基于物联网的智能车间生产物流调度系统解决方案

1 项目背景

物联网技术是制造业转型升级，实现智能制造的基础。在推动智能制造实施过程中，物联网正从工业领域的局部工序扩展到车间、工厂，从提质增效扩大到推动制造和物流业务模式的转变。智能制造以智能车间为载体，在设计、供应、制造和服务各环节实现端到端无缝协作。智能物流可以进行感知、思维、推理、路径规划和决策等，是连接智能之间供应和制造的重要环节，也是打造智能工厂的基石。当前，智能制造和智能物流正处于整合过程中，如何管理制造和物流的复杂流程，协同生产调度和物流调度，以实现智能制造和智能物流的集成是面临的一个重大挑战。

通过设备上装配传感器、RFID读写器和通信模块，输送线和RGV/AGV上安装传感器和通信模块等物联网技术，面向智能车间的自动生产调度和自动物流调度需求，海得控制研发了智能车间生产物流调度系统，实现了智能制造和智能物流的集成。该系统已在某口服液生产企业实现了示范应用，是国内制药行业第一个智能车间生产物流调度系统项目，该车间已于2017年5月投产。海得控制正在开发实施的第二个智能车间生产物流调度系统项目，预计2018年5月实施完成。

智能车间生产物流调度系统的目标与约束如图1所示。

其中目标包括三个方面：最大化资源利用率、最小化库存、最小化生产周期。由于这些目标之间存在冲突，不可能同时达到各个目标的最佳状态，因此需要在各个目标之间取得平衡。

除了以上三方面目标以外，还要满足智能车间的生产调度和物流调度需求，主要包括三方面特点和需求：柔性、多约束和变动性。

图1 智能车间生产物流调度系统的目标与约束

2 系统架构

基于物联网的智能车间生产物流调度方案采用三层系统架构：调度层、监控层和执行层。其中调度层进行生产调度、路径规划和指令解析等，下发生产和运输任务到PLC执行层;执行层接收来自调度层的任务，将在制品从起点运往终点;监控层负责数据的采集和传输，同时对生产物流系统进行动态监控。如图2所示。

图2 系统架构

3 关键技术

智能车间生产物流调度系统的关键技术包括车间生产调度理论和模型、生产调度方法、路径规划算法、基于单节辊道控制的辊道控制方法、AGV/RGV调度方法、缓冲区动态构建方法、故障重调度方法、批次约束满足算法等。

(1)车间生产和物流模型

基于图论和扩展的事件驱动过程链，对智能车间的生产、物流进行建模，包括设备元素、物流元素、载运工具元素、人员元素、逻辑元素等，建立起多维度多视图的集成模型，全方位认识车间生产和物流状况，为生产调度和物流调度提供模型和数据支持。

(2)生产调度方法

基于约束理论和拉式生产等生产调度思想，考虑各个工序生产节拍，提出适合智能车间的生产调度方法。采用动态实时调度方法和动态重调度方法，结合动态规划模型，针对智能车间生产调度需求，进行生产任务最优指派。

(3)基于单节辊道控制的柔性辊道控制方法

针对辊道运输场景，为提高运输系统的灵活性，采用基于单节辊道控制的方法，即每个运输任务通过路径规划和指令解析模块，给出其所有的指令序列，交由PLC执行模块执行，且在上层避免路径冲突。该方法可以灵活实现各种调度和运输需求。

(4)AGV/RGV调度方法

对于直线往复式辊道上的多台RGV，为提高RGV利用率，提高运输效率，根据生产设备的位置，以及RGV的实际位置动态计算安全区间，确保两台RGV在各自的区域间内各自装载、卸载，提高RGV的利用率或运输能力。

(5)缓冲区动态构建方法

针对需要在制品托盘的生产设备，动态建立和维护在制品托盘的缓冲区，任意状态和任意时刻，均能实现在制品托盘的合理、及时供应，确保不断供，不拥堵。

(6)设备故障/下线/上线自适应

设备故障时，对相关在制品进行重调度;同时增加系统的适应能力，允许设备下线，脱离系统自行维修;设备上线时，系统自动接纳设备进入。

(7)批次约束满足算法

针对批次约束要求严格的智能车间，将批次约束加入生产调度和物流调度中，确保满足批次切换时新旧批次分割、混批生产时确保批次分离等。

(8)手动规划自适应

针对用户人工干预需求，增加系统适应能力，允许在系统自动运行过程中，人工进行生产任务指派、路径规划等，并自动规避路径冲突、实现负载均衡。

4 创新点

基于物联网技术，智能车间生产物流调度系统实现了智能生产和智能物流。与传统制造车间的生产和物流相比，主要创新点包括以下几点：

(1)缓冲区动态调度：为避免在制品托盘断供，距离在制品托盘入口较远的生产设备动态建立缓冲区，确保在制品托盘及时供应和均衡分配;

(2)路径冲突重调度：在制品托盘在路径上产生路径冲突时，可对相关在制品托盘进行重调度，以消解冲突;

(3)设备故障自适应：需要在制品托盘的生产设备故障后，不再对其供应在制品托盘;其它生产设备故障后，输送线上运往该生产设备的在制品重调度到其它可用的并行生产设备;

(4)设备上线/下线自适应：生产设备下线后，输送线上运往该生产设备的在制品重调度到其它可用的并行生产设备;

(5)手动规划自适应：可接受手动调度目标点，并自动消解路径冲突;

(6)批次控制：生产设备批次切换时，完成旧批次清场并进入下一工序的生产设备后，再调度新批次在制品，确保两个批次的在制品不混批;

(7)电子地图：以“电子地图”呈现整个车间状态，对生产设备上线状态、重要交互信号以及所有设备重要参数和报警信息进行实时动态显示;

(8)基于电子标签的信息追溯：通过电子标签，记录每个在制品托盘经过的生产设备编号、进入时间、离开时间等，实现全流程追溯。

5 效益分析

海得控制研发的智能车间生产物流调度系统，实现了智能制造和智能物流的集成，为制造企业智能制造和智能物流整合提供了理想解决方案，提升制造企业的生产效率和物流效率。

生产模式由人工操控设备和在制品转向操控智能调度中心，生产流程规范可控、车间生产人员的体力劳动强度降到最低;

系统自动确保生产不混批，实现全流程追溯;

提升物流效率，减少生产设备断供，提高设备利用率;

优化物流路径，减少物流运输成本;

整体优化车间生产效率和物流效率，提高车间产能。