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1 項目背景

物聯網技術是制造業轉型升級，實現智能制造的基礎。在推動智能制造實施過程中，物聯網正從工業領域的局部工序擴展到車間、工廠，從提質增效擴大到推動制造和物流業務模式的轉變。智能制造以智能車間為載體，在設計、供應、制造和服務各環節實現端到端無縫協作。智能物流可以進行感知、思維、推理、路徑規劃和決策等，是連接智能之間供應和制造的重要環節，也是打造智能工廠的基石。當前，智能制造和智能物流正處于整合過程中，如何管理制造和物流的復雜流程，協同生產調度和物流調度，以實現智能制造和智能物流的集成是面臨的一個重大挑戰。

通過設備上裝配傳感器、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網技術，面向智能車間的自動生產調度和自動物流調度需求，海得控制研發了智能車間生產物流調度系統，實現了智能制造和智能物流的集成。該系統已在某口服液生產企業實現了示范應用，是國內制藥行業第一個智能車間生產物流調度系統項目，該車間已于2017年5月投產。海得控制正在開發實施的第二個智能車間生產物流調度系統項目，預計2018年5月實施完成。

智能車間生產物流調度系統的目標與約束如圖1所示。

其中目標包括三個方面：最大化資源利用率、最小化庫存、最小化生產周期。由于這些目標之間存在沖突，不可能同時達到各個目標的最佳狀態，因此需要在各個目標之間取得平衡。

除了以上三方面目標以外，還要滿足智能車間的生產調度和物流調度需求，主要包括三方面特點和需求：柔性、多約束和變動性。

圖1 智能車間生產物流調度系統的目標與約束

2 系統架構

基于物聯網的智能車間生產物流調度方案采用三層系統架構：調度層、監控層和執行層。其中調度層進行生產調度、路徑規劃和指令解析等，下發生產和運輸任務到PLC執行層；執行層接收來自調度層的任務，將在制品從起點運往終點；監控層負責數據的采集和傳輸，同時對生產物流系統進行動態監控。如圖2所示。

圖2 系統架構

3 關鍵技術

智能車間生產物流調度系統的關鍵技術包括車間生產調度理論和模型、生產調度方法、路徑規劃算法、基于單節輥道控制的輥道控制方法、AGV/RGV調度方法、緩沖區動態構建方法、故障重調度方法、批次約束滿足算法等。

（1）車間生產和物流模型

基于圖論和擴展的事件驅動過程鏈，對智能車間的生產、物流進行建模，包括設備元素、物流元素、載運工具元素、人員元素、邏輯元素等，建立起多維度多視圖的集成模型，全方位認識車間生產和物流狀況，為生產調度和物流調度提供模型和數據支持。

（2）生產調度方法

基于約束理論和拉式生產等生產調度思想，考慮各個工序生產節拍，提出適合智能車間的生產調度方法。采用動態實時調度方法和動態重調度方法，結合動態規劃模型，針對智能車間生產調度需求，進行生產任務最優指派。

（3）基于單節輥道控制的柔性輥道控制方法

針對輥道運輸場景，為提高運輸系統的靈活性，采用基于單節輥道控制的方法，即每個運輸任務通過路徑規劃和指令解析模塊，給出其所有的指令序列，交由PLC執行模塊執行，且在上層避免路徑沖突。該方法可以靈活實現各種調度和運輸需求。

（4）AGV/RGV調度方法

對于直線往復式輥道上的多臺RGV，為提高RGV利用率，提高運輸效率，根據生產設備的位置，以及RGV的實際位置動態計算安全區間，確保兩臺RGV在各自的區域間內各自裝載、卸載，提高RGV的利用率或運輸能力。

（5）緩沖區動態構建方法

針對需要在制品托盤的生產設備，動態建立和維護在制品托盤的緩沖區，任意狀態和任意時刻，均能實現在制品托盤的合理、及時供應，確保不斷供，不擁堵。

（6）設備故障/下線/上線自適應

設備故障時，對相關在制品進行重調度；同時增加系統的適應能力，允許設備下線，脫離系統自行維修；設備上線時，系統自動接納設備進入。

（7）批次約束滿足算法

針對批次約束要求嚴格的智能車間，將批次約束加入生產調度和物流調度中，確保滿足批次切換時新舊批次分割、混批生產時確保批次分離等。

（8）手動規劃自適應

針對用戶人工干預需求，增加系統適應能力，允許在系統自動運行過程中，人工進行生產任務指派、路徑規劃等，并自動規避路徑沖突、實現負載均衡。

4 創新點

基于物聯網技術，智能車間生產物流調度系統實現了智能生產和智能物流。與傳統制造車間的生產和物流相比，主要創新點包括以下幾點：

（1）緩沖區動態調度：為避免在制品托盤斷供，距離在制品托盤入口較遠的生產設備動態建立緩沖區，確保在制品托盤及時供應和均衡分配；

（2）路徑沖突重調度：在制品托盤在路徑上產生路徑沖突時，可對相關在制品托盤進行重調度，以消解沖突；

（3）設備故障自適應：需要在制品托盤的生產設備故障后，不再對其供應在制品托盤；其它生產設備故障后，輸送線上運往該生產設備的在制品重調度到其它可用的并行生產設備；

（4）設備上線/下線自適應：生產設備下線后，輸送線上運往該生產設備的在制品重調度到其它可用的并行生產設備；

（5）手動規劃自適應：可接受手動調度目標點，并自動消解路徑沖突；

（6）批次控制：生產設備批次切換時，完成舊批次清場并進入下一工序的生產設備后，再調度新批次在制品，確保兩個批次的在制品不混批；

（7）電子地圖：以“電子地圖”呈現整個車間狀態，對生產設備上線狀態、重要交互信號以及所有設備重要參數和報警信息進行實時動態顯示；

（8）基于電子標簽的信息追溯：通過電子標簽，記錄每個在制品托盤經過的生產設備編號、進入時間、離開時間等，實現全流程追溯。

5 效益分析

海得控制研發的智能車間生產物流調度系統，實現了智能制造和智能物流的集成，為制造企業智能制造和智能物流整合提供了理想解決方案，提升制造企業的生產效率和物流效率。 

生產模式由人工操控設備和在制品轉向操控智能調度中心，生產流程規范可控、車間生產人員的體力勞動強度降到最低；

系統自動確保生產不混批，實現全流程追溯；

提升物流效率，減少生產設備斷供，提高設備利用率；

優化物流路徑，減少物流運輸成本；

整體優化車間生產效率和物流效率，提高車間產能。

摘自《自動化博覽》2018年7月刊