分布式調(diào)度算法的流水線單位產(chǎn)能優(yōu)化設(shè)計(jì)

李世光，姚秀勇，趙聯(lián)成，郭金建

（1.山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，青島 266590；2.山東能源棗礦集團(tuán)供電工程處，棗莊 277000）

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)和工業(yè)化的產(chǎn)業(yè)主體，是社會(huì)進(jìn)步與富民強(qiáng)國(guó)之本。我國(guó)制造業(yè)在改革開(kāi)放30多年來(lái)已取得長(zhǎng)足進(jìn)步，但是很多制造業(yè)自動(dòng)化設(shè)備存在產(chǎn)能沒(méi)能發(fā)揮到最大而造成資源浪費(fèi)現(xiàn)象。隨著互聯(lián)網(wǎng)營(yíng)銷(xiāo)模式的出現(xiàn)，例如小米、華為、蘋(píng)果等大公司對(duì)某產(chǎn)品在某一時(shí)段的需求量巨大，這對(duì)制造業(yè)設(shè)備的流水線單位時(shí)間產(chǎn)能提出了更高的要求。

1 系統(tǒng)描述

1.1 系統(tǒng)組成

激光打標(biāo)機(jī)流水線自動(dòng)控制系統(tǒng)分為2大部分，一部分為流水線系統(tǒng)，另一部分為機(jī)器人和激光打標(biāo)機(jī)系統(tǒng)。流水線系統(tǒng)為上下2條流水線，采用三菱PLC FX3U CPU控制流水線上氣缸的動(dòng)作并接收光纖傳感器的反饋信號(hào)。機(jī)器人和激光打標(biāo)機(jī)系統(tǒng)由4個(gè)相同的站構(gòu)成，每個(gè)站點(diǎn)包括1臺(tái)六軸機(jī)器人、4臺(tái)激光打標(biāo)機(jī)、1臺(tái)觸摸屏和1臺(tái)三菱PLC Q06UDEH CPU。

1.2 原自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)

圖1所示自動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可分為企業(yè)信息網(wǎng)和工業(yè)控制網(wǎng)。產(chǎn)品信息服務(wù)器作為企業(yè)信息網(wǎng)組成部分，存儲(chǔ)生產(chǎn)產(chǎn)品的所有信息，如產(chǎn)品外殼組裝人員、組裝時(shí)間、已完成工序、已進(jìn)行的品檢等等。16臺(tái)工控機(jī)的作用有2點(diǎn)：第1，作為網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的使用；第2，作為激光打標(biāo)機(jī)的圖像編輯器使用。圖1中的工業(yè)控制網(wǎng)以Ethernet為基礎(chǔ)，采用TCP通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)控制器之間的高速數(shù)據(jù)傳送。Ethernet上有三菱PLC Q06UDEH CPU 4臺(tái)、觸摸屏4臺(tái)、基恩士圖像處理器4臺(tái)。PLC通過(guò)數(shù)字I/O接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光打標(biāo)機(jī)、機(jī)器人、光纖傳感器、安全光柵等的信息采集和輸出控制。

圖1 激光打標(biāo)機(jī)流水線自動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Laser marking machine assembly line automatic control system for the network

點(diǎn)劃線矩形框里為流水線控制網(wǎng)絡(luò)，此控制部分沒(méi)有與Ethernet連接。其中包括1臺(tái)三菱PLC FX3U作為主控制器，2臺(tái)變頻器。變頻器分別作為2臺(tái)流水線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，使上下2條流水線按要求恒速運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)工作流程及存在問(wèn)題

2.1 系統(tǒng)工作流程

以激光打標(biāo)機(jī)流水線自動(dòng)控制系統(tǒng)的1個(gè)站點(diǎn)為例說(shuō)明工作流程。如圖2所示，在上料流水線的前端放置產(chǎn)品，用光纖傳感器檢測(cè)產(chǎn)品放置是否正確。不正確系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，取下產(chǎn)品重新放置。正確的情況下，產(chǎn)品會(huì)隨著流水線前往CCD讀碼器下方，然后傳感器檢測(cè)產(chǎn)品是否到達(dá)CCD讀碼器正下方。如果沒(méi)到達(dá)正下方，CCD讀碼器繼續(xù)等待。如果達(dá)到正下方，CCD讀碼器讀到的二維碼數(shù)據(jù)通過(guò)CCD處理器傳送至工業(yè)以太網(wǎng)上的PLC，PLC收到數(shù)據(jù)后將產(chǎn)品信息經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)計(jì)算機(jī)發(fā)送到產(chǎn)品信息服務(wù)器，查看此產(chǎn)品是否正在進(jìn)行正確的流程。如果正確，則進(jìn)一步確認(rèn)激光打標(biāo)機(jī)是否空閑。如果不正確，機(jī)器人將CCD讀碼器下方的產(chǎn)品取到產(chǎn)品不良區(qū)。與此同時(shí)，觸摸屏記錄其不良的原因，等待人工處理。當(dāng)激光打標(biāo)機(jī)空閑時(shí)，機(jī)器人將CCD下方的產(chǎn)品取放到激光打標(biāo)機(jī)。如果不空閑，機(jī)器人就要繼續(xù)等待。當(dāng)產(chǎn)品放到激光打標(biāo)機(jī)時(shí)，PLC會(huì)判斷產(chǎn)品放置是否正確，如果不正確，激光打標(biāo)機(jī)內(nèi)部治具就會(huì)進(jìn)行校正，以使打標(biāo)條件成立。如果放置正確，激光打標(biāo)機(jī)打印產(chǎn)品信息服務(wù)器反饋的編碼以及固定的圖案。然后，PLC判斷打標(biāo)是否完成，如果完成，再判斷OK產(chǎn)品流水線是否空閑。如果未完成，PLC將繼續(xù)等待完成信號(hào)。打標(biāo)完成后且OK產(chǎn)品流水線空閑，則機(jī)器人將把打標(biāo)機(jī)里的產(chǎn)品放到OK產(chǎn)品流水線上。如果OK產(chǎn)品流水線不空閑而機(jī)器人又將產(chǎn)品放入OK產(chǎn)品流水線，將會(huì)使產(chǎn)品因相互碰撞擠壓成為不良品。

圖2 單站點(diǎn)運(yùn)行流程圖Fig.2 Operation flow chart of single station

2.2 存在問(wèn)題

通過(guò)對(duì)上述系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)的產(chǎn)能雖已達(dá)到人工的單位產(chǎn)能，但從當(dāng)初設(shè)計(jì)的單位時(shí)間產(chǎn)能標(biāo)準(zhǔn)判斷，單位時(shí)間產(chǎn)能還有很大的提升空間。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究，發(fā)現(xiàn)其時(shí)間主要浪費(fèi)在CCD讀碼器等待產(chǎn)品到達(dá)和機(jī)器人等待OK產(chǎn)品流水線空閑上。分析這2種等待出現(xiàn)的根源就是控制器之間存在“信息孤島”現(xiàn)象，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制器之間沒(méi)有進(jìn)行有效的信息通訊。

3 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)可分為2方面：第1，改造現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)，把流水線控制網(wǎng)絡(luò)并入到工業(yè)以太網(wǎng)中。第2，在流水線控制網(wǎng)絡(luò)與激光打標(biāo)機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)之間加入相互配合的分布式調(diào)度算法。

3.1 并網(wǎng)

對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳蛔鋈魏蔚母淖?，只是把流水線控制網(wǎng)絡(luò)并入到工業(yè)以太網(wǎng)中。此前流水線控制系統(tǒng)中的變頻器只是讓流水線固定在某個(gè)合適的恒定速度，而現(xiàn)在要讓變頻器在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，根據(jù)控制器要求實(shí)現(xiàn)頻率的改變，達(dá)到流水線速度可控。通過(guò)這些改善，可以使整個(gè)控制系統(tǒng)之間的信息實(shí)現(xiàn)共享，資源利用最大化，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的等待時(shí)間減少，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率[2-3]。

3.2 加入“飽和預(yù)判”和“饑餓預(yù)判”分布式調(diào)度算法

因?yàn)樵谝粭l流水線上有4臺(tái)機(jī)器人，4臺(tái)CCD讀碼器，16臺(tái)激光打標(biāo)機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)多且機(jī)構(gòu)與機(jī)構(gòu)之間又相互影響，所以加入分布式調(diào)度算法對(duì)于優(yōu)化控制系統(tǒng)是非常必要的。當(dāng)不同站點(diǎn)等待CCD讀碼的產(chǎn)品數(shù)量形成很大的差異時(shí)，就會(huì)造成前面站點(diǎn)的CCD讀碼器一直在工作，后面站點(diǎn)的CCD讀碼器沒(méi)有產(chǎn)品可讀。更嚴(yán)重的是這將會(huì)造成一個(gè)惡性循環(huán)，前面站點(diǎn)機(jī)器人與激光打標(biāo)機(jī)都工作在 “飽和”狀態(tài)，而后面站點(diǎn)則處于“饑餓”狀態(tài)。如果系統(tǒng)不加以合理調(diào)度，資源浪費(fèi)就會(huì)很?chē)?yán)重?！梆囸I”是指CCD讀碼器等待讀產(chǎn)品的條形碼，但產(chǎn)品卻遲遲不到的現(xiàn)象?！帮柡汀笔侵傅却鼵CD讀碼器讀碼的產(chǎn)品已經(jīng)滿(mǎn)了，如果進(jìn)一步給料就會(huì)影響到其它站點(diǎn)的運(yùn)作。

經(jīng)過(guò)一系列的試驗(yàn)，“饑餓預(yù)判”和“飽和預(yù)判”控制算法是從FIFO（first in first out）調(diào)度算法、公平調(diào)度算法和饑餓度算法[1]中總結(jié)出來(lái)的效率最高的經(jīng)驗(yàn)調(diào)度控制算法，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。顧名思義，“饑餓預(yù)判”是指對(duì)“饑餓”狀態(tài)的預(yù)先判斷?！帮柡皖A(yù)判”就是指對(duì)“飽和”狀態(tài)的預(yù)先判斷。多工站同時(shí)運(yùn)行的調(diào)度過(guò)程如圖3所示，流水線產(chǎn)品位置信息和4個(gè)站點(diǎn)PLC共同協(xié)調(diào)作用下產(chǎn)生的作業(yè)類(lèi)型，通過(guò)任務(wù)與作業(yè)對(duì)應(yīng)的表格轉(zhuǎn)化，使流水線PLC確認(rèn)應(yīng)該調(diào)速的等級(jí)。

圖3 調(diào)度過(guò)程圖Fig.3 Diagram of scheduling process

如圖4所示，上料流水線上有16對(duì)對(duì)射式光纖傳感器，每個(gè)站都有4對(duì)，用來(lái)檢測(cè)等待CCD讀碼器讀碼的產(chǎn)品數(shù)量。當(dāng)4對(duì)光纖傳感器全部檢測(cè)到產(chǎn)品時(shí)，說(shuō)明此站點(diǎn)處于“飽和”狀態(tài)。當(dāng)4對(duì)傳感器全部沒(méi)有檢測(cè)到產(chǎn)品時(shí)，說(shuō)明此站點(diǎn)處于“饑餓”狀態(tài)。例如作業(yè)與任務(wù)表中的特殊作業(yè)類(lèi)型，各個(gè)站點(diǎn)等待產(chǎn)品的數(shù)量關(guān)系為4#<3#<2#時(shí)，4#站就是“饑餓預(yù)判”條件成立，在表中對(duì)應(yīng)高等級(jí)任務(wù)。“飽和預(yù)判”正好與“饑餓預(yù)判”相反。當(dāng)“饑餓預(yù)判”狀態(tài)成立時(shí)，上料傳送帶此時(shí)應(yīng)該以最快的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，加快產(chǎn)品傳送，使饑餓狀態(tài)得到緩解，減少CCD讀碼器等待時(shí)間[4]。

圖4 流水線CCD讀碼器和光纖傳感器布局圖Fig.4 Layout of CCD code readers and fiber optic sensors in the assembly line

上料流水線共分為3級(jí)調(diào)速，因?yàn)楫a(chǎn)品放在治具上且流水線上有阻擋氣缸和定位氣缸，所以調(diào)速時(shí)不會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品漂移的情況。OK產(chǎn)品流水線共分為4級(jí)調(diào)速，因?yàn)楫a(chǎn)品較輕（慣性?。┘又c機(jī)殼之間的摩擦力較大，所以調(diào)速時(shí)產(chǎn)品漂移可以忽略。從圖5可以明顯看出，自動(dòng)化流水線控制系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了單位時(shí)間產(chǎn)能大幅提升。

圖5 流水線自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化前后對(duì)比Fig.5 Assembly line automatic control system contrast before and after optimize

4 結(jié)語(yǔ)

在流水線自動(dòng)控制系統(tǒng)全面并網(wǎng)后，加入分布式調(diào)度算法，使整個(gè)系統(tǒng)中的各個(gè)控制器之間進(jìn)行最優(yōu)化的任務(wù)分配?；诒疚闹械默F(xiàn)場(chǎng)流水線周邊設(shè)備的實(shí)際情況，通過(guò)大量的采樣數(shù)據(jù)，使之適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)節(jié)奏。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的自動(dòng)化流水線，機(jī)器人等待時(shí)間和CCD讀碼器等待時(shí)間大幅減少，尤其是流水線后面的站點(diǎn)最為明顯，單位時(shí)間產(chǎn)能得到提升。

[1]趙云飛，陳志剛，曾鋒.WMN中基于網(wǎng)關(guān)饑餓度的部署算法優(yōu)化[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，44（11）：4992-4998.

[2]顧洪軍.工業(yè)企業(yè)網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[3]楊憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[4]劉沖.MapReduce作業(yè)調(diào)度算法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.