柔性制造系統(tǒng)智能調(diào)度技術(shù)研究

         柔性制造系統(tǒng)(FMS)是一種先進的生產(chǎn)系統(tǒng)，適合于多品種、中小批量生產(chǎn)，可迅速適應產(chǎn)品變化，具有提高設(shè)備利用率、減少在制品庫存量、提高產(chǎn)品質(zhì)量和一致性等諸多潛在優(yōu)點。但是，系統(tǒng)的這些優(yōu)點能否充分發(fā)揮，調(diào)度軟件功能的優(yōu)劣是極為重要的因素之一。FMS調(diào)度軟件的開發(fā)是FMS系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，調(diào)度的主要任務就是在時間和空間上合理利用系統(tǒng)的有限資源，以滿足性能指標的要求，因此FMS調(diào)度問題將直接影響整個系統(tǒng)的有效性和柔性。
1 FMS調(diào)度的任務、目標及策略
             作業(yè)調(diào)度的任務可分為兩類：第一類是所謂路徑規(guī)劃問題，即根據(jù)多種優(yōu)化目標，采用計算機的各種算法，自動地解決加工路線的最優(yōu)化以及各類設(shè)備的利用率等問題。它的目標是根據(jù)一定的性能指標，在滿足技術(shù)上的制約因素(比如：機床刀庫容量和機床生產(chǎn)能力)的條件下，從上層計劃給出的應加工的工件中選出一個適合加工的工件集合，并將其所有工序和所需的刀具分配到各機床；第二類是動態(tài)調(diào)度問題，即實時動態(tài)地根據(jù)下級的反饋信息和實際的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，決定下一步執(zhí)行哪一道工序。它的目標是在整個加工過程遇到擾動和故障時，能根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控到的實時情況修改原定的加工順序和調(diào)度系統(tǒng)的所有資源，使FMS持續(xù)、優(yōu)化地運行。
FMS的調(diào)度對象主要包括工件調(diào)度、托盤或夾具調(diào)度、機床調(diào)度和運輸小車(AGV)調(diào)度，有時也包括動態(tài)刀具調(diào)度。�� 就具體調(diào)度策略而言，F(xiàn)MS調(diào)度基本上可以分為三類：
(1)周期調(diào)度策略
             在每個生產(chǎn)周期開始前預調(diào)度好各種設(shè)備，規(guī)定它在未來時間里的加工動作，當生產(chǎn)周期開始時，按調(diào)度結(jié)果執(zhí)行。
(2)連續(xù)調(diào)度策略
            每當出現(xiàn)一個使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的事件時(例如“工件到達”、“加工完成”)，調(diào)度系統(tǒng)設(shè)備，使系統(tǒng)得到最優(yōu)的運行。
(3)混合調(diào)度策略
            在正常工作周期，系統(tǒng)采用周期調(diào)度策略(或稱為批調(diào)度)；在系統(tǒng)出現(xiàn)意外時，采用連續(xù)調(diào)度策略。
           周期調(diào)度策略是采用最多的調(diào)度方法，這是因為FMS大多以周期性生產(chǎn)的形式工作，系統(tǒng)中事件(意外事件除外)的發(fā)生具有一定的周期性和可確定性。這種調(diào)度方法簡單方便、可靠，易實現(xiàn)；缺點是要犧牲一些系統(tǒng)性能，且無法處理突發(fā)事件。連續(xù)調(diào)度策略以現(xiàn)代計算機技術(shù)為手段，面對系統(tǒng)中層出不窮的事件進行頻繁的動態(tài)調(diào)度，因此它能處理突發(fā)事件，并能優(yōu)化系統(tǒng)的調(diào)度；缺點是對調(diào)度器的硬件和軟件要求較高，對未來事件缺乏預見能力，缺乏整體的概念。混合調(diào)度策略則可以綜合周期調(diào)度和連續(xù)調(diào)度這兩種方法的優(yōu)點。本文研究的柔性制造系統(tǒng)中的調(diào)度正是采用了混合調(diào)度策略。在生產(chǎn)開始初期，先按周期調(diào)度進行預調(diào)度，在系統(tǒng)運行過程中，若設(shè)備出現(xiàn)故障、有急件或新件到達、實際運行調(diào)度結(jié)果與原調(diào)度結(jié)果偏差太大時，系統(tǒng)可根據(jù)用戶再調(diào)度請求進行連續(xù)調(diào)度，使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。
2 系統(tǒng)配置
           本文研究的柔性制造系統(tǒng)由3臺加工中心、1臺測量機、1臺清洗機、3臺裝卸站、10個工件緩沖站、2個刀具緩沖站、2個刀具交換站、1臺物料運輸車和其它輔助設(shè)備構(gòu)成。工裝為9套夾具底板、10個托盤。
          3臺裝卸站中有2臺帶翻轉(zhuǎn)臺，1臺不帶。物料小車既運送工件，也運送刀具，即混流運輸。�� 根據(jù)該系統(tǒng)配置可得到以下約束：�� �S在系統(tǒng)中同時運行的工件不超過9個，其中大件不超過3個；�� �S五坐標立式機床的作業(yè)隊列長度不超過3，四坐標和五坐標臥式機床的作業(yè)隊列長度不超過6；�� �S使用平底板的工件不可在臥式機床上加工，使用立碑底板的工件不可在立式機床上加工；�� �S使用立碑底板的工件只能在帶翻轉(zhuǎn)臺的裝卸站裝卸；�� �S五坐標加工不能在四坐標機床上進行。
基于以上分析可知，投放到系統(tǒng)中的作業(yè)必須大小件區(qū)配，如果大件過多，整個柔性制造系統(tǒng)的性能肯定不佳；作業(yè)必須按立式機床、臥式機床平衡分配；作業(yè)分配必須考慮三五坐標平衡；盡量避免同一作業(yè)在立式機床、臥式機床間流動，除非發(fā)生設(shè)備故障。
3 柔性制造系統(tǒng)智能調(diào)度推理機
            本智能調(diào)度軟件中作業(yè)在計劃層針對于零件，在調(diào)度層針對于工序。設(shè)備利用率是指該設(shè)備的使用時間與最后一道工序離開該設(shè)備的時間之比。設(shè)備延誤是指設(shè)備實際使用時間減去設(shè)備最早可以使用的時間。
本智能調(diào)度軟件主要功能模塊描述如下：
(1)定單輸入和接收��
           在生產(chǎn)制造系統(tǒng)中，定單管理與控制貫穿生產(chǎn)活動的始終。定單既可以面向零件，也可以面向產(chǎn)品。從接收定單開始到定單完成，需要解決一系列關(guān)鍵問題：
根據(jù)系統(tǒng)加工能力，定單能否按時完成；
定單一旦被接收，應何時開始加工；
如何確定定單優(yōu)先順序；
定單開始加工后，如何保證定單的完整；
如何避免定單零件的重復投放；
完成定單的處理。
(2)生產(chǎn)作業(yè)計劃
           作業(yè)計劃是生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，通過計劃可以控制定單的執(zhí)行，并向物流系統(tǒng)提出毛坯需求計劃，向刀流系統(tǒng)提出刀具需求單。生產(chǎn)計劃是按設(shè)備負荷能力和零件工時安排的。計劃的制定有兩種方法，即批處理和負荷平衡規(guī)則，批處理面向定單，盡量按定單逐個計劃；負荷平衡面向機床，盡量使設(shè)備負荷達到平衡。
(3)智能調(diào)度引擎��
           調(diào)度引擎的主要功能是分析零件工藝特性，計算加工工序時間與輔助工序時間之比；讀取設(shè)備狀態(tài)信息，分析各種可能出現(xiàn)的系統(tǒng)配置；預安排零件加工機床，為智能調(diào)度做技術(shù)準備，具體功能有：
根據(jù)機床狀態(tài)、系統(tǒng)可用托盤、零件夾具數(shù)量確定立式和臥式機床加工工時；
分析零件墊板數(shù)量和系統(tǒng)可用托盤數(shù)量的比例關(guān)系，合理預安排零件加工機床；
用戶提出再調(diào)度請求時，分析再調(diào)度類型，采集和準備再調(diào)度數(shù)據(jù)。如果是在線作業(yè)，按其底板類型確定加工作業(yè)；當加工零件均為小件時，優(yōu)先使用小托盤。
(4)調(diào)度知識庫
            本智能調(diào)度系統(tǒng)各設(shè)備所使用的調(diào)度決策規(guī)則有10種，它們?yōu)椋合葋硐确�務、�?yōu)先級最高、工序工時最短、工序工時最長、剩余工時最短、剩余工時最長、平均工序工時最短、平均工序工時最長、剩余工序最多和剩余工序最少。調(diào)度知識庫分為調(diào)度規(guī)則知識庫和經(jīng)驗知識庫，用戶可通過操作界面建立各設(shè)備的調(diào)度規(guī)則知識庫，按用戶要求查詢和顯示各設(shè)備的調(diào)度規(guī)則；經(jīng)驗知識庫是經(jīng)過“九五”柔性制造系統(tǒng)可靠性運行，以及本課題多次模擬運行中總結(jié)出來的系統(tǒng)最佳調(diào)度規(guī)則。
(5)作業(yè)優(yōu)化排序——罰函數(shù)算法
           作業(yè)排序采用兩級結(jié)構(gòu)。在上層，決定哪一個作業(yè)優(yōu)先進入加工系統(tǒng)，可通過作業(yè)優(yōu)先級控制和夾具主動選擇來實現(xiàn)；在底層，由設(shè)備管理器控制將哪一個作業(yè)分配給哪一個設(shè)備以達到最優(yōu)排序：即設(shè)備利用率最高，作業(yè)延誤最小，設(shè)備負荷平衡。夾具主動選擇是指根據(jù)空閑夾具的類型，按照作業(yè)的優(yōu)先級，首先檢查有無合適的已開工在線作業(yè)，然后是有無合適大件檢查，最后從小件中優(yōu)選。選定作業(yè)后，將作業(yè)從準備狀態(tài)調(diào)到就緒狀態(tài)。
        當設(shè)備接到設(shè)備管理器發(fā)來的加工作業(yè)時，對接收到的作業(yè)進行能否接受的檢查，如果該作業(yè)適合于在該設(shè)備上處理，該設(shè)備則根據(jù)自己的排序規(guī)則產(chǎn)生該作業(yè)的調(diào)度基準，并以該基準為關(guān)鍵字，將該作業(yè)存入有序的作業(yè)緩沖區(qū)中。�� 設(shè)備管理器的優(yōu)化排隊程序決定了如何將作業(yè)分配到機床，并使整個系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。評 判調(diào)度結(jié)果優(yōu)化程度的幾個關(guān)鍵因素是：設(shè)備利用率、設(shè)備名義延誤、作業(yè)名義延誤、作業(yè)周期、系統(tǒng)周期等等。顯然，設(shè)備利用率越高，設(shè)備名義延誤和作業(yè)名義延誤越小，作業(yè)周期和系統(tǒng)周期越短，調(diào)度的結(jié)果越趨向最優(yōu)。考慮到設(shè)備名義延誤和作業(yè)名義延誤耦合緊密，而且設(shè)備延誤大小也決定了作業(yè)周期和設(shè)備周期，故構(gòu)造罰函數(shù)如下：�� 假設(shè)設(shè)備的當前利用率為�玼，該設(shè)備的當前名義延誤為td��，則定義該設(shè)備的罰函數(shù)為：�玃(u,td)=(1-u)×td 當1-u＞0.001時，P(u,td)=0.001×td 當1-u≤0.001時。罰函數(shù)是運籌學中對有約束多變量函數(shù)的優(yōu)化方法。
5 結(jié)論
         FMS運行過程中各種活動可以同時進行，存在資源競爭和設(shè)備選擇等問題，合理的調(diào)度可以提高設(shè)備的利用率和系統(tǒng)總體加工性能，本FMS智能調(diào)度系統(tǒng)使用多調(diào)度規(guī)則的推理機，對各種調(diào)度結(jié)果進行自動分析，實現(xiàn)智能調(diào)度，并具有結(jié)果的圖形和數(shù)據(jù)顯示。經(jīng)過FMS可靠性運行，本系統(tǒng)性能趨于完善。