基于启发式算法的自动生产线控制软件设计*

杨勇泉，宋宝，程建军

(1. 华中科技大学 机械科学与工程学院，武汉 430074； 2. 深圳市浩能科技有限公司，广东 深圳 518172)



基于启发式算法的自动生产线控制软件设计*

杨勇泉1，宋宝1，程建军2

(1. 华中科技大学 机械科学与工程学院，武汉 430074； 2. 深圳市浩能科技有限公司，广东 深圳 518172)

在一种快速启发式算法的基础上，基于微软MFC单文档程序框架设计了一款自动生产线控制软件。该控制软件作为C/S(客户端/服务器)结构中的客户端，利用启发式算法优化生产线工序的加工序列，采用以太网网络通信与控制器之间的进行命令交互，实现了生产线加工的优化和自动控制，且实际车间试运行表现良好。

快速启发式算法;生产线;自动控制

0 引言

20世纪70年代以来，随着我国经济的繁荣发展，制造业在高速发展的同时竞争日趋激烈，企业对产品质量和加工效率的要求不断提高。同时由于人工成本的不断增加，生产线自动化已经有了切实的需求[1]。电子技术和计算机技术的飞速发展，使得自动化生产线的实现成为可能[2]。目前，随着遗传算法、禁忌算法、蚁群算法等任务调度策略的发现与实际应用，生产线自动化技术向着平台化、网络化、智能化快速发展[3]。因此，各生产厂家开发自身加工生产线自动化控制软件具有重要的现实意义。

本文将提出一种自动化生产线以及自动化控制软件的整体设计流程，软件采用Windows PC平台，基于微软的MFC框架体系实现。同时，为了保证自动化生产线的运行效率，本文采用了一种快速启发式算法实现了车间的生产工序的优化调度，试运行证明优化效果良好。借鉴本文方法可以设计出高效的自动化生产线以及生产线控制软件。

1 自动化生产线整体设计

自动化生产线整体构成分为三大部分：机械设备部分，通信部分，控制软件部分。其中，机械设备部分主要包括生产设备，生产设备控制器和上下料机械及其控制器。通信部分主要包括通信协议以及通信设备的选择。控制软件部分则主要包括生产调度、生产工序集合以及人机界面等部分。对于一般自动化生产线来说，其总体构造相似的。本文中钟表自动化生产线的总体构造图如下图1。

该自动化生产线整体设计主要分为3个步骤。首先，完善整个生产线的功能设计。根据生产线的加工任务，明确其主要的生产流程为进料流程和回料流程。两个流程的工序步骤基本相同，只是动作走向相反。进料流程中包括暂存机托盘上升，零件料盘搬运，单步分拣零件，传送带转动，配送机械手配送等12道工序。按照进出料流程的先后动作顺序可以组成整个生产线的初步加工流程。然后，采用快速启发式算法对其进行优化调度以提高生产线的运行效率。其次，根据实际情况选择合理的通信模式。本生产线机械手控制器和各种外接IO信号均可方便由网络采集，故选择TCP/IP作为生产线的通信方式。最后，根据自动化控制软件的系统结构，实现自动化生产线控制软件的编码与测试。

图1 自动化生产线的总体结构图

2 自动生产线控制软件的设计

生产线作业调度是最困难的约束组合优化问题和典型的NP难题，即没有一个有效地算法能在多项式时间内求出其最优解。目前，国内外学者正在不断深入研究本类问题，提出了诸于分支定界法[4]、遗传算法[5]、人工神经网络等方法来计算其精确解。但这类方法更偏向于理论研究方面，在实际中应用受到各种因素的制约，而且相关算法的实现需要相当的技巧，与车间作业快速实用的特点不相符。因此，人们更倾向于寻找不精确但快速适用的算法，希望在有效地时间里得到可接受的调度结果。例如，基于优先分配原则的启发式算法[6]、转换瓶颈算法[7]以及其他现代化优化算法等。本文采用一种搭积木模型的快速启发式算法[8]，其模型示意图如下图2所示。

图2 堆(工序集)和盒(控制器)的图表示

将在时间序列上可以并行的工序集模拟为积木堆，各工序集中具有先后顺序的工序模拟成各积木块，不同的机械设备控制器模拟为积木盒(即盒k对应于设备k)。图中左边有三堆积木块，每块积木都用数字(1～9)来标识，每块积木上的数字(①,②,③)对应于右边的盒号，表示该积木块应该搭在相应的盒子中，积木块边上的数字表示积木的高度，积木块的高度则代表当前工序加工所需要的时间t。

根据图2，采用如下的启发式算法(HA)：在当前格局下，计算每堆最底部积木块的优先度；优先度计算公式为：p=hi,j-afk,j(hi,j表示除掉积木块j后堆i的高度，fk,j表示积木块j放到对应盒中的最低高度，a为一个正数，表明fk,j所占的权重，本文中取1)；选择具有最大优先度的积木块放在相应的盒子中，回头重新开始计算直到所有的积木块都已经放在相应的盒子中。图2中标Ⅰ的两条虚曲线即表示当前格局下积木块4的优先度最大，所以4被移到右边的盒子中，同时积木块5下降，形成下一格局。钟表生产线的采用本算法的优化调度流程如右上图3所示。

图3 钟表生产线工序的基本调度流程

将整个钟表生产线各工序所需要的具体时间代入进行计算，可以发现采用该启发式调度算法后，整个生产线的加工时间缩短了28.5%，具体数据见表1，极大地提高了生产线的效率。

表1 优化算法优化效果表

图4 自动生产线控制软件系统组件图

3 自动生产线控制软件的实现

根据自动生产线控制软件的需求，本文采用微软MFC单文档程序模式以及C/S框架体系设计实现调度控制软件。上图4为软件系统的基本组件图[9]。

根据图4中给出的系统组件框架，本文中的自动生产线控制软件可以分为人机交互、任务调度分配、数据通信和文件处理等4个主要功能模块，四个模块的相互协作，实现控制软件功能的自动性和稳定性。

生产调度模块主要负责整个生产线工序流程的自动化控制。采用调度算法优化后可以得到整个生产线最佳的进出料工序集。当前工序完成之后，在工序集中查找下一工序，并实时监测当前生产线的运行情况，始终保持整个生产线流程的高效运行。同时，生产调度模块还需要仔细考虑在调度中对意外情况的处理，保证整条生产线的安全性与稳定性。图5描述了生产调度模块基本的工作流程图。

图5 生产调度模块工作流程图

人机交互模块主要提供用户生产线参数设置和生产线控制接口。用户在该模块中可以设置生产线的相关初始化参数，如暂存机数量，零件的长度宽度等；同时，用户还可以通过界面上的相关按钮实现对生产线的控制，如网络检查，开始执行命令等。本软件的基本人机界面风格如图6所示。

图6 控制软件的人机界面风格

控制软件还包括数据通信和文件处理两个模块。数据通信模块主要负责控制软件与生产线中各机械设备控制器之间的数据交互，提供相应的断网保护以及网络故障恢复功能。文件处理模块主要完成软件系统参数、状态保存以及参数、状态恢复两大部分的功能。主要用来保护和恢复生产线的运行状态，保证整条生产线的自动稳定运行。

4 结束语

本文以HA快速启发式算法以及自动化生产线控制软件系统组件结构为基础，设计开发了一套自动化生产线控制软件。该软件已经在某钟表加工厂车间进行了试运行。

实际加工车间试运行机械设备部分工作图如图7a为摄像头拍照，分拣机械手准备进行单个零件上料；7b为配送机械手给机床进料配送零件。

图7 自动化生产线及软件现场图

试运行的结果表明，自动生产线在暂存机中料盘充足的情况下，能够连续不断地自动进行零件的加工与回收，验证了无人自动化生产调度的可行性。与传统的加工方法相比，能够大量减少生产线所需人工数量，减少生产线的生产加工时间，提高生产线的效率，降低生产成本，提高产品的竞争力。随着我国制造业自动化水平的不断提高，可以预见本软件系统的设计模式具有良好的工业应用前景。

[1]胡洋. 浅析我国机械自动化发展现状[J]. 科技创新与应用. 2013(2):56.

[2]陈永方，陈明. 浅谈自动化生产线的发展[J]. 广西轻工业. 2011(1):56-57.

[3]张守胜. 作业车间调度问题综述[J]. 科技广场. 2007(6):78-83.

[4]Christian Artigues，Dominique Feillet，A branch & bound method for the job shop problem with sequence-dependent setup times. Annals of Operations Research. 2008，159(1)：135-159.

[5]Fatma A.Omara, Mona M.Arafa. Genetic Algorithms for Task Scheduling Problem. Foundations of Computational Intelligence. 2009(3):479-507.

[6]郝文育，李亚白，王宁生. 一种启发式车间作业调度算法的研究与应用[J]. 机械科学与技术. 2005,24(7):861-864.

[7]G.Schuh, T.Potente, S.Fucchs. Shifting Bottlenecks in Production Control. Enabling Manufacturing Competitiveness And Economic Sustainability. 2012:505-511.

[8]张德富，李新.求解作业车间调度问题的快速启发式算法[J]. 计算机集成制造系统. 2005(2):62-66.

[9]马刚平，廖洪强，李慧忠. 型煤生产线自动化监控系统设计[J]. 机电产品开发与创新. 2005,18(6):122-125.

(编辑 李秀敏)

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Develop Software for Automatic Controlling Production Line on Heuristic Scheduling Algorithm

YANG Yong-quan1, SONG Bao1，CHENG Jian-jun2

(1.School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2.Shenzhen HaoNeng Technology Co.Ltd, Shenzhen Guangdong 518172, China)

On the basis of a fast heuristic scheduling algorithm, a control software of the automatic production line is developed by the Microsoft MFC single document program framework. As a client of the C/S structure of the system, the software, using algorithm automatically optimizes the processing sequence of the production line and interacting with CNC controllers through the Ethernet network, realized the production line processing optimization and automatic controlling. In addition, the testing of the software run good in the real machine -shop.

fast heuristic scheduling algorithm; production line;automatic control

1001-2265(2014)01-0083-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.01.023

2013-05-09；

2013-06-01

“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项(2012ZX04001012)；广东省部产学研重大专项(2012A090300012)

杨勇泉(1989—)，男，湖北天门人，华中科技大学硕士研究生，主要研究方向为自整定技术和自动控制技术，(E-mail)hustmseyang@hust.edu.cn。

TH165;TG659

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