其中計(jì)算機(jī)包括用于提供商業(yè)和實(shí)用價(jià)值的一定范圍內(nèi)指標(biāo)的裝置，所述指標(biāo)包括利潤(rùn)預(yù)測(cè)，風(fēng)險(xiǎn)分析和投資評(píng)估。
10.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的裝置，其中計(jì)算機(jī)包括用于在分析中使用資本和工作成本信息，工廠設(shè)計(jì)信息和財(cái)政成本信息的裝置。
11.一種用于評(píng)估制造過(guò)程的商業(yè)和實(shí)用價(jià)值的方法，所述過(guò)程包括多個(gè)步驟，所述方法包括使用經(jīng)編程后模擬所述過(guò)程以及使用與某些而不是所有步驟有關(guān)的性能和其它數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)，操作物理設(shè)備以執(zhí)行至少一個(gè)步驟，得到作為所述操作結(jié)果的至少一些所述性能和其它數(shù)據(jù)，和用于顯示與模擬結(jié)果有關(guān)的數(shù)據(jù)的顯示裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供用于評(píng)估具有多個(gè)步驟的制造過(guò)程的商業(yè)和實(shí)用價(jià)值的裝置和方法。所述裝置包括經(jīng)編程利用與某些而不是所有步驟有關(guān)的性能和其它數(shù)據(jù)以模擬該過(guò)程的計(jì)算機(jī)。物理設(shè)備在計(jì)算機(jī)要求下完成至少一個(gè)步驟，且顯示裝置顯示與模擬結(jié)果有關(guān)的數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)B25J9/16GK1240034SQ9718045
公開(kāi)日1999年12月29日 申請(qǐng)日期1997年12月3日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月9日
發(fā)明者約翰·彼得·桑德斯 申請(qǐng)人:不列顛核燃料有限公司