光伏工廠柔性制造系統(tǒng)MES/ERP的組建

1 發(fā)展現(xiàn)狀

    中國的能源生產(chǎn)量與消費量都極其巨大，同時中國的主要能源對煤炭的依賴性較大，經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境污染的矛盾比較突出。近年來能源安全問題也日益成為國家生活乃至全社會關(guān)注的焦點，日益成為中國戰(zhàn)略安全的隱患和制約經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。現(xiàn)階段，煤炭、石油和天然氣等能源的供應(yīng)都存在缺口，所以發(fā)展新能源發(fā)電勢在必行。而太陽能作為新能源的重要組成部分之一，引起了國家及世界的廣泛關(guān)注，自2007 年末開始，我國廣泛上馬了眾多太陽能發(fā)電項目，但是由于世界經(jīng)濟不景氣以及行業(yè)整體產(chǎn)能發(fā)展過剩的影響，現(xiàn)在太陽能光伏行業(yè)面臨著整體重組的重大挑戰(zhàn)。而如何提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，就成為了光伏企業(yè)生存的重中之重。

    太陽能光伏面板生產(chǎn)歷來都是技術(shù)密集型的產(chǎn)業(yè)，許多新的生產(chǎn)理念以及技術(shù)被廣泛使用來達到提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的目的，而其中柔性制造系統(tǒng)則是貫穿整個光伏面板生產(chǎn)的重要技術(shù)。

    所謂柔性，第一方面是指系統(tǒng)適應(yīng)外部環(huán)境變化的能力，即系統(tǒng)能夠在多大程度上滿足生產(chǎn)新產(chǎn)品或使用新工藝及原材料的要求；第二方面是系統(tǒng)適應(yīng)內(nèi)部變化的能力，即系統(tǒng)在多大程度上能夠克服來自系統(tǒng)內(nèi)部的干擾，如設(shè)備出現(xiàn)故障或者原材料斷流等情況。

    簡單地說,柔性制造系統(tǒng)是由控制層、信息層、設(shè)備層通過大規(guī)模的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)組成的，基于傳感器、智能控制、數(shù)據(jù)庫、軟件和算法組成的并能根據(jù)制造任務(wù)和生產(chǎn)品種變化而迅速進行調(diào)整的自動化制造系統(tǒng)。其包含若干設(shè)備、物料運貯裝置和計算機控制系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

    柔性制造系統(tǒng)的基本特征

    (1) 設(shè)備柔性，系統(tǒng)的設(shè)備能夠適應(yīng)生產(chǎn)不同產(chǎn)品的需要；

    (2) 工藝柔性，系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的工藝流程以及工藝參數(shù)的變化；

    (3) 產(chǎn)品柔性，產(chǎn)品更新或完全轉(zhuǎn)向后，系統(tǒng)不僅對老產(chǎn)品的有用特性有繼承能力和兼容能力，而且還具有迅速、經(jīng)濟地生產(chǎn)出新產(chǎn)品的能力；

    (4) 生產(chǎn)能力柔性，系統(tǒng)能夠針對不同的生產(chǎn)量進行生產(chǎn)排程的安排，使生產(chǎn)更加經(jīng)濟地運行；

    (5) 維護柔性，系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同周期的維護活動，并能夠?qū)�故障進行自診斷并報警，提示相關(guān)人員進行處理；

    (6) 擴展柔性，在需要擴大生產(chǎn)或增加工藝設(shè)備或檢測設(shè)備時，可以方便地通過相應(yīng)接口進行擴展以提高生產(chǎn)量或?qū)崿F(xiàn)其他功能。

    柔性制造系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

    柔性制造系統(tǒng)的構(gòu)成基于以下幾種技術(shù)：計算機輔助設(shè)計、模糊控制技術(shù)、人工智能、專家系統(tǒng)及智能傳感器技術(shù)、綜合控制系統(tǒng)技術(shù)。

    技術(shù)優(yōu)點

    采用柔性制造系統(tǒng)主要有以下幾個方面優(yōu)點：

    設(shè)備利用率高、設(shè)備投資少、直接工時費用低、工序中在制品量低、改進生產(chǎn)要求有快速應(yīng)變能力強、維持生產(chǎn)的能力強、產(chǎn)品質(zhì)量高、運行的靈活性高、產(chǎn)量的靈活性高等。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

    光伏工廠柔性制造系統(tǒng)可以分為以下幾個組成部分，如圖所示：

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

    ERP 系統(tǒng)就是企業(yè)資源計劃（EntERPrise Resources Planning）的簡稱，它將企業(yè)的財務(wù)、采購、生產(chǎn)、銷售、庫存和其它業(yè)務(wù)功能整合到一個信息管理平臺上，從而實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)標準化，系統(tǒng)運行集成化、業(yè)務(wù)流程合理化、績效監(jiān)控動態(tài)化、管理改善持續(xù)化。

    MES 系統(tǒng)是制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System）的簡稱。其是位于上層的計劃管理系統(tǒng)與底層的工業(yè)控制系統(tǒng)之間的面向車間層的管理信息系統(tǒng),它為操作人員/管理人員提供計劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源(人、設(shè)備、物料、客戶需求等)的當(dāng)前狀態(tài)。

    LCS 系統(tǒng)是生產(chǎn)線控制系統(tǒng)（Line Control System）的簡稱。其直接接受MES 下達的生產(chǎn)線調(diào)度信息，通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將命令下達到各個搬送設(shè)備，由搬送設(shè)備形成的設(shè)備站再將生產(chǎn)信息諸如工件ID，工件狀態(tài)，所使用的工藝等信息下達給生產(chǎn)設(shè)備，達到對整條生產(chǎn)線進行搬送、工藝、質(zhì)量標記等的控制。

    Equipments & Operators 即生產(chǎn)設(shè)備和操作人員。其通過接受LCS 的相應(yīng)指令，依照指令進行自動或手動的生產(chǎn)工作。

3 技術(shù)方案

    1.方案總述

    整體技術(shù)方案思路為在生產(chǎn)流程建模、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、接口和協(xié)議、自動控制等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，以嵌入式設(shè)備和軟件系統(tǒng)的形式對生產(chǎn)工藝進行集成應(yīng)用。并針對光伏電池生產(chǎn)線的工藝流程，建立一條虛擬的數(shù)字化生產(chǎn)/裝配線，實現(xiàn)光伏電池生產(chǎn)/裝配的一體化、數(shù)字化集成管理控制。總體技術(shù)方案如圖所示：

圖2 總體技術(shù)方案

    在對生產(chǎn)資源數(shù)字化建模、業(yè)務(wù)流程建模、生產(chǎn)線虛擬仿真、生產(chǎn)線協(xié)調(diào)控制、生產(chǎn)線狀態(tài)建模的基礎(chǔ)上，針對工廠的現(xiàn)有生產(chǎn)、裝配線設(shè)備、資源及管理控制流程進行數(shù)字化建模，建立虛擬的數(shù)字化生產(chǎn)/裝配線。

    在多BOM 自動生成技術(shù)、生產(chǎn)資源集成整合技術(shù)、以裝配缺件為核心的拉動式生產(chǎn)智能計劃調(diào)度技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)生產(chǎn)訂單生成生產(chǎn)計劃安排，并在虛擬的數(shù)字化生產(chǎn)/裝配線上模擬仿真計劃執(zhí)行過程，對仿真結(jié)果進行評估，確定關(guān)鍵環(huán)節(jié)或關(guān)鍵資源，以在生產(chǎn)過程中重點監(jiān)控，保證生產(chǎn)的順利推進。

    在產(chǎn)品制造執(zhí)行過程中，結(jié)合智能圖像分析、數(shù)據(jù)融合、實時存儲、人機功效等數(shù)據(jù)采集技術(shù)，形成智能化的生產(chǎn)線狀態(tài)監(jiān)控報警設(shè)備，結(jié)合已有的DNC系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的自動采集、快速獲取，盡可能達到實時采集。在生產(chǎn)/裝配線海量實時數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)在制品、設(shè)備、資源、質(zhì)量、成本等生產(chǎn)要素的全面管控。同時實現(xiàn)虛擬生產(chǎn)/裝配線運行狀態(tài)的全面監(jiān)控，對生產(chǎn)裝配現(xiàn)場的情況進行全線快速瀏覽，對生產(chǎn)線指定部位快速鎖定，對生產(chǎn)異常報警快速定位及處置。

    基于生產(chǎn)/裝配線形成的海量實時數(shù)據(jù)庫，需要工程數(shù)據(jù)分析與挖掘、生產(chǎn)線制造效能建模、制造知識抽取與積累等技術(shù)，實現(xiàn)對產(chǎn)品制造過程追溯、對生產(chǎn)/裝配線制造效能評估以及對制造過程中的相關(guān)知識進行管理。

    2.關(guān)鍵技術(shù)解決途徑

    （1）以物料配套缺件為核心的拉動式生產(chǎn)智能調(diào)度技術(shù)

    以物料配套缺件為核心的拉動式生產(chǎn)智能調(diào)度技術(shù)主要針對目前生產(chǎn)調(diào)度中的問題，研究一種綜合性的生產(chǎn)智能調(diào)度方法，能滿足批產(chǎn)、補料、急件、科研試制等不同特性作業(yè)計劃的智能調(diào)度安排。

    在光伏電池省產(chǎn)計劃中，產(chǎn)品數(shù)量大、批次多，材料、工裝、設(shè)備等需求復(fù)雜、準備時間長，實際生產(chǎn)中僅能做到關(guān)注重點工藝的生產(chǎn)進度，很難全面平衡掌控。針對批產(chǎn)計劃，結(jié)合Petri 網(wǎng)技術(shù)、面向?qū)ο蠓椒ê兔艚葜圃焖枷胙芯恐悄苷{(diào)度方法。首先運用敏捷化生產(chǎn)調(diào)度建模(Agile Production Scheduling Modeling，APSM) 方法，將生產(chǎn)過程中的各加工站點進行高度抽象，抽象出庫所，構(gòu)建庫所產(chǎn)能函數(shù)，以瓶頸單元為依據(jù)，結(jié)合生產(chǎn)實際情況，優(yōu)先滿足瓶頸單元的資源(包括人、機、料等) 需求；再考慮次瓶頸單元的需求，建立基于產(chǎn)能的敏捷化生產(chǎn)調(diào)度模型；再采用Petri 網(wǎng)技術(shù)，將實際生產(chǎn)線抽象成基于產(chǎn)能的制造單元模型的串聯(lián)或并聯(lián)的生產(chǎn)線模型。根據(jù)面向?qū)ο笏枷? 建立作業(yè)計劃的對象模型。具體的批產(chǎn)計劃經(jīng)實例化后，以基于Petri 網(wǎng)的敏捷制造生產(chǎn)線產(chǎn)能模型為基礎(chǔ)，以配套缺件為依據(jù)，按拉動式的方法實現(xiàn)對批產(chǎn)計劃的智能調(diào)度。

    當(dāng)出現(xiàn)生產(chǎn)報廢時，需要及時下達報廢補料計劃。報廢補料計劃需要根據(jù)成套生產(chǎn)的原則，在不影響原有生產(chǎn)任務(wù)的前提下，在有限的資源、有限的時間內(nèi)進行合理安排，盡量保證產(chǎn)品整體的生產(chǎn)裝配進度。因此，研究一種基于瓶頸分解的調(diào)度啟發(fā)式算法。該算法首先對生產(chǎn)線情況進行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計找到瓶頸所在，它強調(diào)瓶頸環(huán)節(jié)對生產(chǎn)系統(tǒng)效率的全局性影響，重視對各工序流程關(guān)系的分析，使復(fù)雜的調(diào)度問題得到簡化，計算規(guī)模小，對車間的動態(tài)變化能夠做出迅速的反應(yīng)，根據(jù)光伏電池生產(chǎn)中的生產(chǎn)特點，結(jié)合實際生產(chǎn)線的特點，快速制定報廢補料生產(chǎn)計劃，拉動式的調(diào)度模式，將會更加有效縮短生產(chǎn)周期。

    針對光伏電池生產(chǎn)線上的急件加工和新品試制，存在隨時性大、不確定因素多、相關(guān)資源可能不完備等情況，這使計劃的調(diào)度安排變得十分復(fù)雜。針對這類計劃，研究一種基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混合策略求解的智能調(diào)度算法。遺傳算法是一類借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機制的隨機搜索算法，其主要特點是群體搜索策略和種群中個體之間的信息交換、搜索不依賴于梯度信息，尤其適應(yīng)于處理傳統(tǒng)搜索方法難以解決的復(fù)雜和非線性問題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在生產(chǎn)調(diào)度問題上可實現(xiàn)克服作業(yè)調(diào)度問題中NP 困難、從優(yōu)化軌跡中提取調(diào)度知識、以及尋找調(diào)度問題的可行或次優(yōu)調(diào)度等。結(jié)合遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的特點，基于混合策略求解的模式，對于復(fù)雜的生產(chǎn)調(diào)度問題效果十分明顯，將能有效解決光伏電池生產(chǎn)線上的急件加工、新品試制等單件小批量生產(chǎn)調(diào)度問題。

    （2）基于知識的產(chǎn)品機加/裝配過程模擬與仿真技術(shù)

    為有效評估和確定生產(chǎn)過程中的瓶頸環(huán)節(jié)和關(guān)鍵設(shè)備，研究基于知識的產(chǎn)品機加/裝配過程模擬與仿真技術(shù)。在數(shù)字化生產(chǎn)線仿真模型的基礎(chǔ)上，采用基于Petri 網(wǎng)的過程建模和性能分析方法，實現(xiàn)機加/裝配過程模擬仿真。主要研究建立生產(chǎn)線Petri 網(wǎng)理論模型、Petri 網(wǎng)模型轉(zhuǎn)換生產(chǎn)線仿真模型的方法、建立瓶頸環(huán)節(jié)和關(guān)鍵設(shè)備評估模型、制造知識與管理知識集成管理方法等。在Petri 網(wǎng)模型建立過程中，為建模方便和提高建模的真實性，需要基于知識設(shè)定設(shè)備運行情況、物料及時可用情況、加工質(zhì)量情況、工裝工具準備情況等。根據(jù)機加/裝配線的工藝流程圖及運行情況，模擬作業(yè)計劃執(zhí)行過程，生產(chǎn)線的變遷時間是工人完成該工位機加/裝配所需的時間。將建立的Petri 網(wǎng)模型中的庫所、變遷與生產(chǎn)線仿真模型中的實體相對應(yīng)，并設(shè)置這些實體的相關(guān)參數(shù)，即可建立生產(chǎn)線的三維仿真模型。然后將作業(yè)計劃對象實例化，在生產(chǎn)線的三維仿真模型上模擬作業(yè)計劃執(zhí)行過程，對仿真結(jié)果進行評估分析，確定作業(yè)執(zhí)行過程中的瓶頸環(huán)節(jié)和關(guān)鍵設(shè)備，以便對作業(yè)計劃進行平衡調(diào)整。

    （3）虛實融合的生產(chǎn)/裝配過程監(jiān)控技術(shù)

    虛實融合的生產(chǎn)/裝配過程監(jiān)控技術(shù)是將MES 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)報表、真實生產(chǎn)現(xiàn)場視頻、生產(chǎn)線運行狀態(tài)監(jiān)控報警等信息疊加到虛擬的數(shù)字化生產(chǎn)線模型上，這種技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)字化、信息化技術(shù)手段與真實生產(chǎn)線場景的無縫融合，可實現(xiàn)對光伏電池的生產(chǎn)/裝配生產(chǎn)線的運行進行集成化、可視化、智能化監(jiān)控。虛實融合的生產(chǎn)/裝配過程監(jiān)控過程為：首先針對生產(chǎn)線上的瓶頸環(huán)節(jié)和關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)置視頻采集點，并建立生產(chǎn)線仿真模型與生產(chǎn)現(xiàn)場視頻的對應(yīng)關(guān)系。研究生產(chǎn)現(xiàn)場智能預(yù)警規(guī)則，然后根據(jù)現(xiàn)場場景視頻，采用智能視頻圖像分析技術(shù)（IVS）對人、機、料、法、環(huán)等要素的異常情況進行自動分析、報警。同時結(jié)合MES系統(tǒng)采集管理的數(shù)據(jù)信息，在生產(chǎn)線虛擬仿真模型上直觀顯示生產(chǎn)線的運行狀態(tài)。通過虛實融合的機加/裝配過程監(jiān)控技術(shù)不僅能掌控生產(chǎn)線整體的運行狀態(tài)，還可針對報警環(huán)節(jié)，快速獲取現(xiàn)場真實情況和通過對實時采集數(shù)據(jù)的挖掘和分析，快速找出具體的報警原因。

4 發(fā)展方向

    通過本文對柔性制造系統(tǒng)的分析，以及計算機、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的發(fā)展，柔性制造系通將向小型化、單元化方向發(fā)展，向模塊化、集成化方向發(fā)展，單項技術(shù)性能與系統(tǒng)性能將不斷提高，應(yīng)用范圍將逐步擴大。系統(tǒng)的自反饋、自補償、自適應(yīng)必將有很大程度的提高，使得光伏工廠的運行和生產(chǎn)成本得到進一步的降低。

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本文標題：光伏工廠柔性制造系統(tǒng)MES/ERP的組建

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