面向辊道运输的柔性流水无人车间缓冲区自动化物流调度与控制方法

2022-03-12祝军

制造业自动化 2022年2期

祝军

（上海海得自动化控制软件有限公司，上海 201114）

0 引言

智能物流可以感知、思维、推理、路径规划和决策等，是连接供应链和制造的重要环节，也是打造智能工厂的基石。未来智能物流将融入智能制造工艺流程，智能物流控制系统将负责生产设备和被处理对象的衔接工作，起到承上启下的作用。柔性流水车间（Flexible Flow Shop，FFS）是指每个在制品（Work In Process，WIP）都有相同的包含多个工序的加工流程，且每个加工工序有多台并行机器的制造环境[1]。为避免由于上下道工序之间生产节拍不同以及设备异常而造成拥堵或断供，工序之间往往设置一定容量的缓冲区。针对柔性流水车间缓冲区容量的配置和优化问题，现有技术中已有较多研究[2～6]，例如在限制WIP总数的条件下使系统产能最大化，以及在满足产能需求的条件下使WIP总数最小化等。然而无人车间中，针对柔性流水车间缓冲区物流自动化中的一些问题，包括如何衔接上下道工序实现缓冲区物流自动化输送，以使并行设备负载均衡、避免出现拥堵或断供问题、以及设备故障后WIP重调度等，尚未发现相关方法。为此，本文提出一种面向辊道运输的柔性流水无人车间缓冲区自动化物流调度与控制方法。

1 问题描述

某柔性流水无人车间缓冲区与上下道工序的关系如图1所示。图中给出了一个柔性流水无人车间的两个工序，其中工序1有5台并行生产设备，工序2有4台并行生产设备，每个工序的所有并行设备具有同样的加工能力。进入该车间的每个WIP都有相同的生产流程：工序1→工序2，工序1产出的WIP从工序2的上方进入。

图1 某柔性流水无人车间缓冲区与上下道工序的关系图

工序1和工序2之间有一个采用辊道输送方式的缓冲区，可以存放工序1产出的WIP。如图中所示有14节辊道，每节辊道可存放一个WIP，并且每节辊道独立可控。该缓冲区自动化物流的需求主要是衔接上下道工序实现缓冲区物流自动化输送，并使并行设备负载均衡、避免出现拥堵或断供问题、以及设备故障后WIP重调度。主要难点如下：

1）缓冲区物流自动化输送

自动调度与控制WIP从上道工序进入缓冲区，并从缓冲区进入下道工序的响应设备。

2）设备负载均衡

由缓冲区向工序输送WIP时，确保下道工序的设备具有均衡的供应能力，避免出现断供和过剩问题。

3）设备故障自适应

下道工序的某台设备故障时，缓冲区能适应设备故障，不引起缓冲区拥堵，并重新实现在线设备负载均衡。

4）控制指令动态生成

面向不同种类、起点和终点随机的实时调度任务，动态生成控制指令序列。

2 调度方法

为有效衔接上下道工序实现柔性流水无人车间缓冲区物流的自动化输送，以使并行设备负载均衡、避免出现拥堵或断供问题，以及实现设备故障后WIP重调度，本文提出柔性流水车间的基于辊道的缓冲区智能物流调度系统，包括缓冲区设置、设备侧动态调度、缓冲区侧动态调度、初始化调度和设备故障重调度5个模块，各个模块互相调用，其架构如图2所示。

图2 调度模块架构图

1）缓冲区设置模块

用于对工序内在线的各台并行设备进行缓冲区设置，避免出现断供问题。对于在线的设备M，综合考虑其所在工序与上道工序的生产节拍、缓冲区总容量、所在工序WIP入口与每台设备的距离、设备负载均衡等因素，设置设备M的缓冲区起始位置Buffer_M_start和容量Buffer_M_size，以及各个缓冲区WIP的拉动方向。设备M缓冲区的起始位置Buffer_M_start应靠近设备M，其缓冲区应为连续的Buffer_M_size节辊道，且每节辊道具有独立可控的动力电机，从Buffer_M_start到设备M的路径上不应设置其他设备缓冲区，设备缓冲区起始位置和容量设置可以根据实际物流情况多次调整以实现负载均衡和避免出现断供，如M所在工序生产节拍比上道工序快，则设备缓冲区可以设置尽量大的容量以避免设备断供。各个缓冲区WIP的拉动方向应与WIP流入方向一致，以此确定各个缓冲区之间WIP的物流调度的方向。

2）设备侧动态调度模块

用于处置设备产生的WIP调度请求，以实现动态过程中的自动物流输送。对于空闲设备M的WIP请求，搜索该设备的缓冲区Buffer_M，若Buffer_M内不存在没有任务的WIP，则将该请求存入静态请求表Require_static；若Buffer_M内存在没有任务的WIP，则将缓冲区内没有任务且最靠近Buffer_M_start的WIP调度到设备M，同时统计Buffer_M内没有任务的WIP和运往Buffer_M的WIP总数，若其小于Buffer_M_size，则产生一个对其上游缓冲区Buffer_M’的WIP请求，该请求的处置方式与空闲设备M的WIP请求处置方式一致。

3）缓冲区侧动态调度模块

用于处置缓冲区内部产生的WIP调度请求，以实现动态过程中的自动物流输送。对于进入设备M的缓冲区Buffer_M的WIP，检查静态请求表Require_static，若设备M或Buffer_M的前方缓冲区存在静态请求，则根据时间先后或优先级等选择一个作为WIP请求，将其从Require_static中删除，然后调用设备侧动态调度模块处置该WIP请求。

4）初始化调度模块

用于系统初始化时的缓冲区物流调度，以实现缓冲区物流从静态到自动物流输送。首先，调用缓冲区设置模块，对工序内的各台在线并行设备进行缓冲区设置；然后对于设备缓冲区外部的WIP，确认WIP两侧的缓冲区距离，将该WIP调度到较近的缓冲区；最后对于在线的设备产生的WIP调度请求，调用设备侧动态调度模块。

5）设备故障重调度模块

用于处置设备故障后缓冲区的WIP，以避免出现拥堵问题。当设备M故障时，将M所在工序与其上道工序的缓冲区物流任务全部停止，将M设置为离线，然后调用初始化调度模块，以实现该区域物流的重调度。

3 控制方法

面向辊道运输的柔性流水车间缓冲区，基于上节提出的缓冲区自动化物流调度方法可以衔接上下道工序实现缓冲区物流自动化输送，并使并行设备负载均衡、避免出现拥堵或断供问题、以及设备故障后WIP重调度，给出不同种类、起点和终点随机的实时调度任务。为使调度任务可执行，下面给出动态生成控制指令序列的控制方法，主要包括路径规划和指令解析两个模块。

1）路径规划模块

用于给出调度任务起点到终点的最优路径。对于面向辊道运输的柔性流水车间缓冲区，可采用求解单源最短路径的Dijkstra算法[7]。为提高算法效率，对Dijkstra算法做适应性改造，当搜索到调度任务终点时，提前结束算法。

2）指令解析模块

给出实现WIP沿规划路径进行自动化输送的指令序列。主要包括三组指令：一是WIP在同一个方向前进时，辊道电机启停顺序和方向；二是在WIP到达终点时，挡板和辊道电机的指令组合；三是WIP换向时，升降气缸、挡板和辊道电机的指令组合，其中升降气缸用于切换WIP到其法线输送方向，挡板用于确保WIP到达辊道连接位置且不过冲，从而避免因过冲无法实现换向。

4 应用案例

制药行业某口服液灭菌柔性流水无人车间包括六个工序：装盘工序、叠盘工序、灭菌工序、风冷工序、拆盘工序和卸盘工序，每个工序均有多台并行设备。基于本文所提方法，针对面向辊道运输的柔性流水无人车间装盘设备缓冲区，实现了缓冲区自动化物流调度与控制标准化算法模块，如图3所示为制药行业某口服液灭菌柔性流水无人车间全局图上的动态看板。

图3 无人车间动态看板

其中在全局图上显示了整个车间生产和物流的动态运行状况，从下到上分别是装盘工序、叠盘工序、灭菌工序、风冷工序、拆盘工序和卸盘工序，黄色的矩形框用于显示WIP在辊道上的运行情况，蓝色直线显示的是目前规划的某个任务的路径，绿色部分表示的是已经执行的路径。

基于本文所提调度方法，该项目中为每台装盘设备设置了容量为2的缓冲区，实现了装盘生产区域缓冲区即有缓冲区物流自动化输送、并行设备负载均衡、避免出现拥堵或断供问题、以及设备故障后WIP重调度等需求。如图3所示，5个装盘设备前共有6个WIP（黄色矩形），根据调度方法，右侧3个装盘的缓冲区分别有两个，左侧的两个装盘缓冲区为空。

基于本文所提控制方法，可实现路径规划和控制指令。如图4所示，列表显示包括任务号、WIP号、任务开始时间、起点、终点、路径等在内的重要信息。选定某个任务后，可查看和显示该任务的路径和指令序列，以及当前执行指令。该运输任务的起点为y13，终点为y14，路径为y13→y12→y11→y10→y9→y8→y7→y6→y5→y4→y3→y2→y1→y14。指令序列包括23条指令，已经执行完成第3条指令，当前WIP已到达辊道y11，通过下一条指令（y11，上移，y10，上移），WIP将达到辊道y10。