基于物聯網的生產單元智能調度與控制技術研究

郭慶峰 張帥 張菲 高阿曼 任超

[摘 要]在制造業中深入應用的新一代信息技術，提高了各行業生產單元的生產能力。基于此，文章主要探究了物聯網技術在生產單元智能調度與控制中的應用，通過分析多品種、小批量產品特點的生產過程業務需求，提出構建基于物聯網的智能調度與控制系統總體架構的對策，并對智能調度與控制實現過程中的關鍵技術展開研究，實現產品在生產單元中的柔性混線生產。

[關鍵詞]物聯網;調度與控制;總體架構

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.24.052

[中圖分類號]F270.7[文獻標識碼]A[文章編號]1673-0194（2020）24-0-03

0? ? ?引 言

目前，新一代信息技術（物聯網、大數據、CPS、云計算等）與制造業深度融合，在零件加工、產品裝配、熱處理等環節廣泛應用。各個國家紛紛提出了各自先進的制造發展戰略，如美國的“國家制造創新網絡”、德國的“工業4.0”、中國的“中國制造2025”等，都將智能制造作為突破口，爭相在新一輪工業革命進程中占得先機。生產單元是一種適用于多品種、小批量零部件進行混線生產的生產組織模式，是構建智能生產系統要素的最小單元，支持生產系統智能化運行。隨著生產裝備水平的提高，工業機器人、數控機床、3D打印機、智能工裝夾具被廣泛應用在生產制造中。但是，在智能制造的實踐過程中，設備間數據不能共享，設備孤島直接限制了生產力的進一步提高，必須通過設備間更高效的協同提升生產單元的生產能力，所以，利用先進的傳感、組網、通訊等物聯網技術實現設備的互聯互通十分必要。基于物聯網的生產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，通常由工業機器人、自動導引運輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）、智能貨柜、可編程數控設備、柔性工裝夾具等組成，全自動的生產裝備為提升生產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境中，如何在生產過程中智能調度與控制生產活動、制造資源成為必須突破的難題。

1? ? ?物聯網技術

物聯網技術是在信息技術和互聯網基礎上發展而來的，利用無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、傳感器、通信等技術手段將人與物、物與物相連接，實現萬物互聯和信息共享。目前，物聯網的應用越來越多，特別是在智慧醫院、智慧交通、智慧農業等領域，都取得了較好的成績。隨著高端自動化裝備在制造業逐漸普及和智能制造的深入推進，如何采集設備數據、如何進行數據傳輸等成為相關企業必須解決的問題。傳感器能將生產單元中的物理信號轉為模擬信號，然后通過數據采集卡、D/A轉換模塊將模擬信號轉為數字信號。以數控機加場景為例，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、在數控機床中增加探頭檢測零件加工粗糙度等。同時，由于設備終端用戶對設備監控的需求越來越強烈，需要設備廠商通過以太網、串口等形式給各類信息化系統提供設備運行數據。采集到的設備運行數據主要通過生產單元的工業網絡和可靠的通信協議進行數據傳輸。對于生產單元中不具備以太網通信功能的設備，需要進行設備聯網改造，然后通過主控可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、工業交換機等工業網絡設施把生產設備相連接，形成數據傳輸的物理通道。通信協議是網絡通信中的通用語言，通信雙方必須使用相同的協議，兩者才能正確解析語義、語法，得到正確的數據。在生產工業網絡中，使用比較普遍的通信協議有Modbus、PROFIBUS-DP、PROFINET、TCP/IP、OPC UA等。近年來，國內外學者對物聯網技術在生產過程中的應用進行研究，其中，田強總結了物聯網的4項關鍵技術，探討了物聯網技術在工業自動化中的應用前景;劉巧媚研究了物聯網技術在船舶制造過程中的供應鏈和物流管理、生產制造管理、安全生產管理方面的應用;張旭研究了物聯網在醫療領域的應用前景，并提出構建醫院信息系統體系的框架，為深入應用物聯網技術奠定基礎。

2? ? ?智能調度與控制系統總體架構

在傳統流水線作業或手工作業的生產組織模式下，重點是如何充分利用自動化裝備降低工人勞動強度、提高零件批量生產的生產效率，一般適用于產品固定、流程固定、節拍固定的零件生產，但是當出現異常事件時，由于生產線過于剛性，生產單位只能通過停線的方式進行人工干預，并在信息系統中采用人工采集的方式記錄業務關鍵環節的數據，由調度員完成制造資源調度工作。智能生產單元處于無人值守的全自動化運行環境中，需要調度與控制系統智能地給生產設備分派生產任務，當出現故障時，智能調度生產活動，保證生產連續、穩定運行，且通過指令直接驅動生產設備。在對業務場景分解、研究的基礎上，本研究構建了如圖1所示的智能調度與控制系統總體架構。

智能調度與控制系統由管理模塊、調度模塊、通訊層3部分組成。其中，管理模塊部署在服務器，用戶可以通過瀏覽器進行訪問，用于維護基礎數據、獲取生產單元運行數據、展示生產任務統計結果等。調度模塊是后臺實時運行的應用程序，實時接收管理模塊下達的生產任務、監測生產任務執行進度、調度制造資源執行加工任務，是系統的核心模塊。通訊層是系統與各型設備數據交互的橋梁和紐帶，為系統的正常運行提供數據采集、狀態反饋、指令下發、故障預警等基礎支撐服務。

3? ? ?智能調度與控制關鍵技術

智能生產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度與控制系統的驅動下，有序進行各項生產活動，以生產出符合質量要求的零部件。但零件的生產過程不是一成不變的，經常出現緊急插單、設備故障、檢驗結果不合格等特殊情況，無法確定零件生產過程中的零件類型、設備狀態、生產進度等，從而引起資源沖突、工藝路線變化等問題。當生產單元中出現零件加工質量不達標、設備損壞、缺料等異常事件時，系統必須根據實時數據自動識別異常事件，并根據事件類型進行智能處理，以免訂單延期。當待生產的零件類型與在生產的零件類型不相同時，系統必須在零件生產過程中自動識別零件類型，并根據零件的工藝參數、工藝過程、檢驗標準等智能控制設備進行生產活動。多個零件在生產單元并行生產，可能出現多個零件需要使用同一臺設備或者一個零件需要從多個相同設備中選擇一臺進行加工的情況，系統必須具備智能調度的能力，以持續開展零件加工工作。因此，生產單元的智能調度與控制就要在各種不確定性情況下對零件生產活動進行智能調度，并通過指令直接驅動設備運轉。為了實現上述目標，生產單元的智能調度與控制的關鍵技術主要包括數據編碼、生產活動控制模型、調度模型3部分。

3.1? ?數據編碼

基礎數據是實現智能化應用的基礎，為了實現生產單元的調度與控制，首先就要對生產過程中的生產活動、監測數據、數據采集項進行定義。在傳統的流水線作業或手工作業環境中，不需要定義生產活動或者只需要把生產活動定義到工序/工步中，生產活動按照一定的編碼規則即可定義零件生產過程，但是在智能生產單元中，生產活動需要定義到最小可調度活動的顆粒度，需要控制的生產活動數量會成倍增加，本文提出基于C編碼/M編碼的統一編碼規則。最小可調度活動的控制指令由指令編碼、指令執行設備、指令參數確定，其中，控制指令編碼按照C-XX-YYY進行統一編碼，C是Control的縮寫，XX代表設備類別，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備類別的控制指令，當指令執行設備確定時，就表示對某一臺設備的控制指令，從01開始編碼;YYY用于區分對同一類設備的多條控制指令，從001開始編碼，例如，C01001可以作為庫存類設備的出庫指令。對于XX對應哪種設備類型、YYY對應該設備的哪條指令，則由編碼人員確定。監測數據是對數據采集項的標識規范，由監測編碼、監測設備、監測數值唯一確定一個數據采集項，其中，監測編碼按照M-XX-YYY進行統一編碼，M是Monitor的縮寫，XX代表需要進行采集的某類設備，XX從01開始編碼;YYY用于區分同一個設備類中的不同采集點，從001開始編碼，例如，M01001可以作為數控機床的安全門打開狀態的數據采集點。對于XX對應哪種設備類型應該按照指令編碼分類，如果YYY對應的設備采集點是某個活動的完成狀態，則需要監測編碼中YYY與指令編碼中的YYY保持一致。

3.2? ?生產活動控制模型

零件在智能生產單元中的生產過程由若干生產活動組成，每個生產活動都對應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單元進行混線生產的本質是對生產活動進行智能控制。基于此，本研究構建了如圖2所示的生產活動控制模型，主要為了指導智能調度與控制系統調度模塊的開發工作。

在零件工藝流程中定義了生產過程由哪些生產活動組成和生產活動間的串并行關系，根據下達的生產訂單，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測數據項作為觸發條件或者完成條件，通過實時對比設備數據采集項和控制指令的觸發條件，可以確定哪個指令可以進入待執行指令集合。由于生產線會同時生產多種類型零件，會出現有多個待執行指令將要使用同一臺設備或者一個待執行指令可以在多臺設備執行的情況，這時需要根據調度規則模型進一步篩選，得到唯一可執行的控制指令驅動生產單元中的設備。

4? ? 結 語

本文研究了物聯網技術在生產單元智能調度與控制中的應用，論述了物聯網技術的應用現狀，在業務需求分析的基礎上構建了由管理、調度、通信組成的智能調度與控制系統總體架構，并分別研究了數據編碼、生產活動控制模型、調度模型3項關鍵技術，進而確保生產單元實現智能調度和有效控制。

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