CN109154809A - 生产规划系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生产规划系统和方法、特别是考虑生产装置的状态的生产规划系统和方法。提供了一种生产优化系统，具有：生产环境(110)，其具有至少第一机器(111)、第二机器(112)；分配单元(120)，其被设计成经由通信网络连接到第一机器(111)和第二机器(112)并确定其机器状态；和优化单元(130)，其被设计用于生成生产规划，其中至少一个用于生产产品的任务被划分为第一机器(111)或第二机器(112)的机器特定子任务，所述子任务以序列提供给第一机器(111)或第二机器(112)。分配单元(120)被设计成在考虑相应机器状态的同时从优化单元(130)确定第一机器(111)或第二机器(112)的下一个发生的子任务，以从生产规划移除子任务，并将子任务分配给相应的机器。
Description
技术领域
本发明涉及生产规划系统和方法，特别是涉及这种考虑生产装置的状态的生产规划系统和方法。
背景技术
现代生产环境包括大量异构的，通常是多余的生产装置。这些生产装置包括机器，其中在该专利中，机器覆盖所有加工设备，例如用于激光加工、冲压或弯曲的设备以及诸如激光束源、等离子体或感应发生器的设备。
特定产品可能必须在几个工位或机器上经过若干加工步骤进行制造，因此通常有几台机器可用于特定的加工步骤。因此，加工步骤可以彼此时间相关。例如，当制造由两个部件组装的产品时，加工步骤是从金属板切割第一金属板坯料，然后将其弯曲成其最终形状，切割第二金属板坯料，然后将其弯曲成其最终形状，组装第一金属板坯料和第二金属板坯料，然后喷涂。因此，存在时间相关性，因为两个金属板坯料的切割必须在它们弯曲之前进行，金属板坯料的组装必须在它们完成之后进行并且涂装必须在组装之后进行。另一方面，两个金属板坯料的相应制造和加工可以彼此独立地进行，从而例如首先切割第一金属板坯料然后切割第二金属板材坯料，然后可以进行第一金属板坯料的弯曲，然后弯曲第二金属板坯料。如果在生产环境中有多台机器可用于执行相应的加工步骤，则制造金属板坯料的一个或多个步骤可以并行进行。根据金属板坯料的复杂性和切割机的性质，可以有利地在切割机上从一个金属板连续切割出两个部件，这仅需要一个夹紧过程并且可能需要换刀，或者在两台切割机上并行切割两块金属板，这可以使复杂和长的切割过程的加工时间减半。
即使采用如上所述的简单生产流程，规划工作也可以快速达到高复杂性，并且复杂性随着进一步的加工步骤、部件和产品的增加，同时考虑到指定的最终生产期限、大批量和机器故障而成倍增长。通常，生产规划是通过计算机辅助进行的。这可以是来自企业资源规划系统的粗略规划，其仅允许粗略规划生产装置和期限，或者详细规划，其中确定和使用加工时间，同时考虑施工规划。
在现有技术中，已知使用确定性有限状态机或神经网络来建模或控制工作步骤以控制多部件生产过程中的生产过程。有限状态机是本领域技术人员已知的，例如JohnE.Hopcroft，Jeffrey Ullman，“Einführung in die Automatentheorie，formaleSprachen und”，2nd Edition，1990Addison-Wesley，其内容在此完全包括。神经网络是本领域技术人员已知的，例如来自Günter Daniel Rey，KarlF.Wender，“Neuronale Netze”，2nd Edition，2010，Huber，其内容在此完全包括。
例如，WO 2008/030637公开了有限状态机和神经网络在半导体制造环境下晶片处理中用于控制和过程建模。该出版物公开了一种具有晶片处理硬件的半导体加工系统。
在根据现有技术的生产规划中，规划与实际生产分离。
其中，不利的是生产规划只能不充分地考虑当前的资源状态。如果相应的信息可用于生产规划，确实可以在规划过程中考虑当前的资源状态。另一方面，在完成规划过程之后，不再考虑资源状态的变化，例如特定机床的故障。已知的生产规划也会对必须集成到现有生产规划中的临时任务做出不灵活的反应。
发明内容
因此，本发明的目的是克服现有技术中已知的缺点，并且特别地提供能够在生产规划中考虑当前资源状态的系统和方法。
该目的通过根据权利要求1的系统和根据权利要求10和14的方法解决。
其它有利实施例是从属权利要求的主题。
本发明公开了一种生产优化系统，包括：生产环境，其包括至少第一机器和第二机器；分配单元，其被配置为经由通信网络与第一机器和第二机器连接并确定其机器状态；以及优化单元，其被配置为创建生产规划，其中用于制造产品的至少一个任务被划分为用于第一机器或第二机器的机器特定子任务，并且被提供用于任务中的第一机器或第二机器，其中设置分配单元，考虑机器的相应状态以从优化单元确定第一机器或第二机器的下一个待处理子任务，将其从生产规划中移除并将其分配给相应的机器。进一步公开了一种由优化单元执行的优化过程，包括以下步骤：建模包括至少一台机器的生产环境，接收至少一个用于生产产品的任务，从一个任务创建子任务作为至少一台机器的工作步骤，在接收任务之后或在分配单元移除子任务之后或在分配单元最后一次移除子任务后过去预定的时间跨度之后将子任务分配给所述至少一台机器作为生产规划。
此外，公开了一种由分配单元(120)执行的分配方法，包括以下步骤：确定来自生产环境的至少一台机器的状态，确定优化单元的生产规划是否为机器提供进一步的子任务，如果生产规划为机器提供进一步的子任务，则考虑所确定的机器的状态，从优化单元的生产规划中去除子任务。
本发明公开了优化单元和分配单元之间的分离。这确保了对生产装置的连续监控和连续的生产规划，确保在资源状态发生变化时立即使规划适应变化的状态。
本发明主题的其它优点和有利实施例可以从说明书、附图和权利要求中获得。同样地，上面列出的和下面进一步描述的特征可以根据本发明单独地或分别地或以任何组合使用。
附图说明
在下文中，借助于附图描述了本发明的工作示例。
图1示出了根据本发明的生产规划系统的工作示例。
图2示出了工作示例的优化过程的流程图。
图3示出了工作示例的分配过程的流程图。
图4示出了改进的工作示例的优化过程的流程图。
图5示出了改进的工作示例的分配过程的流程图。
具体实施方式
基于图1，公开了根据本发明的用于生产规划的系统的工作示例。
根据本发明的生产规划系统100具有生产环境110。生产环境110包括至少一个但通常是数个机器111-118形式的生产装置。根据该专利的机器是用于制造或加工产品或产品的单个部件的所有装置，例如用于激光加工、用于冲压或弯曲的加工系统以及诸如激光束源、等离子体或感应发生器的装置。特定的工作示例是用于制造组装的金属板部件的生产环境。为此目的，生产环境110具有作为生产装置的第一切割机111和第二切割机112，其可以使用激光从输出金属板切割金属板坯料。此外，生产环境110具有第一弯曲机113和第二弯曲机114，其可以形成金属板坯料。此外，生产环境具有第一焊接机器人115和第二焊接机器人116，其通过点焊或缝焊在先前预定的点处组装两个夹紧的金属板部件。此外，生产环境100具有第一喷涂室117和第二喷涂室118，在其中可以喷涂金属板、金属板坯料和组装的金属板部件。
根据本发明的生产规划系统100还具有分配单元120。分配单元120是实现记录所有资源的当前操作状态的功能的单元，特别是记录资源是否准备好进行操作以及资源所在的任务的执行阶段。在工作示例中，分配单元120是电子数据处理装置，其借助于第一通信网络121或者借助于生产装置111-118的控制单元直接连接到生产装置111-118。分配单元120可以经由适当的接口请求关于生产装置的操作状态的信息。因此，分配单元永久地监视生产环境110的操作状态。虽然在工作示例中分配单元120是独立的数据处理装置，但是功能也可以通过资源的适当机器控制或具有其它功能的服务器部件来执行。
根据本发明的生产规划系统还具有优化单元130。优化单元130是实现执行生产规划的功能的单元。在工作示例中，优化单元130是借助于第二通信网络131连接到分配单元120的电子数据处理装置，从而数据可以在两个装置之间交换。尽管在该实施例中，优化单元130是独立的数据处理装置，但是该功能也可以通过具有其它功能的服务器部件来执行。特别地，优化单元130和分配单元120的功能可以由公共装置执行。第一通信网络121和第二通信网络131可以是两个不同的通信网络，或者可以被定义为公共通信网络。
本发明的生产规划系统100还具有数据存储单元140。在工作示例中，数据存储单元140是电子数据处理装置，特别是数据库服务器，其适用于并打算用于存储有关生产装置和生产任务的数据，例如在库存管理系统中。数据存储单元140借助于第三通信网络141连接到优化单元130，从而数据可以在两个装置之间交换。尽管工作示例中的数据存储单元140是独立的数据处理装置，但是该功能也可以由其它装置、特别是具有不同功能的服务器部件执行。特别地，功能数据存储单元140、优化单元130或分配单元120可以由公共装置执行。第一通信网络121、第二通信网络131和第三通信网络141可以是不同的通信网络，或者可以被设计为公共通信网络。
参考图2，描述了本发明的优化单元过程。
在步骤S10中，在优化单元中，对作为确定性有限状态机的生产装置的量进行建模。因此，每个生产装置通过在产品制造中必须通过的步骤来描述。这些步骤在一个实施例中是：
-设置步骤：为机器配备合适的工具。
-装载步骤：将起始材料或坯料装入机器。
-加工步骤：加工起始材料或坯料。
-卸载步骤：将已加工的坯料或成品从机器卸载。
-运输步骤：通过下一台机器将坯料运送到下一个加工步骤。
在步骤S11中，将具有默认时间的工作步骤(例如存储在数据存储单元140上)存储在初始状态中。
如果包括要完成的工作步骤的类型、数量和顺序以及(如果适用的话)完成生产的交付日期直到最终产品的总件数的任务被发送到优化单元130，则优化单元130首先在步骤S13中确定工作站的各个工作步骤的子任务量以及完成工作步骤所需的实际时间的近似值。由此，优化单元130使用存储在数据存储单元140上的构造规划，并且例如借助于金属板厚度和切割长度确定金属板切割的特定加工步骤所需的加工时间。如果不能确定加工步骤的特定加工时间，则仍然使用预定的默认时间。
通过优化单元130，在优化过程中的步骤S14中以已知方式创建生产规划，并且将各个工作步骤分类为机器111-118的工作队列中的子任务。其中，优化单元130在优化过程期间计算系统的总体最优情况，其中，可以在步骤S12中由优化单元预设并且预先确定哪些参数被优化。这些参数可以是，例如：
-最小化安装工作量或装载/卸载工作量，
-最大化材料利用率，
-最小化机器运行时间，
-最小化产品的交付周期，
-最小化整个任务的加工时间。
在系统过载的情况下，即如果优化单元不能确定对于所有任务可以在所需的完成时间内完成的生产规划，则在步骤S15中向操作员发出警告消息，并且优化单元过程被终止。如果优化过程成功完成，则优化单元过程返回到步骤S12。
如果没有确定新的传入任务并且确定其中一台机器的子任务已经被分配单元120移除并从优化单元的子任务库存中移除，则使用步骤S14执行新的优化过程。由于规划的加工时间与实际加工时间的差异，在移除子任务之后可以证明改变的生产规划是最优的。
如果确定分配单元120没有从优化单元130移除子任务，并且如果确定自分配单元120最后一次移除子任务以来已经过去了预定时间段，则也使用步骤S14执行新的优化过程。如果机器111-118发生故障，则可能发生该机器的子任务队列未被处理的情况。这些任务仍然存在的剩余加工时间将保持不变，而完成时间不断缩短。如果要重复优化过程，这些子任务将优先于不紧急的子任务被分类到较短的队列。
如果没有检测到超时，则优化过程返回到步骤S12。通过这种方式，优化单元在任何时间点为所有待处理任务保持优化的生产规划。
参考图3，描述了本发明的分配单元过程。
在步骤S21中，切割机111的状态由分配单元130确定。如果这表明当前子任务已经由切割机111处理，则分配单元120确定优化单元130是否为切割机111提供队列中的进一步的子任务。如果是这种情况，则分配单元120从优化单元移除机器111的该子任务，并将子任务传送到切割机111。
在此之后，或者如果确定切割机尚未完成其当前子任务或者优化单元库存中没有用于库存中的机器111的另一子任务，则继续步骤S23。
在步骤S23-S26中，对于另外的机器112-118重复切割机111的程序。
参考图4和5，描述了第一工作示例的改进。
改进的工作示例的系统对应于第一工作示例的系统，除了以下不同之处：
图4中描绘的改进的优化单元过程在当确定最后一次移除子任务之后等待时间尚未过去时，确定分配单元是否已经报告了机器故障。如果不是这种情况，则如在第一工作示例中那样继续步骤S12。如果是这种情况，则返回到步骤S10，并且在排除故障机器的情况下重新建模生产环境。
图5中描绘的改进的分配单元过程确定在S21中机器111的状态确定之后是否发生了机器故障。如果是这种情况，则在步骤S27中将机器的故障发送到优化单元130，然后进入步骤S23。如果不是这种情况，则按照第一工作示例进行。
分配单元过程的相应改进可用于确定剩余机器112-118的状态。
通过将生产规划划分为分配功能中的两个部分，从而在相当严密的时间监控中记录生产环境的实际状态，并根据实际可用性，接受机器的子任务并将其分配给机器并分配到优化功能中，优化功能只在相关时间优化生产规划，但随后自动地实现可以随时根据特定标准建模最优或几乎最优生产规划的系统。该系统能够灵活地响应新的，时间紧迫的任务或自动补偿机器的故障。
所示出和描述的实施例不应被理解为穷举列表，而是具有用于说明本发明的示例性特征。对于本领域技术人员显而易见的是，在权利要求限定的范围内，其它实施例是可能的。因此，将工作示例中的优化单元中的生产环境模型设计为确定性有限状态机。然而，也可以以不同的形式表示生产环境的模型，例如作为非确定性有限状态机或作为人工神经网络。
连接词“和”、“或”和“要么…或”用于分别基于逻辑连接、逻辑附加(通常“和/或”)或逻辑矛盾的含义。除非明确指定序列，否则加工步骤的列表仅用于显示一组加工步骤，并不表示列表序列中的加工步骤序列。
Claims (17)
1.生产优化系统，其包括：
生产环境(110)，其具有至少第一机器(111)和第二机器(112)，
分配单元(120)，其被设计成经由通信网络(121)连接到第一机器(111)和第二机器(112)并确定其机器状态，和
优化单元(130)，其被设计用于生成生产规划，其中，至少一个用于生产产品的任务被划分为第一机器(111)或第二机器(112)的机器特定子任务并且以序列提供给第一机器(111)或第二机器(112)，
其中，分配单元(120)被设计成在考虑相应机器状态的同时从优化单元(130)确定第一机器(111)或第二机器(112)的下一个发生的子任务，以从生产规划中移除该子任务并将其分配给相应的机器。
2.根据前述权利要求所述的生产优化系统，其中，
分配单元(120)被设计用于确定机器状态、即第一机器(111)或第二机器(112)的当前处理的子任务的操作准备度或完成程度并且在分配子任务时考虑机器状态，使得将子任务从生产规划中移除并且仅在相应机器已完成或几乎完成其当前的子任务并准备好操作时分配给第一机器(111)或第二机器(112)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的生产优化系统，其中，所述优化单元(130)被设计成：
对用于生产规划的生产环境(110)的图像进行数学建模，
确定至少一个优化参数，
将至少一个生产任务作为生产规划划分为子任务并且提供用于第一机器(111)或第二机器(112)，使得生产规划在至少一个优化参数之后是最优的或几乎最优的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的生产优化系统，其中，所述优化参数是最小化设置工作量或装载/卸载工作量、最大化材料利用率、最小化机器运行时间、最小化产品的交付周期或最小化整个任务的加工时间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的生产优化系统，其中，所述优化单元(130)被设计为将操作环境建模为有限状态机、特别是确定性有限状态机或人工神经网络。
6.根据前述权利要求中任一项所述的生产优化系统，其中，所述优化单元(130)被设计成：在分配单元(120)每次撤回子任务之后或在最后一次撤回子任务后过去预定的时间跨度之后重新确定生产规划。
7.根据前述权利要求中任一项所述的生产优化系统，其中，所述优化单元(130)被设计成：在分配单元(120)每次撤回子任务之后或在最后一次撤回子任务后过去预定的时间跨度之后根据优化参数来优化生产规划。
8.根据前述权利要求中任一项所述的生产优化系统，其中，所述优化单元(130)被设计成：如果不能生成在预定的时间内产生用于制造产品的至少一个任务的生产规划，则通知系统的操作员。
9.根据前述权利要求中任一项所述的生产优化系统，其中，
分配单元(110)被设计用于检测第一机器(111)或第二机器(112)的操作故障并将其传送到优化单元，和
优化单元被设计成在接收到故障通知时将操作环境的图像重新建模以排除故障机器。
10.由优化单元(130)执行的优化过程，包括以下步骤：
对具有至少一台机器的生产环境进行建模，
接收至少一个用于生产产品的任务，
从一个任务生成子任务作为至少一台机器的工作步骤，
在接收任务之后或在分配单元(120)移除子任务之后或在分配单元(120)最后一次移除子任务后过去预定的时间跨度之后，将子任务分配给至少一台机器作为生产规划。
11.根据前述权利要求所述的优化过程，其中，所述过程还包括以下步骤：
确定优化参数，
根据优化参数优化生产规划。
12.根据前述权利要求中任一项所述的优化过程，其中，所述过程还包括以下步骤：
确定子任务的标准持续时间，
确定子任务所特定的持续时间，同时考虑工件的构造。
13.根据前述权利要求中任一项所述的优化过程，其中，对具有至少一台机器的生产环境进行建模的步骤将其建模为有限状态机、特别是确定性有限状态机或人工神经网络。
14.根据前述权利要求中任一项所述的优化过程，还包括以下步骤：
从分配单元(130)接收至少一台机器中的故障通知，
反复执行排除了故障机器的生产环境的建模。
15.根据分配单元(120)执行的分配方法，包括以下步骤：
确定来自生产环境(110)的至少一台机器(111)的状态，
确定优化单元(120)的生产规划是否为机器(111)提供进一步的子任务，
如果生产规划为机器(111)提供进一步的子任务，则考虑所确定的机器(111)的状态，从优化单元(130)的生产规划中移除子任务。
16.根据前述权利要求所述的分配方法，还包括以下步骤：
确定机器(111)的操作准备状态，
如果机器(111)不可操作，则将机器(111)的操作准备状态传送到优化单元(130)。
17.一种过程，包括根据权利要求10-14中任一项所述的优化过程与根据权利要求15或16所述的分配方法的任意组合。
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