發布日期：2022-05-20 點擊率：28
智能生產線是實現智能制造的重要載體，主要通過構建智能化生產系統、網絡化分布生產設施，實現生產過程的智能化。服裝吊掛流水線數據采集系統是一套集、計算機信息處理、電子系統設計、優化算法設計、工業自動化控制技術及現代管理方法于一體的服裝制造設備，也稱柔性生產系統或靈活生產系統(FMS)，是提升服裝生產效率和企業生產管理水平的有效工具。在服裝生產中，服裝吊掛流水線是服裝生產的執行系統，它本身并不能實現智能化生產;而MES(ManufacturingExecution System )是一套對生產現場綜合管理系統。MES用集成的思想替代原來的設備管理、質量管理、生產排程、DNC、數據采集軟件等車間需要用的孤立軟件系統。服裝吊掛流水線(FMS)只有通過具有通信功能的云平臺與MES系統對接，實現對自身工作狀態的感知;具有自適應能力，能夠根據作業數據進行調整;這樣才能通過數據應用和工業云服務，實現企業整個業務流程的智能制造與科學運營。
一、服裝吊掛流水線FMS系統
服裝吊掛流水線系統是服裝工業“快速反應生產技術”中的一項高科技自動化設備，其基本組成是一臺主電腦、一套懸空的物體傳送系統和一套含有電腦終端機的工作站(工位)。
服裝吊掛系統的基本理念是將服裝各部件的裁片掛在衣架上，通過一個環形傳輸軌道把流水線上的各個生產工作站(工位)結合起來，負載衣料的吊架按預先設置的加工方案流程，并結合生產現實際情況進行智能調整，在各個工作站(工位)之間自動傳輸，經傳輸軌道自動將衣料輸送到每一個員工所在的加工工作站(工位)位置上，能大幅度地減少搬運、綁扎、折疊等的非生產時間的生產流水線，并能提前發現及解決生產過程中的瓶頸。當生產員工完成一個工序后，只需輕按控制鈕，吊掛系統就自動地將衣架轉送到下一個工序站。
一個最基本的吊掛系統分為：主傳動系統、主軌道、進站機構與支軌道、工作站(工位)、出站機構、氣動系統、控制系統、電子件和軟件部分以及型材支架、儲備站衣架等。每一個工作站(工位)又包括進、出站放行機構、衣架提升機構和操作終端等。其中最核心的軟件部分，包括生產信息的采集、整理、分析和智能調度系統和整個吊掛系統運行所需的驅動軟件。
服裝吊掛流水線系統是利用單元生產模式進行服裝加工。同一個工序可由多個工作站加工，一個工作站也可以加工不同的工序。服裝吊掛流水線系統從整體構成來看，可分為：機械架構部分和管理控制系統兩部分。機械架構從外觀上可分高吊懸空式和落地式兩種;管理控制系統按管理控制方式可分為：人工控制、電腦自動控制、人工與電腦控制。控制系統由上機位軟件管理中心、硬件控制節點、操作終端和主軌道四部分構成。其控制系統結構見圖1所示。
上位機軟件是整套控制系統的“大腦”，上機位實時與終端程序進行數據交換，對數據進行保存、分析和顯示，通過有效的調度算法控制每一件衣服的整個生產過程。主要是根據下位機采集反饋的數據對負載衣料的吊架進行調度，完成制衣工作站監控管理和企業生產管理，控制服裝加工過程的順利進行。同時將采集的數據進行分析，以報表形式展現給用戶。上位機軟件也支持跟其他信息管理軟件，如：ERP、OA進行不同方式的數據對接，將整個公司信息整合起來。
上位機管理軟件本質上是以數據庫為基礎的數據操作、分析系統。分為三大部分：管理終端、網絡通信、數據庫操作。上位機軟件總體結構圖見圖2所示。
PC程控器電腦(上位機)與工作站之間是一對多的關系。工作站與信息管理系統通過串行通訊方式上下傳輸數據，通信系統結構框圖見圖3所示。PC電腦上位機以網絡分布形式連接每一個工作站內的控制器，在PC電腦上位機上可實時監控到各個工作站當前產量以及其它方面的生產數據和生產故障等信息，使生產管理具有良好的可視性和可控性。
工作站控制器系統主要包括中轉器和制衣工作站智能控制節點兩部分，完成對各個制衣工位的控制和上下交互數據的傳輸。STC單片機作為整個工位控制核心，管理整個工作站及外圍擴展資源的工作運行，對工作模塊進行控制。其中中轉器是以STC為核心實現總線通信方式的轉換。控制節點以STC為核心，連接有數據采集設備和手持設備等外設。
中轉器是上下通信的橋梁，負責處理所有工作站的數據。上位機下發給工作站的數據，先進入發送緩存區，再由MCU取出轉換處理后下發給工位，工作站接到命令響應動作后反饋應答，應答數據也是先由MCU轉換后填入接收緩存區。正常工作時，MCU實時去判斷發送緩存區(TX )是否有數據，如果有數據，取出數據放入數組進行處理，再把這部分數據下發給所有工位，數據中含有工作站地址，每個工作站根據接收到的數據進行地址匹配，如果是自己的數據就按受處理并立即應答給上位機。MCU接收到工作站的應答數據后，先將數據存入數組，再將這部分數據發送到接收緩存區(RX)。中轉器處理程序的流程如圖4所示。
工作站接受到中轉站下發的控制信號之后產生相應動作。工作站作為員工直接操作的工作平臺，是吊掛流水線系統員工直接操作的部分，主要完成與上位機的信息交互，通過執行命令和發送命令對工作站的機電設備進行控制，如讀卡器的信息交互，電磁閥的開關、負載電機的運轉、手持設備命令控制等等。另外，手持器的控制信號及數據采集裝置(RFID讀卡器)所讀取的RFID卡信息，也通過工作站上傳中轉站，再由中轉站傳送至PC終端。
通過RFID多種傳感器的配備，可以實現精確識別和實時追蹤生產線上每一個布料的加工信息和位置信息，不同的款式、不同品種的面料可以同時掛入生產線，系統會準確的將不同款式和品種的面料傳送到對應的工序和工人手中，在工人和縫制設備充足的條件下，實現了一條生產線中同時對不同品種、多款式服裝等產品的加工生產。
控制節點的數據采集裝置要實現對RFID卡信號的采集，借助RFID讀卡器的實時信息讀取及記錄，可以方便的實現生產信息的及時反饋和交互，從而實現整個生產流程實時監測和控制。讀卡器可以讀取員工上下班、工作數量、時間等信息，并傳輸給工作站，工作站再通過中轉站傳送給上位機，控制系統的信息處理分析，方便對員工工資及產品數量統計處理。
管理終端即人機交互模塊，是流水線管理者可以直接操作的軟件平臺。管理終端可以調用網絡通信、數據庫操作兩個模塊，網絡通信模塊存儲數據時可以對數據庫模塊進行操作。也就是把整個上位機管理軟件從邏輯結構上劃分為了3層：表示層 (USL)、業務邏輯層(BLL)，數據訪問層(DAL)。其管理終端功能架構如圖5所示。
二、服裝流水線生產調度優化算法
服裝流水線生產調度的關鍵技術是流水線負荷平衡，而服裝生產流水線負荷平衡問題是個組合優化問題，問題的求解具有【數學】非線性規劃NP(NonLinear Programming) 特征。
具有非線性約束條件或目標函數的數學規劃，是運籌學的一個重要分支。非線性規劃研究一個 n元實函數在一組等式或不等式的約束條件下的極值問題，且目標函數和約束條件至少有一個是未知量的非線性函數。實用非線性規劃問題要求整體解，而現有解法大多只是求出局部解。目標函數和約束條件都是線性函數的情形則屬于線性規劃。
對于靜態的最優化問題，當目標函數或約束條件出現未知量的非線性函數，且不便于線性化，或勉強線性化后會招致較大誤差時，就可應用非線性規劃的方法去處理。對實際規劃問題作定量分析，必須建立數學模型。建立數學模型首先要選定適當的目標變量和決策變量，并建立起目標變量與決策變量之間的函數關系，稱之為目標函數。然后將各種限制條件加以抽象，得出決策變量應滿足的一些等式或不等式，稱之為約束條件。
非線性規劃問題的一般數學模型可表述為求未知量x1，x2，…，xn，使滿足約束條件：
gi(x1，…，xn)≥0 i=1,…
hj(x1，…，xn)=0 j=1,…
并使目標函數f(x1，…，xn)達到最小值(或最大值)。其中f，諸gi和諸hj都是定義在n維向量空間Rn的某子集D(定義域)上的實值函數，且至少有一個是非線性函數。 上述模型可簡記為：
s.t. gi(x)≥0 i=1,…
hj(x)=0 j=1,…
其中x=(x1，…，xn)屬于定義域D，符號min表示“求最小值”，符號s.t.表示“受約束于”。
定義域D 中滿足約束條件的點稱為問題的可行解。全體可行解所成的集合稱為問題的可行集。對于一個可行解x*,如果存在x*的一個鄰域，使目標函數在x*處的值f(x*)優于(指不大于或不小于)該鄰域中任何其他可行解處的函數值，則稱x*為問題的局部最優解(簡稱局部解)。如果f(x*)優于一切可行解處的目標函數值，則稱x*為問題的整體最優解(簡稱整體解)。實用非線性規劃問題要求整體解，而現有解法大多只是求出局部解。
服裝生產流水線工序平衡(既目標涵數min)與合并規則(即約束條件)和算法是計算機輔助工藝過程設計CAPP、生產過程執行MES管理系統開發中的關鍵技術。現在一般服裝吊掛流水線FMS系統生產過程建模方式，采用靜態的線性規劃法，將服裝生產流水線工序平衡問題轉化為線性規劃問題，利用系統基本信息(批量、交貨期等)生成工序平衡的目標涵數min，以合并規劃、合并概率為約束條件進行計算，這種算法已不能滿足智能制造的要求。
服裝生產屬于離散制造業，而服裝柔性生產線，它區別于剛性生產線，未來的發展是基于互聯網平臺和大數據來驅動企業實現智能化與柔性化制造，提高生產過程可控性。對于離散制造業而言，產品往往由多個零部件經過一系列不連續的工序裝配而成，其過程包含很多變化和不確定因素，在一定程度上增加了離散型制造生產組織的難度和配套復雜性。離散型制造過程建模方式，則需采用動態的離散數學模型。工序平衡，采用服裝IE智能建模方式，通過計算機對工序競爭進行合理排序，通過優先權區域，把設備、工人技能等部確定因素也考慮進去，建立IE調度數學模型，運用人工智能算法求得問題的優化解;動態調度采用多線網絡化協同生產，所有的生產數據連接起來，用人工智能算法來實現智能調度，解決工序平衡問題。
三、服裝柔性生產MES智能管理系統
眾所周知，MES是一個承上啟下的車間級綜合信息系統，涉及到與底層自動化系統和各類設備的信息采集，需要承接ERP下達的生產計劃，實現設備與工裝管理、質量管理、人員派工、在制品管理、生產追溯、車間排產等功能的集成應用，并與倉儲物流系統集成。
MES可以為企業提供包括制造數據管理、計劃排程管理、生產調度管理、庫存管理、質量管理、人力資源管理、工作中心/設備管理、工具工裝管理、采購管理、成本管理、項目看板管理、生產過程控制、底層數據集成分析、上層數據集成分解等管理模塊，為企業打造一個扎實、可靠、全面、可行的制造協同管理平臺。
MES系統的應用與制造企業所處的行業、產品特點、工藝路線、生產模式、設備布局、車間物流規劃、生產和物流自動化程度、數據采集終端、車間聯網以及精益生產推進等諸多因素息息相關，非常具有行業特質。同時，MES的應用又與車間無紙化、物聯網應用、工業大數據分析、Digital Twin(數字化映射)等諸多新興技術交叉，本身正在不斷進化。因此，MES應用要真正取得實效，不但需要一個適合企業的MES軟件平臺，以及滿足行業共性需求和企業的個性化需求的系統功能，更需要專業的MES咨詢和實施服務伙伴，來實現MES系統的落地。不同行業、不同生產模式的企業，應用的是MES中的某些模塊或者在MES的基礎上進行拓展應用。離散制造型企業更加重視生產的柔性，其智能工廠建設的重點是智能制造生產線。
服裝柔性生產智能管理MES系統結構見圖6所示。MES系統結構： 包括柔性生產智能管理系統(服務器、云平臺(B/S架構)、客戶端(C/S架構)、無線路由器、無線終端機、無線手持機和電子看板組成)、工藝數據庫系統、工業物聯網云智造平臺、手機APP系統。可對接服裝訂單生成系統、服裝制造計劃與排程優化系統、裁剪管理系統、服裝CAT/CAD/CAM快速成衣系統、自動縫制專用機、單元自動系統、RFID智能吊掛系統、吊掛線下系統、柔性整燙中心、智能分揀系統、吊掛輸送式立方體倉儲等系統。各終端機、手持機或手機通過無線網絡與客戶端連接;客戶端通過外網與云平臺連接。
通過GST全自動工藝分析功能與MES的結合，將生產指令及工序SOP(標準作業指導書)直接推送到每個工位的平板顯現屏上顯現。面對瓶頸工序等問題時，系統會根據工序的工種、設備、匹配職工等信息，在生產線智能查找可代替的工序站點，在不影響整體工序正常工作的情況下，預先找到可替代瓶頸工序的職工。實現工序內、工序間自動消除生產瓶頸，保障生產線整體高速運轉。通過獨有的IE智能平衡技術，系統不僅實現工序內平衡，更實現了工序間的生產平衡。
在生產過程中，實時生產分析技術可以提前預測可能發生的生產瓶頸等問題，并根據生產線的縫制設備和職工 情況給出最優化的生產調節方案，用戶只需要提前與相應職工進行溝通，便可以根據系統意見直接在管理軟件系統中對生產線進行調整，吊掛生產線設備則會自動化的完成生產調節，無須人工的搬運吊架和面料。快捷、高效的智能化調整免去了組長、車間主任、IE等人的繁重工作，直接為用戶節約了大量的管理成本。
通過“云智造平臺”獨有的智能優化分析技術，實現了生產線的智能化自動調度，在生產線出現瓶頸之前將其避免，并根據生產情況的變化不斷地動態調整生產線，幫助企業實現IE的智能平衡。并將相關生產、調度和統計信息實時推送給企業的各級管理人員。幫助用戶及時消除生產瓶頸，提高生產效率，并顯著降低企業對組長等管理人員的專業技能要求，生產管理成本降低顯著。
四、MES與吊掛深度集成
智能制造應關注制造系統的協調能力、推理能力及對市場與客戶的適應能力，MES與制造設備將給予企業管理提供高效、精確的工作方式。
MES與服裝吊掛流水線深度融合系統，完全實現數據驅動，內置CPS與智能調度IE算法。實現了工藝自動分解、在制品智能調度、生產動態平衡、機位能力評估、設備在線檢測等諸多智能制造剛性需求。是集人工智能、大數據、無線通訊、工業物聯網于一體的綜合技術應用。
主要特征如下：
1.MES與吊掛深度融合：只有融合才能使整個車間成為統一的調度單元，傳統制造中的生產平衡、現場調度等難題在智能軟件的管理下蕩然無存;2.工藝自動分解：所有的工藝將按照現場實際能力動態分解、分配并驅動現場制造過程，傳統制造中的員工請假、人員不足等問題完全解決;3.跨線調度：拋棄傳統管理僅在產線內部調度的限制，車間作為統一的在線調度單元;4.全數據驅動：生產計劃僅僅簡單拋入系統即可，所有管理都由數據驅動，這得益于MES內置的CPS系統，該系統時刻監視車間現狀，人工智能驅動工位/工藝分解、推送及檢測;5.設備聯網實現全數字化模型：吊掛、縫制設備等所有產線設備聯網，數據精確到車縫的針數，自動進行工藝校驗，提升在制品制造;6.進度及風險預測：通過歷史大數據分析，按照實際訂單進度實現交期預測，風險管控。
工業4.0的重心在于工業領域的智能制造，其技術難點在于聯網設備的智能化水平足以進行實時數字化溝通。不僅設備與設備，設備與人，人與人，設備與產品也都要進行實時數字化交流。智造車間數據化，根據大數據，使每個環節有機結合從而提升綜合實力，最快的速度生產出來，這就是智能制造最大的價值。
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