基于物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)單元智能調(diào)度與控制技術研究

郭慶峰 張帥 張菲 高阿曼 任超

[摘 要]在制造業(yè)中深入應用的新一代信息技術，提高了各行業(yè)生產(chǎn)單元的生產(chǎn)能力?；诖耍恼轮饕骄苛宋锫?lián)網(wǎng)技術在生產(chǎn)單元智能調(diào)度與控制中的應用，通過分析多品種、小批量產(chǎn)品特點的生產(chǎn)過程業(yè)務需求，提出構建基于物聯(lián)網(wǎng)的智能調(diào)度與控制系統(tǒng)總體架構的對策，并對智能調(diào)度與控制實現(xiàn)過程中的關鍵技術展開研究，實現(xiàn)產(chǎn)品在生產(chǎn)單元中的柔性混線生產(chǎn)。

[關鍵詞]物聯(lián)網(wǎng);調(diào)度與控制;總體架構

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.24.052

[中圖分類號]F270.7[文獻標識碼]A[文章編號]1673-0194（2020）24-0-03

0? ? ?引 言

目前，新一代信息技術（物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、CPS、云計算等）與制造業(yè)深度融合，在零件加工、產(chǎn)品裝配、熱處理等環(huán)節(jié)廣泛應用。各個國家紛紛提出了各自先進的制造發(fā)展戰(zhàn)略，如美國的“國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡”、德國的“工業(yè)4.0”、中國的“中國制造2025”等，都將智能制造作為突破口，爭相在新一輪工業(yè)革命進程中占得先機。生產(chǎn)單元是一種適用于多品種、小批量零部件進行混線生產(chǎn)的生產(chǎn)組織模式，是構建智能生產(chǎn)系統(tǒng)要素的最小單元，支持生產(chǎn)系統(tǒng)智能化運行。隨著生產(chǎn)裝備水平的提高，工業(yè)機器人、數(shù)控機床、3D打印機、智能工裝夾具被廣泛應用在生產(chǎn)制造中。但是，在智能制造的實踐過程中，設備間數(shù)據(jù)不能共享，設備孤島直接限制了生產(chǎn)力的進一步提高，必須通過設備間更高效的協(xié)同提升生產(chǎn)單元的生產(chǎn)能力，所以，利用先進的傳感、組網(wǎng)、通訊等物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)設備的互聯(lián)互通十分必要。基于物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)單元是一個賽博空間與物理空間深度融合的賽博物理系統(tǒng)，通常由工業(yè)機器人、自動導引運輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）、智能貨柜、可編程數(shù)控設備、柔性工裝夾具等組成，全自動的生產(chǎn)裝備為提升生產(chǎn)單元的智能化提供硬件支持，但是在一個無人值守的全自動化運行環(huán)境中，如何在生產(chǎn)過程中智能調(diào)度與控制生產(chǎn)活動、制造資源成為必須突破的難題。

1? ? ?物聯(lián)網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)技術是在信息技術和互聯(lián)網(wǎng)基礎上發(fā)展而來的，利用無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、傳感器、通信等技術手段將人與物、物與物相連接，實現(xiàn)萬物互聯(lián)和信息共享。目前，物聯(lián)網(wǎng)的應用越來越多，特別是在智慧醫(yī)院、智慧交通、智慧農(nóng)業(yè)等領域，都取得了較好的成績。隨著高端自動化裝備在制造業(yè)逐漸普及和智能制造的深入推進，如何采集設備數(shù)據(jù)、如何進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)瘸蔀橄嚓P企業(yè)必須解決的問題。傳感器能將生產(chǎn)單元中的物理信號轉為模擬信號，然后通過數(shù)據(jù)采集卡、D/A轉換模塊將模擬信號轉為數(shù)字信號。以數(shù)控機加場景為例，在柔性夾具中使用壓力傳感器感知毛坯是否裝夾到位、在倉儲庫位增加紅外傳感器感知庫位是否有料、通過高精度稱重傳感器感知零件加工前后的變化、在數(shù)控機床中增加探頭檢測零件加工粗糙度等。同時，由于設備終端用戶對設備監(jiān)控的需求越來越強烈，需要設備廠商通過以太網(wǎng)、串口等形式給各類信息化系統(tǒng)提供設備運行數(shù)據(jù)。采集到的設備運行數(shù)據(jù)主要通過生產(chǎn)單元的工業(yè)網(wǎng)絡和可靠的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。對于生產(chǎn)單元中不具備以太網(wǎng)通信功能的設備，需要進行設備聯(lián)網(wǎng)改造，然后通過主控可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、工業(yè)交換機等工業(yè)網(wǎng)絡設施把生產(chǎn)設備相連接，形成數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢硗ǖ馈Ｍㄐ艆f(xié)議是網(wǎng)絡通信中的通用語言，通信雙方必須使用相同的協(xié)議，兩者才能正確解析語義、語法，得到正確的數(shù)據(jù)。在生產(chǎn)工業(yè)網(wǎng)絡中，使用比較普遍的通信協(xié)議有Modbus、PROFIBUS-DP、PROFINET、TCP/IP、OPC UA等。近年來，國內(nèi)外學者對物聯(lián)網(wǎng)技術在生產(chǎn)過程中的應用進行研究，其中，田強總結了物聯(lián)網(wǎng)的4項關鍵技術，探討了物聯(lián)網(wǎng)技術在工業(yè)自動化中的應用前景;劉巧媚研究了物聯(lián)網(wǎng)技術在船舶制造過程中的供應鏈和物流管理、生產(chǎn)制造管理、安全生產(chǎn)管理方面的應用;張旭研究了物聯(lián)網(wǎng)在醫(yī)療領域的應用前景，并提出構建醫(yī)院信息系統(tǒng)體系的框架，為深入應用物聯(lián)網(wǎng)技術奠定基礎。

2? ? ?智能調(diào)度與控制系統(tǒng)總體架構

在傳統(tǒng)流水線作業(yè)或手工作業(yè)的生產(chǎn)組織模式下，重點是如何充分利用自動化裝備降低工人勞動強度、提高零件批量生產(chǎn)的生產(chǎn)效率，一般適用于產(chǎn)品固定、流程固定、節(jié)拍固定的零件生產(chǎn)，但是當出現(xiàn)異常事件時，由于生產(chǎn)線過于剛性，生產(chǎn)單位只能通過停線的方式進行人工干預，并在信息系統(tǒng)中采用人工采集的方式記錄業(yè)務關鍵環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，由調(diào)度員完成制造資源調(diào)度工作。智能生產(chǎn)單元處于無人值守的全自動化運行環(huán)境中，需要調(diào)度與控制系統(tǒng)智能地給生產(chǎn)設備分派生產(chǎn)任務，當出現(xiàn)故障時，智能調(diào)度生產(chǎn)活動，保證生產(chǎn)連續(xù)、穩(wěn)定運行，且通過指令直接驅動生產(chǎn)設備。在對業(yè)務場景分解、研究的基礎上，本研究構建了如圖1所示的智能調(diào)度與控制系統(tǒng)總體架構。

智能調(diào)度與控制系統(tǒng)由管理模塊、調(diào)度模塊、通訊層3部分組成。其中，管理模塊部署在服務器，用戶可以通過瀏覽器進行訪問，用于維護基礎數(shù)據(jù)、獲取生產(chǎn)單元運行數(shù)據(jù)、展示生產(chǎn)任務統(tǒng)計結果等。調(diào)度模塊是后臺實時運行的應用程序，實時接收管理模塊下達的生產(chǎn)任務、監(jiān)測生產(chǎn)任務執(zhí)行進度、調(diào)度制造資源執(zhí)行加工任務，是系統(tǒng)的核心模塊。通訊層是系統(tǒng)與各型設備數(shù)據(jù)交互的橋梁和紐帶，為系統(tǒng)的正常運行提供數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)反饋、指令下發(fā)、故障預警等基礎支撐服務。

3? ? ?智能調(diào)度與控制關鍵技術

智能生產(chǎn)單元是一個典型的全自動化運行場景，各種自動化裝備在智能調(diào)度與控制系統(tǒng)的驅動下，有序進行各項生產(chǎn)活動，以生產(chǎn)出符合質量要求的零部件。但零件的生產(chǎn)過程不是一成不變的，經(jīng)常出現(xiàn)緊急插單、設備故障、檢驗結果不合格等特殊情況，無法確定零件生產(chǎn)過程中的零件類型、設備狀態(tài)、生產(chǎn)進度等，從而引起資源沖突、工藝路線變化等問題。當生產(chǎn)單元中出現(xiàn)零件加工質量不達標、設備損壞、缺料等異常事件時，系統(tǒng)必須根據(jù)實時數(shù)據(jù)自動識別異常事件，并根據(jù)事件類型進行智能處理，以免訂單延期。當待生產(chǎn)的零件類型與在生產(chǎn)的零件類型不相同時，系統(tǒng)必須在零件生產(chǎn)過程中自動識別零件類型，并根據(jù)零件的工藝參數(shù)、工藝過程、檢驗標準等智能控制設備進行生產(chǎn)活動。多個零件在生產(chǎn)單元并行生產(chǎn)，可能出現(xiàn)多個零件需要使用同一臺設備或者一個零件需要從多個相同設備中選擇一臺進行加工的情況，系統(tǒng)必須具備智能調(diào)度的能力，以持續(xù)開展零件加工工作。因此，生產(chǎn)單元的智能調(diào)度與控制就要在各種不確定性情況下對零件生產(chǎn)活動進行智能調(diào)度，并通過指令直接驅動設備運轉。為了實現(xiàn)上述目標，生產(chǎn)單元的智能調(diào)度與控制的關鍵技術主要包括數(shù)據(jù)編碼、生產(chǎn)活動控制模型、調(diào)度模型3部分。

3.1? ?數(shù)據(jù)編碼

基礎數(shù)據(jù)是實現(xiàn)智能化應用的基礎，為了實現(xiàn)生產(chǎn)單元的調(diào)度與控制，首先就要對生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)活動、監(jiān)測數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集項進行定義。在傳統(tǒng)的流水線作業(yè)或手工作業(yè)環(huán)境中，不需要定義生產(chǎn)活動或者只需要把生產(chǎn)活動定義到工序/工步中，生產(chǎn)活動按照一定的編碼規(guī)則即可定義零件生產(chǎn)過程，但是在智能生產(chǎn)單元中，生產(chǎn)活動需要定義到最小可調(diào)度活動的顆粒度，需要控制的生產(chǎn)活動數(shù)量會成倍增加，本文提出基于C編碼/M編碼的統(tǒng)一編碼規(guī)則。最小可調(diào)度活動的控制指令由指令編碼、指令執(zhí)行設備、指令參數(shù)確定，其中，控制指令編碼按照C-XX-YYY進行統(tǒng)一編碼，C是Control的縮寫，XX代表設備類別，如果活動控制指令編號中的XX相同，則表示這些指令都是對同一個設備類別的控制指令，當指令執(zhí)行設備確定時，就表示對某一臺設備的控制指令，從01開始編碼;YYY用于區(qū)分對同一類設備的多條控制指令，從001開始編碼，例如，C01001可以作為庫存類設備的出庫指令。對于XX對應哪種設備類型、YYY對應該設備的哪條指令，則由編碼人員確定。監(jiān)測數(shù)據(jù)是對數(shù)據(jù)采集項的標識規(guī)范，由監(jiān)測編碼、監(jiān)測設備、監(jiān)測數(shù)值唯一確定一個數(shù)據(jù)采集項，其中，監(jiān)測編碼按照M-XX-YYY進行統(tǒng)一編碼，M是Monitor的縮寫，XX代表需要進行采集的某類設備，XX從01開始編碼;YYY用于區(qū)分同一個設備類中的不同采集點，從001開始編碼，例如，M01001可以作為數(shù)控機床的安全門打開狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集點。對于XX對應哪種設備類型應該按照指令編碼分類，如果YYY對應的設備采集點是某個活動的完成狀態(tài)，則需要監(jiān)測編碼中YYY與指令編碼中的YYY保持一致。

3.2? ?生產(chǎn)活動控制模型

零件在智能生產(chǎn)單元中的生產(chǎn)過程由若干生產(chǎn)活動組成，每個生產(chǎn)活動都對應物理世界中的唯一動作，在同一時刻控制多個不同類型零件在生產(chǎn)單元進行混線生產(chǎn)的本質是對生產(chǎn)活動進行智能控制?；诖?，本研究構建了如圖2所示的生產(chǎn)活動控制模型，主要為了指導智能調(diào)度與控制系統(tǒng)調(diào)度模塊的開發(fā)工作。

在零件工藝流程中定義了生產(chǎn)過程由哪些生產(chǎn)活動組成和生產(chǎn)活動間的串并行關系，根據(jù)下達的生產(chǎn)訂單，需要為每一個零件翻譯一套訂單控制指令集，用于對零件加工過程的控制。由于每一個控制指令都配置了監(jiān)測數(shù)據(jù)項作為觸發(fā)條件或者完成條件，通過實時對比設備數(shù)據(jù)采集項和控制指令的觸發(fā)條件，可以確定哪個指令可以進入待執(zhí)行指令集合。由于生產(chǎn)線會同時生產(chǎn)多種類型零件，會出現(xiàn)有多個待執(zhí)行指令將要使用同一臺設備或者一個待執(zhí)行指令可以在多臺設備執(zhí)行的情況，這時需要根據(jù)調(diào)度規(guī)則模型進一步篩選，得到唯一可執(zhí)行的控制指令驅動生產(chǎn)單元中的設備。

4? ? 結 語

本文研究了物聯(lián)網(wǎng)技術在生產(chǎn)單元智能調(diào)度與控制中的應用，論述了物聯(lián)網(wǎng)技術的應用現(xiàn)狀，在業(yè)務需求分析的基礎上構建了由管理、調(diào)度、通信組成的智能調(diào)度與控制系統(tǒng)總體架構，并分別研究了數(shù)據(jù)編碼、生產(chǎn)活動控制模型、調(diào)度模型3項關鍵技術，進而確保生產(chǎn)單元實現(xiàn)智能調(diào)度和有效控制。

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