靳云發(fā)，楊萬然，王紹宗，張 倩

（1.先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.北京機(jī)科國創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院有限公司，北京 100083）

0 引言

筒子紗染色是高檔色織面料的基礎(chǔ)，是色織行業(yè)的重要工序[1]。我國筒子紗染色企業(yè)年染紗1000多萬噸，85%以上的色織用紗線通過筒子紗染色加工[2]。傳統(tǒng)染色屬于勞動(dòng)密集型、工作環(huán)境惡劣行業(yè)，生產(chǎn)中過程中，存在較多技術(shù)含量不高的重復(fù)體力勞動(dòng)，筒子紗染色也不例外。“用工荒”的出現(xiàn)、用工成本的快速上升、人工操作容易造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等原因，倒逼染色企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，用自動(dòng)化、智能化的生產(chǎn)線替代人工操作。

根據(jù)生產(chǎn)工藝和設(shè)備布局的特點(diǎn)，本文介紹的生產(chǎn)線是用不同的生產(chǎn)工序替代傳統(tǒng)離散物流生產(chǎn)線中部件裝配和總裝配過程[3]，最后得到成品筒子紗的非典型離散物流生產(chǎn)線，它通過不同工藝過程執(zhí)行設(shè)備的串聯(lián)和并聯(lián)完成復(fù)雜的柔性生產(chǎn)加工過程。柔性作業(yè)車間調(diào)度（FJSP）衍生機(jī)器分配問題和工序調(diào)度問題，從而使得其相對(duì)于經(jīng)典車間調(diào)度問題（JSP）而言更加復(fù)雜[4]。因此，只有合理的組織生產(chǎn)物流活動(dòng)才能夠發(fā)揮出最大的生產(chǎn)能力，否則再好的生產(chǎn)設(shè)備也不能順利的完成生產(chǎn)[5]。物流調(diào)度的主要工作內(nèi)容包括實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)的各個(gè)工作環(huán)節(jié)，及時(shí)的了解現(xiàn)場運(yùn)行狀況，并且根據(jù)突發(fā)狀況制定應(yīng)急措施[6]，通過傳感器直接信號(hào)采集、設(shè)備間的信息互聯(lián)互通，使物流調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)在整個(gè)生產(chǎn)全流程可獲取，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線管理和物流調(diào)度的基礎(chǔ)，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)任務(wù)隊(duì)列的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理、物流設(shè)備工作路徑指令的動(dòng)態(tài)生成。

1 生產(chǎn)線物流調(diào)度策略及控制器選型

1）生產(chǎn)線調(diào)度策略

為了滿足生產(chǎn)節(jié)拍、提高生產(chǎn)線綜合效率，最大限度提高生產(chǎn)線產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)安全、高效、靈活的生產(chǎn)調(diào)度，系統(tǒng)執(zhí)行了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)隊(duì)列和安全協(xié)同的物流調(diào)度策略，通過任務(wù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)原則、工位狀態(tài)安全原則、異級(jí)任務(wù)效率優(yōu)先原則、同級(jí)任務(wù)先進(jìn)先出原則來實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)原則。物流設(shè)備的任務(wù)隊(duì)列的產(chǎn)生、各個(gè)工位狀態(tài)是否正常都是通過分析包含工位傳感器數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程中生產(chǎn)物料的屬性數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的。物流調(diào)度系統(tǒng)確保生產(chǎn)物資的屬性數(shù)據(jù)在生產(chǎn)流動(dòng)過程中與生產(chǎn)物資動(dòng)態(tài)匹配。

工位狀態(tài)安全原則。一個(gè)工位的生產(chǎn)物料屬性數(shù)據(jù)與該工位傳感器信號(hào)、該工位的功能設(shè)置不匹配時(shí)，系統(tǒng)觸發(fā)工位報(bào)警，并將有報(bào)警的工位實(shí)時(shí)從所有可能的任務(wù)隊(duì)列中清除，必須在排查清楚報(bào)警原因并正確處理后，物流設(shè)備才能執(zhí)行與該工位相關(guān)的任務(wù)。

異級(jí)任務(wù)效率優(yōu)先、同級(jí)任務(wù)先進(jìn)先出原則。每個(gè)物流設(shè)備都執(zhí)行多個(gè)工藝過程的物流轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)，每種工藝過程的物流轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)應(yīng)一級(jí)任務(wù)；每一個(gè)工藝過程有可能有多個(gè)任務(wù)同時(shí)存在。不同級(jí)的任務(wù)同時(shí)存在時(shí)，不同的執(zhí)行順序生產(chǎn)線會(huì)有不同的生產(chǎn)效率；存在多個(gè)同級(jí)任務(wù)時(shí)，按照FIFO原則執(zhí)行。

2）物流調(diào)度系統(tǒng)硬件選擇

要實(shí)現(xiàn)有效的物流調(diào)度，完成調(diào)度任務(wù)的控制器除了需要具備極高的工作穩(wěn)定性；由于各個(gè)工位的物流屬性數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)更新，現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備、物流設(shè)備和緩存工位的狀態(tài)信息需要實(shí)時(shí)更新，各個(gè)任務(wù)隊(duì)列根據(jù)以上獲取的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新和維護(hù)，根據(jù)實(shí)時(shí)任務(wù)隊(duì)列、執(zhí)行設(shè)備和物流設(shè)備的狀態(tài)需要實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)生成物流設(shè)備的工作任務(wù)路徑，需要同物流調(diào)度控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的設(shè)備多，生產(chǎn)線的物流調(diào)度程序的程序量大、邏輯運(yùn)算量大，對(duì)物流調(diào)度控制器的性能提出了很高的要求。

工程中，我們選用了西門子S7-1500系列中CPU 1515-2PN作為物流調(diào)度控制器。該控制器CPU自帶顯示屏，方便進(jìn)行IP地址等設(shè)置和診斷；工作存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)500KB代碼和3MB數(shù)據(jù)，同時(shí)支持高達(dá)2GB的存儲(chǔ)卡，可存儲(chǔ)項(xiàng)目數(shù)據(jù)、歸檔、配方和相關(guān)文檔；位指令執(zhí)行時(shí)間30ns；最高可多達(dá)108個(gè)通訊連接資源，通過Profinet與現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備和物流設(shè)備通訊，實(shí)時(shí)獲取必要數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)生成物流設(shè)備需要執(zhí)行的任務(wù)隊(duì)列和路徑指令，該控制器完全滿足工作需求。

同時(shí)，物流調(diào)度控制器還通過以太網(wǎng)與上位工控機(jī)通訊，進(jìn)行狀態(tài)顯示和必要的操作，實(shí)現(xiàn)并通過工控機(jī)將生產(chǎn)線的可以生產(chǎn)數(shù)據(jù)備份到服務(wù)器中。

2 生產(chǎn)線布局和設(shè)備介紹

筒子紗染色車間主要包括紗籠上紗，紗籠紗柱裝壓鎖扣、紗籠進(jìn)染缸染色、紗籠出染缸、紗籠卸鎖扣、色紗脫水、脫水后烘干幾個(gè)主要的工序。某日產(chǎn)60噸紗線染色車間生產(chǎn)線設(shè)備布局如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線布局示意圖

生產(chǎn)線中設(shè)備由三類構(gòu)成：物流設(shè)備（RGV、自動(dòng)天車統(tǒng)、擺渡車統(tǒng)稱）、緩存工位、工藝設(shè)備，編號(hào)如圖1所示，圖中僅對(duì)物流設(shè)備及其操作對(duì)象（緩存工位、工藝設(shè)備）進(jìn)行了編號(hào)。設(shè)備統(tǒng)計(jì)信息如表1所示。

表1 生產(chǎn)線設(shè)備統(tǒng)計(jì)表

生產(chǎn)線現(xiàn)場實(shí)拍如圖2、圖3所示。

圖2 移載車工作區(qū)域現(xiàn)場局部圖

圖3 自動(dòng)天車工作區(qū)域現(xiàn)場局部圖

3 物流設(shè)備調(diào)度的具體實(shí)現(xiàn)

結(jié)合生產(chǎn)線產(chǎn)能需求，自動(dòng)化生產(chǎn)線布置了1臺(tái)擺渡車（工位編號(hào)120）、2臺(tái)RGV（工位編號(hào)100和200）、1臺(tái)自動(dòng)天車（工位編號(hào)1000）實(shí)現(xiàn)物料及其載具的轉(zhuǎn)運(yùn)。其中，擺渡車可縮短空紗籠轉(zhuǎn)運(yùn)的路徑，提高運(yùn)送效率；兩臺(tái)RGV的工作區(qū)域?yàn)槿旧脚_(tái)下的機(jī)器人工作區(qū)及相關(guān)緩存區(qū)域；自動(dòng)天車的工作區(qū)域是染色機(jī)平臺(tái)及相關(guān)緩存區(qū)域。

下面，以工位編號(hào)100的裝紗區(qū)RGV移載車的物流調(diào)度過程為例，介紹生產(chǎn)線的物流調(diào)度實(shí)現(xiàn)。

1）路徑規(guī)劃

依據(jù)設(shè)備的功能和工位編號(hào)，做好路徑規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)調(diào)度的前提。首先對(duì)RGV100移載車的路徑種類進(jìn)行細(xì)分，并窮舉可能存在的7類工作路徑。為了執(zhí)行異級(jí)任務(wù)效率優(yōu)先原則，對(duì)各類路徑的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序。對(duì)每一個(gè)可能的路徑進(jìn)行編碼，一個(gè)完整的路徑包括起始工位號(hào)、目標(biāo)工位號(hào)和路徑編碼。每類路徑數(shù)=起始工位數(shù)×目標(biāo)工位數(shù)。

根據(jù)生產(chǎn)工藝，路徑類型及優(yōu)先級(jí)（數(shù)值小的優(yōu)先級(jí)高）如表2所示。

表2 RGV100路徑分類及優(yōu)先級(jí)列表

2）工位數(shù)據(jù)規(guī)劃

要實(shí)施數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)原則，需要做好數(shù)據(jù)規(guī)劃。生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，通過各個(gè)工位的數(shù)據(jù)來具體體現(xiàn)。合理、完整的工位數(shù)據(jù)是完成物流調(diào)度的前提。根據(jù)生產(chǎn)工藝情況，工位數(shù)據(jù)必須具備以下基本要素：

（1）生產(chǎn)任務(wù)具備唯一標(biāo)識(shí)，即為每一紗籠的染色任務(wù)設(shè)定一個(gè)ID；

（2）生產(chǎn)過程中，存在工位復(fù)用的情況，每一個(gè)生產(chǎn)工藝過程必須具備唯一的標(biāo)識(shí)，即為每一個(gè)工藝過程設(shè)定一個(gè)ID。比如，裝紗機(jī)械手正在向紗籠裝紗工藝過程ID為200，裝紗機(jī)械手向紗籠裝紗完成是工藝過程ID為210等；

（3）每一種物料狀態(tài)都有一種物料狀態(tài)ID。比如只有空托盤的物料ID為10，托盤+紗籠的物料ID為20等；

（4）具備必要的生產(chǎn)過程工藝數(shù)據(jù)，比如脫水機(jī)的脫水時(shí)間、脫水時(shí)執(zhí)行的轉(zhuǎn)速等。

通過這些必要的數(shù)據(jù)，即使同一個(gè)ID的生產(chǎn)任務(wù)在同一個(gè)工位，但執(zhí)行不同的生產(chǎn)工藝，物流調(diào)度系統(tǒng)也能進(jìn)行可靠的甄別。

3）物流搬運(yùn)路徑的生產(chǎn)

物流設(shè)備是否能夠產(chǎn)生、何時(shí)產(chǎn)生有效路徑、產(chǎn)生哪個(gè)路徑，是多個(gè)因素綜合作用的結(jié)果，以RGV100為例，可以用一個(gè)數(shù)學(xué)模型表示為：

R100=（S100，Pr，Q1…n，SB，SE）

式中，R100為RGV100路徑；S100為RGV100的狀態(tài)集；Pr為RGV100的隊(duì)列優(yōu)先級(jí)規(guī)則；Q1…7為RGV100的7類路徑隊(duì)列；SB為可能的起始工位的狀態(tài)集合，SE為可能的目標(biāo)工位的狀態(tài)集合。

當(dāng)物流調(diào)度系統(tǒng)計(jì)算出有效的路徑時(shí)，將路徑發(fā)送給RGV100，RGV100按照自身的工作邏輯完成路徑任務(wù)，并反饋物流調(diào)度系統(tǒng)完成結(jié)果。

對(duì)于每一級(jí)任務(wù)隊(duì)列，都要實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新。當(dāng)系統(tǒng)檢測到某個(gè)工位的工位數(shù)據(jù)、傳感器信號(hào)和該工位的功用完全匹配時(shí)，該工位進(jìn)入相應(yīng)的任務(wù)對(duì)列。邏輯流程如圖4所示。

圖4 新任務(wù)入隊(duì)列邏輯流程圖

當(dāng)某個(gè)隊(duì)列任務(wù)需要被執(zhí)行時(shí)，按照FIFO原則。執(zhí)行過的任務(wù)，需要從隊(duì)列里面清除，同時(shí)將隊(duì)列整體前推一個(gè)元素單位。通過如圖5邏輯流程來實(shí)現(xiàn)。

圖5 任務(wù)完成后出隊(duì)列邏輯流程圖

生產(chǎn)過程中，難免出現(xiàn)工位報(bào)警的情況。為落實(shí)工位狀態(tài)安全原則、避免生產(chǎn)事故，如果該工位已經(jīng)進(jìn)入了任務(wù)隊(duì)列，需要將該工位的任務(wù)從隊(duì)列中清除，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)對(duì)任務(wù)隊(duì)列的動(dòng)態(tài)管理。該機(jī)制的引入，也為人工干預(yù)物流和物流數(shù)據(jù)提供了可能。從隊(duì)列中清除一個(gè)任務(wù)的邏輯流程如圖6所示。

圖6 隊(duì)列清除任務(wù)邏輯流程圖

4）特殊情況的處理

生產(chǎn)中，存在設(shè)備檢修、生產(chǎn)任務(wù)飽和度不夠、染色質(zhì)量不達(dá)標(biāo)等特殊情況。物流調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)了生產(chǎn)線上的設(shè)備上自動(dòng)線和下自動(dòng)線的自動(dòng)適應(yīng)機(jī)制。設(shè)備下線時(shí)，物流調(diào)度系統(tǒng)在在進(jìn)行任務(wù)路徑規(guī)劃計(jì)算時(shí)，該設(shè)備將不納入路徑規(guī)劃中去；對(duì)于排產(chǎn)靠后需要優(yōu)先生產(chǎn)的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了人工干預(yù)機(jī)制：可以將相應(yīng)的任務(wù)在隊(duì)列中前移，也可以人為給物流設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的工作路徑提前執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，執(zhí)行完后相關(guān)的任務(wù)隊(duì)列自動(dòng)實(shí)時(shí)自動(dòng)更新。

盡管生產(chǎn)線染色一次符樣率很高，也不能完全避免質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的出現(xiàn)，物流調(diào)度系統(tǒng)也對(duì)這種情況進(jìn)行了充分考慮，處理方式是：將檢測不合格的紗籠調(diào)度到指定的紗籠緩存工位，當(dāng)染缸呼叫重染后，再次進(jìn)入正常的染色序列。該過程的處理邏輯流程圖如圖7所示。

4 結(jié)語

生產(chǎn)線調(diào)試完成并投入使用已經(jīng)近1年的時(shí)間，取得了很好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，完全滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)：生產(chǎn)線運(yùn)行穩(wěn)定，除巡視人員外，無需人工操作，極大降低了人員配置和人工勞動(dòng)強(qiáng)度；杜絕了人工操作不規(guī)范導(dǎo)致的不良品等生產(chǎn)事故；極大改善了生產(chǎn)環(huán)境，提高了對(duì)企業(yè)招工對(duì)象特別是年輕技術(shù)工種吸引力。