柔性制造系統智能調度技術研究

         柔性制造系統(FMS)是一種先進的生產系統，適合于多品種、中小批量生產，可迅速適應產品變化，具有提高設備利用率、減少在制品庫存量、提高產品質量和一致性等諸多潛在優點。但是，系統的這些優點能否充分發揮，調度軟件功能的優劣是極為重要的因素之一。FMS調度軟件的開發是FMS系統的關鍵技術，調度的主要任務就是在時間和空間上合理利用系統的有限資源，以滿足性能指標的要求，因此FMS調度問題將直接影響整個系統的有效性和柔性。
1 FMS調度的任務、目標及策略
             作業調度的任務可分為兩類：第一類是所謂路徑規劃問題，即根據多種優化目標，采用計算機的各種算法，自動地解決加工路線的最優化以及各類設備的利用率等問題。它的目標是根據一定的性能指標，在滿足技術上的制約因素(比如：機床刀庫容量和機床生產能力)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；第二類是動態調度問題，即實時動態地根據下級的反饋信息和實際的系統狀態數據，決定下一步執行哪一道工序。它的目標是在整個加工過程遇到擾動和故障時，能根據系統監控到的實時情況修改原定的加工順序和調度系統的所有資源，使FMS持續、優化地運行。
FMS的調度對象主要包括工件調度、托盤或夾具調度、機床調度和運輸小車(AGV)調度，有時也包括動態刀具調度。�� 就具體調度策略而言，FMS調度基本上可以分為三類：
(1)周期調度策略
             在每個生產周期開始前預調度好各種設備，規定它在未來時間里的加工動作，當生產周期開始時，按調度結果執行。
(2)連續調度策略
            每當出現一個使系統狀態發生變化的事件時(例如“工件到達”、“加工完成”)，調度系統設備，使系統得到最優的運行。
(3)混合調度策略
            在正常工作周期，系統采用周期調度策略(或稱為批調度)；在系統出現意外時，采用連續調度策略。
           周期調度策略是采用最多的調度方法，這是因為FMS大多以周期性生產的形式工作，系統中事件(意外事件除外)的發生具有一定的周期性和可確定性。這種調度方法簡單方便、可靠，易實現；缺點是要犧牲一些系統性能，且無法處理突發事件。連續調度策略以現代計算機技術為手段，面對系統中層出不窮的事件進行頻繁的動態調度，因此它能處理突發事件，并能優化系統的調度；缺點是對調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�；旌险{度策略則可以綜合周期調度和連續調度這兩種方法的優點。本文研究的柔性制造系統中的調度正是采用了混合調度策略。在生產開始初期，先按周期調度進行預調度，在系統運行過程中，若設備出現故障、有急件或新件到達、實際運行調度結果與原調度結果偏差太大時，系統可根據用戶再調度請求進行連續調度，使系統性能達到最優。
2 系統配置
           本文研究的柔性制造系統由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備構成。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。�� 根據該系統配置可得到以下約束：�� �S在系統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隊列長度不超過3，四坐標和五坐標臥式機床的作業隊列長度不超過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，投放到系統中的作業必須大小件區配，如果大件過多，整個柔性制造系統的性能肯定不佳；作業必須按立式機床、臥式機床平衡分配；作業分配必須考慮三五坐標平衡；盡量避免同一作業在立式機床、臥式機床間流動，除非發生設備故障。
3 柔性制造系統智能調度推理機
            本智能調度軟件中作業在計劃層針對于零件，在調度層針對于工序。設備利用率是指該設備的使用時間與最后一道工序離開該設備的時間之比。設備延誤是指設備實際使用時間減去設備最早可以使用的時間。
本智能調度軟件主要功能模塊描述如下：
(1)定單輸入和接收��
           在生產制造系統中，定單管理與控制貫穿生產活動的始終。定單既可以面向零件，也可以面向產品。從接收定單開始到定單完成，需要解決一系列關鍵問題：
根據系統加工能力，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)生產作業計劃
           作業計劃是生產系統的重要組成部分，通過計劃可以控制定單的執行，并向物流系統提出毛坯需求計劃，向刀流系統提出刀具需求單。生產計劃是按設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，盡量使設備負荷達到平衡。
(3)智能調度引擎��
           調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；讀取設備狀態信息，分析各種可能出現的系統配置；預安排零件加工機床，為智能調度做技術準備，具體功能有：
根據機床狀態、系統可用托盤、零件夾具數量確定立式和臥式機床加工工時；
分析零件墊板數量和系統可用托盤數量的比例關系，合理預安排零件加工機床；
用戶提出再調度請求時，分析再調度類型，采集和準備再調度數據。如果是在線作業，按其底板類型確定加工作業；當加工零件均為小件時，優先使用小托盤。
(4)調度知識庫
            本智能調度系統各設備所使用的調度決策規則有10種，它們為：先來先服務、優先級最高、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。調度知識庫分為調度規則知識庫和經驗知識庫，用戶可通過操作界面建立各設備的調度規則知識庫，按用戶要求查詢和顯示各設備的調度規則；經驗知識庫是經過“九五”柔性制造系統可靠性運行，以及本課題多次模擬運行中總結出來的系統最佳調度規則。
(5)作業優化排序——罰函數算法
           作業排序采用兩級結構。在上層，決定哪一個作業優先進入加工系統，可通過作業優先級控制和夾具主動選擇來實現；在底層，由設備管理器控制將哪一個作業分配給哪一個設備以達到最優排序：即設備利用率最高，作業延誤最小，設備負荷平衡。夾具主動選擇是指根據空閑夾具的類型，按照作業的優先級，首先檢查有無合適的已開工在線作業，然后是有無合適大件檢查，最后從小件中優選。選定作業后，將作業從準備狀態調到就緒狀態。
        當設備接到設備管理器發來的加工作業時，對接收到的作業進行能否接受的檢查，如果該作業適合于在該設備上處理，該設備則根據自己的排序規則產生該作業的調度基準，并以該基準為關鍵字，將該作業存入有序的作業緩沖區中。�� 設備管理器的優化排隊程序決定了如何將作業分配到機床，并使整個系統性能達到最優。評 判調度結果優化程度的幾個關鍵因素是：設備利用率、設備名義延誤、作業名義延誤、作業周期、系統周期等等。顯然，設備利用率越高，設備名義延誤和作業名義延誤越小，作業周期和系統周期越短，調度的結果越趨向最優�？紤]到設備名義延誤和作業名義延誤耦合緊密，而且設備延誤大小也決定了作業周期和設備周期，故構造罰函數如下：�� 假設設備的當前利用率為�玼，該設備的當前名義延誤為td��，則定義該設備的罰函數為：�玃(u,td)=(1-u)×td 當1-u＞0.001時，P(u,td)=0.001×td 當1-u≤0.001時。罰函數是運籌學中對有約束多變量函數的優化方法。
5 結論
         FMS運行過程中各種活動可以同時進行，存在資源競爭和設備選擇等問題，合理的調度可以提高設備的利用率和系統總體加工性能，本FMS智能調度系統使用多調度規則的推理機，對各種調度結果進行自動分析，實現智能調度，并具有結果的圖形和數據顯示。經過FMS可靠性運行，本系統性能趨于完善。