1 項(xiàng)目背景
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)。在推動(dòng)智能制造實(shí)施過(guò)程中，物聯(lián)網(wǎng)正從工業(yè)領(lǐng)域的局部工序擴(kuò)展到車間、工廠，從提質(zhì)增效擴(kuò)大到推動(dòng)制造和物流業(yè)務(wù)模式的轉(zhuǎn)變。智能制造以智能車間為載體，在設(shè)計(jì)、供應(yīng)、制造和服務(wù)各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)端到端無(wú)縫協(xié)作。智能物流可以進(jìn)行感知、思維、推理、路徑規(guī)劃和決策等，是連接智能之間供應(yīng)和制造的重要環(huán)節(jié)，也是打造智能工廠的基石。當(dāng)前，智能制造和智能物流正處于整合過(guò)程中，如何管理制造和物流的復(fù)雜流程，協(xié)同生產(chǎn)調(diào)度和物流調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)智能制造和智能物流的集成是面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
通過(guò)設(shè)備上裝配傳感器、RFID讀寫器和通信模塊，輸送線和RGV/AGV上安裝傳感器和通信模塊等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，面向智能車間的自動(dòng)生產(chǎn)調(diào)度和自動(dòng)物流調(diào)度需求，海得控制研發(fā)了智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能制造和智能物流的集成。該系統(tǒng)已在某口服液生產(chǎn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)了示范應(yīng)用，是國(guó)內(nèi)制藥行業(yè)第一個(gè)智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)項(xiàng)目，該車間已于2017年5月投產(chǎn)。海得控制正在開發(fā)實(shí)施的第二個(gè)智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2018年5月實(shí)施完成。
智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)的目標(biāo)與約束如圖1所示。
其中目標(biāo)包括三個(gè)方面：最大化資源利用率、最小化庫(kù)存、最小化生產(chǎn)周期。由于這些目標(biāo)之間存在沖突，不可能同時(shí)達(dá)到各個(gè)目標(biāo)的最佳狀態(tài)，因此需要在各個(gè)目標(biāo)之間取得平衡。
除了以上三方面目標(biāo)以外，還要滿足智能車間的生產(chǎn)調(diào)度和物流調(diào)度需求，主要包括三方面特點(diǎn)和需求：柔性、多約束和變動(dòng)性。
圖1 智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)的目標(biāo)與約束
2 系統(tǒng)架構(gòu)
基于物聯(lián)網(wǎng)的智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度方案采用三層系統(tǒng)架構(gòu)：調(diào)度層、監(jiān)控層和執(zhí)行層。其中調(diào)度層進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度、路徑規(guī)劃和指令解析等，下發(fā)生產(chǎn)和運(yùn)輸任務(wù)到PLC執(zhí)行層；執(zhí)行層接收來(lái)自調(diào)度層的任務(wù)，將在制品從起點(diǎn)運(yùn)往終點(diǎn)；監(jiān)控層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)物流系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控。如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)架構(gòu)
3 關(guān)鍵技術(shù)
智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括車間生產(chǎn)調(diào)度理論和模型、生產(chǎn)調(diào)度方法、路徑規(guī)劃算法、基于單節(jié)輥道控制的輥道控制方法、AGV/RGV調(diào)度方法、緩沖區(qū)動(dòng)態(tài)構(gòu)建方法、故障重調(diào)度方法、批次約束滿足算法等。
（1）車間生產(chǎn)和物流模型
基于圖論和擴(kuò)展的事件驅(qū)動(dòng)過(guò)程鏈，對(duì)智能車間的生產(chǎn)、物流進(jìn)行建模，包括設(shè)備元素、物流元素、載運(yùn)工具元素、人員元素、邏輯元素等，建立起多維度多視圖的集成模型，全方位認(rèn)識(shí)車間生產(chǎn)和物流狀況，為生產(chǎn)調(diào)度和物流調(diào)度提供模型和數(shù)據(jù)支持。
（2）生產(chǎn)調(diào)度方法
基于約束理論和拉式生產(chǎn)等生產(chǎn)調(diào)度思想，考慮各個(gè)工序生產(chǎn)節(jié)拍，提出適合智能車間的生產(chǎn)調(diào)度方法。采用動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)度方法和動(dòng)態(tài)重調(diào)度方法，結(jié)合動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型，針對(duì)智能車間生產(chǎn)調(diào)度需求，進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)最優(yōu)指派。
（3）基于單節(jié)輥道控制的柔性輥道控制方法
針對(duì)輥道運(yùn)輸場(chǎng)景，為提高運(yùn)輸系統(tǒng)的靈活性，采用基于單節(jié)輥道控制的方法，即每個(gè)運(yùn)輸任務(wù)通過(guò)路徑規(guī)劃和指令解析模塊，給出其所有的指令序列，交由PLC執(zhí)行模塊執(zhí)行，且在上層避免路徑?jīng)_突。該方法可以靈活實(shí)現(xiàn)各種調(diào)度和運(yùn)輸需求。
（4）AGV/RGV調(diào)度方法
對(duì)于直線往復(fù)式輥道上的多臺(tái)RGV，為提高RGV利用率，提高運(yùn)輸效率，根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備的位置，以及RGV的實(shí)際位置動(dòng)態(tài)計(jì)算安全區(qū)間，確保兩臺(tái)RGV在各自的區(qū)域間內(nèi)各自裝載、卸載，提高RGV的利用率或運(yùn)輸能力。
（5）緩沖區(qū)動(dòng)態(tài)構(gòu)建方法
針對(duì)需要在制品托盤的生產(chǎn)設(shè)備，動(dòng)態(tài)建立和維護(hù)在制品托盤的緩沖區(qū)，任意狀態(tài)和任意時(shí)刻，均能實(shí)現(xiàn)在制品托盤的合理、及時(shí)供應(yīng)，確保不斷供，不擁堵。
（6）設(shè)備故障/下線/上線自適應(yīng)
設(shè)備故障時(shí)，對(duì)相關(guān)在制品進(jìn)行重調(diào)度；同時(shí)增加系統(tǒng)的適應(yīng)能力，允許設(shè)備下線，脫離系統(tǒng)自行維修；設(shè)備上線時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)接納設(shè)備進(jìn)入。
（7）批次約束滿足算法
針對(duì)批次約束要求嚴(yán)格的智能車間，將批次約束加入生產(chǎn)調(diào)度和物流調(diào)度中，確保滿足批次切換時(shí)新舊批次分割、混批生產(chǎn)時(shí)確保批次分離等。
（8）手動(dòng)規(guī)劃自適應(yīng)
針對(duì)用戶人工干預(yù)需求，增加系統(tǒng)適應(yīng)能力，允許在系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，人工進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)指派、路徑規(guī)劃等，并自動(dòng)規(guī)避路徑?jīng)_突、實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。
4 創(chuàng)新點(diǎn)
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能生產(chǎn)和智能物流。與傳統(tǒng)制造車間的生產(chǎn)和物流相比，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)：
（1）緩沖區(qū)動(dòng)態(tài)調(diào)度：為避免在制品托盤斷供，距離在制品托盤入口較遠(yuǎn)的生產(chǎn)設(shè)備動(dòng)態(tài)建立緩沖區(qū)，確保在制品托盤及時(shí)供應(yīng)和均衡分配；
（2）路徑?jīng)_突重調(diào)度：在制品托盤在路徑上產(chǎn)生路徑?jīng)_突時(shí)，可對(duì)相關(guān)在制品托盤進(jìn)行重調(diào)度，以消解沖突；
（3）設(shè)備故障自適應(yīng)：需要在制品托盤的生產(chǎn)設(shè)備故障后，不再對(duì)其供應(yīng)在制品托盤；其它生產(chǎn)設(shè)備故障后，輸送線上運(yùn)往該生產(chǎn)設(shè)備的在制品重調(diào)度到其它可用的并行生產(chǎn)設(shè)備；
（4）設(shè)備上線/下線自適應(yīng)：生產(chǎn)設(shè)備下線后，輸送線上運(yùn)往該生產(chǎn)設(shè)備的在制品重調(diào)度到其它可用的并行生產(chǎn)設(shè)備；
（5）手動(dòng)規(guī)劃自適應(yīng)：可接受手動(dòng)調(diào)度目標(biāo)點(diǎn)，并自動(dòng)消解路徑?jīng)_突；
（6）批次控制：生產(chǎn)設(shè)備批次切換時(shí)，完成舊批次清場(chǎng)并進(jìn)入下一工序的生產(chǎn)設(shè)備后，再調(diào)度新批次在制品，確保兩個(gè)批次的在制品不混批；
（7）電子地圖：以“電子地圖”呈現(xiàn)整個(gè)車間狀態(tài)，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備上線狀態(tài)、重要交互信號(hào)以及所有設(shè)備重要參數(shù)和報(bào)警信息進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示；
（8）基于電子標(biāo)簽的信息追溯：通過(guò)電子標(biāo)簽，記錄每個(gè)在制品托盤經(jīng)過(guò)的生產(chǎn)設(shè)備編號(hào)、進(jìn)入時(shí)間、離開時(shí)間等，實(shí)現(xiàn)全流程追溯。
5 效益分析
海得控制研發(fā)的智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能制造和智能物流的集成，為制造企業(yè)智能制造和智能物流整合提供了理想解決方案，提升制造企業(yè)的生產(chǎn)效率和物流效率。
生產(chǎn)模式由人工操控設(shè)備和在制品轉(zhuǎn)向操控智能調(diào)度中心，生產(chǎn)流程規(guī)范可控、車間生產(chǎn)人員的體力勞動(dòng)強(qiáng)度降到最低；
系統(tǒng)自動(dòng)確保生產(chǎn)不混批，實(shí)現(xiàn)全流程追溯；
提升物流效率，減少生產(chǎn)設(shè)備斷供，提高設(shè)備利用率；
優(yōu)化物流路徑，減少物流運(yùn)輸成本；
整體優(yōu)化車間生產(chǎn)效率和物流效率，提高車間產(chǎn)能。
摘自《自動(dòng)化博覽》2018年7月刊
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