基于物联网的生产单元智能调度与控制技术研究

郭庆峰 张帅 张菲 高阿曼 任超

[摘 要]在制造业中深入应用的新一代信息技术，提高了各行业生产单元的生产能力。基于此，文章主要探究了物联网技术在生产单元智能调度与控制中的应用，通过分析多品种、小批量产品特点的生产过程业务需求，提出构建基于物联网的智能调度与控制系统总体架构的对策，并对智能调度与控制实现过程中的关键技术展开研究，实现产品在生产单元中的柔性混线生产。

[关键词]物联网;调度与控制;总体架构

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.24.052

[中图分类号]F270.7[文献标识码]A[文章编号]1673-0194（2020）24-0-03

0     引 言

目前，新一代信息技术（物联网、大数据、CPS、云计算等）与制造业深度融合，在零件加工、产品装配、热处理等环节广泛应用。各个国家纷纷提出了各自先进的制造发展战略，如美国的“国家制造创新网络”、德国的“工业4.0”、中国的“中国制造2025”等，都将智能制造作为突破口，争相在新一轮工业革命进程中占得先机。生产单元是一种适用于多品种、小批量零部件进行混线生产的生产组织模式，是构建智能生产系统要素的最小单元，支持生产系统智能化运行。随着生产装备水平的提高，工业机器人、数控机床、3D打印机、智能工装夹具被广泛应用在生产制造中。但是，在智能制造的实践过程中，设备间数据不能共享，设备孤岛直接限制了生产力的进一步提高，必须通过设备间更高效的协同提升生产单元的生产能力，所以，利用先进的传感、组网、通讯等物联网技术实现设备的互联互通十分必要。基于物联网的生产单元是一个赛博空间与物理空间深度融合的赛博物理系统，通常由工业机器人、自动导引运输车（Automated Guided Vehicle，AGV）、智能货柜、可编程数控设备、柔性工装夹具等组成，全自动的生产装备为提升生产单元的智能化提供硬件支持，但是在一个无人值守的全自动化运行环境中，如何在生产过程中智能调度与控制生产活动、制造资源成为必须突破的难题。

1     物聯网技术

物联网技术是在信息技术和互联网基础上发展而来的，利用无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、传感器、通信等技术手段将人与物、物与物相连接，实现万物互联和信息共享。目前，物联网的应用越来越多，特别是在智慧医院、智慧交通、智慧农业等领域，都取得了较好的成绩。随着高端自动化装备在制造业逐渐普及和智能制造的深入推进，如何采集设备数据、如何进行数据传输等成为相关企业必须解决的问题。传感器能将生产单元中的物理信号转为模拟信号，然后通过数据采集卡、D/A转换模块将模拟信号转为数字信号。以数控机加场景为例，在柔性夹具中使用压力传感器感知毛坯是否装夹到位、在仓储库位增加红外传感器感知库位是否有料、通过高精度称重传感器感知零件加工前后的变化、在数控机床中增加探头检测零件加工粗糙度等。同时，由于设备终端用户对设备监控的需求越来越强烈，需要设备厂商通过以太网、串口等形式给各类信息化系统提供设备运行数据。采集到的设备运行数据主要通过生产单元的工业网络和可靠的通信协议进行数据传输。对于生产单元中不具备以太网通信功能的设备，需要进行设备联网改造，然后通过主控可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、工业交换机等工业网络设施把生产设备相连接，形成数据传输的物理通道。通信协议是网络通信中的通用语言，通信双方必须使用相同的协议，两者才能正确解析语义、语法，得到正确的数据。在生产工业网络中，使用比较普遍的通信协议有Modbus、PROFIBUS-DP、PROFINET、TCP/IP、OPC UA等。近年来，国内外学者对物联网技术在生产过程中的应用进行研究，其中，田强总结了物联网的4项关键技术，探讨了物联网技术在工业自动化中的应用前景;刘巧媚研究了物联网技术在船舶制造过程中的供应链和物流管理、生产制造管理、安全生产管理方面的应用;张旭研究了物联网在医疗领域的应用前景，并提出构建医院信息系统体系的框架，为深入应用物联网技术奠定基础。

2     智能调度与控制系统总体架构

在传统流水线作业或手工作业的生产组织模式下，重点是如何充分利用自动化装备降低工人劳动强度、提高零件批量生产的生产效率，一般适用于产品固定、流程固定、节拍固定的零件生产，但是当出现异常事件时，由于生产线过于刚性，生产单位只能通过停线的方式进行人工干预，并在信息系统中采用人工采集的方式记录业务关键环节的数据，由调度员完成制造资源调度工作。智能生产单元处于无人值守的全自动化运行环境中，需要调度与控制系统智能地给生产设备分派生产任务，当出现故障时，智能调度生产活动，保证生产连续、稳定运行，且通过指令直接驱动生产设备。在对业务场景分解、研究的基础上，本研究构建了如图1所示的智能调度与控制系统总体架构。

智能调度与控制系统由管理模块、调度模块、通讯层3部分组成。其中，管理模块部署在服务器，用户可以通过浏览器进行访问，用于维护基础数据、获取生产单元运行数据、展示生产任务统计结果等。调度模块是后台实时运行的应用程序，实时接收管理模块下达的生产任务、监测生产任务执行进度、调度制造资源执行加工任务，是系统的核心模块。通讯层是系统与各型设备数据交互的桥梁和纽带，为系统的正常运行提供数据采集、状态反馈、指令下发、故障预警等基础支撑服务。

3     智能调度与控制关键技术

智能生产单元是一个典型的全自动化运行场景，各种自动化装备在智能调度与控制系统的驱动下，有序进行各项生产活动，以生产出符合质量要求的零部件。但零件的生产过程不是一成不变的，经常出现紧急插单、设备故障、检验结果不合格等特殊情况，无法确定零件生产过程中的零件类型、设备状态、生产进度等，从而引起资源冲突、工艺路线变化等问题。当生产单元中出现零件加工质量不达标、设备损坏、缺料等异常事件时，系统必须根据实时数据自动识别异常事件，并根据事件类型进行智能处理，以免订单延期。当待生产的零件类型与在生产的零件类型不相同时，系统必须在零件生产过程中自动识别零件类型，并根据零件的工艺参数、工艺过程、检验标准等智能控制设备进行生产活动。多个零件在生产单元并行生产，可能出现多个零件需要使用同一台设备或者一个零件需要从多个相同设备中选择一台进行加工的情况，系统必须具备智能调度的能力，以持续开展零件加工工作。因此，生产单元的智能调度与控制就要在各种不确定性情况下对零件生产活动进行智能调度，并通过指令直接驱动设备运转。为了实现上述目标，生产单元的智能调度与控制的关键技术主要包括数据编码、生产活动控制模型、调度模型3部分。

3.1   数据编码

基础数据是实现智能化应用的基础，为了实现生产单元的调度与控制，首先就要对生产过程中的生产活动、监测数据、数据采集项进行定义。在传统的流水线作业或手工作业环境中，不需要定义生产活动或者只需要把生产活动定义到工序/工步中，生产活动按照一定的编码规则即可定义零件生产过程，但是在智能生产单元中，生产活动需要定义到最小可调度活动的颗粒度，需要控制的生产活动数量会成倍增加，本文提出基于C编码/M编码的统一编码规则。最小可调度活动的控制指令由指令编码、指令执行设备、指令参数确定，其中，控制指令编码按照C-XX-YYY进行统一编码，C是Control的缩写，XX代表设备类别，如果活动控制指令编号中的XX相同，则表示这些指令都是对同一个设备类别的控制指令，当指令执行设备确定时，就表示对某一台设备的控制指令，从01开始编码;YYY用于区分对同一类设备的多条控制指令，从001开始编码，例如，C01001可以作为库存类设备的出库指令。对于XX对应哪种设备类型、YYY对应该设备的哪条指令，则由编码人员确定。监测数据是对数据采集项的标识规范，由监测编码、监测设备、监测数值唯一确定一个数据采集项，其中，监测编码按照M-XX-YYY进行统一编码，M是Monitor的缩写，XX代表需要进行采集的某类设备，XX从01开始编码;YYY用于区分同一个设备类中的不同采集点，从001开始编码，例如，M01001可以作为数控机床的安全门打开状态的数据采集点。对于XX对应哪种设备类型应该按照指令编码分类，如果YYY对应的设备采集点是某个活动的完成状态，则需要监测编码中YYY与指令编码中的YYY保持一致。

3.2   生产活动控制模型

零件在智能生产单元中的生产过程由若干生产活动组成，每个生产活动都对应物理世界中的唯一动作，在同一时刻控制多个不同类型零件在生产单元进行混线生产的本质是对生产活动进行智能控制。基于此，本研究构建了如图2所示的生产活动控制模型，主要为了指导智能调度与控制系统調度模块的开发工作。

在零件工艺流程中定义了生产过程由哪些生产活动组成和生产活动间的串并行关系，根据下达的生产订单，需要为每一个零件翻译一套订单控制指令集，用于对零件加工过程的控制。由于每一个控制指令都配置了监测数据项作为触发条件或者完成条件，通过实时对比设备数据采集项和控制指令的触发条件，可以确定哪个指令可以进入待执行指令集合。由于生产线会同时生产多种类型零件，会出现有多个待执行指令将要使用同一台设备或者一个待执行指令可以在多台设备执行的情况，这时需要根据调度规则模型进一步筛选，得到唯一可执行的控制指令驱动生产单元中的设备。

4    结 语

本文研究了物联网技术在生产单元智能调度与控制中的应用，论述了物联网技术的应用现状，在业务需求分析的基础上构建了由管理、调度、通信组成的智能调度与控制系统总体架构，并分别研究了数据编码、生产活动控制模型、调度模型3项关键技术，进而确保生产单元实现智能调度和有效控制。

主要参考文献

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