CN110456746A - 一种多品种混线自动化生产的实时调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多品种混线自动化生产的实时调度方法，属于自动化控制技术领域，该方法包括如下步骤：对柔性制造系统进行抽象建模，定义设备加工、运输、仓储等功能；对产品进行抽象建模，通过排列组合设备功能定义得到加工工艺流程；对总控PLC进行编程以形成设备控制程序；基于工业以太网通信获取产线状态；根据产品的优先级排列形成加工队列，并根据产品ID获取对应的加工工艺流程；获取加工工艺流程中当前步骤所需的设备功能定义，根据该设备功能定义匹配设备控制程序和所需的空闲设备集合，并通过设备控制程序控制相应空闲设备执行动作逻辑，直至加工工艺流程运行完毕，以实现柔性自动化制造系统的多品种混线自动化生产，具备柔性与可拓展性。
Description
技术领域
本发明属于自动化控制的技术领域，具体而言，涉及一种多品种混线自动 化生产的实时调度方法。
背景技术
传统的刚性自动化生产线，按产品生产工艺流程梳理出全流程的所有自动 化设备动作逻辑顺序与动作控制信号，固化为PLC控制程序。制造执行系统 根据订单任务，生成排产计划，下发到自动化生产线。根据排产计划，总控 PLC通过PLC控制程序按照既定逻辑顺序发送控制信号给相应自动化设备， 自动化设备收到信号执行相应生产动作，执行完成后向总控PLC反馈完成信 号。总控PLC根据反馈信号，按照既定逻辑顺序判断，控制相应自动化设备 执行下一步动作，实现自动化生产实时调度，完成订单任务。
随着社会和经济的发展，市场竞争日趋激烈，市场对产品需求更加多样化。 由此导致多品种、中小批量、混线的生产方式将在现代各类制造企业中占据主 导地位，传统的刚性自动化生产线已不能适合于大多数制造业，尤其是生产离 散型产品为主的制造企业。在这种背景下，柔性自动化制造系统便应运而生。
柔性自动化制造系统的多品种混线生产模式，要求控制程序根据每种产品 工艺流程与加工阶段自动调用相应的加工程序与设备，具有高度柔性。若依然 采用传统的实时调度的方式，需要对每种产品按照其工艺流程编写控制程序。 由于混线生产，同一台设备将涉及多种产品的生产，于是不同产品的生产流程 将相互交叉，出现冲突。因此，总控PLC集成所有产品的控制程序时，需要 增加一系列逻辑判断，协调解决冲突情景。将使得总控PLC控制程序的编写 极其复杂，而且一旦产品工艺流程变更，或需要生产新产品，需要重新编写 PLC控制程序，可拓展性较差。
发明内容
鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明将自动化生产实时调 度的功能从总控PLC转移到制造执行系统，目的在于提供一种多品种混线自 动化生产的实时调度方法以达到能够便捷定义产品的生产流程，实现柔性自动 化制造系统的多品种混线自动化生产，具备高度柔性与可拓展性的目的。
本发明所采用的技术方案为：一种多品种混线自动化生产的实时调度方 法，该实时调度方法基于制造执行系统，该方法包括如下步骤：
(1)对制造执行系统进行抽象建模，将其资源管理模块中的各个设备分 成不同设备类型，对每种设备类型中的各个设备均进行IP地址定义、功能定 义和优先级定义；
(2)对产品进行抽象建模，对产品进行产品ID定义和优先级定义，并根 据产品ID一一对应匹配加工工艺流程；
(3)对总控PLC进行编程以形成设备控制程序，该设备控制程序根据实 现设备功能定义的动作逻辑编写而成；
(4)基于工业以太网通信获取产线状态，以获取各个设备的运行状态、 各个产品的状态和总控PLC的工作状态；
(5)根据产品的优先级排列形成加工队列，从加工队列中获取当前产品 的产品ID并根据产品ID获取对应的加工工艺流程；
(6)获取加工工艺流程中当前步骤所需的设备功能定义，根据该设备功 能定义匹配设备控制程序和所需的空闲设备集合，根据设备优先级从空闲设备 集合中选择所需的最高优先级设备下发指令给总控PLC，总控PLC根据指令 调用设备控制程序控制所需设备，以执行当前步骤动作逻辑，完成当前步骤后， 继续执行下一步，以此循环运行；
(7)直至加工工艺流程运行完毕，并返回至步骤(4)。
进一步地，所述步骤(1)中将各个设备分为四种类型，分别为工艺设备 类、运输设备类、仓储设备类与辅助设备类。
进一步地，所述步骤(6)中所述制造执行系统通过自组织机制获取所需 设备集合，再通过竞标机制在设备集合中根据各个设备的优先权定义选择执行 设备功能定义的所需设备。
进一步地，所述自组织机制遍历各个设备通过判断设备运行状态与匹配加 工工艺流程中的设备功能定义形成所述空闲设备集合。
进一步地，所述步骤(4)到步骤(7)基于Timer()函数进行不断循环运 行，其频率为0.2S。
进一步地，所述步骤(2)中，加工工艺流程通过排列组合设备功能定义 获得。
本发明的有益效果为：
1、采用本发明所提供的多品种混线自动化生产的实时调度方法，通过对 柔性制造系统的各种设备类型进行抽象模型，同时也对产品进行抽象模型，根 据各个设备的功能定义排列组合形成加工工艺流程，制造执行系统在根据订单 任务情况与产品优先级对产品进行排列以形成产品加工队列，根据产品加工工 艺流程通过自组织机制选择所需的最高优先级设备下发指令给总控PLC，总控PLC根据指令调用相应控制程序控制所需设备对产品进行加工、运输或仓储， 以实现调度柔性制造系统进行多品种产品混线自动化生产的目的。
2、在本发明中，总控PLC只需根据设备功能定义的动作逻辑分别编写设 备控制程序，供制造执行系统调用，各个加工控制程序之间相互独立，与产品 无关，编程简单且工作量小。
3、在本发明中通过自组织机制进行选取满足设备功能定义的空闲设备集 合，再通过竞标机制在设备集合中按照优先级进行选择具体所需设备，算法简 单快捷，实时性较强。
4、在本发明中基于工业以太网通信，对各个设备、总控PLC的工作状态 进行实时监控，并通过柔性制造系统对各个产品的信息进行实时采集，以进行 实时监控。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明 实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例 是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。。
因此，以下本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的 范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普 通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本 发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征 可以相互组合。
应注意到：在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关 系为该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯 常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关 系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元 件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明 的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示 或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定， 术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可 拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。 对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具 体含义，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述 的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
在本实施例中具体提供了一种多品种混线自动化生产的实时调度方法，该 实时调度方法基于制造执行系统，参照ISA-95标准，制造执行系统包含数据 收集模块、跟踪模块、分析模块、调度模块、分派模块、执行管理模块、资源 管理模块、产品定义模块这8个功能模块，该方法包括如下步骤：
(1)对制造执行系统进行抽象建模，将其资源管理模块中的各个设备分 成四种不同的设备类型，分别为：工艺设备类、运输设备类、仓储设备类和辅 助设备类，并对每种设备类型中的各个设备均进行IP地址定义、功能定义和 优先级定义；其中，IP地址定义用于总控PLC对其进行实时调用；功能定义 用于通过自组织机制根据设备的不同功能定义划分进行排列组合以满足加工 工艺流程的加工功能需求；优先级定义则用于选取当前优先级最高的设备执行 相应步骤，而优先级的划分则根据设备的加工精度以及加工效率等。
其中，对各种设备类型陈述如下：
1.1)工艺设备类，表示执行生产工艺流程的设备，包括加工设备如车床、 铣床、热处理炉等，检测设备如三坐标测量仪、3D扫描仪等，辅助工艺设备 如激光打标机等；
1.2)运输设备类，表示生产工艺流程中承担物料运输的设备，如机器人、 AGV小车、倍速线等；
1.3)仓储设备类，表示生产工艺流程中承担物料仓储与缓存的设备，如立 体料仓、上料台等；
1.4)辅助设备类，表示生产工艺流程中所需的刀具与工装夹具。
(2)对产品进行抽象建模，对产品进行产品ID定义和优先级定义，并根 据产品ID一一对应匹配加工工艺流程；其中，产品ID是用于将不同的产品进 行匹配与之对应的加工工艺流程；而产品的优先级定义则用于后期形成产品加 工队列，该优先级定义主要是根据产品的生产时限要求进行定义的，当然，在 实际生产过程中，也可根据其他维度对不同的产品进行优先级定义，例如产品 价值、重要性等指标。
所述加工工艺流程由多个工步组成，各个工步存储于柔性制造系统中，且 每个加工工艺流程中的工步是可以进行添加、删除或查找的，以满足对加工工 艺流程的更改或调整。而每个工步由多个设备功能定义以及所需的辅助类设备 组成，通过指针的方式可直接索引到具备相应功能的所有设备。
例如：按照加工工艺，产品A加工工艺流程包含工步1车加工，工步2 打标，工步3入库。而工步1则依次包含机器人的上料功能，车床的车加工功 能，所需辅助类设备刀具T1、T2，夹具F1；工步2则依次包含机器人的下料 功能，机器人的分拣至打标机功能，打标机的打标功能；工步3则依次包含机 器人的分拣入库功能，立体料仓的入库功能。
(3)对总控PLC进行编程以形成设备控制程序，该设备控制程序根据设 备功能定义的动作逻辑编写而成；即：设备控制程序是与设备功能定义一一对 应的，相较于传统的控制程序，该设备控制程序不局限于对单个设备的控制。
例如：运输设备类机器人定义上料的设备功能，而该功能定义的动作逻辑 包括机器人运动到取料位，然后抓取工件，再运动到上料位，最后放置工件到 机床卡盘，而机器人这一系列动作以及与机床的信号交互均由总控PLC中的 一个设备控制程序实现，且该设备控制程序与上料功能定义一一对应。此外， 同一设备控制程序可根据发送的需求指令，控制同设备类型中的不同设备执行 同一功能，或控制设备去往同设备类型中的不同设备执行同一功能。
(4)基于工业以太网通信，获取各个设备的运行状态、各个产品的状态 和总控PLC的工作状态；
在柔性制造系统中的数据收集模块中建立实时数据采集模型，该实时数据 采集模型能够对各个产品、各个设备进行数据采集，其中，各个设备的运行状 态包括设备是否存在故障、是否被选中、是否完成准备工作、是否正在运行、 是否完成加工功能需求以及是否正在维修；而各个产品的状态包括产品是否合 格、产品是否空闲、产品是否正在流转以及产品是否完成加工。
优选的，在本实施例中，基于各种设备(例如：数控设备、机器人、PLC、 RFID等)提供的通讯协议，扫描采集各个设备的所有信息，每次扫描采用多 线程机制，对每台设备创建单独线程；然后在数据收集模块中根据在各种设备 上所采集的反馈信号实时更新各个设备的运行状态，以及实时更新各个产品的 状态信息。
(5)根据产品的优先级排列形成加工队列，该加工队列是基于APS高级 排产调度系统根据订单任务与产品优先级的情况生成排产计划，即排产出多品 种工件的加工先后顺序。制造执行系统的调度模块根据排产计划，生成产品加 工队列，加工队列中包含每件产品ID、加工工艺流程以及通过数据采集模块 获取的产品状态等所有数据信息。
(6)获取加工工艺流程中当前工步所需的设备功能定义，根据该设备功 能定义采用自组织机制匹配所需的空闲设备集合，从中选择最高优先级设备下 发指令给总控PLC。总控PLC根据指令调用设备控制程序控制相应设备，以 执行当前工步，完成当前工步后，继续执行下一工步，以此循环运行。
该步骤的具体运行方法如下：
用当前任务队列存储当前需要实时调度的产品工艺流程工步，工步依次包 含的设备功能定义与辅助类设备，执行设备功能定义的中标设备，以及正在执 行的功能定义等信息。若当前任务队列为空或不含空闲状态的产品的工步，从 加工队列中查询第一件空闲产品进行调度加工，并且绑定RFID、二维码或条 形码等身份信息与产品ID，获取该产品的加工工艺流程中的第一个工步的所 有信息添加到当前任务队列的末尾，正在执行的功能定义置为空。遍历当前任 务队列，针对每个工步，若正在执行的功能定义为空，则根据该工步包含的所 有设备功能定义，采用自组织机制和竞标机制确定所需的具体设备以执行相应 的设备功能。
在本实施例中，自组织机制和竞标机制如下：假设提取的产品加工流程工 步PD1，包含设备功能定义NF1、NF2，执行设备功能定义的中标设备ID分 别为ID1、ID2，初始值为空。按照设备功能定义NF1的需求遍历相应设备类 型，一旦某设备的状态为空闲且其设备功能包含NF1且优先级值较ID1的更 大，则将ID1更改为该设备的ID。NF2同理寻找相应设备。
遍历完成，若ID1或ID2为空则表示流标(即未选取到合适的具体设备进 行加工)，取当前任务队列的下一工步，采用自组织机制和竞标机制确定所需 的具体设备以执行相应的设备功能。
若不为空则表示竞标成功，将ID1与ID2中标设备的用于执行相应的加工 功能，相应设备状态置为被选中，产品状态置为正在流转。正在执行的功能定 义设为NF1，将中标设备ID1与功能定义NF1下发给总控PLC，由总控PLC 调用控制程序控制中标设备ID1执行NF1功能。
当遍历当前任务队列时，若工步正在执行的功能定义不为空，假设还是为 NF1。判断数据收集模块采集上来的中标设备ID1的状态，若中标设备ID1状 态为已完成，则正在执行的功能定义设为NF2，设备ID1状态置为空闲。将中 标设备ID2与功能定义NF2下发给总控PLC，由总控PLC调用控制程序控制 中标设备ID2执行NF2功能。若中标设备为其他状态，取当前任务队列的下 一工步，采用自组织机制和竞标机制确定所需的具体设备以执行相应的设备功 能。特别注意，若该工步所有功能定义都已完成，则查询产品工艺流程，将工 步替换为工艺流程的下一工步，正在执行的功能定义为空。若该产品所有工步 都已完成，则从当前任务队列中删除，产品状态设为已完成。
在该步骤(6)中，调度模块将中标设备信息与执行的功能定义发送给分 派模块；分派模块创建新线程，按先后顺序添加到执行任务队列中；执行管理 模块按照线程的执行任务队列，依次发送中标设备信息与执行的功能定义指令 到总控PLC，根据指令调用对应的控制程序。
所述自组织机制根据各个设备的功能定义进行排列组合以形成所述设备 集合，根据设备功能进行排列组合方式匹配加工工艺流程，当加工工艺流程需 要进行增、删以及修改时，只需调整设备功能排列组合方式即可。无需在针对 加工工艺流程进行修改或编写加工控制程序，具备高度柔性和可拓展性强的优 点。
(7)直至加工工艺流程运行完毕，并返回至步骤(4)，以此往复循环， 实现对多品种进行混线自动化生产。
在上述整个实时调度过程中，所述步骤(4)到步骤(7)是基于Timer() 函数进行不断循环运行，其频率为0.2S，实现高度实时性。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其 他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权 利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种多品种混线自动化生产的实时调度方法，该实时调度方法基于制造执行系统，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)对制造执行系统进行抽象建模，将其资源管理模块中的各个设备分成不同设备类型，对每种设备类型中的各个设备均进行IP地址定义、功能定义和优先级定义；
(2)对产品进行抽象建模，对产品进行产品ID定义和优先级定义，并根据产品ID一一对应匹配加工工艺流程；
(3)对总控PLC进行编程以形成设备控制程序，该设备控制程序根据实现设备功能定义的动作逻辑编写而成；
(4)基于工业以太网通信获取产线状态，以获取各个设备的运行状态、各个产品的状态和总控PLC的工作状态；
(5)根据产品的优先级排列形成加工队列，从加工队列中获取当前产品的产品ID并根据产品ID获取对应的加工工艺流程；
(6)获取加工工艺流程中当前步骤所需的设备功能定义，根据该设备功能定义匹配设备控制程序和所需的空闲设备集合，根据设备优先级从空闲设备集合中选择所需的最高优先级设备下发指令给总控PLC，总控PLC根据指令调用设备控制程序控制所需设备，以执行当前步骤动作逻辑，完成当前步骤后，继续执行下一步，以此循环运行；
(7)直至加工工艺流程运行完毕，并返回至步骤(4)。
2.根据权利要求1所述的多品种混线自动化生产的实时调度方法，其特征在于，所述步骤(1)中将各个设备分为四种类型，分别为工艺设备类、运输设备类、仓储设备类与辅助设备类。
3.根据权利要求1所述的多品种混线自动化生产的实时调度方法，其特征在于，所述步骤(6)中所述制造执行系统通过自组织机制获取所需设备集合，再通过竞标机制在设备集合中根据各个设备的优先权定义选择执行设备功能定义的所需设备。
4.根据权利要求3所述的多品种混线自动化生产的实时调度方法，其特征在于，所述自组织机制遍历各个设备通过判断设备运行状态与匹配加工工艺流程中的设备功能定义形成所述空闲设备集合。
5.根据权利要求1所述的多品种混线自动化生产的实时调度方法，其特征在于，所述步骤(4)到步骤(7)基于Timer()函数进行不断循环运行，其频率为0.2S。
6.根据权利要求1所述的多品种混线自动化生产的实时调度方法，其特征在于，所述步骤(2)中，加工工艺流程通过排列组合设备功能定义获得。
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