基于IIoT 的增材制造生產調度系統設計與應用研究

黃偉鴻 趙子奇 安琪

（中服軟件（西安）有限公司，陜西西安 710000）

增材制造通常也被稱為3D 打印，是一種通過軟件和數控系統，結合相應的打印工藝模型文件，將金屬或非金屬材料利用激光、擠壓、熱熔等方式進行逐層堆積，最終制造出實際物品的技術[1-2]。

在裝備制造領域中，高端裝備和關鍵零部件通常采用金屬增材制造技術進行生產。利用該技術，可將三維實體模型通過切片軟件進行切片分層，得到各截面的輪廓數據，由輪廓數據生成掃描填充路徑文件，3D 打印設備按照生成的掃描路徑，控制激光束選區熔融各層金屬粉末，逐步堆疊成三維金屬實體[3]。

增材制造屬于典型的離散制造，但隨著技術的發展和市場的不斷擴增，傳統的單機生產模式已經無法滿足規模化的生產需求[4]。通過自動化技術和設備一體化布局，構建增材自動化產線是當前增材制造提升生產效率的主流方式。增材制造產線由3D 打印設備、供粉裝置、粉末回收裝置、基板拆裝設備、周轉工位、熱處理設備、線切割設備、打磨設備、物流運輸設備等組成，如圖1 所示。

圖1 增材制造產線構成三維示意圖

在實際的生產運轉過程中，產線各個設備之間需要通過人工銜接來完成整個生產流程，如生產任務的編排、接收、分配執行、工藝編程、設備控制策略、產品的流轉等。因此，提升產線自動化程度，在生產過程中減少人員投入、提高整體生產效率對增材制造具有重大意義。

隨著工業物聯網的普及、5G 通信技術和信息化系統的迅猛發展，生產自動化、智能化勢必成為未來的主流方向[5]。本文旨在綜述一種基于IIoT 設計的增材制造生產調度系統，能夠實現增材制造車間的生產排程，打印工藝程序遠程下發，生產過程的監管，設備運行、工藝參數實時監管，生產設備遠程策略控制，工單任務執行進度追蹤等功能，以進一步提升增材生產過程可視化、透明化、智能化的管理，提高產線生產自動化能力和調度能力，減少人工投入和工作量。

一、增材制造生產調度系統研究現狀

目前，通過物聯網技術、智能邊緣計算和5G 通信技術的應用，增材制造生產調度系統已實現自動化、數字化和智能化的生產調度過程。針對實際產線的需求，調度算法進行了深入優化，以實現最佳的任務分配和策略執行。同時，生產任務的協同管理也成為研究的重點，通過優化任務分配和執行過程，提高了生產效率和資源利用率。

為了提高設備的可靠性和效率，并保證產線調度系統的穩定運行，本研究致力于更多的方案設計，包括實時監控技術和健康故障診斷方法，以實現對設備的實時監測和故障診斷，從而提高設備的可靠性和維護效率。

二、基于IIoT 的增材制造生產調度系統設計

工業物聯網技術（industrial internet of things，IIoT）是將物理設備、傳感器和其他設備連接到互聯網上，并利用互聯網進行數據共享和通信的技術[6]。IIoT 技術使企業可以監控、收集和分析來自不同設備和系統的實時數據，從而實現更高效、更安全、更可靠和更智能的工業過程和產品生產。

IIoT 平臺能夠實現增材制造的全面信息資源整合及業務協同，實現人與人、人與設備、設備與設備之間的相互感知、互聯互通。基于IIoT 的生產調度管理系統可以對生產線上的各類數據（狀態感知數據、視頻感知數據、位置感知數據以及各類業務數據）進行存儲、運算分析，向上實現和MES（制造執行系統）、WMS（倉庫管理系統）、EMS（設備管理系統）等業務系統的數據交換，向下實現與各類生產設備的數據鏈接與反向控制。

（一）技術架構

系統采用分層架構理念進行設計，總體分為五層，分別為設備層、網絡通信層、數據存儲層、平臺層和應用層，如圖2 所示。

圖2 生產調度系統架構示意圖

1.設備層

設備層主要用來物聯接入3D 打印機、吊裝RGV 設備、線切割設備、熱處理設備、物流AGV 小車等設備，采集各設備的實時數據、狀態數據等，為生產調度系統提供數據支撐。

2.網絡通信層

網絡通信層用來建設基于5G 基站的網絡傳輸，滿足生產設備和服務器間的網絡通信，同時基于5G 工業物聯網關，通過數據采集協議將增材制造生產設備的數據通路打通，滿足數據上載和指令下發需求。

3.數據存儲層

數據存儲層用來建設相應的服務器集群，安裝對應的數據庫，對生產設備歷史時序數據和生產業務數據的關系數據進行存儲，同時保證服務性能和數據安全。

4.平臺層

平臺層用來建設高性能的平臺服務體系，滿足增材制造自動產線的穩定運行。平臺層提供了兩大類服務，即平臺支撐服務和生產調度服務，對上滿足應用層的業務配置及系統運行需要的支撐服務和調度服務，對下滿足數據的存儲執行和物聯基礎能力。

5.應用層

應用層用來建設滿足實現增材制造自動產線需求的一套調度系統，實現產品訂單生成到工單排產，再到自動生產過程的監控和對自動執行流程的配置功能，提供滿足物聯設備接入和管理的能力。在平臺層的服務支撐下，系統可對業務過程數據和設備實時數據進行分析、統計、展示，通過3D 場景對生產運行情況進行實時監控。

（二）關鍵技術分析

1.調度系統功能設計思路

（1）確定增材制造自動產線的需求和目標，例如實現自動調度、提高生產效率、降低人力投入等。

（2）確定應用層的功能和要求，包括訂單生成、工單排產、自動生產監控和工藝流程配置等。

（3）確定集成系統的對接方式和數據格式，如MES、WMS 等業務系統的數據對接。

（4）考慮物聯設備的接入和管理需求，確保設備的高效運行和數據采集。

（5）利用平臺層的服務支撐，進行數據分析、統計和展示，提供關鍵指標和報表。

（6）實現自動調度、執行引擎，并結合生產任務協同管理確定核心調度算法。

（7）借助3D 場景技術，實現生產運行情況的實時監控和可視化展示。

2.調度系統功能邏輯關系

（1）訂單生成和工單排產是應用層的核心功能，需要根據產品訂單和生產線情況進行任務的分配和調度。

（2）自動生產監控和工藝流程配置功能需要實時獲取設備的狀態和生產數據，以確保生產過程的順利進行。

（3）物聯設備的接入和管理是應用層的基礎，通過與設備的通信和數據采集，實現對設備的遠程監控和控制。

（4）自動調度執行引擎是整個生產調度系統的核心，通過對設備資源的動態分配來滿足產品訂單的分配需求，并結合當前產品對應的工藝流程配置內容來執行確定的生產流程。

（5）平臺層的服務支撐對業務過程數據和設備實時數據的分析和展示，提供生產指標和報表，為管理決策提供支持。

（6）3D 場景技術將生產運行情況可視化，通過實時監控和可視化展示，幫助用戶了解生產線的狀態和異常情況。

總的來說，設計思路和邏輯關系是在滿足增材制造自動產線需求的基礎上，通過應用層的功能和物聯設備的接入，實現對生產過程的監控、調度和配置。同時，平臺層的服務支撐和3D 場景技術的應用提供了數據分析和可視化展示的能力，為管理決策提供了重要的支持。

（三）系統拓撲結構

系統從設備層的數據采集到5G 通信傳輸、數據存儲、生產調度管理功能的使用，再到統一的生產可視化監控大屏的整體拓撲結構，如圖3 所示。

圖3 生產調度系統拓撲結構

首先，對增材制造生產設備進行物聯接入。將設備通過不同的接入方式接入工業物聯網平臺，然后和調度管理系統建立連接。3D 打印機、RGV、真空爐、線切割、打磨設備等一般采用PLC 的控制方式，所以可以通過PLC 對應的數據協議解析插件與設備進行控制和采集聯通，通過交換機與5G 工業物聯網關集成，5G 網關再將數據通過5G 基站與服務器群聯通。AGV 物流小車采用5G 信號傳輸控制指令獲取設備狀態及數據，通過5G 網關聯通。最后與交換機連接的設備共同通過網關傳輸數據到物聯平臺，工業物聯網平臺對設備數據進行篩選、解析、數字類型轉換和線性計算，用以支撐整個應用系統的使用。

其次，建設服務器集群，構建內部局域網絡，基于服務器集群，建設云數據中心，安裝關系數據庫、時序數據庫以及緩存數據庫，為上層應用提供配置信息存儲及各類設備和產線歷史數據存儲。

再次，建設一套基于增材制造的生產自動調度系統，包含產線操作人員系統操作臺和可視化監控大屏。

最后，構建生產操作臺（PC 端）及可視化大屏，將各類數據通過云端服務進行統一存儲和處理，并根據不同部門、層級用戶業務需求進行個性化頁面定制開發。不同的用戶通過不同的管理駕駛艙，可實現自動產線生產、產線監控、數據統計分析查看，在操作臺PC、各類移動終端上進行系統界面顯示和操作。有設備操作權限的用戶可以通過工業物聯網平臺控制面板對現場設備進行遠程操作。

（四）系統業務流程

增材制造調度系統可以實現從訂單任務生成到排產、產線打印設備按照工單自動打印生產、打印完成后自動調度RGV、AGV 運送產品到下一工序，滿足從整個訂單的排產到生產過程的自動化管理。系統整體業務流程如圖4所示。

圖4 生產調度系統業務流程示意

在調度執行過程中，系統會根據生產過程中每個階段不同的業務驅動和相應的第三方系統進行業務交互，如MES 系統、WMS 系統、AGV 調度系統等系統，實現各個生產環節、生產設備之間流程和執行的自動串接，減少過多的人工干預。

首先，系統接收MES 下發的生產任務訂單，由工藝人員制作打印生產所需的工藝代碼。產線工藝編排引擎將生產裝備資源、物料資源、生產人員和產品的資源通過可視化的柔性定義方式，配置好相關工序方案，并由生產調度系統直接轉換為可運行執行的工藝流程。

其次，由調度員排產，生成任務工單，并將其加入生產任務工單隊列，等待調度分配資源生產。此過程需要判斷當前產品是否已經存在現有的打印工藝代碼，且此訂單對應的工序方案已經存在綁定可執行的工藝流程，否則不能被投產。

在生產過程中，根據流程定義的業務會反饋生產任務進度到MES 系統、下發物料請求或回饋入庫請求到WMS 系統、下發物流運輸任務到AGV 調度系統，調動AGV 進行產品的自動搬運，并對其進行狀態監控。

工單生產執行過程還會涉及一些輔助流程，如工單工藝編排以及工單生產輔助，包含控制設備加粉、零件回線檢測入庫、打印基板回線檢測入庫等。這些流程都可以通過可視化的工藝流程定義及引擎的支撐來實現流程的柔性定義。

三、系統功能實現

基于IIoT 的增材制造生產調度系統功能實現如下所述。

（一）資源管理

將產線內可用的設備業務定義為資源是調度系統的判斷依據。資源是一個定義好的業務狀態，資源可分配資源實例（具體設備的數據指標）。如果調度系統判定當前資源有空閑的資源實例，則可根據實際的生產任務動態分配給相應需要生產的生產任務工單，從而實現資源的高效調度利用，支持對資源的實例配置進行編輯修改。

資源管理是指系統對設備資源信息進行管理，包括對資源狀態、資源ID、資源名稱、資源分類、設備模板、所屬產線等的管理。例如，可對設備資源信息進行在線查看、編輯、刪除等操作，可以對資源進行開啟與關閉，實時監控資源狀態。

（二）工序方案管理

工序方案管理是指系統對MES 下發的訂單工序進行提取錄入，生成相應的工序方案，并將對應的工藝流程進行綁定映射。綁定后的工序方案對應的訂單才能被投產變成可執行的工單。

（三）工藝流程管理

工藝流程管理是指系統通過可視化的流程配置界面來繪制生產訂單產品生產所需要的流程步驟，從而對流程工序內的節點進行配置。如判斷條件配置和執行內容配置通過一系列的工序節點配置，來滿足調度服務的動態執行，從而實現工單的生產自動調度執行。

展示內容包含啟動狀態、所屬產線、是否引用工藝（主次工藝流程）、應用工單數、工序數等。功能包含創建工藝流程、查看詳情、編輯、開啟關閉、刪除。其中，啟動關閉、編輯、刪除都會判斷當前工藝流程是否存在相關正在使用的工單，避免影響當前流程被執行中工單使用。

（四）工藝代碼管理

工藝代碼管理是指系統提供工藝代碼服務端的統一版本管理和存儲，支持從服務端下發程序到對應設備；提供新增、編輯、刪除、下發等操作；支持程序版本升級、下發記錄查看、程序文件下載。

（五）設備管理

系統提供對生產設備以及其他需要接入物聯的設備的管理維護，包括對設備進行數據采集點位的配置、數據規則的配置、執行動作的指令配置。

（六）產品管理

產品管理是指系統將產品按一定分類維護起來，供其他業務關聯使用，產品和訂單是一一對應的關系。利用系統可以查看產品基本信息、產品附件信息，對產品的分類、圖號、名稱、詳情等信息進行在線管理。系統可與第三方系統MES 同步產品信息，也可由訂單信息同步錄入產品信息。

（七）訂單管理

訂單管理功能主要負責對生產訂單如產品種類、產品數量、完成日期等內容進行維護，支持手動錄入訂單信息或對接MES 等第三方系統。通過訂單管理可以直觀地查看各個訂單的完成情況及詳細內容。系統提供訂單搜索功能，支持按照訂單狀態、訂單進度、執行的工序進行查詢展示。

（八）排產管理

排產管理是指系統對產線內所有的生產訂單進行任務轉換，把以產品為單位的訂單轉換為生產工單，將多個訂單合并生成一個工單，可查詢各個訂單的排產狀態、所排工單的進度執行情況。生產訂單需要按實際情況對其進行任務編排，完成生產訂單中的產品生產。排產后生成的工單，需要進行投產方可開始自動生產。

（九）工單管理

工單是生產過程的描述，具體分為全部工單、執行工單。全部工單對應所有已投產的生產工單，包含執行中的和已經完成的工單。執行工單指生產中的工單。對執行工單進行單獨管理，在實際生產管理環境下，可直觀地監控生產執行過程，方便工作人員對生產中的工單業務進行操作。通過工單管理，相關人員可查詢不同訂單各自的執行過程和當前的執行狀態、執行進度。

（十）班次管理

系統通過班次管理維護生產人員的排班信息，包含班別、每日工作時間、班次的生效時間、失效時間、班組人員的安排，提供新增、編輯、刪除等操作。系統可以根據人員所屬的組織機構分組配置不同人員的班次，以滿足不同的生產業務場景。

（十一）可視化大屏

為了幫助生產人員、維護人員、工藝人員對增材制造的生產過程進行全方位監控管理，系統以工業物聯網平臺為基礎支撐，采用三維技術構建可視化3D 生產大屏，對生產設備和運行過程進行三維建模，結合設備物聯數據和業務數據，可以將整個生產過程通過3D 大屏實時展示出來，如圖5 所示。

圖5 設備資源監控大屏示意

系統可對生產過程數據、設備監控數據、調度業務數據、視頻監控等信息進行集成，構建統一數據大屏，幫助增材管理人員準確掌握生產運行情況，如圖6 所示。

圖6 工單監控大屏示意

基于工業物聯網底層服務，檢測分析設備在線情況、工作異常、報警等故障信息，結合設備運維管理業務數據，構建增材制造生產設備運行分析大屏，提高設備運行、運維效率，減少運維成本。

四、系統應用效果分析

在實踐中，本系統成功應用于多個增材制造產線，其中某航天增材制造產線的產品是航天飛行器核心零件，具有特殊的力學構造，需要對鈦合金粉末進行激光燒融來完成復雜的內部工藝制作。本系統與原有MES 系統集成，實現了訂單生成和工單排產業務，同時結合資源管理功能，對所有生產過程設備進行資源定義，如3D 打印機、真空爐等。系統根據實際資源的可用狀態和資源實例數量，自動分配生產工單任務，實現了智能化的調度和資源利用。

例如：訂單下發后系統自動排產了10 個工單任務。現場只有4 臺可用的打印機資源實例，系統依次進行分配以滿足排產后的訂單生產，剩余6 個訂單會在資源等待隊列中排隊，即等待有新的資源實例釋放。

生產過程中，本系統動態監控設備狀態和生產數據，智能調整工藝流程，自動完成工序和工序節點的執行，極大地減少了人工干預。然而，某些工序仍需人工參與來確認工藝參數和生產狀態，以保證生產安全。操作人員通過掃碼和授權實現工單下發過程處理、暫停和完成等操作。

一旦生產完成，產品經過高溫處理去硬度以及切割、清洗、打磨等后處理步驟，并經過一系列檢測。最后，利用激光刻上唯一的生產工單碼，并入庫，實現產品質量的全生命周期追溯。

該產線系統實時采集各設備數據并進行分析，提供實時生產數據報表和產能趨勢圖，幫助實現高效的生產調度和監控。

在實踐中，本系統優化了生產調度算法和生產過程步驟，顯著減少了生產任務的延誤和資源浪費，提高了生產效率和穩定性，總結出了優化設備配置和生產流程的經驗。

通過實踐，本文總結出基于IIoT 的增材制造生產調度系統具有如下優勢和特點。

（一）提高自動化生產水平

生產調度管理系統可以根據實際的資源使用情況，動態判斷、調度相應的資源以完成對應的生產工單任務。從生產工序流程定義到生產資源調度分配、資源數據判斷，調度執行能讓整個產線的自動運轉形成閉環。生產調度管理系統通過內置的調度算法來自動調度不同工單任務的生產執行，有效提高了產線生產的自動化水平。

（二）降低人力成本

生產調度管理系統的支持提高了產線的自動化水平整個產線不需要人工參與控制設備資源或僅在關鍵節點需要人工參與，大大減少了一線崗位的人員，有效降低了人員投入成本，擴大了企業收益。

（三）實現IT 和OT 一體化融合

采用物聯網技術實現IT和OT的深度融合，實現一體化產線設備的自動調度、人員與產線設備的交互管理，打破了原有DCS、MES 等的產品邊界。

（四）由車間向工廠調度的強拓展性

基于工業物聯網技術的生產調度管理系統可將不同車間的產線進行統一整合調度，達成了更大的生產場景調度，實現了上下層系統的打通與銜接。這有效提升了人和裝備之間、裝備和裝備之間的協作水平，提高了產線、車間和工廠的生產效率。

五、結語

本文對增材制造生產調度系統進行了深入研究，通過物聯網技術、智能邊緣計算和5G 通信技術的應用，系統實現了生產調度過程的自動化、數字化、智能化，極大地提升了生產調度的效率和自動化水平。

隨著工業物聯網技術的普及和信息系統的迅猛發展，生產智能化將逐步成為主流趨勢。生產調度的自動化轉型升級將成為產業發展的必然需求。本系統為增材制造產業帶來了顯著的經濟效益和應用前景，同時也為其他離散制造領域如CNC 加工、注塑成型、激光切割等提供了借鑒和推廣的價值。

綜上所述，本文的研究成果為增材制造生產調度系統的發展做出了積極貢獻。在未來的產業發展中，生產智能化和數字化將扮演更加重要的角色，生產調度系統的優勢和應用價值將進一步凸顯。我們期待本系統能夠在實際生產中發揮更大的作用，推動增材制造產業邁向更高水平的自動化和智能化發展。