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1　背景

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)。在推動智能制造實施過程中，物聯(lián)網(wǎng)正從工業(yè)領(lǐng)域的局部工序擴展到車間、工廠，從提質(zhì)增效擴大到推動制造和物流業(yè)務(wù)模式的轉(zhuǎn)變。智能制造以智能車間為載體，在設(shè)計、供應(yīng)、制造和服務(wù)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，是連接智能車間供應(yīng)和制造的重要環(huán)節(jié)，也是打造智能工廠的基石。當(dāng)前，智能制造和智能物流正處于整合過程中，如何管理制造和物流的復(fù)雜流程，協(xié)同生產(chǎn)調(diào)度和物流調(diào)度，以實現(xiàn)智能制造和智能物流的集成是面臨的一個重大挑戰(zhàn)。

通過設(shè)備上裝配傳感器、RFID讀寫器和通信模塊，輸送線和RGV/AGV上安裝傳感器和通信模塊等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，面向智能車間的自動生產(chǎn)調(diào)度和自動物流調(diào)度需求，海得控制研發(fā)了智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能制造和智能物流的集成。該系統(tǒng)已在某口服液生產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)了示范應(yīng)用，是國內(nèi)制藥行業(yè)第一個智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)項目，該車間已于2017年5月投產(chǎn)。海得控制正在開發(fā)實施的第2個智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)項目，預(yù)計2018年5月實施完成。

圖1 目標(biāo)與約束

2 目標(biāo)與原則

智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)的目標(biāo)與約束如圖1所示。

其中目標(biāo)包括三個方面：最大化資源利用率、最小化庫存、最小化生產(chǎn)周期。由于這些目標(biāo)之間存在沖突，不可能同時達到各個目標(biāo)的最佳狀態(tài)，因此需要在各個目標(biāo)之間取得平衡。

除了以上三方面目標(biāo)以外，還要滿足智能車間的生產(chǎn)調(diào)度和物流調(diào)度需求，主要包括三方面特點和需求：柔性、多約束和變動性。

（1）柔性

設(shè)備具有柔性：幾乎每個工序都有多臺并行設(shè)備，生產(chǎn)任務(wù)指派時具有多種選擇；

路徑具有柔性：RGV/AGV路徑不固定，需要動態(tài)規(guī)劃；輥道需要單節(jié)控制，路徑和指令動態(tài)生成，才能實現(xiàn)復(fù)雜的緩沖區(qū)管理功能。

（2）多約束

批次滿足約束：包括批次切換時新舊批次分割、混批生產(chǎn)時確保批次分離等；

上下工位產(chǎn)能匹配：設(shè)備故障時，上下工位產(chǎn)能匹配才能實現(xiàn)生產(chǎn)的持續(xù)運行；

沖突避免：RGV分區(qū)范圍變化時，上下分區(qū)的RGV沖突避免；RGV故障時，備用RGV引入時與在用RGV的沖突避免。

（3）變動性

設(shè)備故障：調(diào)度系統(tǒng)能夠適應(yīng)設(shè)備故障，實現(xiàn)重調(diào)度，信號安全復(fù)位、狀態(tài)還原、托盤異常處置流程等；

輥道故障：調(diào)度系統(tǒng)能夠自動計算路徑可達性，實現(xiàn)重調(diào)度等；

RGV故障：調(diào)度系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)故障RGV退出，與備用RGV引入；

增減任務(wù)：可以接受人工干預(yù)，調(diào)度系統(tǒng)能適應(yīng)人工增加任務(wù)或刪除任務(wù)。

3 實施與應(yīng)用

3.1　系統(tǒng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度方案采用三層系統(tǒng)架構(gòu)：調(diào)度層、監(jiān)控層和執(zhí)行層。其中調(diào)度層進行生產(chǎn)調(diào)度、路徑規(guī)劃和指令解析等，下發(fā)生產(chǎn)和運輸任務(wù)到PLC執(zhí)行層；執(zhí)行層接收來自調(diào)度層的任務(wù)，將在制品從起點運往終點；監(jiān)控層負責(zé)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，同時對生產(chǎn)物流系統(tǒng)進行動態(tài)監(jiān)控。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

3.2　關(guān)鍵技術(shù)

智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度的系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括車間生產(chǎn)調(diào)度理論和模型、生產(chǎn)調(diào)度方法、路徑規(guī)劃算法、基于單節(jié)輥道控制的輥道控制方法、AGV/RGV調(diào)度方法、緩沖區(qū)動態(tài)構(gòu)建方法、故障重調(diào)度方法、批次約束滿足算法等。

（1）車間生產(chǎn)和物流模型

基于圖論和擴展的事件驅(qū)動過程鏈，對智能車間的生產(chǎn)、物流進行建模，包括設(shè)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(chǎn)和物流狀況，為生產(chǎn)調(diào)度和物流調(diào)度提供模型和數(shù)據(jù)支持。

（2）生產(chǎn)調(diào)度方法

基于約束理論和拉式生產(chǎn)等生產(chǎn)調(diào)度思想，考慮各個工序生產(chǎn)節(jié)拍，提出適合智能車間的生產(chǎn)調(diào)度方法。采用動態(tài)實時調(diào)度方法和動態(tài)重調(diào)度方法，結(jié)合動態(tài)規(guī)劃模型，針對智能車間生產(chǎn)調(diào)度需求，進行生產(chǎn)任務(wù)最優(yōu)指派。

（3）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(wù)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?jīng)_突。該方法可以靈活實現(xiàn)各種調(diào)度和運輸需求。

（4）AGV/RGV調(diào)度方法

對于直線往復(fù)式輥道上的多臺RGV，為提高RGV利用率，提高運輸效率，根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備的位置，以及RGV的實際位置動態(tài)計算安全區(qū)間，確保兩臺RGV在各自的區(qū)域間內(nèi)各自裝載、卸載，提高RGV的利用率或運輸能力。

（5）緩沖區(qū)動態(tài)構(gòu)建方法

針對需要在制品托盤的生產(chǎn)設(shè)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(yīng)，確保不斷供，不擁堵。

（6）設(shè)備故障/下線/上線自適應(yīng)

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

（7）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(chǎn)調(diào)度和物流調(diào)度中，確保滿足批次切換時新舊批次分割、混批生產(chǎn)時確保批次分離等。

（8）手動規(guī)劃自適應(yīng)

針對用戶人工干預(yù)需求，增加系統(tǒng)適應(yīng)能力，允許在系統(tǒng)自動運行過程中，人工進行生產(chǎn)任務(wù)指派、路徑規(guī)劃等，并自動規(guī)避路徑?jīng)_突、實現(xiàn)負載均衡。

3.3　創(chuàng)新點

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)了智能生產(chǎn)和智能物流。與傳統(tǒng)制造車間的生產(chǎn)和物流相比，主要創(chuàng)新點包括如下幾點：

該方案主要創(chuàng)新點包括：

（1）緩沖區(qū)動態(tài)調(diào)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(chǎn)設(shè)備動態(tài)建立緩沖區(qū)，確保在制品托盤及時供應(yīng)和均衡分配；

（2）路徑?jīng)_突重調(diào)度：在制品托盤在路徑上產(chǎn)生路徑?jīng)_突時，可對相關(guān)在制品托盤進行重調(diào)度，以消解沖突；

（3）設(shè)備故障自適應(yīng)：需要在制品托盤的生產(chǎn)設(shè)備故障后，不再對其供應(yīng)在制品托盤；其它生產(chǎn)設(shè)備故障后，輸送線上運往該生產(chǎn)設(shè)備的在制品重調(diào)度到其它可用的并行生產(chǎn)設(shè)備；

（4）設(shè)備上線/下線自適應(yīng)：生產(chǎn)設(shè)備下線后，輸送線上運往該生產(chǎn)設(shè)備的在制品重調(diào)度到其它可用的并行生產(chǎn)設(shè)備；

（5）手動規(guī)劃自適應(yīng)：可接受手動調(diào)度目標(biāo)點，并自動消解路徑?jīng)_突；

（6）批次控制：生產(chǎn)設(shè)備批次切換時，完成舊批次清場并進入下一工序的生產(chǎn)設(shè)備后，再調(diào)度新批次在制品，確保兩個批次的在制品不混批；

（7）電子地圖：以“電子地圖”呈現(xiàn)整個車間狀態(tài)，對生產(chǎn)設(shè)備上線狀態(tài)、重要交互信號以及所有設(shè)備重要參數(shù)和報警信息進行實時動態(tài)顯示；

（8）基于電子標(biāo)簽的信息追溯：通過電子標(biāo)簽，記錄每個在制品托盤經(jīng)過的生產(chǎn)設(shè)備編號、進入時間、離開時間等，實現(xiàn)全流程追溯。

4　效益分析

海得控制研發(fā)的智能車間生產(chǎn)物流調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能制造和智能物流的集成，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，提升制造企業(yè)的生產(chǎn)效率和物流效率。

（1）生產(chǎn)模式由人工操控設(shè)備和在制品轉(zhuǎn)向操控智能調(diào)度中心，生產(chǎn)流程規(guī)范可控、車間生產(chǎn)人員的體力勞動強度降到最低；

（2）系統(tǒng)自動確保生產(chǎn)不混批，實現(xiàn)全流程追溯；

（3）提升物流效率，減少生產(chǎn)設(shè)備斷供，提高設(shè)備利用率；

（4）優(yōu)化物流路徑，減少物流運輸成本；

（5）整體優(yōu)化車間生產(chǎn)效率和物流效率，提高車間產(chǎn)能。

精彩對話

自動化博覽：海得控制在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域提供的產(chǎn)品和服務(wù)包括哪些？

海得控制智能制造市場部總監(jiān)馮智宏：海得控制在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域提供“高可用”和“智采、智傳、智控、智聯(lián)、智算、智存”的產(chǎn)品、應(yīng)用和服務(wù)。主要包括以下方面：

（1）專技應(yīng)用

柔性智能物流車間解決方案

智能柔性生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)是一款可根據(jù)生產(chǎn)實時情況自動決策的管理軟件，旨在為用戶提供一站式智能車間整體解決方案，可實現(xiàn)生產(chǎn)線的智能管理和柔性生產(chǎn)。致力于解決客戶提高生產(chǎn)效率、節(jié)約人工、降低生產(chǎn)成本實現(xiàn)柔性生產(chǎn)的需求，可為客戶定制無人車間和柔性生產(chǎn)線的整體解決方案。

MES解決方案

為制藥、汽車、食品飲料等行業(yè)的客戶提供MES解決方案。

IWOX工業(yè)數(shù)據(jù)平臺

IWORXIWORX是一個物理世界與數(shù)字王國自由連接的平臺軟件，可實現(xiàn)就地、工廠、集團、云端化的靈活應(yīng)用，并面向《中國制造2025》規(guī)劃，為實現(xiàn)工業(yè)智能化提供完整平臺。

IndusCloud高可靠工業(yè)私有云

海得IndusCloud工業(yè)私有云管理平臺基于OpenStack進行深度定制開發(fā)，對計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源等硬件設(shè)施資源進行池化、動態(tài)管理和按需分配。是一套可靈活擴展的、高可用的，用以提高企業(yè)IT資源利用效率的云計算解決方案。可為客戶提供高可靠性的企業(yè)數(shù)據(jù)中心及業(yè)務(wù)站點的工業(yè)私有云方案。

（2）專用產(chǎn)品

包括海得自主品牌產(chǎn)品的e-Control PLC、NetSCADA工業(yè)平板電腦、符合F D A 認證的SCADA組態(tài)軟件軟件、His com工業(yè)以太網(wǎng)交換機、H&I Server容錯服務(wù)器、智能網(wǎng)關(guān)，與伙伴共同合作的百通工業(yè)以太網(wǎng)交換機、stratus容錯服務(wù)器產(chǎn)品。

（3）專業(yè)服務(wù)

高可靠的系統(tǒng)無縫遷移服務(wù)：為制造業(yè)客戶提供軟件應(yīng)用系統(tǒng)從老舊的服務(wù)器等IT設(shè)備向新設(shè)備無縫遷移的低成本、高可靠的解決方案。解決客戶對老舊設(shè)備損壞而對生產(chǎn)運營造成重大損失的擔(dān)憂。

自動化博覽：邊緣計算是當(dāng)下的熱門話題，海得是否已經(jīng)結(jié)合邊緣計算技術(shù)，為用戶提供更快、更穩(wěn)定的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體驗？目前發(fā)展情況如何？

馮智宏：海得從2015年就開始關(guān)注并整合資源打造能夠滿足業(yè)務(wù)實時性、數(shù)據(jù)優(yōu)化、安全與隱私保護的邊緣計算產(chǎn)品。目前我們已經(jīng)將海得的高可用技術(shù)應(yīng)用于邊緣計算產(chǎn)品及解決方案中。在海得的柔性智能車間解決方案中就有海得邊緣計算的設(shè)備嵌入和融合。海得計劃在2018年第二季度推出具有容錯功能、計算能力強、高防護等級、體積小巧美觀的邊緣計算設(shè)備，可滿足各個行業(yè)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型時對于高可靠性邊緣計算的需求。

摘自《自動化博覽》2018年3月刊