基于Montrac +PLC的自動化生產線的調度優化（自動化）

                            洪麗梅，朱凌云

                （東華大學信息科學與技術學院，上海201620）

摘要：針對串行和并行并存的多工序自動化生產線出現的UPH值偏低問題，生產線的調度優化顯得格外重要。首先闡述一液晶屏裝配生產線的硬件架構設計；然后針對Montrac的Shuttle調度原理和Switch調度原理進行詳細討論，Montrac與PLC進行UDP通信，通過PLC在Montrac中寫入穿梭車的目標地址，并實現在自動化運輸系統中的應用，使得一輛穿梭車上的各批工件在LEF作業區的進出站時間和加工時間，即該站小車循環時間保持在20 s左右；最終，在該調度原理基礎上達到理想的UPH值。

關鍵詞：自動化生產線；調度優化；PLC；UPH；Montrac；目標地址；循環時間

中圖分類號：TN081  文章編號：1006 - 2394( 2016) 06 - 0024 - 03

0  引言

    隨著科學技術的迅猛發展，生產力水平的不斷提高，人們對降低勞動強度、改善工作環境日益重視起來，柔性的裝配生產線應運而生，包括以PLC為基礎的自動化生產線實現的裝配功能，控制系統簡潔方便、自動化程度高，極大地提高了生產效率。目前國內外對生產線的調度問題早有研究，調度平衡問題一直受到重視?；�鐵盧大學Coffman等研究了單臺機器

上工件批次的劃分及操作排序調度問題；希伯來大學Gur Mosheiov等研究了各機器上具有相同加工時間的批量加工flow shop調度問題，優化目標是使所有批次加工完成時間最短并求得各批工件的批量劃分及排序；東華大學周亞勤等研究了批量flow shop調度問題，在這種問題中選擇了工件平行順序移動加工方式，采用啟發式規則與遺傳算法結合設計求解了以所有批次工件加工完成時間最小為優化目標的調度問題，最后給出了最優解的甘特圖，黨立偉等以企業的離散型裝配物料配送為研究對象，提出了多頻次、小批量的配送策略，實現了物料的準時化配送。在國內外關于自動化產線的調度算法問題的研究基礎上，本文將闡述Montrac運輸系統在自動化產線中起的調度作用。

1硬件架構設計

    該生產線以PLC為核心、以操作盤或觸摸屏為輸入設備，采用運用靈活的自動化運輸系統Montrac、現場總線控制系統FCS，主控PLC與Montrac的控制器TC2U（共有8個）進行UDP通信，單站PLC與Ro-bot、HMI進行Profinet通信，Cognex Camera與Robot的通信方式通過TCP/IP方式進行，以此實現對各站、傳感器的控制。利用仿真系統等高新技術和數字化設計手段設計的自動化生產線，其總體的硬件框圖如圖1所示。

    圖1中的主要硬件功能如下：①主控PLC讀取Montrac的相關信息，如到達信號、離開信號、ShuttleID、目標地址等，然后將這些信息進行解析，根據TC2U的Node和Module的編號將解析后的Montrac信息存儲到相應的站存儲區中。②單站PLC是整個單站控制的核心，同時也是所有控制信號輸入與輸出設備。由于所有的設備都和單站PLC進行信息交互，因此該PLC內部存有單站生產過程當中的所有數據。③智能化的Montrac穿梭車及其智能化控制系統可自動將材料輸送至指定位置。④工業機器人本體通常安裝有各類傳感器，是裝配動作的執行機構，實現在相機引導下對工件進行裝配對位，直到誤差在允許范圍內之后，停止相機引導，然后把零件裝配上去。⑤相機在控制系統中起到下面的作用。定位作用：相機能

夠識別Tray盤上的多個零件的工作站位置，然后傳送給機器人；引導作用：機器人在裝配過程中，相機每次發給機器人相應的移動方向與距離，一次次讓機器人到達正確的裝配地點；檢測作用：裝配完成之后，給出相應判斷最終檢測裝配的質量是否合格。⑥PC是整個機臺的人機界面，上面運行Intouch組態軟件，主要作用是能對類似于機器人運動速度、工藝的限定值等參數進行設定，然后保存到PLC或者機器人內部；在HMI上面能夠直觀地看出機臺的狀況、機臺運行的具體步驟、過程參數值的大小等；當機臺出現報警之后，上位機上會彈出錯誤報警對話框，從而提醒操作者機臺的故障原因以及可能的處理辦法；最終產品操作過程當中的所有參數都會存儲在PC中，而且支持數據導出的存儲與搜索功能。

2  Montrac調度原理技術研究應用

    Montrac在聯合運用智能化控制系統TracControl時，這一系統已經直接集成到了穿梭車上，不再需要設置分散輸送機系統；在某臺輸送穿梭車發生故障時，由于穿梭車可以在全速運行系統條件下仍能輕松卸下和更換，也無需停運系統；Montrac的模塊化設計概念可實現靈活的系統拓展，運輸線路可以采用直線、曲線和交叉軌道。因此，Montrac在自動化生產線中的調度原理值得研究及應用，主要分為Shuttle的調度及Switch的調度。

2.1  Shuttle存儲信息及調度原理

    每個Shuttle里面存在兩種信息，Shuttle ID和Shuttle target address。Shuttle ID是由線條與空白按照一定的編碼規則組合起來的符號，用以表達一定的字母和數字等信息，通過掃碼槍掃描得到一組光電信號，經解碼，傳人計算機得到文字信息，在生產過程中保特不變，Shuttle被放進生產線之前必須進行分配，而且要保證所有的Shuttle ID唯一，否則會造成生產數據混亂。

    目標地址是Shuttle調度的根本，Shuttle每到達一個站點之后，在停止塊的作用下，都會先停下來，然后IRM傳感器會讀取內部Shuttle ID的相應信息。

    對于所有的工作站，都會分配有相應的路由表，里面填寫了相應的該生產站所能夠接收的Shuttle ID，只要Shuttle所攜帶的目標地址在相應的路由表內，Shut-tle就會在當前站點停留，否則Shuttle會直接經過該站點。舉例如下：

    一輛ID為56的Shuttle從人工站MI01到人工站MI02，該部分有三個人工站，為串行工作結構。Shuttle在MI01站完成所有組裝之后，操作工合上蓋子，掃碼槍掃描PCID，然后把PCID和Shuttle  ID( 56)在主PLC中進行綁定，同時PLC把Shuttle當前的目標地址(0.1.0.1)改寫為(0.1.0.2)，Montrac系統會把新的地址通過IRM傳感器寫入到Shuttle；Shuttle在地址修改成功之后就會自動離開當前站點。

    Shuttle在離開MI01站后，自動沿著軌道行走到MI02站，遇到減速塊之后先減速，然后遇到停止塊，Shuttle停在IRM傳感器上方。IRM傳感器讀取Shut-tle ID和目標地址。當前Shuttle的目標地址是在MI01站內寫進去的0.1.0.2，而M102站的路由表地址是0.1.0.0~0.1.0. 255，為一個范圍，因為0.1.0.2在此范圍內，所以Shuttle會在此站內停留。與此同時，掃碼槍掃描到Shuttle上面的PCID，PLC把該PCID與Shuttle ID做對比（MI01站Shuttle ID56已經和PCID做了捆綁），如果PCID與Shuttle ID吻合，說明掃碼成功而且Shuttle上面的產品沒有被中途替換，允許下一步操作。

    以此類推，當產品在MI01站做完組裝之后會被分配下一站的地址，而在下一站Montrac系統會對到達Shuttle的目標地址和當前站點所分配的路由表進行比對，如果Address在路由表范圍內，則Shuttle會在當前站點停留。

2.2    Switch的調度原理

    調度之根本都是基于目標地址，以Shuttle ID 56從人工站MI03進入機器人站LEF為實例說明，人工站M103與機器人站LEF之間的Switch為Switch-l。

    該Switch有一個IRM( Alll.1)和兩個Log-off（Blll.1和Blll.2）作為傳感器，因此有兩種路徑。

    路徑1：Shuttle從Alll.1進入，從Blll.1出來，該路徑為直行路徑，Shuttle經過Switch之后未進入第一個環的三大機臺，直接到下面一個Switch。

    路徑2：Shuttle從Alll.1進入，從Blll.2出來，該路徑為進環路徑，Shuttle經過Switch之后，在機器人站LEF前面的緩沖區沒有車的情況下，Shuttle會直接進入機器人站LEF。在生產過程當中，從人工站M103出來的Shuttle被分配0.1.1.1的地址，所以在機器人站LEF前面的緩沖區沒有Shuttle的情況下，Switch會自動切換到路徑2，Shuttle會直接進入到第一個環。

    如果人工站MI03出來的Shuttle為NG狀態，則被分配的地址為0.3.2.1，不在路徑所涵蓋的地址范圍(0.1.1.1~0.1.1.6)．而路徑1所分配的地址為“default”，意味著只要不滿足進入路徑2的條件，Switch就會自動切換到路徑1狀態，Shuttle直行。

    在機器人站LEF前面的緩沖區有車的情況下，即使進入Switch的Shuttle地址為0.1.1.1，Shuttle也不會進入第一個環，而是通過“by default”的方式執行，到下面一個Switch進行路徑判斷，該Switch-l的路由表如圖2所示。

2.3  各環并行調度策略的實現

    當Shuttle運載的需裝配材料到Switch-7時，需進行調度判斷，a類操作員負責安裝Tab cover，安裝PF，OQC;b類操作員負責檢測FQC／LGP，安裝BLU film（4片），其生產線的第二部分五個并環結構圖如圖3所示。

    以Switch-7為例說明調度策略，其路由表如圖4所示。

    路徑1：Shuttle直行，只要Shuttle不滿足Route2和Route3的進入條件，Shuttle就會By default直行；

    路徑2：Shuttle進入Loop的緩沖站（在Shuttle目標地址為0.2.1.1~0.2.1.2范圍內且緩沖區沒車情況下有效）；

    路徑3：Shuttle從人工站出來然后進入直行。

3液晶屏裝配在生產線上的應用

    本項目中，裝配液晶屏的主要過程首先是機械手抓取LED shelf，撕膜，再安裝到TFT上，然后抓取LEDFlex.Reflector、LGP繼續完成對TFT上材料的裝配，在最后的機器人站DHA進行TFT和Housing的裝配。

    在工藝達到極限、配置合理緩沖區、路徑的選擇在基于上述Montrac路由表的調度策略的條件下，分析每一機器人站和人工站的作業循環時間，達到客戶要求的理想UPH值。

    選取某一生產時間段，其中一機器人站完成一步作業的小車進出站的CT圖如圖5所示。CT(CycleTime)指生產線最長作業時間(Pitch  Time)，即周程時間，在數值上可以由每小時的平均產量，求得一個產品的Cycle Time。

4結論

    目前，柔性制造技術成為了企業最受青睞的選擇。如何提高自動化生產線的生產效率，增加UPH值，降低物流作業成本是企業最為關心的問題。生產調度管理系統是整個自動化制造系統中的核心內容，而很多文章中是在理論算法上提出相當多的求解方法，本文是對Montrac的調度策略進行了研究及應用，Montrac能對所有運輸動作進行實時控制，防止出現瓶頸和停運，能達到最優工作負荷，在該液晶屏裝配項目中，最終UPH值達到了200。因此，在工藝達到極限的條件下，為達到理想的UPH值，可從調度策略及緩沖區人手。