专利名称：制造过程模拟的制作方法
技术领域：
本发明涉及制造过程，特别涉及制造过程模拟以评估它们预期的商业和实用价值。
在将一提议的制造过程充分发挥作用而投入人力和物力之前，通常需要确定该制造过程是否具有商业及实用价值。有时，可以通过以小规模实施该过程并按比例评估其扩大后的结果来获得。对某些过程来说，可充分获知每个独立步骤和在过程中改进该步骤对其它步骤的影响，因此可通过适当编程的计算机模拟整个过程，然后由计算机产生数据，例如，与该过程的全部时间或涉及的成本有关的数据，这些数据是充分可靠的。
然而，某些制造过程的小规模“模型”是不可行的或者不能给出适用于整体规模工作的结果。而且，至少这些过程中的一部分不能全部用计算机模拟，这是因为例如，某些步骤对于模拟来说过于复杂或无法得到与这些步骤有关的数据。
一种不易于通过小规模模型或计算机模拟进行商业及实用价值分析的特殊类型的制造过程涉及核燃料工业。在该行业中，制造供核电站使用的燃料组件。每个燃料组件包括大量由栅格骨架固定的燃料棒。通过装载带有燃料芯块的载药管构成燃料棒，管内的燃料芯块按头顶头(end-to-end)关系设置。
为了制造(或装配)燃料组件，必须执行一系列复杂的制造步骤。燃料组件制造厂可能被要求制造供不同类型反应堆使用的燃料组件。例如，用于不同轻水反应堆的燃料组件互不相同，包括那些用于加压水反应堆，沸水反应堆和东欧VVER反应堆的燃料组件。另外，还有用于重水反应堆的不同需求。因此对制造厂而言需要能够灵活满足不同用途。例如，需要它们具有从一种燃料类型迅速转换成另一种燃料类型的能力，和迅速扩大工厂及工厂内设备的能力。当制造厂接到燃料的定单时，需要明确各种指标，包括反应堆类型，和如今越来越重要的构成燃料组件一个部分的每个棒的燃料构成。所谓的多区层式构成(multi-zoned stack makeup)成为对任何制造厂的日益增长的需求。
为了满足燃料定单的要求，必须进行大量的设计工作以确保所需的燃料组件能在一定的时间内，一定的成本下被制造并保持所需的安全水平。制造过程中通常具有涉及所谓的风险技术的步骤，即在特定的制造条件下，采用这种技术带来的价值和其它结果不是完全可预测的。
依照本发明，提供用于评估制造过程商业和实用价值的装置。所述过程包括多个步骤，所述装置包括经编程利用与某些而不是所有步骤有关的性能和其它数据而模拟该过程的计算机；至少执行其中一个步骤的物理设备；用于控制物理设备在计算机要求下执行所述至少一个步骤的装置；和用于显示与模拟结果有关的数据的显示装置。
本发明还包括对制造过程的商业和实用价值进行评估的方法。所述过程包括多个步骤，所述方法包括使用经编程的计算机利用与某些而不是所有步骤有关的性能和数据模拟该过程，控制物理设备完成其中至少一个步骤，得到至少一些所述性能和其它数据作为所述操作的结果，并显示与模拟结果有关的数据。
依照本发明优选的装置控制系统包括操作者接口，告警处理功能和通信功能。更好的是所述通信功能与至少一个可编程逻辑功能通信。最好的是所述可编程逻辑功能控制所述物理设备。由可编程逻辑功能控制的物理设备的例子包括燃料装配过程设备，托盘取出单元，机械手，视测系统和伺服电机。
优选地，所述装置包括错误恢复系统，用于检测物理设备或其操作中的故障和错误状态。
优选地，该计算机包括用于提供一定范围内的商业和实用价值的指标的装置，包括效益预测，风险分析及投资评估。另外或可选择地，该计算机可包括在其分析中使用资本及操作成本信息，工厂设计信息和财政成本信息的装置。
在附图中，仅通过举例展示本发明的一个实施例，有以下附图
图1展示了根据本发明的装置的主要方面；图2展示了计算机系统软件包与图1所示装置的开发设备之间的关系；和图3展示了与图1中的装置相连接的物理设备。
本发明涉及使用计算机技术和以太网/因特网通信在虚拟世界环境中把财政分析与“高技术风险”物理硬件相结合，从而在开发的早期阶段确定可能是其整个服务寿命的时期内制造厂的使用成本，以及使与投资意向相关的风险降至最低。图中所示装置为本发明的一个实施例。通过使用本发明，对于能够迅速适应不同的制造需要以及根据制造需要而扩展(或缩减)的制造厂，可以减少其设计时间。本发明的装置可使所设计的工厂考虑到工厂的操作中的几乎所有问题，例如瓶颈效应，机器的阻尼和停机时间。在该装置的操作中，消除了由“风险技术”所代表的上述几个方面。
本发明的该实施例利用先进的三维随机过程并使用虚拟世界工厂模拟来设计和优化制造厂。典型地，开发了多个概念化工厂设计方案以满足从启动到最大吞吐量的多种销售规划项目。这些方案确定为满足增长的产品吞吐量所需的工厂和设备中的附加量。根据该概念化工厂设计，可产生设备服务寿命内的资本和工作成本。
用模拟软件和开发设备电子集成了高级工厂控制系统。本发明的一个重要方面是这样一个概念，即将物理检测设备插入虚拟世界环境并使该复合系统作为一个制造厂操作。该复合设备根据从客户定单和交货日期产生的生产工作定单来产生，检测和验证实际制造量和工厂的可操作性。
参考图1，根据本发明的装置包括工厂控制系统1，其提供较高级的管理信息，控制和生产调度，允许在工厂中操作的策略级控制以及保持可追踪性。
工厂控制系统包括两层。下层3提供诸如操作者接口和告警处理的SCADA功能。这些功能由作为实时控制和数据采集系统的软件包提供。下层通过以太网与多个可编程逻辑控制器(PLC)和系统的模拟器部分通信。这一级还包括通过PLC驱动物理机器的应用软件，该软件还增加数据库的应用说明部分。
工厂控制系统1的上层5包括提供产品调度功能的软件包。在Oracle数据库中存储管理信息。
有3个PLC系统7提供机器的策略级控制和工厂9中的伺服驱动。每个PLC具有提供人机接口的小面板。所有3个PLC通过直接输入/输出与工厂直接通信。PLC之间的通信通过适当的软件完成。
模拟器11用以模拟整个工厂或仅是那些未与物理设备一同显示的部分。工厂使用称为Quest的软件包和称为Syslink的软件包建模，其中Syslink软件包用于驱动至较高级系统的接口。如图1所示，PLC1与控制物理机器操作的特定方面的两个系统13，15连接。类似地，PLC2具有涉及物理设备控制的其它方面的两个系统17，19。这将在下面详细讨论。
此外，基于G2 A1系统的错误恢复系统21利用以太网监视每个PLC上输入/输出装置的状态。错误恢复系统21检测工厂的故障和错误状态，并向操作者提供用来纠正问题的一个或多个可能方法的建议。其以实时方式工作，提供用于处理错误监视和恢复的专家系统。其包括错误，相关起因和补救措施的库，当新的状态发生并被补救后能够相应增大该库。
在进一步说明图1中的装置前，先参考图2，其中显示了计算机系统软件包和用于评估制造选项的开发设备之间的关系。
为了全面理解本发明的装置的使用，下面参考图3说明与该装置相关的物理设备。图3中显示的装置代表核燃料组件的制造中作为风险技术步骤的演示设备。一般来说，核燃料组件的制造步骤首先是从存储位置取出需要的核燃料芯块。所需的核燃料芯块被传送到使其成柱状的设备，称重并装入承料管以制成燃料棒。制成的燃料棒被插入栅格骨架中以形成燃料组件。
图3中显示的装置包括用于演示制造过程中的一些阶段的设备。该设备包括托盘取出单元31，用于将成托盘的燃料芯块传送到使其成为柱状或子堆的区域。托盘取出单元的托盘33被传送到指示台35，机械手37从托盘除去顶住端杆的燃料芯块。然后将托盘33移动到图3中39指示的位置，此处包含视测系统的控制系统41找到托盘上的燃料芯块列，建立所需长度的子堆。子堆位于堆承重梁43上，堆承重梁在装入燃料芯块时从实线指示的位置移动到虚线指示的位置(见图3中的箭头)。从该后面的位置，通过燃料芯块装载头45和气封47把燃料芯块推入燃料管49。进一步的对燃料棒(已被装载的燃料管)的操作通过模拟器而不是实际物理设备进行。
在制作燃料组件时，系统请求模拟器提供燃料棒。模拟器则将指示控制系统其已经提供了燃料棒。操作者将燃料棒装载到燃料棒推进装置51上，该装置再把燃料棒装载到位于定位设备55上的燃料骨架53中。该设备将把燃料棒装入燃料组装件中的合适位置，并当所有燃料棒已经被装入后，模拟器接着进行剩余的操作。
再参考图1，现在可参考实际演示器对系统13，15，17和19进行说明。视测系统17是基于PC的系统，用于识别燃料芯块在燃料芯块托盘上的位置以及测量子堆。它与PLC2通信。
伺服控制系统19管理整个演示器的运动控制系统。其用于移动指示台的驱动，燃料芯块推动器和燃料棒装载机。
系统17和19显示为与PLC2连接。因此，PLC2控制子堆的建立，堆重和燃料芯块向管中的装载。其还包括视测系统和伺服单元。
系统13是托盘取出单元控制系统，控制把燃料芯块托盘从托盘储放处传送至托盘指示台的机构。在不再需要时再将它们移去。该系统由通过数字I/O进行通信的PLC1控制。
系统15控制机械手，在托盘被放在指示台上后从燃料芯块托盘移去端杆，以使燃料芯块从指示台上移开。该系统与PLC1通信。
由此，PLC1通过托盘取出单元控制在指示台上燃料芯块托盘的装载和卸载。其还控制托盘指示台的移动和托盘定位器的移去。
最后，PLC3控制燃料装配过程。
在操作中，本发明的装置将根据工作定单操作，该工作定单的发生需要各种资源，例如原材料或部分制造过的材料，机床和工具。有两种类型的工作定单，燃料棒工作定单和燃料工作定单。操作者通过控制系统的产品调度包定义工作定单。使用该调度系统允许短时间的产品计划，其对工厂的现状有实时的了解。该系统不允许在不具备所需资源的情况下开始工作定单。
当工作定单已定好时，操作者检查机器是否就绪并指示工作定单在机器上开始进行。机器在合适的材料到达时可对材料进行制造。一旦机器为了一工作定单而起动，则不能再使用产品调度系统对该工作定单重新调排。
一旦工作定单已经开始执行，模拟器将开始标记已使用的承载器以对其进行识别。然后其将燃料棒插入。如果系统处于全工厂模拟模式，则持续制造燃料直至工作定单完成。否则，一旦其底端插入了燃料棒，模拟器就暂停工作。然后系统等待插入燃料棒的底端到达堆构造；这是由堆构造PLC通过条形码读取检测的。
进一步的操作如上所述，从而产生燃料组件。一旦对于工作定单中的每个所需的燃料组件已装入了所有燃料棒，则工作定单完成。如工作定单的最后材料所规定的，其可能对每个工厂区顺序完成。下一工作定单可以在前一定单完成后立即在设备的一部分开始。
应理解，在整个制造厂中，对于每个需要伺服控制的机器将有一个或多个分离的伺服系统直接与相关的PLC通信。在附图中显示的装置中，PLC2管理用于整个工厂的伺服控制系统，这是从成本方面考虑而决定的。
通过使用本发明的装置提供了一种具有稳定性和结构性的方法，用于为新的和现存的制造厂产生和分析投资评估。研究和开发仅集中在高技术风险区域。这样开发成本被最小化。可对财政敏感性进行评估和量化。
此外，本发明的制造厂的动态三维方案模拟对于工厂管理者的评估是“可见的”，这是为了可操作性和安全指示方面的考虑。
总之，为满足财政目标进行的资本投资方案的设计和再设计被最小化。对于建造工厂从提出概念到财政批准的“超前时间”显著减少。
权利要求
1.一种用于评估制造过程的商业和实用价值的装置，所述过程包括多个步骤，所述装置包括经编程后模拟所述过程以及使用与某些而不是所有步骤相关的性能和其它数据的计算机；用于执行至少一个步骤的物理设备，至少一些所述性能和其它数据是由此得出；用于控制物理设备以执行所述至少一个步骤的装置；和用于显示与模拟结果有关的数据的显示装置。
2.根据权利要求1的装置，其中控制系统包括操作者接口，告警处理功能和通信功能。
3.根据权利要求2的装置，其中通信功能与至少一个可编程逻辑功能通信。
4.根据权利要求3的装置，其中所述的或每个可编程逻辑功能控制所述物理设备。
5.根据权利要求3或4的装置，其中所述的或一可编程逻辑功能控制托盘取出单元和机械手。
6.根据权利要求3或4的装置，其中所述的或一可编程逻辑功能控制视测系统和伺服电机。
7.根据权利要求3或4的装置，其中所述的或一可编程逻辑功能控制燃料装配过程。
8.根据前面任一权利要求所述的装置，包括错误恢复系统，用于检测物理设备操作中的故障和错误状态。
9.根据前面任一权利要求所述的装置，其中计算机包括用于提供商业和实用价值的一定范围内指标的装置，所述指标包括利润预测，风险分析和投资评估。
10.根据前面任一权利要求所述的装置，其中计算机包括用于在分析中使用资本和工作成本信息，工厂设计信息和财政成本信息的装置。
11.一种用于评估制造过程的商业和实用价值的方法，所述过程包括多个步骤，所述方法包括使用经编程后模拟所述过程以及使用与某些而不是所有步骤有关的性能和其它数据的计算机，操作物理设备以执行至少一个步骤，得到作为所述操作结果的至少一些所述性能和其它数据，和用于显示与模拟结果有关的数据的显示装置。
全文摘要
本发明提供用于评估具有多个步骤的制造过程的商业和实用价值的装置和方法。所述装置包括经编程利用与某些而不是所有步骤有关的性能和其它数据以模拟该过程的计算机。物理设备在计算机要求下完成至少一个步骤，且显示装置显示与模拟结果有关的数据。
文档编号B25J9/16GK1240034SQ9718045
公开日1999年12月29日 申请日期1997年12月3日 优先权日1996年12月9日
发明者约翰·彼得·桑德斯 申请人:不列颠核燃料有限公司