网络化制造的车间天车调度研究
论文关键词:网络化制造 天车 调度
论文摘要:本文分析了网络化制造的车间中天车在响应各工作地的任务请求时存在的问题,提出了一种以提高车间设备利用率为目的,天车服务必须围绕任务需求的天车优化服务模型,并给出了硬件需求和软件流程图。
制造业正向着网络化智能化、数字化、集成化、柔性化、和敏捷化方向发展。制造企业利用网络技术,开展产品设计、制造、销售、采购和管理等一系列活动的总称为网络化制造。中国目前制造业特别是中小企业,对现有制造资源进行大规模更新的机会很小。中小企业要提高核心企业竞争力,只有充分利用其现有资源和现代信息技术,对现有制造系统进行网络化改造与性能提升,支持和实施网络化制造,实现资源集成与共享。作为制造企业的物化中心,产品最终要通过车间制造出来,车间制造资源的状态最终决定了一个企业实际生产能力。
车间制造资源主要包括三部分:硬件资源、软件资源和人力资源。这三类资源是相辅相成的。车间制造资源及制造过程的优化管理,必须提高车间设备的利用效率[1]。随着机床设备的自动化程度提高,生产效率飞速提高,生产车间的物流量越来越大。天车(吊车)成为车间三种资源调度的核心,天车(吊车)的调度优化为题日益突出。
美国麻省理工学院总结日本丰田汽车公司制造车间的生产模式而提出精益生产方式LP(1ean production)生产理念[2]。按照精益生产的思想,浪费形式通常有以下7种:①过多制作造成的浪费;②等待造成的浪费;③搬运造成的浪费;④加工造成的浪费;⑤库存造成的浪费;⑥动作中的浪费;⑦生产不良品产生的浪费[3]。中国许多制造企业都存在上述部分甚至全部浪费,使企业在微利或无利状态下挣扎。本文就车间内等待和搬运产生的浪费进行分析,改善作为车间物流核心的天车调度,从而促进车间各项工作有序进行,减小浪费,提高效率,响应国家节能减排的号召。
一般情况l台天车横向行走电机、纵向行行走电机和有卷扬电机,3台电机总容量约50 kW,天车主要用于大质量、长距离运输物品的转移、搬运和装卸任务[4]。在生产现场,它更多的应用于短周期转运和不足500 kg的物品,平均负荷率≤10%～15%,而且倒行、逆行及空程移动较多,是重大的浪费。
天车响应各工作地的任务请求时,存在如下问题:①高速运行的天车频繁无规律地往返搬运物料是安全隐患。②天车通常按照服务请求的先后顺序进行响应,当相邻请求的工作地相距较远,需要天车长距离空程行走时,导致巨大的电能浪费;③天车对工作地服务请求的响应取决于天车操作者眼睛发现或耳朵听见,造成请求天车服务得不到响应,工作地停工等待,造成时间、设备的浪费,④对所运送物品数量、种类不清楚,装吊注意事项不清楚,进而导致系统生产效率低下;⑤主观决定是否响应请求,当多个工作地同时提出服务请求时,天车操作者往往难以判断应该优先响应哪一请求,导致本该优先响应的服务请求却排在了后面,进而导致生产的'不均衡,甚至高价值、高精密的机床等设备闲置,造成很大的浪费,影响最终的装配进程。对天车进行科学调度,消除不科学调度引起的浪费,成为一个提高精益生产模式下的一个重要课题。卢晓红等提出把天车服务问题看成队列问题[5],不太符合车间实际运行状态。
天车服务任务是临时实体,天车服务必须围绕任务需求。相对来说,机床等设备的闲置浪费比天车闲置、空程浪费造成的损失大得多,首先需要充分利用车间网络系统,构建起科学的通信体系,防止出现服务请求不到位造成出现服务请求的误报、漏报,造成操作者的等待,同时便于操作人员输入、管理。为了能够满足以上要求,本文认为首先要对车间天车服务的范围进行科学的区域划分并进行标号,明确任务的始发地和目的地,各操作区域服务量大致相当,达到服务区域的均衡。各区域通过合适的网络(可以是专用网络也可以是搭载其他网络信息传输系统)系统连接到车间网络中心,使其成为网络服务的子系统。由网络中心的天车调度程序进行天车服务的调度,将调度指令发送给天车,天车实时将当前调度情况实时的反馈给网络中心。
天车接受工作区域或网络调度中心任务时主要需要如下参数(由天车区域根据生产任务需要实时提供,通过网络输送给网络中心。也可由网络中心根据生产任务提前输入):
(1)任务请求地点代码与时间worktime
(2)目的地代码reach code
(3)等待时间(待运物品装载和卸载所需时间)waittime
(4)最早响应时间(任务能够执行的最早时间)firsttime
(5)最迟响应时间(不影响生产的最迟时间)lasttime
(6)任务特征(待运物品的编号(numbe)重量(weight)、次数(frequency)以及其他特殊要求如设备编号等
(7)任务的重要程度(优先级)level
(8)任务的撤销。cancel
天车在运行过程中需要处理如下参数(这些参数由天车实时输入网络中心):
天车当前位置坐标ablen、天车正在响应的任务present、天车当前服务的目的地reachtime
网络中心通过设计,需要完成如下工作:
服务的提出lodge、服务的撤销或完成cancel、计算完成当前任务所需要时间complettime
把天车响应工作地请求问题转化为响应各工作地的请求任务的服务系统,该系统不应是先来先服务的排队系统,而应是根据任务优先级组成的在时间允许下的路线最短优化服务系统。为了减少空程,把最短路线问题转换为求任务请求地点代码最接近数问题,通过寻求上一任务目的地编码的最接近数为下一任务的始发地代码,使路径和最小,执行时间最短,从而求路径长度总和,时间总和最短,寻求天车最佳路线。系统的流程如图1。同时,由于天车任务中加入了转运物品的特征(见任务特征),车间物流实施的输入到网络管理总系统,使得车间物流在控制室里可以很清晰的看到。
本文提出了一种在保证车间设备不闲置的情况下,天车服务时间和路程最短的调度系统,为车间网络化管理走向实际应用给出了参考。但本文没有给出具体的物流优先级划分原则,和区域划分办法以及相关的编码方法,这些需要车间根据自身情况去编码。同时本文没有考虑实际应用时的人为因素。
通过设计该系统,促进车间硬件资源、软件资源和人力资源优化调度,可以作为网络化车间的一个子系统。通过该系统网络管理人员可以清晰的看到车间内的物流,为车间总体网络化、智能化支持。