基于IIoT 的增材制造生产调度系统设计与应用研究

黄伟鸿 赵子奇 安琪

（中服软件（西安）有限公司，陕西西安 710000）

增材制造通常也被称为3D 打印，是一种通过软件和数控系统，结合相应的打印工艺模型文件，将金属或非金属材料利用激光、挤压、热熔等方式进行逐层堆积，最终制造出实际物品的技术[1-2]。

在装备制造领域中，高端装备和关键零部件通常采用金属增材制造技术进行生产。利用该技术，可将三维实体模型通过切片软件进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成扫描填充路径文件，3D 打印设备按照生成的扫描路径，控制激光束选区熔融各层金属粉末，逐步堆叠成三维金属实体[3]。

增材制造属于典型的离散制造，但随着技术的发展和市场的不断扩增，传统的单机生产模式已经无法满足规模化的生产需求[4]。通过自动化技术和设备一体化布局，构建增材自动化产线是当前增材制造提升生产效率的主流方式。增材制造产线由3D 打印设备、供粉装置、粉末回收装置、基板拆装设备、周转工位、热处理设备、线切割设备、打磨设备、物流运输设备等组成，如图1 所示。

图1 增材制造产线构成三维示意图

在实际的生产运转过程中，产线各个设备之间需要通过人工衔接来完成整个生产流程，如生产任务的编排、接收、分配执行、工艺编程、设备控制策略、产品的流转等。因此，提升产线自动化程度，在生产过程中减少人员投入、提高整体生产效率对增材制造具有重大意义。

随着工业物联网的普及、5G 通信技术和信息化系统的迅猛发展，生产自动化、智能化势必成为未来的主流方向[5]。本文旨在综述一种基于IIoT 设计的增材制造生产调度系统，能够实现增材制造车间的生产排程，打印工艺程序远程下发，生产过程的监管，设备运行、工艺参数实时监管，生产设备远程策略控制，工单任务执行进度追踪等功能，以进一步提升增材生产过程可视化、透明化、智能化的管理，提高产线生产自动化能力和调度能力，减少人工投入和工作量。

一、增材制造生产调度系统研究现状

目前，通过物联网技术、智能边缘计算和5G 通信技术的应用，增材制造生产调度系统已实现自动化、数字化和智能化的生产调度过程。针对实际产线的需求，调度算法进行了深入优化，以实现最佳的任务分配和策略执行。同时，生产任务的协同管理也成为研究的重点，通过优化任务分配和执行过程，提高了生产效率和资源利用率。

为了提高设备的可靠性和效率，并保证产线调度系统的稳定运行，本研究致力于更多的方案设计，包括实时监控技术和健康故障诊断方法，以实现对设备的实时监测和故障诊断，从而提高设备的可靠性和维护效率。

二、基于IIoT 的增材制造生产调度系统设计

工业物联网技术（industrial internet of things，IIoT）是将物理设备、传感器和其他设备连接到互联网上，并利用互联网进行数据共享和通信的技术[6]。IIoT 技术使企业可以监控、收集和分析来自不同设备和系统的实时数据，从而实现更高效、更安全、更可靠和更智能的工业过程和产品生产。

IIoT 平台能够实现增材制造的全面信息资源整合及业务协同，实现人与人、人与设备、设备与设备之间的相互感知、互联互通。基于IIoT 的生产调度管理系统可以对生产线上的各类数据（状态感知数据、视频感知数据、位置感知数据以及各类业务数据）进行存储、运算分析，向上实现和MES（制造执行系统）、WMS（仓库管理系统）、EMS（设备管理系统）等业务系统的数据交换，向下实现与各类生产设备的数据链接与反向控制。

（一）技术架构

系统采用分层架构理念进行设计，总体分为五层，分别为设备层、网络通信层、数据存储层、平台层和应用层，如图2 所示。

图2 生产调度系统架构示意图

1.设备层

设备层主要用来物联接入3D 打印机、吊装RGV 设备、线切割设备、热处理设备、物流AGV 小车等设备，采集各设备的实时数据、状态数据等，为生产调度系统提供数据支撑。

2.网络通信层

网络通信层用来建设基于5G 基站的网络传输，满足生产设备和服务器间的网络通信，同时基于5G 工业物联网关，通过数据采集协议将增材制造生产设备的数据通路打通，满足数据上载和指令下发需求。

3.数据存储层

数据存储层用来建设相应的服务器集群，安装对应的数据库，对生产设备历史时序数据和生产业务数据的关系数据进行存储，同时保证服务性能和数据安全。

4.平台层

平台层用来建设高性能的平台服务体系，满足增材制造自动产线的稳定运行。平台层提供了两大类服务，即平台支撑服务和生产调度服务，对上满足应用层的业务配置及系统运行需要的支撑服务和调度服务，对下满足数据的存储执行和物联基础能力。

5.应用层

应用层用来建设满足实现增材制造自动产线需求的一套调度系统，实现产品订单生成到工单排产，再到自动生产过程的监控和对自动执行流程的配置功能，提供满足物联设备接入和管理的能力。在平台层的服务支撑下，系统可对业务过程数据和设备实时数据进行分析、统计、展示，通过3D 场景对生产运行情况进行实时监控。

（二）关键技术分析

1.调度系统功能设计思路

（1）确定增材制造自动产线的需求和目标，例如实现自动调度、提高生产效率、降低人力投入等。

（2）确定应用层的功能和要求，包括订单生成、工单排产、自动生产监控和工艺流程配置等。

（3）确定集成系统的对接方式和数据格式，如MES、WMS 等业务系统的数据对接。

（4）考虑物联设备的接入和管理需求，确保设备的高效运行和数据采集。

（5）利用平台层的服务支撑，进行数据分析、统计和展示，提供关键指标和报表。

（6）实现自动调度、执行引擎，并结合生产任务协同管理确定核心调度算法。

（7）借助3D 场景技术，实现生产运行情况的实时监控和可视化展示。

2.调度系统功能逻辑关系

（1）订单生成和工单排产是应用层的核心功能，需要根据产品订单和生产线情况进行任务的分配和调度。

（2）自动生产监控和工艺流程配置功能需要实时获取设备的状态和生产数据，以确保生产过程的顺利进行。

（3）物联设备的接入和管理是应用层的基础，通过与设备的通信和数据采集，实现对设备的远程监控和控制。

（4）自动调度执行引擎是整个生产调度系统的核心，通过对设备资源的动态分配来满足产品订单的分配需求，并结合当前产品对应的工艺流程配置内容来执行确定的生产流程。

（5）平台层的服务支撑对业务过程数据和设备实时数据的分析和展示，提供生产指标和报表，为管理决策提供支持。

（6）3D 场景技术将生产运行情况可视化，通过实时监控和可视化展示，帮助用户了解生产线的状态和异常情况。

总的来说，设计思路和逻辑关系是在满足增材制造自动产线需求的基础上，通过应用层的功能和物联设备的接入，实现对生产过程的监控、调度和配置。同时，平台层的服务支撑和3D 场景技术的应用提供了数据分析和可视化展示的能力，为管理决策提供了重要的支持。

（三）系统拓扑结构

系统从设备层的数据采集到5G 通信传输、数据存储、生产调度管理功能的使用，再到统一的生产可视化监控大屏的整体拓扑结构，如图3 所示。

图3 生产调度系统拓扑结构

首先，对增材制造生产设备进行物联接入。将设备通过不同的接入方式接入工业物联网平台，然后和调度管理系统建立连接。3D 打印机、RGV、真空炉、线切割、打磨设备等一般采用PLC 的控制方式，所以可以通过PLC 对应的数据协议解析插件与设备进行控制和采集联通，通过交换机与5G 工业物联网关集成，5G 网关再将数据通过5G 基站与服务器群联通。AGV 物流小车采用5G 信号传输控制指令获取设备状态及数据，通过5G 网关联通。最后与交换机连接的设备共同通过网关传输数据到物联平台，工业物联网平台对设备数据进行筛选、解析、数字类型转换和线性计算，用以支撑整个应用系统的使用。

其次，建设服务器集群，构建内部局域网络，基于服务器集群，建设云数据中心，安装关系数据库、时序数据库以及缓存数据库，为上层应用提供配置信息存储及各类设备和产线历史数据存储。

再次，建设一套基于增材制造的生产自动调度系统，包含产线操作人员系统操作台和可视化监控大屏。

最后，构建生产操作台（PC 端）及可视化大屏，将各类数据通过云端服务进行统一存储和处理，并根据不同部门、层级用户业务需求进行个性化页面定制开发。不同的用户通过不同的管理驾驶舱，可实现自动产线生产、产线监控、数据统计分析查看，在操作台PC、各类移动终端上进行系统界面显示和操作。有设备操作权限的用户可以通过工业物联网平台控制面板对现场设备进行远程操作。

（四）系统业务流程

增材制造调度系统可以实现从订单任务生成到排产、产线打印设备按照工单自动打印生产、打印完成后自动调度RGV、AGV 运送产品到下一工序，满足从整个订单的排产到生产过程的自动化管理。系统整体业务流程如图4所示。

图4 生产调度系统业务流程示意

在调度执行过程中，系统会根据生产过程中每个阶段不同的业务驱动和相应的第三方系统进行业务交互，如MES 系统、WMS 系统、AGV 调度系统等系统，实现各个生产环节、生产设备之间流程和执行的自动串接，减少过多的人工干预。

首先，系统接收MES 下发的生产任务订单，由工艺人员制作打印生产所需的工艺代码。产线工艺编排引擎将生产装备资源、物料资源、生产人员和产品的资源通过可视化的柔性定义方式，配置好相关工序方案，并由生产调度系统直接转换为可运行执行的工艺流程。

其次，由调度员排产，生成任务工单，并将其加入生产任务工单队列，等待调度分配资源生产。此过程需要判断当前产品是否已经存在现有的打印工艺代码，且此订单对应的工序方案已经存在绑定可执行的工艺流程，否则不能被投产。

在生产过程中，根据流程定义的业务会反馈生产任务进度到MES 系统、下发物料请求或回馈入库请求到WMS 系统、下发物流运输任务到AGV 调度系统，调动AGV 进行产品的自动搬运，并对其进行状态监控。

工单生产执行过程还会涉及一些辅助流程，如工单工艺编排以及工单生产辅助，包含控制设备加粉、零件回线检测入库、打印基板回线检测入库等。这些流程都可以通过可视化的工艺流程定义及引擎的支撑来实现流程的柔性定义。

三、系统功能实现

基于IIoT 的增材制造生产调度系统功能实现如下所述。

（一）资源管理

将产线内可用的设备业务定义为资源是调度系统的判断依据。资源是一个定义好的业务状态，资源可分配资源实例（具体设备的数据指标）。如果调度系统判定当前资源有空闲的资源实例，则可根据实际的生产任务动态分配给相应需要生产的生产任务工单，从而实现资源的高效调度利用，支持对资源的实例配置进行编辑修改。

资源管理是指系统对设备资源信息进行管理，包括对资源状态、资源ID、资源名称、资源分类、设备模板、所属产线等的管理。例如，可对设备资源信息进行在线查看、编辑、删除等操作，可以对资源进行开启与关闭，实时监控资源状态。

（二）工序方案管理

工序方案管理是指系统对MES 下发的订单工序进行提取录入，生成相应的工序方案，并将对应的工艺流程进行绑定映射。绑定后的工序方案对应的订单才能被投产变成可执行的工单。

（三）工艺流程管理

工艺流程管理是指系统通过可视化的流程配置界面来绘制生产订单产品生产所需要的流程步骤，从而对流程工序内的节点进行配置。如判断条件配置和执行内容配置通过一系列的工序节点配置，来满足调度服务的动态执行，从而实现工单的生产自动调度执行。

展示内容包含启动状态、所属产线、是否引用工艺（主次工艺流程）、应用工单数、工序数等。功能包含创建工艺流程、查看详情、编辑、开启关闭、删除。其中，启动关闭、编辑、删除都会判断当前工艺流程是否存在相关正在使用的工单，避免影响当前流程被执行中工单使用。

（四）工艺代码管理

工艺代码管理是指系统提供工艺代码服务端的统一版本管理和存储，支持从服务端下发程序到对应设备；提供新增、编辑、删除、下发等操作；支持程序版本升级、下发记录查看、程序文件下载。

（五）设备管理

系统提供对生产设备以及其他需要接入物联的设备的管理维护，包括对设备进行数据采集点位的配置、数据规则的配置、执行动作的指令配置。

（六）产品管理

产品管理是指系统将产品按一定分类维护起来，供其他业务关联使用，产品和订单是一一对应的关系。利用系统可以查看产品基本信息、产品附件信息，对产品的分类、图号、名称、详情等信息进行在线管理。系统可与第三方系统MES 同步产品信息，也可由订单信息同步录入产品信息。

（七）订单管理

订单管理功能主要负责对生产订单如产品种类、产品数量、完成日期等内容进行维护，支持手动录入订单信息或对接MES 等第三方系统。通过订单管理可以直观地查看各个订单的完成情况及详细内容。系统提供订单搜索功能，支持按照订单状态、订单进度、执行的工序进行查询展示。

（八）排产管理

排产管理是指系统对产线内所有的生产订单进行任务转换，把以产品为单位的订单转换为生产工单，将多个订单合并生成一个工单，可查询各个订单的排产状态、所排工单的进度执行情况。生产订单需要按实际情况对其进行任务编排，完成生产订单中的产品生产。排产后生成的工单，需要进行投产方可开始自动生产。

（九）工单管理

工单是生产过程的描述，具体分为全部工单、执行工单。全部工单对应所有已投产的生产工单，包含执行中的和已经完成的工单。执行工单指生产中的工单。对执行工单进行单独管理，在实际生产管理环境下，可直观地监控生产执行过程，方便工作人员对生产中的工单业务进行操作。通过工单管理，相关人员可查询不同订单各自的执行过程和当前的执行状态、执行进度。

（十）班次管理

系统通过班次管理维护生产人员的排班信息，包含班别、每日工作时间、班次的生效时间、失效时间、班组人员的安排，提供新增、编辑、删除等操作。系统可以根据人员所属的组织机构分组配置不同人员的班次，以满足不同的生产业务场景。

（十一）可视化大屏

为了帮助生产人员、维护人员、工艺人员对增材制造的生产过程进行全方位监控管理，系统以工业物联网平台为基础支撑，采用三维技术构建可视化3D 生产大屏，对生产设备和运行过程进行三维建模，结合设备物联数据和业务数据，可以将整个生产过程通过3D 大屏实时展示出来，如图5 所示。

图5 设备资源监控大屏示意

系统可对生产过程数据、设备监控数据、调度业务数据、视频监控等信息进行集成，构建统一数据大屏，帮助增材管理人员准确掌握生产运行情况，如图6 所示。

图6 工单监控大屏示意

基于工业物联网底层服务，检测分析设备在线情况、工作异常、报警等故障信息，结合设备运维管理业务数据，构建增材制造生产设备运行分析大屏，提高设备运行、运维效率，减少运维成本。

四、系统应用效果分析

在实践中，本系统成功应用于多个增材制造产线，其中某航天增材制造产线的产品是航天飞行器核心零件，具有特殊的力学构造，需要对钛合金粉末进行激光烧融来完成复杂的内部工艺制作。本系统与原有MES 系统集成，实现了订单生成和工单排产业务，同时结合资源管理功能，对所有生产过程设备进行资源定义，如3D 打印机、真空炉等。系统根据实际资源的可用状态和资源实例数量，自动分配生产工单任务，实现了智能化的调度和资源利用。

例如：订单下发后系统自动排产了10 个工单任务。现场只有4 台可用的打印机资源实例，系统依次进行分配以满足排产后的订单生产，剩余6 个订单会在资源等待队列中排队，即等待有新的资源实例释放。

生产过程中，本系统动态监控设备状态和生产数据，智能调整工艺流程，自动完成工序和工序节点的执行，极大地减少了人工干预。然而，某些工序仍需人工参与来确认工艺参数和生产状态，以保证生产安全。操作人员通过扫码和授权实现工单下发过程处理、暂停和完成等操作。

一旦生产完成，产品经过高温处理去硬度以及切割、清洗、打磨等后处理步骤，并经过一系列检测。最后，利用激光刻上唯一的生产工单码，并入库，实现产品质量的全生命周期追溯。

该产线系统实时采集各设备数据并进行分析，提供实时生产数据报表和产能趋势图，帮助实现高效的生产调度和监控。

在实践中，本系统优化了生产调度算法和生产过程步骤，显著减少了生产任务的延误和资源浪费，提高了生产效率和稳定性，总结出了优化设备配置和生产流程的经验。

通过实践，本文总结出基于IIoT 的增材制造生产调度系统具有如下优势和特点。

（一）提高自动化生产水平

生产调度管理系统可以根据实际的资源使用情况，动态判断、调度相应的资源以完成对应的生产工单任务。从生产工序流程定义到生产资源调度分配、资源数据判断，调度执行能让整个产线的自动运转形成闭环。生产调度管理系统通过内置的调度算法来自动调度不同工单任务的生产执行，有效提高了产线生产的自动化水平。

（二）降低人力成本

生产调度管理系统的支持提高了产线的自动化水平整个产线不需要人工参与控制设备资源或仅在关键节点需要人工参与，大大减少了一线岗位的人员，有效降低了人员投入成本，扩大了企业收益。

（三）实现IT 和OT 一体化融合

采用物联网技术实现IT和OT的深度融合，实现一体化产线设备的自动调度、人员与产线设备的交互管理，打破了原有DCS、MES 等的产品边界。

（四）由车间向工厂调度的强拓展性

基于工业物联网技术的生产调度管理系统可将不同车间的产线进行统一整合调度，达成了更大的生产场景调度，实现了上下层系统的打通与衔接。这有效提升了人和装备之间、装备和装备之间的协作水平，提高了产线、车间和工厂的生产效率。

五、结语

本文对增材制造生产调度系统进行了深入研究，通过物联网技术、智能边缘计算和5G 通信技术的应用，系统实现了生产调度过程的自动化、数字化、智能化，极大地提升了生产调度的效率和自动化水平。

随着工业物联网技术的普及和信息系统的迅猛发展，生产智能化将逐步成为主流趋势。生产调度的自动化转型升级将成为产业发展的必然需求。本系统为增材制造产业带来了显著的经济效益和应用前景，同时也为其他离散制造领域如CNC 加工、注塑成型、激光切割等提供了借鉴和推广的价值。

综上所述，本文的研究成果为增材制造生产调度系统的发展做出了积极贡献。在未来的产业发展中，生产智能化和数字化将扮演更加重要的角色，生产调度系统的优势和应用价值将进一步凸显。我们期待本系统能够在实际生产中发挥更大的作用，推动增材制造产业迈向更高水平的自动化和智能化发展。