CN108009739B - 一种智能机加车间生产计划与调度一体化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能加工车间生产计划与调度一体化方法，属于自动化技术应用领域。本发明方法包括如下步骤，系统建模；数据准备；订单准备；生产计划与调度；虚拟加工；动态监控；动态调度；计划修订；滚动优化。通过智能车间网络物理系统支持下的生产计划与调度的一体化，实现车间动态环境下“生产计划—生产调度—生产状态信息”的闭环，解决了现有生产计划与调度方法难以及时响应环境（市场）变化和车间现场各类动态事件的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能机加车间生产计划与调度一体化方法，属于自动化技术领域。
背景技术
生产计划与调度一直是企业生产管理优化的核心内容。随着社会的发展和市场需求的变化，多品种、小批量、面向订单生产成为多数机械加工企业的主要生产模式，生产系统的动态性和不确定性大大提高，进一步加大了生产计划与调度的难度。现有技术中，生产计划与调度是按照分层递阶的方式来进行，即计划层给出计划，调度层再按照计划进行排产。为了满足调度约束或可能的随机变动，生产计划要包含一定的产能缓冲或提前期缓冲，难以实现制造过程的最优化；而一旦出现订单变更、机器故障、物料异动等异常事件时，生产计划不能得到及时的修正。生产计划与调度的一体化集成是解决上述问题的一种主要途径。
智能机加车间在网络物理系统支持下，将各种RFID等智能传感硬件、信息处理及信息系统软件与车间的生产装置结合起来，使得生产现场的信息可以被自动收集和发送给车间生产管理系统及相关用户终端，信息的透明化和即时性为生产计划与调度的一体化提供了信息和技术保障。
发明内容
发明目的：
本发明目的在于帮助机械制造企业借助网络物理系统构建智能车间，并通过生产计划调度一体化进一步提高生产管理控制、优化和智能化的水平。
技术方案：
本发明提供一种基于网络物理系统的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种智能机加车间生产计划与调度一体化方法，该方法包括如下步骤：
（1）系统建模：建立由物理层、网络层和生产管控层构成的智能车间网络物理系统模型，为生产计划调度一体化提供基础条件；
（2）数据准备：对现场的各种状态信息进行实时采集、处理、传输和存储，为计划调度系统决策提供数据准备；
（3）订单准备：在各生产计划周期内，对客户订单进行分析，转化成具体的机加订单；
（4）生产计划与调度：在现有约束条件下，利用从制造现场数据，分析和计划设备、人力等方面的必要资源，调用生产计划调度智能优化算法得到生产指令和调度指令；
（5）虚拟加工：在数字化车间平台上进行仿真和模拟加工，通过使用虚拟技术来比较计划和实际过程区别；
（6）动态监控：对生产计划调度的实际执行情况进行监控和跟踪，通过可视终端显示，并供后续生产计划调度决策参考；
（7）动态调度：对设备突发故障、加工拖延等生产异常事件做出实时响应；
（8）计划修订：针对订单变更、工艺变更、物料变更、偏差累计等意外事件，启动生产计划修订；
（9）滚动优化：当当前计划期结束时，确定新的计划周期，对后续订单进行优化；
其中，步骤（1）中，物理层包括生产装置、员工、可视化和交互设备；网络层包括信息服务系统、数字化工厂和模拟仿真；生产管控层主要包括生产计划调度以及自动化生产系统，此外，也可以包括或者与其他生产管理系统接口，这样，物理对象的动态信息可以实时地反映到生产管控系统中，同时生产管控系统内的数据变化也将自动地反映到数字系统中；在数字工厂或车间中，可以通过使用虚拟仿真技术来比较计划和实际生产加工过程的区别，还可根据有效和持续更新的仿真模型为生产计划调度决策提供技术和数据支撑；在此基础上，生产计划与调度一体化方法在基础数据和车间动态数据支持下，给出各计划周期内的生产指令，实现生产管控一体化优化。
所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，所述步骤（1）中系统建模通过：建立智能车间网络物理系统模型，由物理层、网络层和生产管控层构成核心组件，通过采用物联网和智能传感技术，将机械制造过程中所有可能的加工和运输功能实时地映射和记录在虚拟信息系统中，从而将实体车间和数字车间联系起来。
所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，所述步骤（2）中完成数据准备包括：数据库服务器，通过网络与现场的传感器、智能自动化设备，现场设备，可编程逻辑控制器，操作设备移动装置相联，对现场的各种状态信息进行实时采集、处理、传输和存储，为计划调度系统决策提供数据准备。
所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，所述步骤（3）中订单准备包括：根据客户需求和产品BOM，对客户订单进行分析，分解或合并形成当前计划周期内的机加订单。
所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，所述步骤（4）中完成生产计划与调度时，该步骤如下：
A、按照ERP或上层管理系统给出订单信息，完成订单准备；
B、系统在信息系统支持下，得到物料需求计划、资源计划、能力需求计划；
C、在订单和物料准备条件下，生产计划与调度一体化：
a、计划模块在现有能力约束、资源约束和工艺约束的条件下，利用从制造过程中获得的数据，分析和计划设备和人力方面的必要资源，调用智能优化算法得到生产进度计划指令，发送给生产调度模块；
b、调度模块结合工艺、以及物料、设备可用性，调用智能优化算法，得到优化生产调度指令。
D、结合现场状态信息，对生产指令和调度指令进行迭代优化和动态修正；
其中：调度模块结合现场信息和调度约束、在计划模块的生产指令驱动下，通过迭代优化对生产调度方案进行调整，获得动态环境下接近最优的调度指令；
计划模块考虑调度约束、能力约束、资源约束，结合车间有限的生产能力和实时状态变化，通过迭代优化对生产计划方案和调度策略进行调整，获得动态环境下接近最优的生产指令；
E、生产计划调度优化策略，以加工操作指令的形式传送至制造执行系统。
所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，其特征在于：所述步骤（5）虚拟加工包括：以步骤（4）所获生产进度计划为参考输入，以现场状态信息为约束条件，在数字化车间平台上进行虚拟加工，通过使用虚拟技术来比较计划和实际过程区别；其中包括，①计划调度人员结合仿真结果，通过人机交互确认、输出生产进度表；② 数字化工厂（车间）系统根据其高效的和持续更新的仿真模型为生产计划调度决策提供保障；
所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，其特征在于：所述步骤（6）动态监控：通过可视终端显示各机床设备的实时测量值、设备状态、关键技术参数和工艺参数的实时工况，以及加工中心间的物流情况、上下游物料存储及加工状态的信息，具体步骤是：对生产计划的实际执行情况进行监控和跟踪，为调度人员和操作人员对加工状况有充分了解；对可能影响生产进程的时间进行预警、对生产过程的各种突发事件做出警报，并将相关数据发送给数据库服务器进行保存，供后续生产计划调度决策参考；根据现有作业加工状态和进度信息，对作业完工时间进行预测，及时预见和发现问题，为生产调度动态调整提供参考；并能预判订单交货情况，便于让用户及时了解订单状态。
所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，其特征在于：所述步骤（8）中计划修订包括：当出现订单变更、工艺变更和物料变更的变化条件时，启动计划修订；针对生产调度调整，为了消除累积误差，也将启动计划修订。
所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，其特征在于：所述步骤（9）中滚动优化包括：当当前计划期结束时，在当前计划调度周期已经开始、尚未完成的订单，按既有方案继续执行；尚未执行的订单任务允许计划模块在原来的基础上进行顺延或调整，或融入新作业计划重新规划；对新的计划周期内的各类订单进行计划调度规划，实现计划调度的滚动执行。
优点及效果：
本发明具有如下优点及有益效果：
本发明通过智能车间网络物理系统支持下的生产计划与调度一体化，
1. 实现了车间动态环境下“生产计划——生产调度——生产状态信息”的闭环；
2.能够及时响应客户订单，包括订单的变化和变动，满足订单式制造的需求；
3. 能够快速响应加工现场的动态事件，包括机器故障、物料供应不足、上游加工拖期。
有益效果：解决了生产计划与调度及时响应环境（市场）变化和车间现场各类动态事件的问题，适用于具有多品种、小批量、订单式制造特点的机械加工企业，本发明实现了机械加工复杂生产工程的透明化、信息化、智能化管理目标。
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图2是本发明的软件功能分解图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
一种智能机加车间生产计划与调度一体化方法，该方法包括如下步骤：
（1）系统建模：建立由物理层、网络层和生产管控层构成的智能车间网络物理系统模型，为生产计划调度一体化提供基础条件；
（2）数据准备：对现场的各种状态信息进行实时采集、处理、传输和存储，为计划调度系统决策提供数据准备；
（3）订单准备：在各生产计划周期内，对客户订单进行分析，转化成具体的机加订单；
（4）生产计划与调度：在现有约束条件下，利用从制造现场数据，分析和计划设备、人力等方面的必要资源，调用生产计划调度智能优化算法得到生产指令和调度指令；
（5）虚拟加工：在数字化车间平台上进行仿真和模拟加工，通过使用虚拟技术来比较计划和实际过程区别；
（6）动态监控：对生产计划调度的实际执行情况进行监控和跟踪，通过可视终端显示，并供后续生产计划调度决策参考；
（7）动态调度：对设备突发故障、加工拖延等生产异常事件做出实时响应；
（8）计划修订：针对订单变更、工艺变更、物料变更、偏差累计等意外事件，启动生产计划修订；
（9）滚动优化：当当前计划期结束时，确定新的计划周期，对后续订单进行优化；
其中，步骤（1）中，物理层包括车间的机床设备等生产装置、员工、可视化和交互设备；网络层包括信息服务系统、数字化工厂和模拟仿真；生产管控层主要包括生产计划调度以及数据采集系统、计算机辅助制造系统等自动化生产系统，此外，也可以包括或者与其他生产管理系统接口，如企业资源计划系统 ERP、制造执行系统MES、供应链管理系统SCM等。这样，物理对象的动态信息可以实时地反映到生产管控系统中，同时生产管控系统内的数据变化也将自动地反映到数字系统中；在数字工厂或车间中，可以通过使用虚拟仿真技术来比较计划和实际生产加工过程的区别，还可根据有效和持续更新的仿真模型为生产计划调度决策提供技术和数据支撑；在此基础上，生产计划与调度一体化方法在基础数据和车间动态数据支持下，给出各计划周期内的生产指令，实现生产管控一体化优化。
所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，所述步骤（1）中系统建模通过：建立智能车间网络物理系统模型，由物理层、网络层和生产管控层构成核心组件，通过采用物联网、智能传感等技术，将机械制造过程中所有可能的加工和运输功能实时地映射和记录在虚拟信息系统中，从而将实体车间和数字车间联系起来。
其中，系统由物理层、网络层、生产管控层组成；生产计划与生产调度是生产管控层的核心功能；生产管控层的信息系统，除了包括数据采集处理等系统资源外，也可以包含或关联现存的ERP、各类信息化系统，他们在整个系统应用中发挥了基础作用；借助这些结构化的信息系统，物理对象的动态变化可以实时地反映到生产管控系统中。此外，生产管控系统内的数据变化将自动适应数字工厂系统。在数字工厂系统中，可以通过使用模拟仿真技术来比较计划调度结果和实际生产过程的区别。有效和持续更新的仿真模型，为生产计划调度决策提供了技术和数据保障。
所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，所述步骤（2）中完成数据准备包括：数据库服务器，通过网络与现场的传感器、智能自动化设备，现场设备，可编程逻辑控制器，操作设备移动装置等相联，对现场的各种状态信息进行实时采集、处理、传输和存储，为计划调度系统决策提供数据准备。
所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，所述步骤（3）中订单准备包括：根据客户需求和产品BOM（产品结构树），对客户订单进行分析，分解或合并形成当前计划周期内的机加订单。
所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，所述步骤（4）中完成生产计划与调度时，该步骤如下：
A、按照ERP（企业资源计划）或上层管理系统给出订单信息，完成订单准备；
B、系统在信息系统支持下，得到物料需求计划、资源计划、能力需求计划；
C、在订单和物料准备条件下，生产计划与调度一体化：
a、计划模块在现有能力约束、资源约束、工艺约束等条件下，利用从制造过程中获得的数据，分析和计划设备、人力等方面的必要资源，调用智能优化算法得到生产进度计划指令，发送给生产调度模块；
b、调度模块结合工艺、以及物料、设备可用性，调用智能优化算法，得到优化生产调度指令；
D、结合现场状态信息，对生产指令和调度指令进行迭代优化和动态修正；
其中：调度模块结合现场信息和调度约束、在计划模块的生产指令驱动下，通过迭代优化对生产调度方案进行调整，获得动态环境下接近最优的调度指令；
计划模块考虑调度约束、能力约束、资源约束，结合车间有限的生产能力和实时状态变化，通过迭代优化对生产计划方案和调度策略进行调整，获得动态环境下接近最优的生产指令；
E、生产计划调度优化策略，以加工操作指令的形式传送至制造执行系统。
所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，所述步骤（5）虚拟加工包括：以步骤（4）所获生产进度计划为参考输入，以现场状态信息为约束条件，在数字化车间平台上进行虚拟加工，通过使用虚拟技术来比较计划和实际过程区别；其中包括，① 计划调度人员结合仿真结果，通过人机交互确认、输出生产进度表；② 数字化工厂（车间）系统根据其高效的和持续更新的仿真模型为生产计划调度决策提供保障；
所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，所述步骤（6）动态监控：通过可视终端显示各机床设备的实时测量值、设备状态、关键技术参数和工艺参数的实时工况，以及加工中心间的物流情况、上下游物料存储及加工状态的信息，具体步骤是：对生产计划的实际执行情况进行监控和跟踪，为调度人员和操作人员对加工状况有充分了解；对可能影响生产进程的时间进行预警、对生产过程的各种突发事件做出警报，并将相关数据发送给数据库服务器进行保存，供后续生产计划调度决策参考；根据现有作业加工状态和进度信息，对作业完工时间进行预测，及时预见和发现问题，为生产调度动态调整提供参考；并能预判订单交货情况，便于让用户及时了解订单状态。
所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，所述步骤（8）中计划修订包括：当出现订单变更、工艺变更、物料变更等变化条件时，启动计划修订；针对生产调度调整，为了消除累积误差，也将启动计划修订。
所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，所述步骤（9）中滚动优化包括：当当前计划期结束时，在当前计划调度周期已经开始、尚未完成的订单，按既有方案继续执行；尚未执行的订单任务允许计划模块在原来的基础上进行顺延或调整，或融入新作业计划重新规划；对新的计划周期内的各类订单进行计划调度规划，实现计划调度的滚动执行。
Claims (8)
1.一种智能机加车间生产计划与调度一体化方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
（1）系统建模：建立由物理层、网络层和生产管控层构成的智能车间网络物理系统模型，为生产计划调度一体化提供基础条件；
（2）数据准备：对现场的各种状态信息进行实时采集、处理、传输和存储，为计划调度系统决策提供数据准备；
（3）订单准备：在各生产计划周期内，对客户订单进行分析，转化成具体的机加订单；
（4）生产计划与调度：在现有约束条件下，利用从制造现场数据，分析和计划设备、人力方面的必要资源，调用生产计划调度智能优化算法得到生产指令和调度指令；所述步骤（4）中完成生产计划与调度时，该步骤如下：
A、按照ERP或上层管理系统给出订单信息，完成订单准备；
B、系统在信息系统支持下，得到物料需求计划、资源计划、能力需求计划；
C、在订单和物料准备条件下，生产计划与调度一体化：
a、计划模块在现有能力约束、资源约束和工艺约束的条件下，利用从制造过程中获得的数据，分析和计划设备和人力方面的必要资源，调用智能优化算法得到生产进度计划指令，发送给生产调度模块；
b、调度模块结合工艺、以及物料、设备可用性，调用智能优化算法，得到优化生产调度指令；
D、结合现场状态信息，对生产指令和调度指令进行迭代优化和动态修正；
其中：调度模块结合现场信息和调度约束、在计划模块的生产指令驱动下，通过迭代优化对生产调度方案进行调整，获得动态环境下接近最优的调度指令；
计划模块考虑调度约束、能力约束、资源约束，结合车间有限的生产能力和实时状态变化，通过迭代优化对生产计划方案和调度策略进行调整，获得动态环境下接近最优的生产指令；
E、生产计划调度优化策略，以加工操作指令的形式传送至制造执行系统；
（5）虚拟加工：在数字化车间平台上进行仿真和模拟加工，通过使用虚拟技术来比较计划和实际过程区别；所述步骤（5）虚拟加工包括：以步骤（4）所获生产进度计划为参考输入，以现场状态信息为约束条件，在数字化车间平台上进行虚拟加工；
（6）动态监控：对生产计划调度的实际执行情况进行监控和跟踪，通过可视终端显示，并供后续生产计划调度决策参考；
（7）动态调度：对设备突发故障、加工拖延生产异常事件做出实时响应；
（8）计划修订：针对订单变更、工艺变更、物料变更、偏差累计意外事件，启动生产计划修订；
（9）滚动优化：当当前计划期结束时，确定新的计划周期，对后续订单进行优化；
其中，步骤（1）中，物理层包括生产装置、员工、可视化和交互设备；网络层包括信息服务系统、数字化工厂和模拟仿真；生产管控层主要包括生产计划调度以及自动化生产系统，此外，包括与其他生产管理系统接口，这样，物理对象的动态信息可以实时地反映到生产管控系统中，同时生产管控系统内的数据变化也将自动地反映到数字系统中；在数字工厂或车间中，通过使用虚拟仿真技术来比较计划和实际生产加工过程的区别，还可根据有效和持续更新的仿真模型为生产计划调度决策提供技术和数据支撑；在此基础上，生产计划与调度一体化方法在基础数据和车间动态数据支持下，给出各计划周期内的生产指令，实现生产管控一体化优化。
2.根据权利要求1所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，其特征在于：所述步骤（1）中系统建模通过：建立智能车间网络物理系统模型，由物理层、网络层和生产管控层构成核心组件，通过采用物联网和智能传感技术，将机械制造过程中所有可能的加工和运输功能实时地映射和记录在虚拟信息系统中，从而将实体车间和数字车间联系起来。
3.根据权利要求1所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，其特征在于：所述步骤（2）中完成数据准备包括：数据库服务器，通过网络与现场的传感器、智能自动化设备，现场设备，可编程逻辑控制器，操作设备移动装置相联，对现场的各种状态信息进行实时采集、处理、传输和存储，为计划调度系统决策提供数据准备。
4.根据权利要求1所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，其特征在于：所述步骤（3）中订单准备包括：根据客户需求和产品BOM，对客户订单进行分析，分解或合并形成当前计划周期内的机加订单。
5.根据权利要求1所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，其特征在于：包括，①计划调度人员结合仿真结果，通过人机交互确认、输出生产进度表；②数字化工厂车间系统根据其高效的和持续更新的仿真模型为生产计划调度决策提供保障。
6.根据权利要求1所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，其特征在于：所述步骤（6）动态监控：通过可视终端显示各机床设备的实时测量值、设备状态、关键技术参数和工艺参数的实时工况，以及加工中心间的物流情况、上下游物料存储及加工状态的信息，具体步骤是：对生产计划的实际执行情况进行监控和跟踪，为调度人员和操作人员对加工状况有充分了解；对可能影响生产进程的时间进行预警、对生产过程的各种突发事件做出警报，并将相关数据发送给数据库服务器进行保存，供后续生产计划调度决策参考；根据现有作业加工状态和进度信息，对作业完工时间进行预测，及时预见和发现问题，为生产调度动态调整提供参考；并能预判订单交货情况，便于让用户及时了解订单状态。
7.根据权利要求1所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，其特征在于：所述步骤（8）中计划修订包括：当出现订单变更、工艺变更和物料变更的变化条件时，启动计划修订；针对生产调度调整，为了消除累积误差，也将启动计划修订。
8.根据权利要求1所述的智能机加车间生产计划与调度一体化方法，其特征在于：所述步骤（9）中滚动优化包括：当当前计划期结束时，在当前计划调度周期已经开始、尚未完成的订单，按既有方案继续执行；尚未执行的订单任务允许计划模块在原来的基础上进行顺延或调整，或融入新作业计划重新规划；对新的计划周期内的各类订单进行计划调度规划，实现计划调度的滚动执行。
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