黃偉鴻 趙子奇 安琪

（中服軟件（西安）有限公司，陜西西安 710000）

增材制造通常也被稱為3D 打印，是一種通過(guò)軟件和數(shù)控系統(tǒng)，結(jié)合相應(yīng)的打印工藝模型文件，將金屬或非金屬材料利用激光、擠壓、熱熔等方式進(jìn)行逐層堆積，最終制造出實(shí)際物品的技術(shù)[1-2]。

在裝備制造領(lǐng)域中，高端裝備和關(guān)鍵零部件通常采用金屬增材制造技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。利用該技術(shù)，可將三維實(shí)體模型通過(guò)切片軟件進(jìn)行切片分層，得到各截面的輪廓數(shù)據(jù)，由輪廓數(shù)據(jù)生成掃描填充路徑文件，3D 打印設(shè)備按照生成的掃描路徑，控制激光束選區(qū)熔融各層金屬粉末，逐步堆疊成三維金屬實(shí)體[3]。

增材制造屬于典型的離散制造，但隨著技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)的不斷擴(kuò)增，傳統(tǒng)的單機(jī)生產(chǎn)模式已經(jīng)無(wú)法滿足規(guī)?；纳a(chǎn)需求[4]。通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)和設(shè)備一體化布局，構(gòu)建增材自動(dòng)化產(chǎn)線是當(dāng)前增材制造提升生產(chǎn)效率的主流方式。增材制造產(chǎn)線由3D 打印設(shè)備、供粉裝置、粉末回收裝置、基板拆裝設(shè)備、周轉(zhuǎn)工位、熱處理設(shè)備、線切割設(shè)備、打磨設(shè)備、物流運(yùn)輸設(shè)備等組成，如圖1 所示。

圖1 增材制造產(chǎn)線構(gòu)成三維示意圖

在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，產(chǎn)線各個(gè)設(shè)備之間需要通過(guò)人工銜接來(lái)完成整個(gè)生產(chǎn)流程，如生產(chǎn)任務(wù)的編排、接收、分配執(zhí)行、工藝編程、設(shè)備控制策略、產(chǎn)品的流轉(zhuǎn)等。因此，提升產(chǎn)線自動(dòng)化程度，在生產(chǎn)過(guò)程中減少人員投入、提高整體生產(chǎn)效率對(duì)增材制造具有重大意義。

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的普及、5G 通信技術(shù)和信息化系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化勢(shì)必成為未來(lái)的主流方向[5]。本文旨在綜述一種基于IIoT 設(shè)計(jì)的增材制造生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)增材制造車間的生產(chǎn)排程，打印工藝程序遠(yuǎn)程下發(fā)，生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)管，設(shè)備運(yùn)行、工藝參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)管，生產(chǎn)設(shè)備遠(yuǎn)程策略控制，工單任務(wù)執(zhí)行進(jìn)度追蹤等功能，以進(jìn)一步提升增材生產(chǎn)過(guò)程可視化、透明化、智能化的管理，提高產(chǎn)線生產(chǎn)自動(dòng)化能力和調(diào)度能力，減少人工投入和工作量。

一、增材制造生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

目前，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能邊緣計(jì)算和5G 通信技術(shù)的應(yīng)用，增材制造生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化的生產(chǎn)調(diào)度過(guò)程。針對(duì)實(shí)際產(chǎn)線的需求，調(diào)度算法進(jìn)行了深入優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最佳的任務(wù)分配和策略執(zhí)行。同時(shí)，生產(chǎn)任務(wù)的協(xié)同管理也成為研究的重點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化任務(wù)分配和執(zhí)行過(guò)程，提高了生產(chǎn)效率和資源利用率。

為了提高設(shè)備的可靠性和效率，并保證產(chǎn)線調(diào)度系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，本研究致力于更多的方案設(shè)計(jì)，包括實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)和健康故障診斷方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷，從而提高設(shè)備的可靠性和維護(hù)效率。

二、基于IIoT 的增材制造生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（industrial internet of things，IIoT）是將物理設(shè)備、傳感器和其他設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，并利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和通信的技術(shù)[6]。IIoT 技術(shù)使企業(yè)可以監(jiān)控、收集和分析來(lái)自不同設(shè)備和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)更高效、更安全、更可靠和更智能的工業(yè)過(guò)程和產(chǎn)品生產(chǎn)。

IIoT 平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)增材制造的全面信息資源整合及業(yè)務(wù)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)人與人、人與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間的相互感知、互聯(lián)互通?；贗IoT 的生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)可以對(duì)生產(chǎn)線上的各類數(shù)據(jù)（狀態(tài)感知數(shù)據(jù)、視頻感知數(shù)據(jù)、位置感知數(shù)據(jù)以及各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)）進(jìn)行存儲(chǔ)、運(yùn)算分析，向上實(shí)現(xiàn)和MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）、WMS（倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)）、EMS（設(shè)備管理系統(tǒng)）等業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，向下實(shí)現(xiàn)與各類生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)鏈接與反向控制。

（一）技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)采用分層架構(gòu)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，總體分為五層，分別為設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通信層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層，如圖2 所示。

圖2 生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1.設(shè)備層

設(shè)備層主要用來(lái)物聯(lián)接入3D 打印機(jī)、吊裝RGV 設(shè)備、線切割設(shè)備、熱處理設(shè)備、物流AGV 小車等設(shè)備，采集各設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)等，為生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

2.網(wǎng)絡(luò)通信層

網(wǎng)絡(luò)通信層用來(lái)建設(shè)基于5G 基站的網(wǎng)絡(luò)傳輸，滿足生產(chǎn)設(shè)備和服務(wù)器間的網(wǎng)絡(luò)通信，同時(shí)基于5G 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集協(xié)議將增材制造生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)通路打通，滿足數(shù)據(jù)上載和指令下發(fā)需求。

3.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層用來(lái)建設(shè)相應(yīng)的服務(wù)器集群，安裝對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備歷史時(shí)序數(shù)據(jù)和生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)保證服務(wù)性能和數(shù)據(jù)安全。

4.平臺(tái)層

平臺(tái)層用來(lái)建設(shè)高性能的平臺(tái)服務(wù)體系，滿足增材制造自動(dòng)產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行。平臺(tái)層提供了兩大類服務(wù)，即平臺(tái)支撐服務(wù)和生產(chǎn)調(diào)度服務(wù)，對(duì)上滿足應(yīng)用層的業(yè)務(wù)配置及系統(tǒng)運(yùn)行需要的支撐服務(wù)和調(diào)度服務(wù)，對(duì)下滿足數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)執(zhí)行和物聯(lián)基礎(chǔ)能力。

5.應(yīng)用層

應(yīng)用層用來(lái)建設(shè)滿足實(shí)現(xiàn)增材制造自動(dòng)產(chǎn)線需求的一套調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品訂單生成到工單排產(chǎn)，再到自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控和對(duì)自動(dòng)執(zhí)行流程的配置功能，提供滿足物聯(lián)設(shè)備接入和管理的能力。在平臺(tái)層的服務(wù)支撐下，系統(tǒng)可對(duì)業(yè)務(wù)過(guò)程數(shù)據(jù)和設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)、展示，通過(guò)3D 場(chǎng)景對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（二）關(guān)鍵技術(shù)分析

1.調(diào)度系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)思路

（1）確定增材制造自動(dòng)產(chǎn)線的需求和目標(biāo)，例如實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)度、提高生產(chǎn)效率、降低人力投入等。

（2）確定應(yīng)用層的功能和要求，包括訂單生成、工單排產(chǎn)、自動(dòng)生產(chǎn)監(jiān)控和工藝流程配置等。

（3）確定集成系統(tǒng)的對(duì)接方式和數(shù)據(jù)格式，如MES、WMS 等業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)接。

（4）考慮物聯(lián)設(shè)備的接入和管理需求，確保設(shè)備的高效運(yùn)行和數(shù)據(jù)采集。

（5）利用平臺(tái)層的服務(wù)支撐，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)和展示，提供關(guān)鍵指標(biāo)和報(bào)表。

（6）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)度、執(zhí)行引擎，并結(jié)合生產(chǎn)任務(wù)協(xié)同管理確定核心調(diào)度算法。

（7）借助3D 場(chǎng)景技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控和可視化展示。

2.調(diào)度系統(tǒng)功能邏輯關(guān)系

（1）訂單生成和工單排產(chǎn)是應(yīng)用層的核心功能，需要根據(jù)產(chǎn)品訂單和生產(chǎn)線情況進(jìn)行任務(wù)的分配和調(diào)度。

（2）自動(dòng)生產(chǎn)監(jiān)控和工藝流程配置功能需要實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的狀態(tài)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以確保生產(chǎn)過(guò)程的順利進(jìn)行。

（3）物聯(lián)設(shè)備的接入和管理是應(yīng)用層的基礎(chǔ)，通過(guò)與設(shè)備的通信和數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。

（4）自動(dòng)調(diào)度執(zhí)行引擎是整個(gè)生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的核心，通過(guò)對(duì)設(shè)備資源的動(dòng)態(tài)分配來(lái)滿足產(chǎn)品訂單的分配需求，并結(jié)合當(dāng)前產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的工藝流程配置內(nèi)容來(lái)執(zhí)行確定的生產(chǎn)流程。

（5）平臺(tái)層的服務(wù)支撐對(duì)業(yè)務(wù)過(guò)程數(shù)據(jù)和設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析和展示，提供生產(chǎn)指標(biāo)和報(bào)表，為管理決策提供支持。

（6）3D 場(chǎng)景技術(shù)將生產(chǎn)運(yùn)行情況可視化，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控和可視化展示，幫助用戶了解生產(chǎn)線的狀態(tài)和異常情況。

總的來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)思路和邏輯關(guān)系是在滿足增材制造自動(dòng)產(chǎn)線需求的基礎(chǔ)上，通過(guò)應(yīng)用層的功能和物聯(lián)設(shè)備的接入，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控、調(diào)度和配置。同時(shí)，平臺(tái)層的服務(wù)支撐和3D 場(chǎng)景技術(shù)的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)分析和可視化展示的能力，為管理決策提供了重要的支持。

（三）系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)從設(shè)備層的數(shù)據(jù)采集到5G 通信傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、生產(chǎn)調(diào)度管理功能的使用，再到統(tǒng)一的生產(chǎn)可視化監(jiān)控大屏的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3 所示。

圖3 生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

首先，對(duì)增材制造生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行物聯(lián)接入。將設(shè)備通過(guò)不同的接入方式接入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，然后和調(diào)度管理系統(tǒng)建立連接。3D 打印機(jī)、RGV、真空爐、線切割、打磨設(shè)備等一般采用PLC 的控制方式，所以可以通過(guò)PLC 對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)協(xié)議解析插件與設(shè)備進(jìn)行控制和采集聯(lián)通，通過(guò)交換機(jī)與5G 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)集成，5G 網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)通過(guò)5G 基站與服務(wù)器群聯(lián)通。AGV 物流小車采用5G 信號(hào)傳輸控制指令獲取設(shè)備狀態(tài)及數(shù)據(jù)，通過(guò)5G 網(wǎng)關(guān)聯(lián)通。最后與交換機(jī)連接的設(shè)備共同通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)到物聯(lián)平臺(tái)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、解析、數(shù)字類型轉(zhuǎn)換和線性計(jì)算，用以支撐整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的使用。

其次，建設(shè)服務(wù)器集群，構(gòu)建內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)，基于服務(wù)器集群，建設(shè)云數(shù)據(jù)中心，安裝關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)以及緩存數(shù)據(jù)庫(kù)，為上層應(yīng)用提供配置信息存儲(chǔ)及各類設(shè)備和產(chǎn)線歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

再次，建設(shè)一套基于增材制造的生產(chǎn)自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)，包含產(chǎn)線操作人員系統(tǒng)操作臺(tái)和可視化監(jiān)控大屏。

最后，構(gòu)建生產(chǎn)操作臺(tái)（PC 端）及可視化大屏，將各類數(shù)據(jù)通過(guò)云端服務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)和處理，并根據(jù)不同部門、層級(jí)用戶業(yè)務(wù)需求進(jìn)行個(gè)性化頁(yè)面定制開(kāi)發(fā)。不同的用戶通過(guò)不同的管理駕駛艙，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)產(chǎn)線生產(chǎn)、產(chǎn)線監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析查看，在操作臺(tái)PC、各類移動(dòng)終端上進(jìn)行系統(tǒng)界面顯示和操作。有設(shè)備操作權(quán)限的用戶可以通過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)控制面板對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

（四）系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

增材制造調(diào)度系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從訂單任務(wù)生成到排產(chǎn)、產(chǎn)線打印設(shè)備按照工單自動(dòng)打印生產(chǎn)、打印完成后自動(dòng)調(diào)度RGV、AGV 運(yùn)送產(chǎn)品到下一工序，滿足從整個(gè)訂單的排產(chǎn)到生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化管理。系統(tǒng)整體業(yè)務(wù)流程如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程示意

在調(diào)度執(zhí)行過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中每個(gè)階段不同的業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)和相應(yīng)的第三方系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)交互，如MES 系統(tǒng)、WMS 系統(tǒng)、AGV 調(diào)度系統(tǒng)等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)、生產(chǎn)設(shè)備之間流程和執(zhí)行的自動(dòng)串接，減少過(guò)多的人工干預(yù)。

首先，系統(tǒng)接收MES 下發(fā)的生產(chǎn)任務(wù)訂單，由工藝人員制作打印生產(chǎn)所需的工藝代碼。產(chǎn)線工藝編排引擎將生產(chǎn)裝備資源、物料資源、生產(chǎn)人員和產(chǎn)品的資源通過(guò)可視化的柔性定義方式，配置好相關(guān)工序方案，并由生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)換為可運(yùn)行執(zhí)行的工藝流程。

其次，由調(diào)度員排產(chǎn)，生成任務(wù)工單，并將其加入生產(chǎn)任務(wù)工單隊(duì)列，等待調(diào)度分配資源生產(chǎn)。此過(guò)程需要判斷當(dāng)前產(chǎn)品是否已經(jīng)存在現(xiàn)有的打印工藝代碼，且此訂單對(duì)應(yīng)的工序方案已經(jīng)存在綁定可執(zhí)行的工藝流程，否則不能被投產(chǎn)。

在生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)流程定義的業(yè)務(wù)會(huì)反饋生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)度到MES 系統(tǒng)、下發(fā)物料請(qǐng)求或回饋入庫(kù)請(qǐng)求到WMS 系統(tǒng)、下發(fā)物流運(yùn)輸任務(wù)到AGV 調(diào)度系統(tǒng)，調(diào)動(dòng)AGV 進(jìn)行產(chǎn)品的自動(dòng)搬運(yùn)，并對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控。

工單生產(chǎn)執(zhí)行過(guò)程還會(huì)涉及一些輔助流程，如工單工藝編排以及工單生產(chǎn)輔助，包含控制設(shè)備加粉、零件回線檢測(cè)入庫(kù)、打印基板回線檢測(cè)入庫(kù)等。這些流程都可以通過(guò)可視化的工藝流程定義及引擎的支撐來(lái)實(shí)現(xiàn)流程的柔性定義。

三、系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

基于IIoT 的增材制造生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)如下所述。

（一）資源管理

將產(chǎn)線內(nèi)可用的設(shè)備業(yè)務(wù)定義為資源是調(diào)度系統(tǒng)的判斷依據(jù)。資源是一個(gè)定義好的業(yè)務(wù)狀態(tài)，資源可分配資源實(shí)例（具體設(shè)備的數(shù)據(jù)指標(biāo)）。如果調(diào)度系統(tǒng)判定當(dāng)前資源有空閑的資源實(shí)例，則可根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)任務(wù)動(dòng)態(tài)分配給相應(yīng)需要生產(chǎn)的生產(chǎn)任務(wù)工單，從而實(shí)現(xiàn)資源的高效調(diào)度利用，支持對(duì)資源的實(shí)例配置進(jìn)行編輯修改。

資源管理是指系統(tǒng)對(duì)設(shè)備資源信息進(jìn)行管理，包括對(duì)資源狀態(tài)、資源ID、資源名稱、資源分類、設(shè)備模板、所屬產(chǎn)線等的管理。例如，可對(duì)設(shè)備資源信息進(jìn)行在線查看、編輯、刪除等操作，可以對(duì)資源進(jìn)行開(kāi)啟與關(guān)閉，實(shí)時(shí)監(jiān)控資源狀態(tài)。

（二）工序方案管理

工序方案管理是指系統(tǒng)對(duì)MES 下發(fā)的訂單工序進(jìn)行提取錄入，生成相應(yīng)的工序方案，并將對(duì)應(yīng)的工藝流程進(jìn)行綁定映射。綁定后的工序方案對(duì)應(yīng)的訂單才能被投產(chǎn)變成可執(zhí)行的工單。

（三）工藝流程管理

工藝流程管理是指系統(tǒng)通過(guò)可視化的流程配置界面來(lái)繪制生產(chǎn)訂單產(chǎn)品生產(chǎn)所需要的流程步驟，從而對(duì)流程工序內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置。如判斷條件配置和執(zhí)行內(nèi)容配置通過(guò)一系列的工序節(jié)點(diǎn)配置，來(lái)滿足調(diào)度服務(wù)的動(dòng)態(tài)執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)工單的生產(chǎn)自動(dòng)調(diào)度執(zhí)行。

展示內(nèi)容包含啟動(dòng)狀態(tài)、所屬產(chǎn)線、是否引用工藝（主次工藝流程）、應(yīng)用工單數(shù)、工序數(shù)等。功能包含創(chuàng)建工藝流程、查看詳情、編輯、開(kāi)啟關(guān)閉、刪除。其中，啟動(dòng)關(guān)閉、編輯、刪除都會(huì)判斷當(dāng)前工藝流程是否存在相關(guān)正在使用的工單，避免影響當(dāng)前流程被執(zhí)行中工單使用。

（四）工藝代碼管理

工藝代碼管理是指系統(tǒng)提供工藝代碼服務(wù)端的統(tǒng)一版本管理和存儲(chǔ)，支持從服務(wù)端下發(fā)程序到對(duì)應(yīng)設(shè)備；提供新增、編輯、刪除、下發(fā)等操作；支持程序版本升級(jí)、下發(fā)記錄查看、程序文件下載。

（五）設(shè)備管理

系統(tǒng)提供對(duì)生產(chǎn)設(shè)備以及其他需要接入物聯(lián)的設(shè)備的管理維護(hù)，包括對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位的配置、數(shù)據(jù)規(guī)則的配置、執(zhí)行動(dòng)作的指令配置。

（六）產(chǎn)品管理

產(chǎn)品管理是指系統(tǒng)將產(chǎn)品按一定分類維護(hù)起來(lái)，供其他業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)使用，產(chǎn)品和訂單是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。利用系統(tǒng)可以查看產(chǎn)品基本信息、產(chǎn)品附件信息，對(duì)產(chǎn)品的分類、圖號(hào)、名稱、詳情等信息進(jìn)行在線管理。系統(tǒng)可與第三方系統(tǒng)MES 同步產(chǎn)品信息，也可由訂單信息同步錄入產(chǎn)品信息。

（七）訂單管理

訂單管理功能主要負(fù)責(zé)對(duì)生產(chǎn)訂單如產(chǎn)品種類、產(chǎn)品數(shù)量、完成日期等內(nèi)容進(jìn)行維護(hù)，支持手動(dòng)錄入訂單信息或?qū)覯ES 等第三方系統(tǒng)。通過(guò)訂單管理可以直觀地查看各個(gè)訂單的完成情況及詳細(xì)內(nèi)容。系統(tǒng)提供訂單搜索功能，支持按照訂單狀態(tài)、訂單進(jìn)度、執(zhí)行的工序進(jìn)行查詢展示。

（八）排產(chǎn)管理

排產(chǎn)管理是指系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)線內(nèi)所有的生產(chǎn)訂單進(jìn)行任務(wù)轉(zhuǎn)換，把以產(chǎn)品為單位的訂單轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)工單，將多個(gè)訂單合并生成一個(gè)工單，可查詢各個(gè)訂單的排產(chǎn)狀態(tài)、所排工單的進(jìn)度執(zhí)行情況。生產(chǎn)訂單需要按實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行任務(wù)編排，完成生產(chǎn)訂單中的產(chǎn)品生產(chǎn)。排產(chǎn)后生成的工單，需要進(jìn)行投產(chǎn)方可開(kāi)始自動(dòng)生產(chǎn)。

（九）工單管理

工單是生產(chǎn)過(guò)程的描述，具體分為全部工單、執(zhí)行工單。全部工單對(duì)應(yīng)所有已投產(chǎn)的生產(chǎn)工單，包含執(zhí)行中的和已經(jīng)完成的工單。執(zhí)行工單指生產(chǎn)中的工單。對(duì)執(zhí)行工單進(jìn)行單獨(dú)管理，在實(shí)際生產(chǎn)管理環(huán)境下，可直觀地監(jiān)控生產(chǎn)執(zhí)行過(guò)程，方便工作人員對(duì)生產(chǎn)中的工單業(yè)務(wù)進(jìn)行操作。通過(guò)工單管理，相關(guān)人員可查詢不同訂單各自的執(zhí)行過(guò)程和當(dāng)前的執(zhí)行狀態(tài)、執(zhí)行進(jìn)度。

（十）班次管理

系統(tǒng)通過(guò)班次管理維護(hù)生產(chǎn)人員的排班信息，包含班別、每日工作時(shí)間、班次的生效時(shí)間、失效時(shí)間、班組人員的安排，提供新增、編輯、刪除等操作。系統(tǒng)可以根據(jù)人員所屬的組織機(jī)構(gòu)分組配置不同人員的班次，以滿足不同的生產(chǎn)業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

（十一）可視化大屏

為了幫助生產(chǎn)人員、維護(hù)人員、工藝人員對(duì)增材制造的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行全方位監(jiān)控管理，系統(tǒng)以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為基礎(chǔ)支撐，采用三維技術(shù)構(gòu)建可視化3D 生產(chǎn)大屏，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行三維建模，結(jié)合設(shè)備物聯(lián)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，可以將整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程通過(guò)3D 大屏實(shí)時(shí)展示出來(lái)，如圖5 所示。

圖5 設(shè)備資源監(jiān)控大屏示意

系統(tǒng)可對(duì)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)、設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、調(diào)度業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控等信息進(jìn)行集成，構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)大屏，幫助增材管理人員準(zhǔn)確掌握生產(chǎn)運(yùn)行情況，如圖6 所示。

圖6 工單監(jiān)控大屏示意

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)底層服務(wù)，檢測(cè)分析設(shè)備在線情況、工作異常、報(bào)警等故障信息，結(jié)合設(shè)備運(yùn)維管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，構(gòu)建增材制造生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行分析大屏，提高設(shè)備運(yùn)行、運(yùn)維效率，減少運(yùn)維成本。

四、系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

在實(shí)踐中，本系統(tǒng)成功應(yīng)用于多個(gè)增材制造產(chǎn)線，其中某航天增材制造產(chǎn)線的產(chǎn)品是航天飛行器核心零件，具有特殊的力學(xué)構(gòu)造，需要對(duì)鈦合金粉末進(jìn)行激光燒融來(lái)完成復(fù)雜的內(nèi)部工藝制作。本系統(tǒng)與原有MES 系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)了訂單生成和工單排產(chǎn)業(yè)務(wù)，同時(shí)結(jié)合資源管理功能，對(duì)所有生產(chǎn)過(guò)程設(shè)備進(jìn)行資源定義，如3D 打印機(jī)、真空爐等。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際資源的可用狀態(tài)和資源實(shí)例數(shù)量，自動(dòng)分配生產(chǎn)工單任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了智能化的調(diào)度和資源利用。

例如：訂單下發(fā)后系統(tǒng)自動(dòng)排產(chǎn)了10 個(gè)工單任務(wù)?，F(xiàn)場(chǎng)只有4 臺(tái)可用的打印機(jī)資源實(shí)例，系統(tǒng)依次進(jìn)行分配以滿足排產(chǎn)后的訂單生產(chǎn)，剩余6 個(gè)訂單會(huì)在資源等待隊(duì)列中排隊(duì)，即等待有新的資源實(shí)例釋放。

生產(chǎn)過(guò)程中，本系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，智能調(diào)整工藝流程，自動(dòng)完成工序和工序節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行，極大地減少了人工干預(yù)。然而，某些工序仍需人工參與來(lái)確認(rèn)工藝參數(shù)和生產(chǎn)狀態(tài)，以保證生產(chǎn)安全。操作人員通過(guò)掃碼和授權(quán)實(shí)現(xiàn)工單下發(fā)過(guò)程處理、暫停和完成等操作。

一旦生產(chǎn)完成，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)高溫處理去硬度以及切割、清洗、打磨等后處理步驟，并經(jīng)過(guò)一系列檢測(cè)。最后，利用激光刻上唯一的生產(chǎn)工單碼，并入庫(kù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的全生命周期追溯。

該產(chǎn)線系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各設(shè)備數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，提供實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表和產(chǎn)能趨勢(shì)圖，幫助實(shí)現(xiàn)高效的生產(chǎn)調(diào)度和監(jiān)控。

在實(shí)踐中，本系統(tǒng)優(yōu)化了生產(chǎn)調(diào)度算法和生產(chǎn)過(guò)程步驟，顯著減少了生產(chǎn)任務(wù)的延誤和資源浪費(fèi)，提高了生產(chǎn)效率和穩(wěn)定性，總結(jié)出了優(yōu)化設(shè)備配置和生產(chǎn)流程的經(jīng)驗(yàn)。

通過(guò)實(shí)踐，本文總結(jié)出基于IIoT 的增材制造生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。

（一）提高自動(dòng)化生產(chǎn)水平

生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際的資源使用情況，動(dòng)態(tài)判斷、調(diào)度相應(yīng)的資源以完成對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)工單任務(wù)。從生產(chǎn)工序流程定義到生產(chǎn)資源調(diào)度分配、資源數(shù)據(jù)判斷，調(diào)度執(zhí)行能讓整個(gè)產(chǎn)線的自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)形成閉環(huán)。生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置的調(diào)度算法來(lái)自動(dòng)調(diào)度不同工單任務(wù)的生產(chǎn)執(zhí)行，有效提高了產(chǎn)線生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。

（二）降低人力成本

生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)的支持提高了產(chǎn)線的自動(dòng)化水平整個(gè)產(chǎn)線不需要人工參與控制設(shè)備資源或僅在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)需要人工參與，大大減少了一線崗位的人員，有效降低了人員投入成本，擴(kuò)大了企業(yè)收益。

（三）實(shí)現(xiàn)IT 和OT 一體化融合

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)IT和OT的深度融合，實(shí)現(xiàn)一體化產(chǎn)線設(shè)備的自動(dòng)調(diào)度、人員與產(chǎn)線設(shè)備的交互管理，打破了原有DCS、MES 等的產(chǎn)品邊界。

（四）由車間向工廠調(diào)度的強(qiáng)拓展性

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)可將不同車間的產(chǎn)線進(jìn)行統(tǒng)一整合調(diào)度，達(dá)成了更大的生產(chǎn)場(chǎng)景調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了上下層系統(tǒng)的打通與銜接。這有效提升了人和裝備之間、裝備和裝備之間的協(xié)作水平，提高了產(chǎn)線、車間和工廠的生產(chǎn)效率。

五、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)增材制造生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能邊緣計(jì)算和5G 通信技術(shù)的應(yīng)用，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)調(diào)度過(guò)程的自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化，極大地提升了生產(chǎn)調(diào)度的效率和自動(dòng)化水平。

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及和信息系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，生產(chǎn)智能化將逐步成為主流趨勢(shì)。生產(chǎn)調(diào)度的自動(dòng)化轉(zhuǎn)型升級(jí)將成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然需求。本系統(tǒng)為增材制造產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景，同時(shí)也為其他離散制造領(lǐng)域如CNC 加工、注塑成型、激光切割等提供了借鑒和推廣的價(jià)值。

綜上所述，本文的研究成果為增材制造生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。在未來(lái)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，生產(chǎn)智能化和數(shù)字化將扮演更加重要的角色，生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值將進(jìn)一步凸顯。我們期待本系統(tǒng)能夠在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用，推動(dòng)增材制造產(chǎn)業(yè)邁向更高水平的自動(dòng)化和智能化發(fā)展。