1、引言

以互聯(lián)網(wǎng)技術為代表的新技術革命給社會眾多產業(yè)帶來了深刻變革，制造業(yè)的變革也越來越清晰地展現(xiàn)出來。為迎接新一輪科技革命和產業(yè)變革，2013年，德國三大協(xié)會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“信息物理系統(tǒng)”，積極布局“智能工廠”。2015年中國發(fā)布《中國制造2025》，部署推進實施制造強國戰(zhàn)略，提出以推進信息化和工業(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，在設計、供應、制造和服務各環(huán)節(jié)實現(xiàn)端到端無縫協(xié)作。智能物流可以感知、思維、推理、路徑規(guī)劃和決策等，是連接供應鏈和制造的重要環(huán)節(jié)，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，以使企業(yè)打造更加高效、靈活的產業(yè)鏈。未來，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)將負責生產設備和被處理對象的銜接工作，在系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。漢諾威工業(yè)博覽會(HANNOVER MESSE)從2018年開始將與世界領先的內部物流貿易展—漢諾威國際物流展覽會(CeMAT)共同舉辦，也反映了智能制造和智能物流共同發(fā)展，最終實現(xiàn)有效融合這一行業(yè)趨勢。

如何管控制造和物流的復雜流程，協(xié)同生產調度和物流調度，以實現(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重大挑戰(zhàn)。針對這個問題，海得控制研發(fā)了柔性智能車間生產物流調度系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能制造和智能物流的“無縫集成”。該系統(tǒng)已在某口服液生產企業(yè)實現(xiàn)了示范應用，是國內制藥行業(yè)第一個柔性智能車間生產物流調度系統(tǒng)項目，已于2017年5月投產。目前海得控制正在進行柔性智能車間生產物流調度方案1→N的復制，正在開發(fā)實施的有兩個。

2、柔性智能車間管控的問題和痛點

柔性智能車間管控面臨的共性問題和痛點，包括四個方面，效益提升、調度復雜、柔性適應和故障處置等，如圖1所示。

*效益提升

柔性智能車間對于生產性能提出了更高的要求，其中進一步提高資源利用率，實現(xiàn)設備負載均衡，縮短生產周期是提高柔性智能車間生產管控水平，提升智能車間綜合效益的主要目標。

*調度復雜

管控生產和物流的復雜流程，協(xié)同生產調度和物流調度，以實現(xiàn)智能生產和智能物流的“無縫對接”是實現(xiàn)柔性智能車間的一大挑戰(zhàn)。其中路徑沖突消解，最短路徑規(guī)劃，物料不斷供，產品品種和批次嚴格區(qū)分、確保不混批，規(guī)范生產操作流程，進行生產數(shù)據(jù)全流程追溯等復雜調度需求是實現(xiàn)生產調度和物流調度系統(tǒng)的基礎。

*柔性適應

柔性智能車間相對于傳統(tǒng)自動化車間，需要面對和適應更多的柔性。其中設備柔性允許生產多個產品和不同批次規(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。對于設備上線和下線、無序狀態(tài)下啟動等系統(tǒng)也需具備適應能力。另外，還需具備人機交互和人工參與調度的適應能力。系統(tǒng)只有具備了這些柔性適應能力，才能發(fā)揮柔性智能車間柔性特征的優(yōu)勢，進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。對于設備故障，系統(tǒng)需適應設備故障，實現(xiàn)重調度，信號安全復位、狀態(tài)還原、在制品異常處置流程等；對于輥道故障，系統(tǒng)需自動計算路徑可達性，實現(xiàn)重調度等；對于AGV/RGV故障，系統(tǒng)需實現(xiàn)故障AGV/RGV自動退出，與備用AGV/RGV自動引入等。

圖1 柔性智能車間的共性問題和痛點

3、柔性智能車間生產物流系統(tǒng)方案簡介

3.1系統(tǒng)架構

柔性智能車間生產物流調度方案采用三層系統(tǒng)架構：調度層、監(jiān)控層和執(zhí)行層。如圖2-1所示，其中調度層進行生產調度、路徑規(guī)劃和指令解析等，下發(fā)生產和運輸任務到PLC執(zhí)行層；執(zhí)行層接收來自調度層的任務，將在制品從起點運往終點；監(jiān)控層負責數(shù)據(jù)的采集和傳輸，同時對生產物流系統(tǒng)進行動態(tài)監(jiān)控。其中生產和物流調度是調度系統(tǒng)的核心模塊，其計算引擎框架如圖2-2所示。

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2-1調度系統(tǒng)架構

2-2計算引擎框架

圖2 系統(tǒng)架構

3.2關鍵技術

柔性智能車間生產物流調度的系統(tǒng)的關鍵技術包括車間生產調度理論和模型、生產調度方法、基于單節(jié)輥道控制的輥道控制方法、多AGV/RGV調度方法、緩沖區(qū)動態(tài)構建方法、設備故障/下線/上線自適應方法、批次約束滿足算法和手動規(guī)劃自適應方法等。

*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(shù)據(jù)支持。

*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(jié)拍，提出適合智能車間的生產調度方法。采用動態(tài)實時調度方法和動態(tài)重調度方法，結合動態(tài)規(guī)劃模型，針對智能車間生產調度需求，進行生產任務最優(yōu)指派。

*基于單節(jié)輥道控制的柔性輥道控制方法

針對輥道運輸場景，為提高運輸系統(tǒng)的靈活性，采用基于單節(jié)輥道控制的方法，即每個運輸任務通過路徑規(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，且在上層避免路徑沖突。該方法可以靈活實現(xiàn)各種調度和運輸需求。

*多AGV/RGV調度方法

多AGV/RGV調度的主要目標是提高AGV/RGV利用率和縮短運輸距離，主要難點是路徑沖突避免和死鎖避免問題。面向不同應用場景，采用基于圖論、移動閉塞技術、動態(tài)時間窗方法、Dijkstra算法和A*算法等解決沖突和死鎖問題。

*緩沖區(qū)動態(tài)構建方法

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

*設備故障/下線/上線自適應方法

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

*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。

*手動規(guī)劃自適應方法

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

3.3創(chuàng)新點

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

*緩沖區(qū)動態(tài)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(tài)建立緩沖區(qū)，確保在制品托盤及時供應和均衡分配。

*路徑沖突重調度

在制品在路徑上產生路徑沖突時，可對相關在制品進行自動重調度，以消解沖突，避免死鎖狀態(tài)。

*設備故障自適應

需要托盤的生產設備故障后，不再對其供應托盤；其它生產設備故障后，運往該生產設備的在制品將重調度到其它可用的并行生產設備。

*設備上線/下線自適應

生產設備下線后，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。生產設備上線后，系統(tǒng)會根據(jù)設備生產范圍、負載均衡等調度在制品到該設備進行生產。

*手動規(guī)劃自適應

接受手動調度目標點，并自動進行路徑規(guī)劃，并消解路徑沖突。

*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嚴格區(qū)分、不混批。

*電子地圖：

以“電子地圖”呈現(xiàn)整個車間狀態(tài)，對生產設備上線狀態(tài)、重要交互信號以及所有設備重

要參數(shù)和報警信息進行實時動態(tài)顯示。

*基于電子標簽的信息追溯

通過電子標簽，可記錄每個在制品經過的生產設備編號、進入時間、離開時間等，實現(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)（營口）滅菌柔性智能車間生產物流調度系統(tǒng)

該智能車間作為國內制藥行業(yè)第1個柔性智能車間，已于2017年5月投產，海得提供的生產物流調度系統(tǒng)目前運行穩(wěn)定。

3-1智能車間操控室

3-2智能車間電子地圖

3-3手動規(guī)劃和任務管理 

3-4調度任務監(jiān)視

圖3 案例1圖示

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

4-1智能車間調度中心 

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物流調度系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能制造和智能物流的“無縫集成”，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(guī)范可控、車間生產人員的體力勞動強度降到最低。

*系統(tǒng)自動確保生產不混批，實現(xiàn)全流程追溯。

*優(yōu)化物流路徑，提升物流效率，減少物流運輸成本，減少生產設備斷供。

*優(yōu)化計劃排產，提高設備利用率，縮短生產周期，提高車間產能。