1引言

以互聯網技(jì)術(shù)為(wèi)代表的(de)新技(jì)術(shù)革命給社會(huì)衆多(duō)産業(yè)帶來(lái)了(le)‍深刻變革，制(zhì)造業(yè)的(de)變革也(yě)越來(lái)越清晰地(dì)展現(xiàn)出來(lái)。為(÷wèi)迎接新一(yī)輪科(kē)技(jì)革命和(hé)産業(yè)變革，2013年(nián)，德國(guó)三大(dà)協會(huì)ZVEI、VDMA和(hé)BITCOM在漢諾威工(gōng)業(yè)展÷上(shàng)成立工(gōng)業(yè)4.0聯盟，提出建設“信息物(wù)理(lǐ)系統”，積極布局“智能 (néng)工(gōng)廠(chǎng)”。2015年(nián)中國(guó)發布《中國(guó)制(zhì)造2025》，部署推進實施制(zhì)造強國(guó)戰略，φ提出以推進信息化(huà)和(hé)工(gōng)業(yè)化(huà)深度融合為(wèi)主線，大(dà)力發展智能(néng)制(zhì)造。

智能(néng)制(zhì)造以智能(néng)車(chē)間(jiān)為(wèi)載體(tǐ)，在設計(jì)、供應、制(zhì)造和(hé)服務各環節實現(xiàn)端到(dào)端無¶縫協作(zuò)。智能(néng)物(wù)流可(kě)以感知(zhī)、思維、推理(lǐ)、路(lù)徑規劃和(hé)決策等，是(shì)↑連接供應鏈和(hé)制(zhì)造的(de)重要(yào)環節，也(yě)是(shì)打造智能(néng)工(gōng) 廠(chǎng)的(de)基石。當前，智能(néng)制(zhì)造和(hé)智能(néng)物(wù)流正處于整合過程中，以使企業(yè)打造更加高(gāo)效、靈活的(de)産業(yè)鏈。未來(lái)，智能(néng)物(wù)流将融入智能(néng)制(zhì)造工$(gōng)藝流程，智能(néng)工(gōng)廠(chǎng)的(de)物(wù)流控制(zhì)♠系統将負責生(shēng)産設備和(hé)被處理(lǐ)對(duì)象的(de)銜接工(gōng)作(zuò)，在系統中起著(zhe)承上(shàng)啓下(xià)的(de)作(z₩uò)用(yòng)。漢諾威工(gōng)業(yè)博覽會(huì)(HANNOVER MESSE)從(cóng)2018年(nián)開(kāi)始将與世界領先的(de)內(nèi)部物(wù)流貿易展—漢諾威國(guó)際物(wù)流展覽會(huì)(CeMAT)共同舉辦，也(yě)反映了(le)智能(néng)制(zhì)造和(hé)智能(néng)物(wù)流共同發展，最終實現®(xiàn)有(yǒu)效融合這(zhè)一(yī)行(xíng)業(yè)趨勢。

如(rú)何管控制(zhì)造和(hé)物(wù)流的(de)複雜(zá)流程，協同生(shēng)産調度和(hé)物(wù)流調度，以實現(xiàn)智能(néng)制(zhì)造和(hé)智能(néng)物(wù)流的(de)集成是(shì)柔性智能(néng)車(chē)間(jiān)面臨的(de)一"(yī)個(gè)重大(dà)挑戰。針對(duì)這(zhè)個(gè)問(wèn)題，海(hǎi)得(de)控制(zhì)研發了(le)柔性智能(néng)車(chē)間(jiān)生(shēng)産物(wù)流調度系統，實現(xiàn)了(le)智₽能(néng)制(zhì)造和(hé)智能(néng)物(wù)流的(de)“無縫集成”。該系統已在某口服液生(shēng)産企業(yè)實現(xiàn)了(le)示範應用(yòng)，是(shì)國(guó)內(nèi)制(zhì)藥行(xíng)業(yè)第一(yī)個ε(gè)柔性智能(néng)車(chē)間(jiān)生(shēng)産物(wù)流調度系統項目，已于2017年(nián)5月(yuè)投産。目前海(hǎi)得(de)控制(zhì)正在進行(xíng)柔性智能(néng)車(chē)間(jiān)生(shēng)産物(wù)流調度方案1→N的(de)複制(zhì)，正在開(kāi)發實施的(de)有(yǒu)兩個(gè)。

2柔性智能(néng)車(chē)間(jiān)管控的(de)問(wèn)題和(hé)痛點

柔性智能(néng)車(chē)間(jiān)管控面臨的(de)共性問(wèn)題和(hé)痛點，包括四個(gè)方面，效益‌提升、調度複雜(zá)、柔性适應和(hé)故障處置等，如(rú)圖1所示。

n 效益提升

柔性智能(néng)車(chē)間(jiān)對(duì)于生(shēng)産性能(néng)提出了(le)更高(gāo)的(de)要(yào)求，其中進一(yī₽)步提高(gāo)資源利用(yòng)率，實現(xiàn)設備負載均衡，縮短(duǎn)生(shēng)産周期是(shì)提→高(gāo)柔性智能(néng)車(chē)間(jiān)生(shēng)産管控水(shuǐ)平，提升智能(néng)車(c®hē)間(jiān)綜合效益的(de)主要(yào)目标。

n 調度複雜(zá)

管控生(shēng)産和(hé)物(wù)流的(de)複雜(zá)流程，協同生(shēng)産調度和(hé)物(wù)流調度，以實現(xiàn)智能(néng☆)生(shēng)産和(hé)智能(néng)物(wù)流的(de)“無縫對(duì)接”是(shì)實現(xiàn)柔性智能(néng)車(chē≈)間(jiān)的(de)一(yī)大(dà)挑戰。其中路(lù)徑沖突消解，最短(duǎn)路(lù)徑規劃，物(wù•)料不(bù)斷供，産品品種和(hé)批次嚴格區(qū)分(fēn)、确保不(bù)混批，規範生(shēng)産操作±(zuò)流程，進行(xíng)生(shēng)産數(shù)據全流程追溯等複雜(zá)調度需求是(shì)實φ現(xiàn)生(shēng)産調度和(hé)物(wù)流調度系統的(de)基礎。

n 柔性适應

柔性智能(néng)車(chē)間(jiān)相(xiàng)對(duì)于傳統自(zì)動化(huà)車(chē)間(∞jiān)，需要(yào)面對(duì)和(hé)适應更多(duō)的(de)柔性。其中設備柔性允許生(shēng)産多(duō)個(gè)産品和(hé)不(bù)同批次規格，并行(xíng)工↕(gōng)位的(de)存在增加了(le)路(lù)徑規劃和(hé)控制(zhì)指令的(de)柔性。對(duì)于設備上(shàn​g)線和(hé)下(xià)線、無序狀态下(xià)啓動等系統也(yě)需具備适應能(néng)力。另外(wài)，還(hái)需具備人(rén₽)機(jī)交互和(hé)人(rén)工(gōng)參與調度的(de)适應能(néng)力。系統隻有(yǒu)具備了(le)這(zhè)些(xiē)柔性适應能(né★ng)力，才能(néng)發揮柔性智能(néng)車(chē)間(jiān)柔性特征的(de)優勢，進而提升智能(néng)車(chē)間(jiān)的(de)綜合效益。₽

n 故障處置

柔性智能(néng)車(chē)間(jiān)要(yào)求故障處置更加智能(néng)。對(duì)于設備故障，系統需适應設備故障，實現(xiàn)重調

度，信号安全複位、狀态還(hái)原、在制(zhì)品異常處置流程等；對(duì)于輥道(dào)故障，系統需自(zì)動計(jì)算(suàn)路(lù)徑可(kě)達性，實現(xiàn)重調度等；對(duì)于AGV/RGV故障，系統需實現(xiàn)故障AGV/RGV自(zì)動退出，與備用(yòng)AGV/RGV自(zì)動引入等。

 

圖1 柔性智能(néng)車(chē)間(jiān)的(de)共性問(wèn)題和(hé)痛點

3柔性智能(néng)車(chē)間(jiān)生(shēng)産物(wù)流系統方案簡介

3.1系統架構

柔性智能(néng)車(chē)間(jiān)生(shēng)産物(wù)流調度方案采用(yòng)三層系統架構：調度層、監控層和★(hé)執行(xíng)層。如(rú)圖2-1所示，其中調度層進行(xíng)生(shēng)産調度、路(lù)徑規劃和(hé)指令解析等，下(xià)發生(shēng)産和(hé)運輸任務到(dào)PLC執行(xíng)層；執行(xíng)層接收來(lái)自(zì)調度層的(de)任務，将在制(zhì)品從(cóng)起點運往終點；監控層負責數(shù)據的(de)采集和(hé)傳輸，同時(shí)對(duì)生(shēng)産物(wù)流系統進行(xíng)動¥态監控。其中生(shēng)産和(hé)物(wù)流調度是(shì)調度系統的(de)核心模塊，其計(jì)算(suàn)引擎框架如(rú )圖2-2所示。

 

2-1調度系統架構          φ          2-2計(jì)算(suàn)引擎框架

圖2 系統架構

3.2關鍵技(jì)術(shù)

柔性智能(néng)車(chē)間(jiān)生(shēng)産物(wù)流調度的(de)系統的(de)關鍵技(jì)術(shù)包括車(chē)間(jiān)生(shēng)産調度理(lǐ)論和(hé)模型、生(shēng)産調度方法、基✘于單節輥道(dào)控制(zhì)的(de)輥道(dào)控制(zhì)方法、多(duō)AGV/RGV調度方法、緩沖區(qū)動态構建方法、設備故障/下(xià)線/上(shàng)線自(zì)适應方法、批次約束滿足算(suàn)法和(hé)手動規劃自(zì)适應方法等。

n 車(chē)間(jiān)生(shēng)産和(hé)物(wù)流模型

基于圖論和(hé)擴展的(de)事(shì)件(jiàn)驅動過程鏈，對(duì)智能(néng)車(chē)間(jiān)的(de)生(shēng)産、物(wù)流進•行(xíng)建模，包括設備元素、物(wù)流元素、載運工(gōng)具元素、人(rén)員(yuán)元素、邏輯元素等，建立起多(duō)維度多(duō)視(shì)圖的(de)集成模型☆，全方位認識車(chē)間(jiān)生(shēng)産和(hé)物(wù)流狀況，為(wèi)生(shēng)産調度↕和(hé)物(wù)流調度提供模型和(hé)數(shù)據支持。

n 生(shēng)産調度方法

基于約束理(lǐ)論和(hé)拉式生(shēng)産等生(shēng)産調度思想，考慮各個(gè)工☆(gōng)序生(shēng)産節拍(pāi)，提出适合智能(néng)車(chē)間(jiān)的(de)生(shēng)産調度方法。采用(yò¶ng)動态實時(shí)調度方法和(hé)動态重調度方法，結合動态規劃模型，針對(duì)智能(néng)車(chē)間(jiān)生(shēng)産調度需求，進行(xíng)生(shēng)産任務•最優指派。

n 基于單節輥道(dào)控制(zhì)的(de)柔性輥道(dào)控制(zhì)方法

針對(duì)輥道(dào)運輸場(chǎng)景，為(wèi)提高(gāo)運輸系統的(de)靈活性，采Ω用(yòng)基于單節輥道(dào)控制(zhì)的(de)方法，即每個(gè)運輸任務通(tōng)過路(lù)徑規劃和(hé)指令解析模塊，給出其所有(yǒu)的(de)指令序列，交由PLC執行(xíng)模塊執行(xíng)，且在上(shàng)層避免路(lù)徑沖突。該方法可(kě)以靈活實現(xiàn)各種調度和(hé)運輸需求。

n 多(duō)AGV/RGV調度方法

多(duō)AGV/RGV調度的(de)主要(yào)目标是(shì)提高(gāo)AGV/RGV利用(yòng)率和(hé)縮短(duǎn)運輸距離(lí)，主要(yào)難點是(shì)路(lù)徑沖突避免和(hé)死鎖避免問(wèn)題。面向不(bù)同應用(yòn'g)場(chǎng)景，采用(yòng)基于圖論、移動閉塞技(jì)術(shù)、動态時(shí)間(jiān)窗(chuāng)方法、Dijkstra算(suàn)法和(hé)A*算(suàn)法等解決沖突和(hé)死鎖問(wèn)題。

n 緩沖區(qū)動态構建方法

針對(duì)需要(yào)在制(zhì)品托盤的(de)生(shēng)産設備，動态建立和(hé)維​護在制(zhì)品托盤的(de)緩沖區(qū)，任意狀态和(hé)任意時(shí)刻，均能(néng)實現(xiàn)γ在制(zhì)品托盤的(de)合理(lǐ)、及時(shí)供應，确保不(bù)斷供，不(bù)擁堵。

n 設備故障/下(xià)線/上(shàng)線自(zì)适應方法

設備故障時(shí)，對(duì)相(xiàng)關在制(zhì)品進行(xíng)重調度；同時(shí)增加系統的(de)适應能(néng)力，允許設備下(xià)線，脫離↕(lí)系統自(zì)行(xíng)維修；設備上(shàng)線時(shí)，系統自(zì)動接納設備進入♠。

n 批次約束滿足算(suàn)法

針對(duì)批次約束要(yào)求嚴格的(de)智能(néng)車(chē)間(jiān)，将批次約束加λ入生(shēng)産調度和(hé)物(wù)流調度中，确保滿足批次切換時(shí)新舊(jiù)批次分(fēn)割、混批生(shēng)産時(shí)确保批次分(fēn)離(lí)等。

n 手動規劃自(zì)适應方法

針對(duì)用(yòng)戶人(rén)工(gōng)幹預需求，增加系統适應能(néng)力，允許在系統自(zì)動運行(xíng)過程中，人(rén)£工(gōng)進行(xíng)生(shēng)産任務指派、路(lù)徑規劃等，并自(zì)動規避路(lù)徑沖突、實現(xiàn)負載均衡。

3.3創新點

柔性智能(néng)車(chē)間(jiān)生(shēng)産物(wù)流調度系統實現(xiàn)了(le)智能(néng)生(shēng)産和(hé)智能(±néng)物(wù)流的(de)集成，與傳統制(zhì)造車(chē)間(jiān)的(de)生(shēng)産和(hé)物(wù)流功能(néng)相(xiàng)比，主要(yào)實現(xiàn)的(de)創新功能(néng)包括：

n 緩沖區(qū)動态調度

為(wèi)避免在制(zhì)品托盤斷供，距離(lí)在制(zhì)品托盤入口較遠(yuǎn)的(de)生(shēng)産設備動态建立緩沖區(qū)，确保在制(zhì)品托盤及時(shí)供應和(hé)均衡分(fēn)配。

n 路(lù)徑沖突重調度

在制(zhì)品在路(lù)徑上(shàng)産生(shēng)路(lù)徑沖突時(shí)，可(kě)對(duì)相(xiàn÷g)關在制(zhì)品進行(xíng)自(zì)動重調度，以消解沖突，避免死鎖狀态。

n 設備故障自(zì)适應

需要(yào)托盤的(de)生(shēng)産設備故障後，不(bù)再對(duì)其供應托盤；其它生(shēng)産設備故障後，運往該生(shēng)産設備的(de)在制(zhì)品将重調度到(dào)其它可(kě)用(yòng)的(de)并行(xíng)生(shēng)産設備。

n 設備上(shàng)線/下(xià)線自(zì)适應

生(shēng)産設備下(xià)線後，運往該生(shēng)産設備的(de)在制(zhì)品重調度到(dào)其它可(kě)用(yòng)的(de)并行(xíng)生(shēng)産設備。生(shēng)産設備上(shàng)線後，系統會(huì)根據設備生(shēng)産範圍、負載均衡等調度在制↕(zhì)品到(dào)該設備進行(xíng)生(shēng)産。

n 手動規劃自(zì)适應

可(kě)接受手動調度目标點，并自(zì)動進行(xíng)路(lù)徑規劃，并消解路(lù)徑沖突。

n 批次控制(zhì)

生(shēng)産設備批次切換時(shí)，完成舊(jiù)批次清場(chǎng)并進入下(xià)一(yī)工(gōng)序的(de)生(shēng)産設備後，再調度新批次在制(zhì)品，确保兩個(gè)批次的(de)在制(zhì)品嚴格區(qū)分(fēn)、不(bù)混批。

n 電(diàn)子(zǐ)地(dì)圖：

以“電(diàn)子(zǐ)地(dì)圖”呈現(xiàn)整個(gè)車(chē)間(jiān)狀态，對(duì)生(shēng)産設備上(shàng)線狀态、重要(yào)交互信号以及所有(yǒu)設備重

要(yào)參數(shù)和(hé)報(bào)警信息進行(xíng)實時(shí)動态顯示。

n 基于電(diàn)子(zǐ)标簽的(de)信息追溯

通(tōng)過電(diàn)子(zǐ)标簽，可(kě)記錄每個(gè)在制(zhì)品經過的(de)生(shēng)産設備編号、進入時(shí)間(jiān)、離(lí)開(kāi)時(shí)間(jiān)等，實

現(xiàn)全流程追溯。

4案例與效益分(fēn)析

4.1案例

n 案例1：某口服液企業(yè)（營口）滅菌柔性智能(néng)車(chē)間(jiān)生(shēng)産物(wù)流調度系統 

該智能(néng)車(chē)間(jiān)作(zuò)為(wèi)國(guó)內(nèi)制(zhì•)藥行(xíng)業(yè)第1個(gè)柔性智能(néng)車(chē)間(jiān)，已于2017年(nián)5月(yuè)投産←，海(hǎi)得(de)提供的(de)生(shēng)産物(wù)流調度系統目前運行(xíng)穩定。

 

3-1智能(néng)車(chē)間(jiān)操控室              &'nbsp;     3-2智能(néng)車(chē)間(jiān)電(diàn)子(zǐ)地(dì)圖

 

3-3手動規劃和(hé)任務管理(lǐ)               & nbsp;    3-4調度任務監視(shì)

圖3 案例1圖示

n 案例2：某口服液企業(yè)（新會(huì)）柔性智能(néng)車(chē)間(jiān)生(shēng)産物(wù)流調度系統

 

4-1智能(néng)車(chē)間(jiān)調度中心         '           4-2智能(néng)車(chē)間(jiān)電(diàn)子(zǐ)地(dì)圖

圖4 案例2圖示

4.2效益分(fēn)析

海(hǎi)得(de)控制(zhì)研發的(de)柔性智能(néng)車(chē)間(jiān)生(shēng)産物(wù)流調度系統，實現"(xiàn)了(le)智能(néng)制(zhì)造和(hé)智能(néng)物(wù)流的(de)“無縫集成”，為(wèi)制(zhì)造企業(yè)智能(néng)制(zhì)造和(hé)智能(néng)物(wù)流整合提供了(☆le)理(lǐ)想解決方案，提升了(le)制(zhì)造企業(yè)的(de)整體(tǐ)效益。主要(yào)包括：

n 生(shēng)産模式由人(rén)工(gōng)操控設備和(hé)在制(zhì)品轉向操控智能(néng)調度中心，生(shēng)産流程規範可(kě)控、 車(chē)間(jiān)生(shēng)産人(rén)員(yuán)的(de)體(tǐ)力勞動強度降到(dào)最低(dī)。

n 系統自(zì)動确保生(shēng)産不(bù)混批，實現(xiàn)全流程追溯。

n 優化(huà)物(wù)流路(lù)徑，提升物(wù)流效率，減少(shǎo)物(wù)流運輸成本，減少(shǎo)生(shēng)産設備斷供。

n 優化(huà)計(jì)劃排産，提高(gāo)設備利用(yòng)率，縮短(duǎn)生(shēng)産周期÷，提高(gāo)車(chē)間(jiān)産能(néng)。