一種筒子紗染色離散自動生產線物流調度系統介紹

靳云發，楊萬然，王紹宗，張 倩

（1.先進成形技術與裝備國家重點實驗室，北京 100083；2.北京機科國創輕量化科學研究院有限公司，北京 100083）

0 引言

筒子紗染色是高檔色織面料的基礎，是色織行業的重要工序[1]。我國筒子紗染色企業年染紗1000多萬噸，85%以上的色織用紗線通過筒子紗染色加工[2]。傳統染色屬于勞動密集型、工作環境惡劣行業，生產中過程中，存在較多技術含量不高的重復體力勞動，筒子紗染色也不例外?！坝霉せ摹钡某霈F、用工成本的快速上升、人工操作容易造成產品質量不穩定等原因，倒逼染色企業轉型升級，用自動化、智能化的生產線替代人工操作。

根據生產工藝和設備布局的特點，本文介紹的生產線是用不同的生產工序替代傳統離散物流生產線中部件裝配和總裝配過程[3]，最后得到成品筒子紗的非典型離散物流生產線，它通過不同工藝過程執行設備的串聯和并聯完成復雜的柔性生產加工過程。柔性作業車間調度（FJSP）衍生機器分配問題和工序調度問題，從而使得其相對于經典車間調度問題（JSP）而言更加復雜[4]。因此，只有合理的組織生產物流活動才能夠發揮出最大的生產能力，否則再好的生產設備也不能順利的完成生產[5]。物流調度的主要工作內容包括實時監控生產的各個工作環節，及時的了解現場運行狀況，并且根據突發狀況制定應急措施[6]，通過傳感器直接信號采集、設備間的信息互聯互通，使物流調度系統實現生產數據在整個生產全流程可獲取，是實現生產線管理和物流調度的基礎，只有這樣才能實現任務隊列的實時動態管理、物流設備工作路徑指令的動態生成。

1 生產線物流調度策略及控制器選型

1）生產線調度策略

為了滿足生產節拍、提高生產線綜合效率，最大限度提高生產線產能，實現安全、高效、靈活的生產調度，系統執行了基于數據驅動、動態隊列和安全協同的物流調度策略，通過任務數據驅動原則、工位狀態安全原則、異級任務效率優先原則、同級任務先進先出原則來實現。

數據驅動原則。物流設備的任務隊列的產生、各個工位狀態是否正常都是通過分析包含工位傳感器數據、生產過程中生產物料的屬性數據來實現的。物流調度系統確保生產物資的屬性數據在生產流動過程中與生產物資動態匹配。

工位狀態安全原則。一個工位的生產物料屬性數據與該工位傳感器信號、該工位的功能設置不匹配時，系統觸發工位報警，并將有報警的工位實時從所有可能的任務隊列中清除，必須在排查清楚報警原因并正確處理后，物流設備才能執行與該工位相關的任務。

異級任務效率優先、同級任務先進先出原則。每個物流設備都執行多個工藝過程的物流轉運任務，每種工藝過程的物流轉運對應一級任務；每一個工藝過程有可能有多個任務同時存在。不同級的任務同時存在時，不同的執行順序生產線會有不同的生產效率；存在多個同級任務時，按照FIFO原則執行。

2）物流調度系統硬件選擇

要實現有效的物流調度，完成調度任務的控制器除了需要具備極高的工作穩定性；由于各個工位的物流屬性數據需要實時更新，現場執行設備、物流設備和緩存工位的狀態信息需要實時更新，各個任務隊列根據以上獲取的數據需要進行實時的更新和維護，根據實時任務隊列、執行設備和物流設備的狀態需要實時動態生成物流設備的工作任務路徑，需要同物流調度控制器進行數據通訊的設備多，生產線的物流調度程序的程序量大、邏輯運算量大，對物流調度控制器的性能提出了很高的要求。

工程中，我們選用了西門子S7-1500系列中CPU 1515-2PN作為物流調度控制器。該控制器CPU自帶顯示屏，方便進行IP地址等設置和診斷；工作存儲器可存儲500KB代碼和3MB數據，同時支持高達2GB的存儲卡，可存儲項目數據、歸檔、配方和相關文檔；位指令執行時間30ns；最高可多達108個通訊連接資源，通過Profinet與現場執行設備和物流設備通訊，實時獲取必要數據，動態生成物流設備需要執行的任務隊列和路徑指令，該控制器完全滿足工作需求。

同時，物流調度控制器還通過以太網與上位工控機通訊，進行狀態顯示和必要的操作，實現并通過工控機將生產線的可以生產數據備份到服務器中。

2 生產線布局和設備介紹

筒子紗染色車間主要包括紗籠上紗，紗籠紗柱裝壓鎖扣、紗籠進染缸染色、紗籠出染缸、紗籠卸鎖扣、色紗脫水、脫水后烘干幾個主要的工序。某日產60噸紗線染色車間生產線設備布局如圖1所示。

圖1 生產線布局示意圖

生產線中設備由三類構成：物流設備（RGV、自動天車統、擺渡車統稱）、緩存工位、工藝設備，編號如圖1所示，圖中僅對物流設備及其操作對象（緩存工位、工藝設備）進行了編號。設備統計信息如表1所示。

表1 生產線設備統計表

生產線現場實拍如圖2、圖3所示。

圖2 移載車工作區域現場局部圖

圖3 自動天車工作區域現場局部圖

3 物流設備調度的具體實現

結合生產線產能需求，自動化生產線布置了1臺擺渡車（工位編號120）、2臺RGV（工位編號100和200）、1臺自動天車（工位編號1000）實現物料及其載具的轉運。其中，擺渡車可縮短空紗籠轉運的路徑，提高運送效率；兩臺RGV的工作區域為染色平臺下的機器人工作區及相關緩存區域；自動天車的工作區域是染色機平臺及相關緩存區域。

下面，以工位編號100的裝紗區RGV移載車的物流調度過程為例，介紹生產線的物流調度實現。

1）路徑規劃

依據設備的功能和工位編號，做好路徑規劃是實現調度的前提。首先對RGV100移載車的路徑種類進行細分，并窮舉可能存在的7類工作路徑。為了執行異級任務效率優先原則，對各類路徑的優先級進行排序。對每一個可能的路徑進行編碼，一個完整的路徑包括起始工位號、目標工位號和路徑編碼。每類路徑數=起始工位數×目標工位數。

根據生產工藝，路徑類型及優先級（數值小的優先級高）如表2所示。

表2 RGV100路徑分類及優先級列表

2）工位數據規劃

要實施數據驅動原則，需要做好數據規劃。生產線數據，通過各個工位的數據來具體體現。合理、完整的工位數據是完成物流調度的前提。根據生產工藝情況，工位數據必須具備以下基本要素：

（1）生產任務具備唯一標識，即為每一紗籠的染色任務設定一個ID；

（2）生產過程中，存在工位復用的情況，每一個生產工藝過程必須具備唯一的標識，即為每一個工藝過程設定一個ID。比如，裝紗機械手正在向紗籠裝紗工藝過程ID為200，裝紗機械手向紗籠裝紗完成是工藝過程ID為210等；

（3）每一種物料狀態都有一種物料狀態ID。比如只有空托盤的物料ID為10，托盤+紗籠的物料ID為20等；

（4）具備必要的生產過程工藝數據，比如脫水機的脫水時間、脫水時執行的轉速等。

通過這些必要的數據，即使同一個ID的生產任務在同一個工位，但執行不同的生產工藝，物流調度系統也能進行可靠的甄別。

3）物流搬運路徑的生產

物流設備是否能夠產生、何時產生有效路徑、產生哪個路徑，是多個因素綜合作用的結果，以RGV100為例，可以用一個數學模型表示為：

R100=（S100，Pr，Q1…n，SB，SE）

式中，R100為RGV100路徑；S100為RGV100的狀態集；Pr為RGV100的隊列優先級規則；Q1…7為RGV100的7類路徑隊列；SB為可能的起始工位的狀態集合，SE為可能的目標工位的狀態集合。

當物流調度系統計算出有效的路徑時，將路徑發送給RGV100，RGV100按照自身的工作邏輯完成路徑任務，并反饋物流調度系統完成結果。

對于每一級任務隊列，都要實時動態更新。當系統檢測到某個工位的工位數據、傳感器信號和該工位的功用完全匹配時，該工位進入相應的任務對列。邏輯流程如圖4所示。

圖4 新任務入隊列邏輯流程圖

當某個隊列任務需要被執行時，按照FIFO原則。執行過的任務，需要從隊列里面清除，同時將隊列整體前推一個元素單位。通過如圖5邏輯流程來實現。

圖5 任務完成后出隊列邏輯流程圖

生產過程中，難免出現工位報警的情況。為落實工位狀態安全原則、避免生產事故，如果該工位已經進入了任務隊列，需要將該工位的任務從隊列中清除，從而實現調度系統對任務隊列的動態管理。該機制的引入，也為人工干預物流和物流數據提供了可能。從隊列中清除一個任務的邏輯流程如圖6所示。

圖6 隊列清除任務邏輯流程圖

4）特殊情況的處理

生產中，存在設備檢修、生產任務飽和度不夠、染色質量不達標等特殊情況。物流調度系統設計了生產線上的設備上自動線和下自動線的自動適應機制。設備下線時，物流調度系統在在進行任務路徑規劃計算時，該設備將不納入路徑規劃中去；對于排產靠后需要優先生產的，系統設計了人工干預機制：可以將相應的任務在隊列中前移，也可以人為給物流設備發送相應的工作路徑提前執行相關任務，執行完后相關的任務隊列自動實時自動更新。

盡管生產線染色一次符樣率很高，也不能完全避免質量不達標的出現，物流調度系統也對這種情況進行了充分考慮，處理方式是：將檢測不合格的紗籠調度到指定的紗籠緩存工位，當染缸呼叫重染后，再次進入正常的染色序列。該過程的處理邏輯流程圖如圖7所示。

4 結語

生產線調試完成并投入使用已經近1年的時間，取得了很好的社會經濟效益，完全滿足設計目標：生產線運行穩定，除巡視人員外，無需人工操作，極大降低了人員配置和人工勞動強度；杜絕了人工操作不規范導致的不良品等生產事故；極大改善了生產環境，提高了對企業招工對象特別是年輕技術工種吸引力。