1、引言

以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為代表的新技術(shù)革命給社會(huì)眾多產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了深刻變革，制造業(yè)的變革也越來(lái)越清晰地展現(xiàn)出來(lái)。為迎接新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，2013年，德國(guó)三大協(xié)會(huì)ZVEI、VDMA和BITCOM在漢諾威工業(yè)展上成立工業(yè)4.0聯(lián)盟，提出建設(shè)“信息物理系統(tǒng)”，積極布局“智能工廠”。2015年中國(guó)發(fā)布《中國(guó)制造2025》，部署推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，提出以推進(jìn)信息化和工業(yè)化深度融合為主線，大力發(fā)展智能制造。

智能制造以智能車間為載體，在設(shè)計(jì)、供應(yīng)、制造和服務(wù)各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)端到端無(wú)縫協(xié)作。智能物流可以感知、思維、推理、路徑規(guī)劃和決策等，是連接供應(yīng)鏈和制造的重要環(huán)節(jié)，也是打造智能工廠的基石。當(dāng)前，智能制造和智能物流正處于整合過(guò)程中，以使企業(yè)打造更加高效、靈活的產(chǎn)業(yè)鏈。未來(lái)，智能物流將融入智能制造工藝流程，智能工廠的物流控制系統(tǒng)將負(fù)責(zé)生產(chǎn)設(shè)備和被處理對(duì)象的銜接工作，在系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。漢諾威工業(yè)博覽會(huì)(HANNOVER MESSE)從2018年開(kāi)始將與世界領(lǐng)先的內(nèi)部物流貿(mào)易展—漢諾威國(guó)際物流展覽會(huì)(CeMAT)共同舉辦，也反映了智能制造和智能物流共同發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)有效融合這一行業(yè)趨勢(shì)。

如何管控制造和物流的復(fù)雜流程，協(xié)同生產(chǎn)調(diào)度和物流調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)智能制造和智能物流的集成是柔性智能車間面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，海得控制研發(fā)了柔性智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能制造和智能物流的“無(wú)縫集成”。該系統(tǒng)已在某口服液生產(chǎn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)了示范應(yīng)用，是國(guó)內(nèi)制藥行業(yè)第一個(gè)柔性智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)項(xiàng)目，已于2017年5月投產(chǎn)。目前海得控制正在進(jìn)行柔性智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度方案1→N的復(fù)制，正在開(kāi)發(fā)實(shí)施的有兩個(gè)。

2、柔性智能車間管控的問(wèn)題和痛點(diǎn)

柔性智能車間管控面臨的共性問(wèn)題和痛點(diǎn)，包括四個(gè)方面，效益提升、調(diào)度復(fù)雜、柔性適應(yīng)和故障處置等，如圖1所示。

*效益提升

柔性智能車間對(duì)于生產(chǎn)性能提出了更高的要求，其中進(jìn)一步提高資源利用率，實(shí)現(xiàn)設(shè)備負(fù)載均衡，縮短生產(chǎn)周期是提高柔性智能車間生產(chǎn)管控水平，提升智能車間綜合效益的主要目標(biāo)。

*調(diào)度復(fù)雜

管控生產(chǎn)和物流的復(fù)雜流程，協(xié)同生產(chǎn)調(diào)度和物流調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)和智能物流的“無(wú)縫對(duì)接”是實(shí)現(xiàn)柔性智能車間的一大挑戰(zhàn)。其中路徑?jīng)_突消解，最短路徑規(guī)劃，物料不斷供，產(chǎn)品品種和批次嚴(yán)格區(qū)分、確保不混批，規(guī)范生產(chǎn)操作流程，進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)全流程追溯等復(fù)雜調(diào)度需求是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度和物流調(diào)度系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

*柔性適應(yīng)

柔性智能車間相對(duì)于傳統(tǒng)自動(dòng)化車間，需要面對(duì)和適應(yīng)更多的柔性。其中設(shè)備柔性允許生產(chǎn)多個(gè)產(chǎn)品和不同批次規(guī)格，并行工位的存在增加了路徑規(guī)劃和控制指令的柔性。對(duì)于設(shè)備上線和下線、無(wú)序狀態(tài)下啟動(dòng)等系統(tǒng)也需具備適應(yīng)能力。另外，還需具備人機(jī)交互和人工參與調(diào)度的適應(yīng)能力。系統(tǒng)只有具備了這些柔性適應(yīng)能力，才能發(fā)揮柔性智能車間柔性特征的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而提升智能車間的綜合效益。

*故障處置

柔性智能車間要求故障處置更加智能。對(duì)于設(shè)備故障，系統(tǒng)需適應(yīng)設(shè)備故障，實(shí)現(xiàn)重調(diào)度，信號(hào)安全復(fù)位、狀態(tài)還原、在制品異常處置流程等；對(duì)于輥道故障，系統(tǒng)需自動(dòng)計(jì)算路徑可達(dá)性，實(shí)現(xiàn)重調(diào)度等；對(duì)于AGV/RGV故障，系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)故障AGV/RGV自動(dòng)退出，與備用AGV/RGV自動(dòng)引入等。

圖1 柔性智能車間的共性問(wèn)題和痛點(diǎn)

3、柔性智能車間生產(chǎn)物流系統(tǒng)方案簡(jiǎn)介

3.1系統(tǒng)架構(gòu)

柔性智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度方案采用三層系統(tǒng)架構(gòu)：調(diào)度層、監(jiān)控層和執(zhí)行層。如圖2-1所示，其中調(diào)度層進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度、路徑規(guī)劃和指令解析等，下發(fā)生產(chǎn)和運(yùn)輸任務(wù)到PLC執(zhí)行層；執(zhí)行層接收來(lái)自調(diào)度層的任務(wù)，將在制品從起點(diǎn)運(yùn)往終點(diǎn)；監(jiān)控層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)物流系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控。其中生產(chǎn)和物流調(diào)度是調(diào)度系統(tǒng)的核心模塊，其計(jì)算引擎框架如圖2-2所示。

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2-1調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)

2-2計(jì)算引擎框架

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

3.2關(guān)鍵技術(shù)

柔性智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度的系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括車間生產(chǎn)調(diào)度理論和模型、生產(chǎn)調(diào)度方法、基于單節(jié)輥道控制的輥道控制方法、多AGV/RGV調(diào)度方法、緩沖區(qū)動(dòng)態(tài)構(gòu)建方法、設(shè)備故障/下線/上線自適應(yīng)方法、批次約束滿足算法和手動(dòng)規(guī)劃自適應(yīng)方法等。

*車間生產(chǎn)和物流模型

基于圖論和擴(kuò)展的事件驅(qū)動(dòng)過(guò)程鏈，對(duì)智能車間的生產(chǎn)、物流進(jìn)行建模，包括設(shè)備元素、物流元素、載運(yùn)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(rèn)識(shí)車間生產(chǎn)和物流狀況，為生產(chǎn)調(diào)度和物流調(diào)度提供模型和數(shù)據(jù)支持。

*生產(chǎn)調(diào)度方法

基于約束理論和拉式生產(chǎn)等生產(chǎn)調(diào)度思想，考慮各個(gè)工序生產(chǎn)節(jié)拍，提出適合智能車間的生產(chǎn)調(diào)度方法。采用動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)度方法和動(dòng)態(tài)重調(diào)度方法，結(jié)合動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型，針對(duì)智能車間生產(chǎn)調(diào)度需求，進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)最優(yōu)指派。

*基于單節(jié)輥道控制的柔性輥道控制方法

針對(duì)輥道運(yùn)輸場(chǎng)景，為提高運(yùn)輸系統(tǒng)的靈活性，采用基于單節(jié)輥道控制的方法，即每個(gè)運(yùn)輸任務(wù)通過(guò)路徑規(guī)劃和指令解析模塊，給出其所有的指令序列，交由PLC執(zhí)行模塊執(zhí)行，且在上層避免路徑?jīng)_突。該方法可以靈活實(shí)現(xiàn)各種調(diào)度和運(yùn)輸需求。

*多AGV/RGV調(diào)度方法

多AGV/RGV調(diào)度的主要目標(biāo)是提高AGV/RGV利用率和縮短運(yùn)輸距離，主要難點(diǎn)是路徑?jīng)_突避免和死鎖避免問(wèn)題。面向不同應(yīng)用場(chǎng)景，采用基于圖論、移動(dòng)閉塞技術(shù)、動(dòng)態(tài)時(shí)間窗方法、Dijkstra算法和A*算法等解決沖突和死鎖問(wèn)題。

*緩沖區(qū)動(dòng)態(tài)構(gòu)建方法

針對(duì)需要在制品托盤的生產(chǎn)設(shè)備，動(dòng)態(tài)建立和維護(hù)在制品托盤的緩沖區(qū)，任意狀態(tài)和任意時(shí)刻，均能實(shí)現(xiàn)在制品托盤的合理、及時(shí)供應(yīng)，確保不斷供，不擁堵。

*設(shè)備故障/下線/上線自適應(yīng)方法

設(shè)備故障時(shí)，對(duì)相關(guān)在制品進(jìn)行重調(diào)度；同時(shí)增加系統(tǒng)的適應(yīng)能力，允許設(shè)備下線，脫離系統(tǒng)自行維修；設(shè)備上線時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)接納設(shè)備進(jìn)入。

*批次約束滿足算法

針對(duì)批次約束要求嚴(yán)格的智能車間，將批次約束加入生產(chǎn)調(diào)度和物流調(diào)度中，確保滿足批次切換時(shí)新舊批次分割、混批生產(chǎn)時(shí)確保批次分離等。

*手動(dòng)規(guī)劃自適應(yīng)方法

針對(duì)用戶人工干預(yù)需求，增加系統(tǒng)適應(yīng)能力，允許在系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，人工進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)指派、路徑規(guī)劃等，并自動(dòng)規(guī)避路徑?jīng)_突、實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

3.3創(chuàng)新點(diǎn)

柔性智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能生產(chǎn)和智能物流的集成，與傳統(tǒng)制造車間的生產(chǎn)和物流功能相比，主要實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新功能包括：

*緩沖區(qū)動(dòng)態(tài)調(diào)度

為避免在制品托盤斷供，距離在制品托盤入口較遠(yuǎn)的生產(chǎn)設(shè)備動(dòng)態(tài)建立緩沖區(qū)，確保在制品托盤及時(shí)供應(yīng)和均衡分配。

*路徑?jīng)_突重調(diào)度

在制品在路徑上產(chǎn)生路徑?jīng)_突時(shí)，可對(duì)相關(guān)在制品進(jìn)行自動(dòng)重調(diào)度，以消解沖突，避免死鎖狀態(tài)。

*設(shè)備故障自適應(yīng)

需要托盤的生產(chǎn)設(shè)備故障后，不再對(duì)其供應(yīng)托盤；其它生產(chǎn)設(shè)備故障后，運(yùn)往該生產(chǎn)設(shè)備的在制品將重調(diào)度到其它可用的并行生產(chǎn)設(shè)備。

*設(shè)備上線/下線自適應(yīng)

生產(chǎn)設(shè)備下線后，運(yùn)往該生產(chǎn)設(shè)備的在制品重調(diào)度到其它可用的并行生產(chǎn)設(shè)備。生產(chǎn)設(shè)備上線后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)備生產(chǎn)范圍、負(fù)載均衡等調(diào)度在制品到該設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。

*手動(dòng)規(guī)劃自適應(yīng)

接受手動(dòng)調(diào)度目標(biāo)點(diǎn)，并自動(dòng)進(jìn)行路徑規(guī)劃，并消解路徑?jīng)_突。

*批次控制

生產(chǎn)設(shè)備批次切換時(shí)，完成舊批次清場(chǎng)并進(jìn)入下一工序的生產(chǎn)設(shè)備后，再調(diào)度新批次在制品，確保兩個(gè)批次的在制品嚴(yán)格區(qū)分、不混批。

*電子地圖：

以“電子地圖”呈現(xiàn)整個(gè)車間狀態(tài)，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備上線狀態(tài)、重要交互信號(hào)以及所有設(shè)備重

要參數(shù)和報(bào)警信息進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。

*基于電子標(biāo)簽的信息追溯

通過(guò)電子標(biāo)簽，可記錄每個(gè)在制品經(jīng)過(guò)的生產(chǎn)設(shè)備編號(hào)、進(jìn)入時(shí)間、離開(kāi)時(shí)間等，實(shí)現(xiàn)全流程追溯。

4、案例與效益分析

4.1案例

*案例1：某口服液企業(yè)（營(yíng)口）滅菌柔性智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)

該智能車間作為國(guó)內(nèi)制藥行業(yè)第1個(gè)柔性智能車間，已于2017年5月投產(chǎn)，海得提供的生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)目前運(yùn)行穩(wěn)定。

3-1智能車間操控室

3-2智能車間電子地圖

3-3手動(dòng)規(guī)劃和任務(wù)管理 

3-4調(diào)度任務(wù)監(jiān)視

圖3 案例1圖示

*案例2：某口服液企業(yè)（新會(huì)）柔性智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)

4-1智能車間調(diào)度中心 

4-2智能車間電子地圖

圖4 案例2圖示

4.2效益分析

海得控制研發(fā)的柔性智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能制造和智能物流的“無(wú)縫集成”，為制造企業(yè)智能制造和智能物流整合提供了理想解決方案，提升了制造企業(yè)的整體效益。主要包括：

*生產(chǎn)模式由人工操控設(shè)備和在制品轉(zhuǎn)向操控智能調(diào)度中心，生產(chǎn)流程規(guī)范可控、車間生產(chǎn)人員的體力勞動(dòng)強(qiáng)度降到最低。

*系統(tǒng)自動(dòng)確保生產(chǎn)不混批，實(shí)現(xiàn)全流程追溯。

*優(yōu)化物流路徑，提升物流效率，減少物流運(yùn)輸成本，減少生產(chǎn)設(shè)備斷供。

*優(yōu)化計(jì)劃排產(chǎn)，提高設(shè)備利用率，縮短生產(chǎn)周期，提高車間產(chǎn)能。