基于物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)單元智能調(diào)度與控制技術(shù)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(yīng)用的新一代信息技術(shù)，提高了各行業(yè)生產(chǎn)單元的生產(chǎn)能力?；诖?，文章主要探究了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生產(chǎn)單元智能調(diào)度與控制中的應(yīng)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(wù)需求，提出構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的智能調(diào)度與控制系統(tǒng)總體架構(gòu)的對策，并對智能調(diào)度與控制實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)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(guān)鍵詞]物聯(lián)網(wǎng);調(diào)度與控制;總體架構(gòu)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.24.052

[中圖分類號]F270.7[文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)（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(yīng)用。各個國家紛紛提出了各自先進(jìn)的制造發(fā)展戰(zhàn)略，如美國的“國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”、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(jìn)程中占得先機(jī)。生產(chǎn)單元是一種適用于多品種、小批量零部件進(jìn)行混線生產(chǎn)的生產(chǎn)組織模式，是構(gòu)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(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、3D打印機(jī)、智能工裝夾具被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)制造中。但是，在智能制造的實踐過程中，設(shè)備間數(shù)據(jù)不能共享，設(shè)備孤島直接限制了生產(chǎn)力的進(jìn)一步提高，必須通過設(shè)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(jìn)的傳感、組網(wǎng)、通訊等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)設(shè)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(jī)器人、自動導(dǎo)引運輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）、智能貨柜、可編程數(shù)控設(shè)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(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)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(shù)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(yīng)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(lǐng)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(jìn)，如何采集設(shè)備數(shù)據(jù)、如何進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)瘸蔀橄嚓P(guān)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(zhuǎn)為模擬信號，然后通過數(shù)據(jù)采集卡、D/A轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號。以數(shù)控機(jī)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(jī)床中增加探頭檢測零件加工粗糙度等。同時，由于設(shè)備終端用戶對設(shè)備監(jiān)控的需求越來越強烈，需要設(shè)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(shè)備運行數(shù)據(jù)。采集到的設(shè)備運行數(shù)據(jù)主要通過生產(chǎn)單元的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和可靠的通信協(xié)議進(jìn)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(shè)備，需要進(jìn)行設(shè)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(jī)等工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施把生產(chǎn)設(shè)備相連接，形成數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢硗ǖ?。通信協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(xué)者對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用進(jìn)行研究，其中，田強總結(jié)了物聯(lián)網(wǎng)的4項關(guān)鍵技術(shù)，探討了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用前景;劉巧媚研究了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在船舶制造過程中的供應(yīng)鏈和物流管理、生產(chǎn)制造管理、安全生產(chǎn)管理方面的應(yīng)用;張旭研究了物聯(lián)網(wǎng)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景，并提出構(gòu)建醫(yī)院信息系統(tǒng)體系的框架，為深入應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

2? ? ?智能調(diào)度與控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

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(dāng)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(jìn)行人工干預(yù)，并在信息系統(tǒng)中采用人工采集的方式記錄業(yè)務(wù)關(guān)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(shè)備分派生產(chǎn)任務(wù)，當(dāng)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(qū)動生產(chǎn)設(shè)備。在對業(yè)務(wù)場景分解、研究的基礎(chǔ)上，本研究構(gòu)建了如圖1所示的智能調(diào)度與控制系統(tǒng)總體架構(gòu)。

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(wù)器，用戶可以通過瀏覽器進(jìn)行訪問，用于維護(hù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、獲取生產(chǎn)單元運行數(shù)據(jù)、展示生產(chǎn)任務(wù)統(tǒng)計結(jié)果等。調(diào)度模塊是后臺實時運行的應(yīng)用程序，實時接收管理模塊下達(dá)的生產(chǎn)任務(wù)、監(jiān)測生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行進(jìn)度、調(diào)度制造資源執(zhí)行加工任務(wù)，是系統(tǒng)的核心模塊。通訊層是系統(tǒng)與各型設(shè)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(yù)警等基礎(chǔ)支撐服務(wù)。

3? ? ?智能調(diào)度與控制關(guān)鍵技術(shù)

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(qū)動下，有序進(jìn)行各項生產(chǎn)活動，以生產(chǎn)出符合質(zhì)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(shè)備故障、檢驗結(jié)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(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)進(jìn)度等，從而引起資源沖突、工藝路線變化等問題。當(dāng)生產(chǎn)單元中出現(xiàn)零件加工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、設(shè)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(jìn)行智能處理，以免訂單延期。當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)等智能控制設(shè)備進(jìn)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(shè)備或者一個零件需要從多個相同設(shè)備中選擇一臺進(jìn)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(jìn)行智能調(diào)度，并通過指令直接驅(qū)動設(shè)備運轉(zhuǎn)。為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，生產(chǎn)單元的智能調(diào)度與控制的關(guān)鍵技術(shù)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(chǔ)數(shù)據(jù)是實現(xiàn)智能化應(yīng)用的基礎(chǔ)，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(jìn)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(shè)備、指令參數(shù)確定，其中，控制指令編碼按照C-XX-YYY進(jìn)行統(tǒng)一編碼，C是Control的縮寫，XX代表設(shè)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(shè)備類別的控制指令，當(dāng)指令執(zhí)行設(shè)備確定時，就表示對某一臺設(shè)備的控制指令，從01開始編碼;YYY用于區(qū)分對同一類設(shè)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(shè)備的出庫指令。對于XX對應(yīng)哪種設(shè)備類型、YYY對應(yīng)該設(shè)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(biāo)識規(guī)范，由監(jiān)測編碼、監(jiān)測設(shè)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(jìn)行統(tǒng)一編碼，M是Monitor的縮寫，XX代表需要進(jìn)行采集的某類設(shè)備，XX從01開始編碼;YYY用于區(qū)分同一個設(shè)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(jī)床的安全門打開狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集點。對于XX對應(yīng)哪種設(shè)備類型應(yīng)該按照指令編碼分類，如果YYY對應(yīng)的設(shè)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(yīng)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(jìn)行混線生產(chǎn)的本質(zhì)是對生產(chǎn)活動進(jìn)行智能控制?；诖?，本研究構(gòu)建了如圖2所示的生產(chǎn)活動控制模型，主要為了指導(dǎo)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(guān)系，根據(jù)下達(dá)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(shè)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(jìn)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(shè)備或者一個待執(zhí)行指令可以在多臺設(shè)備執(zhí)行的情況，這時需要根據(jù)調(diào)度規(guī)則模型進(jìn)一步篩選，得到唯一可執(zhí)行的控制指令驅(qū)動生產(chǎn)單元中的設(shè)備。

4? ? 結(jié) 語

本文研究了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生產(chǎn)單元智能調(diào)度與控制中的應(yīng)用，論述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，在業(yè)務(wù)需求分析的基礎(chǔ)上構(gòu)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(gòu)，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(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)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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