基于SOA和柔性制造技术的生产调度系统*

李亚凯，沈 彦，周一军

(上海西派埃智能化系统有限公司，上海 200233)

0 引言

柔性制造技术FMT (Flexible Manufacturing Technology)是指可以根据需求变化而对产品种类或生产方式迅速调整的现代化制造技术[1]，基于此技术运行的系统即柔性制造系统FMS (Flexible Manufacturing System)。柔性制造系统是可以满足生产加工对象灵活切换的，由物料存储设备、物料流转设备、数控加工设备、信息控制系统组成的自动化加工系统。柔性制造系统是面向即时生产JIT(Just In Time)理念的，是适用于小品种多批次的生产场景的解决方案，可以提高生产的快速性、准确性和精益性。

1967年，英国研制了“系统24”，该系统是由6台模块化结构的多工序数控机床组成，实现了第一个柔性制造系统。日本、前苏联、德国等也在60年代至70年代初开展了柔性制造系统的研发[2]。此后柔性制造技术得以迅速发展，在80年代初期进入实用阶段。90年代以后，随着微电子技术、计算机技术、通讯技术、机械和控制设备的发展，柔性制造技术伴随着计算机集成制造系统的发展(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)日趋成熟。随着传统制造技术不能满足市场对多品种小批量的生产要求，在全球化竞争的今天，柔性制造技术已成为全球各国研发的重点。日本工业在柔性制造技术几十年的发展过程中，利用柔性制造系统取得了显著的经济效益[3]；我国发展与应用柔性制造系统较晚，但近年来发展较快，多家企业开发制造了柔性制造系统，说明我国柔性制造系统的研发能力近年来取得了明显的提升和发展。

近年来，国内不少企业都陆续实施了ERP(企业资源计划系统)-MES(制造执行系统)-PCS(过程控制系统)，建设数字化生产车间[4-5]。但MES下发工单之后，工单的执行单元仍是孤立的子系统。各子系统相对独立自治、分布存在，存在信息孤岛，相互协调困难，仍需人为决策。因此需要一套信息控制系统负责车间资源集成、智能决策、自动控制调度，此系统即生产调度系统，其在柔性制造系统中扮演着信息控制的角色。

3C行业丝网印刷属于劳动密集型产业，生产模式属于典型的离散型生产，机台运行模式单一，切换在制品不灵活，步骤繁琐耗时长。因此，以离散制造的3C行业丝网印刷车间为研究和应用对象，提出基于SOA和柔性制造技术的生产调度系统，并对生产调度系统流程、网络架构、系统架构、集成架构进行了设计。最后，通过实际生产车间对所设计系统进行了实施和验证，证明了生产调度系统的实用性和先进性。

1 生产调度系统设计方案

生产调度系统负责整个车间信息集成及调度处理，通过将车间的仓储系统(立体仓库)、物流系统(AGV)、产品跟踪系统(RFID)、生产加工系统(生产机台)等相互独立的系统连接、协调、调度，实现车间自动生产上下料。与同类型产品相比，基于SOA和柔性制造技术的生产调度系统具备更齐全的数据接口以及通用型的框架设计，可适配各类厂商的物流、仓储、追踪等车间子系统，具备通用性与可移植性。

1.1 车间控制流程

车间控制流程如图1所示。从上到下可以分为4个层级，第一层为车间总控层，包含生产调度系统，负责按工单对设备排产，设定车间运行模式，机台参数下载，生产调度和监控。第二层为车间子系统层，包含立库系统、SCADA系统、AGV系统和RFID系统，负责接收生产调度系统的调度命令，解析后向设备PLC下发信号指令[6]。由于机台PLC呼料请求实时性强，信号点众多，系统直连检测负荷大。为解决实时读写性能问题，设立SCADA系统实时读取测量点的值，提供Modbus服务器与生产调度系统通讯，既保证信息实时性又减轻系统负荷。第三层为生产执行层，包含各个执行机构的PLC，接收信号指令后驱动机械动作。

图1 车间控制流程

(1)模式写入

车间设计为多台丝印机单元物理串联，这样既可以组成产线形成“连线模式”，也可以每个丝印机单元独立生产输出半成品形成“单机模式”，由系统协调建立机台联系，负责上下料。单个丝印机台的“连线/单机”的生产模式在生产中不固定、会灵活调整，因此仓储系统、物流系统、生产加工系统的路线配对也在随之改变。

为解决生产关联灵活性的问题，生产调度系统排产开工时，根据机台排产工序将参数指令写入机台PLC，建立机台与前后机台的连线关系。机台呼叫后，生产调度系统根据机台呼叫请求分析、确认仓储、物流系统的路线配对关系，再执行调度。

如图1所示，过程1，首次生产时，生产调度系统根据排产情况，向丝印机PLC写入机台加工模式(单机模式/连线模式)等各类机台加工参数。

(2)机台呼料

过程2，丝印机台PLC呼叫上料缓存区的上料机械手取料上料；丝印机台PLC呼叫下料缓存区的下料机械手取料下料，呼料信号经过SCADA传递至生产调度系统。

(3)上料缓存区缺料呼叫

过程3，上料缓存区缺料呼叫后：

过程3_1，车间生产调度系统向立库系统发送出库请求，确定立库位置；

过程3_2，车间生产调度系统向AGV下发路线指令；

过程3_3，立库出料至立库码头，等待AGV交互；

过程3_4，AGV到达立库，与立库码头交互，接料；

过程3_5，AGV到达机台，与机台上料码头交互，上料，RFID扫描，完成后AGV回待命点；

过程3_6，3_7，机台上料码头接料后，上料机械手将物料搬运至上料缓存区，补料完成。

(4)下料缓存区满料呼叫

过程4，下料缓存区满料呼叫后：

过程4_1，4_2，下料机械手将物料搬运至下料缓存区，等待AGV 交互；

过程4_3，车间生产调度系统向立库系统发送入库请求，确定立库位置；

过程4_4，车间生产调度系统向AGV下发路线；

过程4_5，AGV到达机台，与机台下料码头交互，接料，RFID扫描；

过程4_6，AGV到达立库，与立库码头交互，上料，RFID扫描完成后AGV回待命点；

过程4_7，立库码头接料后，与立库交互入库。

1.2 架构设计

架构设计的范围包括网络架构、系统架构、集成架构三部分。网络架构主要介绍企业范围各个系统之间的业务层级与网络拓扑关系[7]，系统架构主要介绍生产调度系统内部的功能模块的层级与组成[8]，集成架构主要介绍生产调度系统与其他交互对象之间的系统边界与信息流。

1.2.1 网络架构

生产调度系统网络架构如图2所示。

最上层为企业级系统，主要有ERP/PLM/PDM/ CRM/SCM等，是企业经营计划相关系统，采用基于SOA的企业信息总线(ESB)。

第二层为工厂级系统，主要为MES，负责将上层ERP计划分解成工单，监控指导生产。总线采用基于Ethernet的工业以太网。

第三层为车间级，是生产调度系统所在的层级。主要有生产调度系统和各类生产子系统构成，生产调度系统采用基于SOA的企业信息总线(ESB)，生产子系统有AGV物流系统、立库仓库系统、RFID产品跟踪系统、SCADA系统等。车间局域网络主要采用工业以太网(Ethernet)，设备网络采用现场总线(Field bus)协议，连接工厂现场设备和PLC等控制器。

图2 生产调度系统网络架构

1.2.2 系统架构

生产调度系统的系统架构的设计主要分为技术架构和功能架构的设计，如图3所示。

图3 生产调度系统的系统架构

架构上，表现层采用EasyUI前台框架。逻辑层、服务层、数据层使用Spring, Spring MVC, Mybatis搭载系统框架，集成Web Service, Socket, http, Modbus等各类接口，集成Activiti工作流程引擎。

(1)表现层

表现层提供用户交互的各种功能，主要分为任务执行、任务监控、系统维护等功能。

(2)逻辑层

逻辑层负责生产调度系统的业务逻辑处理，业务模型可划分为9个功能模块：

1)物料管理：负责查询BOM清单、查询工单工艺路线及工序物料对照清单、查询原料仓库库存、查询工艺半成品库库存。

2)生产排产管理：负责生产排产、开工、清线、完工操作。

3)报警管理：查看和处理各个子系统报警信息，如设备报警、设备呼料、良率报警、环境报警、各子系统故障报警、超领预警等。记录报警处理日志。也可向指定人员发短信、指定终端推送消息。

4)生产监控看板：显示生产监控画面及看板画面，查看车间生产的状态，如实时工单、良率、设备状态，子系统运行状态，接口通讯状态等。

5)报表处理：查看调度处理日志、报警处理日志、查看实时良率、工序点交数据等。

6)系统配置：设置用户、系统权限，报警消息接收用户、检测测量点范围、设备台账等系统基础数据维护。

7)接口管理：设置各个子系统接口配置参数，查询接口状态，手动操作界面等。

8)终端服务管理：移动端与看板参数设置等。

9)业务核心处理：负责响应调度处理、自动报警、车间的数据采集；负责形成历史记录和统计数据；负责MES主平台数据同步的信息处理，负责与其他应用交互逻辑；负责提供工作流引擎和WEB服务。

(3)服务层

服务层主要负责开放接口提供服务总线功能，便于与外部各车间子系统交互(如立体仓库系统，AGV物流系统、SCADA系统)。主要有立库系统服务、AGV系统服务、RFID系统服务、SCADA系统服务、MES同步服务、消息报警服务、监控服务等。

(4)数据层

数据层主要为数据的持久访问层，主要包含生产调度系统数据库和实施采集数据库。其中，个别子系统接口不完善的，使用开放数据库互连，通过子系统提供数据表视图抓取数据。

1.2.3 集成架构

生产调度系统集成架构如图4所示。

生产调度系统采用基于SOA的企业服务总线(ESB)技术。ESB采用“总线”的拓扑结构实现应用之间的管理，起到信息化管理中介的作用。生产调度系统提供各类接口(Web Service/WCF/HTTP /socket /Modbus /FTP /数据库等)与各系统相连，将各个应用的服务接入进来，再对外转换发布统一的ESB定义的标准服务，实现了异构、分布式的数据和服务集成[9-11]。

生产调度系统与MES交互：生产调度系统从MES下载工单、工艺、BOM等基础信息，向MES反馈实时生产进度、生产统计等数据。与SCADA系统交互：生产调度系统从SCADA读取设备呼料信号和设备状态，向SCADA发送控制信号。与AGV物流系统交互：生产调度系统向AGV物流系统下发运输任务，AGV物流系统反馈状态信息及报警信息。与RFID跟踪系统交互：生产调度系统向RFID跟踪系统下发控制信号，RFID跟踪系统反馈RFID读取信息。与立库系统交互：生产调度系统向立库系统下发控制信号、出入库信号、查询指令、RFID物料信息等，立库系统向生产调度系统反馈库存信息、AGV离开信号、报警信号等数据。

图4 生产调度系统集成架构

1.3 柔性设计

生产调度系统的柔性设计包括调度流程的柔性设计，立体仓库运行逻辑设计，AGV运行逻辑设计，生产设备运行逻辑设计等。

1.3.1 调度流程柔性设计

生产调度系统的调度逻辑使用Activiti工作流引擎，实现调度流程柔性可定制，如图5所示。系统提供丰富的调度策略给用户自由组合，自定义调度流程，丰富的底层接口可以与立体仓库系统、AGV物流系统等各类子系统互联互通，支撑自定义调度流程设计。系统根据设计的调度流程自动判断，如机台上料呼叫时做何处理，下料作何处理，仓库满或任务挂起如何处理等，执行对应调度流程，使车间无人化生产，每个车间减少人员投入，节省了加工工时，设备产能得到提高。

图5 调度流程设计界面

1.3.2 立体仓库运行逻辑设计

立体仓库系统运行逻辑包含单一产品原则、负载均衡原则、距离优先原则。生产调度系统根据实时生产情况最优判断，手动选择开启判断，如图5对话框参数设置。

单一产品原则：保证同一种物料尽量存储于同一台立库，便于统一盘点、回收等操作。用于生产调度系统手动参数设置，可将机台与立库绑定。

负载均衡原则：车间忙碌时，保证每个立体仓库的出入库业务量相差不大，大体均衡，防止任务量堆积导致AGV拥堵。用于生产调度系统默认判断，生产期间根据各个立库库存量确认立库分配优先级，保证负载均衡。

距离优先原则：车间忙碌时，为保证各个机台的下料时间短，分配距离最近的立库仓库。用于手动参数设置，手动设置后根据机台到立体仓库的距离设置不同权值，生产调度系统进行判断，分配立体仓库执行任务。

1.3.3 AGV运行逻辑设计

AGV中央生产调度系统运行逻辑包含任务优先原则、距离优先原则、路线规划最优原则。生产调度系统根据实时生产情况判断指定，或手动选择开启判断，如图5对话框参数设置。

任务优先原则：保证上下料需求最紧急的运输任务优先。用于生产调度系统默认判断，生产期间根据各个机台缓存区负载确认机台任务优先级，下发AGV运输任务。

距离优先原则：保证距离机台最近的小车先分配任务，减少调度时间。生产期间生产调度系统根据空闲AGV坐标与机台坐标对比计算，判断优先指定小车。

路径规划原则：保证车间整体AGV交通顺畅，总避让时间最短。生产调度系统默认参数下，AGV系统根据路径拥堵程度判断指定路径。

1.3.4 生产设备运行逻辑设计

生产设备运行逻辑包含连线模式，单机模式，连续上下料模式，启停功能。

连线模式/单机模式：如1.1节所述，支持连线、单机生产。

连续上下料模式：生产调度系统默认判断为机台缓存区完成一次物料调度再产生新的调度判断，手动设置此参数后，一次判断产生多次调度任务，直接补满或清空机台缓存。

启停功能：生产调度系统判断前后道机台缓存，生产节拍差异较大的情况下产生报警，根据设定参数暂停机台或启用新机台。

2 实施效果

生产调度系统在3C行业日均产量4万片玻璃盖板的丝网印刷车间实施案例中，取得效果如下。

生产调度系统利用可视化设备排产管理，如图6所示。该系统简单易用，可向MES及时反馈计划调整状况，增强了计划管控力度与准确性。

图6 可视化设备排产管理界面

生产调度系统实施前，生产部门需反复核对可用资源、小批量试产数据统计，日均6个工单情况下，编制计划周期大于3小时/天，编制计划难度随产品数、批次数、工单数递增。生产调度系统实施后，有较准确的历史良率，BOM，设备产能等统计信息，日均6个工单情况下，编辑计划周期小于1小时/天，工作效率提高66%以上，如图7所示。

图7 系统实施前后计划编排耗时对比图

生产调度系统可以方便快捷的查询各种物流调度过程和异常报警信息，如图8所示。生产调度系统对各车间子系统的数据信息能够进行整合管理，生产相关信息传达给工作人员及时准确，工作人员可以有效监控生产、及时反应。

图8 调度任务监控界面

生产调度系统实施前：管理人员电话询问、人工盘点，掌握生产进度需30min以上；人员现场协调生产资源，响应时间达20min以上；异常发生时，电话通知，异常响应时间在15min以上；每日停工待料1h左右。生产调度系统实施后：管理人员在系统实时查询进度统计，掌握生产进度时间小于5min，提高83%以上；系统自动处理调度请求，缺料堆料自动预警，调度响应时间小于5min，提高75%以上，异常发生时，系统自动发送短信/设备消息推送及时通知相关人员，使生产异常响应时间小于10min，提高33%以上；每日停工待料30min以内，提高50%以上。保证设备满产能的前提下，生产调度系统实施前，车间一个班12h生产2个批次左右，日均生产5个批次，实施后，一个班12h可生产5个批次，日均最大生产10个批次，柔性提高100%以上，如图9所示。

图9 系统实施前后单位时间生产批次数对比图

生产调度系统建立了集成统一的信息化管理平台，消除信息孤岛。对原有物流业务的各环节进行数据分析并加以调度，自动化执行物流调度过程，实现生产的高效率、高柔性。生产过程实现信息共享畅通，加快生产的业务速度，各部门可以高效协调运作，提高了生产效率。

生产调度系统根据前几月订单耗用量自动计算安全库存，使停工待料基本杜绝。已实施生产调度系统车间与相同条件、相同工序未改造车间对比，如图10所示，3h工序交接物料一次，统计半成品缓存库库存周转次数由每日2次左右提高到平均每日5次，提高约150%。操作人员由1人操作1台机提高至1人监控8台机以上，节省人力87%以上。系统自动物流补料替代人工，物流效率提高25%以上，物料盘点操作时间由手动盘点耗时30min以上缩短至系统操作查询耗时5min以内，省时83%以上；生产订单交期达成率提高10%。

图10 系统已实施车间与未实施车间库存周转次数对比图

3 结论

基于离散制造的3C行业丝网印刷车间控制模型，提出基于SOA和柔性制造技术的生产调度系统，阐述了其与仓储系统、物流系统、产品跟踪系统、生产加工系统的集成过程与应用场景。通过集成Activiti工作流引擎及对多种调度逻辑的支持，生产调度系统保证了车间调度逻辑的灵活性，实现了无人化、柔性生产。生产验证表明，生产调度系统对离散行业的自动化生产具备实用价值。