《生产计划与控制》 课件 Unit 5、6 生产系统设备布局、生产作业控制

生产计划与控制Production

Planning

and

ControlUnit5：生产系统设备布局5.1车间设备布局主要形式5.2柔性生产系统设备布局5.3生产系统设备布局方法生产系统设备布局能够清晰描述设备布局的主要形式及特点能够熟练使用设备布局的主要方法解决实际问题能够使用计算机辅助布局技术进行生产系统的设备布局学习目标与知识要点自学为主课堂讲授5.1车间设备布局主要形式设施布局（Layout）：组织为实现其工作目标、效益最大化，对其工艺、部门、设施设备和工作区进行的规划和实际定位、定置没有合理的布局和流程，就不可能造就高效的生产系统5.1车间设备布局主要形式智能车间的设施布局总体平面布局：解决工厂各个组成部分，包括各车间、仓库、办公室等各种作业单位和运输线路设施的相互关系，解决物料流向和流程、厂内外运输的联接。车间设备布局：解决工作地、设备、通道、管线之间的相互位置，解决物料搬运的流程和运输方式。55.1车间设备布局主要形式车间设备布局的典型形式工艺专业化(Process-OrientedSpecialization)——按工艺特征建立生产单位，集中了相同类型的设备和相同工种的工人，对不同种类的工件进行相同工艺方式的加工。对象专业化(Product-OrientedSpecialization)——按加工对象建立生产单位，集中了为加工某种产品(零件)所需的全套设备、工艺装备和各有关工种的工人，对同种或相似的产品(零件)进行该产品(零件)的全部(或大部分)工艺加工。5.1车间设备布局主要形式车间设备布局的典型形式工艺专业化对象专业化5.1车间设备布局主要形式车间设备布局的典型形式工艺专业化对象专业化优点①产品的工艺路线有一定弹性，能较好地适应产品品种的变化；②同类设备集中，不易造成生产中断，提高了设备利用率；③同种工人集中，有利于技术交流和提高技术水平；④工艺和设备管理较方便。①缩短产品运输距离，节省运输费用，减少仓库面积的占用；②便于使用专用高效设备和工艺装备；③减少停放、等候时间，减少了在制品，流动资金占用少；④生产单位之间的生产联系简化，便于管理。缺点①运输路线较长，往返交叉运输增多，费用增加；②产品在加工过程中停放、等待的时间增多，延长了生产周期，增加了在制品，多占用了流动资金；③各生产单位之间的协作关系复杂，生产管理工作难度增大。①很难适应产品品种的变化；②易造成生产过程中断；③工艺和设备管理较复杂。5.1车间设备布局主要形式车间设备布局的典型形式一人多机成组技术布局——流水线5.1车间设备布局主要形式车间设备布局的典型形式成组技术布局——加工单元下料倒角清洗点焊缝焊加强焊凸焊零部件库房5.1车间设备布局主要形式车间设备布局实例5.1车间设备布局主要形式精益生产系统布局——单件流串联式布局并联式布局U型布局单元化布局（细胞布局，CellLine）V型/L型布局消除人、机、料、法、环（4M1E）各个环节上的浪费物流线路清晰方便设备维修设备配置按物流路线直线配置入料出料产量增加时只需增加列数即可回收材料与垃圾可用皮带传送5.1车间设备布局主要形式精益生产系统布局——串联式布局5.1车间设备布局主要形式精益生产系统布局——并联式布局适合一人操作两台设备步行及搬运距离短可以随时观察设备运作状态入料操作工1AEFGCB出料操作工2操作工35.1车间设备布局主要形式改前：下料、倒角两人完成5.1车间设备布局主要形式改后：下料、倒角一人完成5.1车间设备布局主要形式精益生产系统布局——U型布局进料和出料口一致，异常信息可以及时传递一人操作3台以上的设备，可以随时观察设备运作状况员工操作步行距离较近，占用空间场地较小入料出料操作工1ABCDEFG操作工25.1车间设备布局主要形式精益生产系统布局——单元化布局：将生产设施以特定的顺序安排，使材料/零件由1个或极少的作业者以最小的搬运完成部分或者全部生产过程把4M（Material、Machine、Man、Method）进行合理的安排，进行更好的单件流生产；只要有需要，可以进行单件流操作，1个员工也可以完成整个操作过程；通常按产品族或者按工艺流程分组，采用“U”型布局。更有效的目视化管理生产过程头尾相接，最小化走动的距离提高了工序间的平衡，避免了孤岛操作优点5.1车间设备布局主要形式精益生产系统布局——L型布局一人操作两台以上的设备可以随时观察设备运作状况员工操作步行距离较近操作物料流动方向与原物流路线一致DE5.1车间设备布局主要形式精益布局与传统布局的区别传统布局：1、产品一批批的下线2、没有固定的流动方向3、对员工技能要求很高4、所需资源非常多5、按照自己的想法生产6、质量难以监控精益布局：1、产品一件一件下线2、产品流动的方向是固定的3、对员工技能要求较低4、所需资源较少：工具、场地5、按统一的节拍生产6、质量容易监控Unit5：生产系统设备布局5.1车间设备布局主要形式5.2柔性生产系统设备布局5.3生产系统设备布局方法5.2柔性生产系统设备布局柔性生产系统布局问题产品模块化、生产系统模块化传统装配线的模块化分解不干扰正常生产的生产系统布局智能产品：产品、零部件的移动资源：生产资源的移动特性生产系统适应不同加工/装配周期（变节拍）的能力生产批量、规模的多尺度，要求系统的可扩展性MobilityScalabilityModularityCycleTimeIndependenceLayoutVariability移动性可扩展性模块化生产周期独立性布局的可变性5.2柔性生产系统设备布局柔性生产系统布局23柔性生产系统：由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化生产系统。柔性生产系统的特点：（1）设备利用率高

（2）在制品数量少（3）生产能力相对稳定（4）产品质量高

（5）运行灵活

（6）产品应变能力大5.2柔性生产系统设备布局欧洲Ego汽车公司的柔性生产系统布局5.2柔性生产系统设备布局柔性生产系统布局OrganizationalConcept/ReferenceModularityLayoutvariabilityMobilityCycletimeindependenceScalabilityDedicatedManufacturingSystems

(DMS)

[1]+000+FlexibleManufacturingSystems

(FMS)

[2]++00++ReconfigurableManufacturingSystems

(RMS)

[2,5,6,7]+++0+++DynamicallyInterconnectedAssemblySystems(DIAS)[3,4]/

MatrixProduction[8,9]++++++++BiologicalManufacturingSystems

(BMS)

[10,11]++++++++ReconfigurableManufacturingSystems(RMS)DedicatedManufacturingSystems(DMS)FlexibleManufacturingSystems(FMS)Dynamic.InterconnectedAssemblySystems(DIAS)Note:„Manufacturing“isusedasanumbrellatermreferringtobothmachiningandassemblyrelatedsystems.SinglepurposeresourceMultipurposeresource5.2柔性生产系统设备布局柔性生产系统布局5G时代的生产系统：灵活性、重构性、适应性1）无约束的车间/厂房规划设计2）加工/装配实体的移动化3）动态无约束的资源配置能力可重构制造系统(RMS)专业化制造系统(DMS)柔性制造系统(FMS)动态互联装配系统(DIAS)5.2柔性生产系统设备布局柔性生产系统布局工厂布局工作站布局Robotr.1Robotr.2

StationworkspaceMetro-logySystemm.1Toolchangert.1Equip-mente.1abproduct1）无约束的车间/厂房规划设计2）加工/装配实体的移动化3）动态无约束的资源配置能力Unit5：生产系统设备布局5.1车间设备布局主要形式5.2柔性生产系统设备布局5.3生产系统设备布局方法5.3生产系统设备布局方法生产系统布局的一般步骤产品（P）：生产“什么”产品?产量（Q）：各种产品生产“多少”?工序（R）：用“什么加工工序"生产各种产品?辅助服务（S）：以“什么样的辅助服务”支持生产?时间（T）：“何时”进行生产?5.3生产系统设备布局方法生产系统布局的基本方法（1）物料流向图法按照原材料、在制品以及其他物资在生产过程中的总流动方向来布置工厂的各车间、仓库和其他设施，并绘制物料流向图。5.3生产系统设备布局方法生产系统布局的基本方法（2）物料运量比较法运量相关线图

物料运量表由图到表5.3生产系统设备布局方法生产系统布局的基本方法（3）相对关系布置法相对关系图布局图5.3生产系统设备布局方法生产系统布局的基本方法（4）计算机辅助布局CRAFT（ComputerizedRelativeAllocationofFacilitiesTechnique）ALDEP（AutomatedLayoutDesignProcedure）

CORELAP（Computerized

Relationship

Layout

Planning）

COFAD（ComputerizedFacilitiesDesign）

三个步骤：选择：选择各个设施进入布置图的顺序放置：如何将各个设施放入布置图中评估：对各种布置结果进行评估5.3生产系统设备布局方法生产系统布局的基本方法（4）计算机辅助布局——COFAD以最小化物料搬运系统成本为目标5.3生产系统设备布局方法生产系统布局新方法：基于增强现实的多人协作布局多人协作布局动态模型库多种制造资源的虚拟模型库，实现云端动态加载基于增强现实的多人视角共享，多人协作布局规划结合实际工位的增强现实布局验证：台车、吊具、转载设备、夹具适用共用性在无实车情况下的模拟验证5.3生产系统设备布局方法生产系统布局新方法：基于增强现实的多人协作布局单元小结与作业主要知识点自学为主本讲重点单元小结与作业阅读教材案例，思考以下问题：电动汽车充电桩的设施选址需要考虑哪些因素？XX充电公司提出的“众筹建桩”“私桩共享”是否可行？如果可行，需要哪些政策或技术手段来支持这种模式？如果不可行，主要问题是什么？电动汽车充电桩在使用过程中，可以采集哪些数据？有哪些手段可以让司机及时掌握充电站设施的空闲情况、排队等候情况等？生产计划与控制Production

Planning

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ControlUnit6：生产作业控制6.1智能工厂运营与车间物流6.2智能车间生产作业控制6.3

AGV任务分配与路径规划Unit6：生产作业控制1.能够清晰描述生产作业控制、生产物流、AGV等相关术语2.能够准确描述AGV应用的典型方式、作业控制方法3.能够运用A*等算法解决智能工厂环境下AGV的车间路径规划问题学习目标与知识要点Unit6：生产作业控制6.1智能工厂运营与车间物流6.2智能车间生产作业控制6.3

AGV任务分配与路径规划6.1智能工厂运营与车间物流对“工厂”的认识：组织、流程、资源——产品组织架构业务流程产品资源环境营销出售促销广告培训生产计划控制采购制造质量保证设计财务支付信贷资金控制作业计划物料控制加工装配工具制造企业直线职能式组织结构6.1智能工厂运营与车间物流工业4.0：CPS（Cyber-PhysicalSystems）智能工厂——重点研究智能化生产系统及过程,以及网络化分布式生产设施的实现智能生产——主要涉及整个企业生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用6.1智能工厂运营与车间物流工业4.0：CPS（Cyber-PhysicalSystems）

动态感知实时分析智能决策精准执行数据知识人机共同构成决策主体——智能制造系统中人与“机器”共同构成决策主体，在信息物理系统中实施交互，实现人与机器协同运行。6.1智能工厂运营与车间物流工厂模型运营控制模型传统工厂运营管理五个层级工厂数字化管理层级6.1智能工厂运营与车间物流6.1智能工厂运营与车间物流运作管理层：以ERP为核心的管理系统软件生产控制层：以MES为核心的制造系统软件网络通信层：工业以太网／工业互联网系统控制层：PLC／单片机／嵌入式系统等生产执行层：智能加工单元／工业机器人／智能制造装备等6.1智能工厂运营与车间物流业务流程角度描述工厂的三个维度：工程、生产、供应链＊引自ARC（美国先进制造研究中心）：用工程、生产制造、供应链三个维度描述数字化工厂的模型CPM企业外经营客户供货商企业内生产供应链管理ERPPDM客户关系管理自动化物流PLM6.1智能工厂运营与车间物流信息化、自动化、智能化生产现场信息化生产与信息化进一步两融合MES生产自动化设备网络化与数据采集自动化设备智能化自动化与省力化代替人工智慧工厂企业/客户CommerceCloud供应商智慧排程(APS)智慧现场(FA/MES/SCADA)智能维运智能制造(BigData)营运平台ERP/PLM1.线上下单2.实时收发3.交期询问生产排程4.排程试算6.在线答交1.计划发布出货计划2.线上采购3.交货通知5.交期回报4.原料交货5.工单发放2.投料派送6.进度回报A.产品交运4.实时数据收集8.出货指示7.完工回报9.交货通知3.机台参数7.出货派送5.制造信息6.状态资讯2.制程分析3.排程参数4.设备维护1.数据分析企业营运层现场管理层协同商务层作业控制层机台派工1.动态派工协同客户管理CRM供应链SCM智能仓储WMS远程运维IMS6.1智能工厂运营与车间物流智能工厂运营蓝图6.1智能工厂运营与车间物流智能工厂运营的三层架构企业运营协同层、工厂优化与执行层、工厂连接与自动化层6.1智能工厂运营与车间物流智能工厂运营特征*德勤工业4.0：智能工厂研究报告运行控制：生产现场“透明化”6.1智能工厂运营与车间物流车间犹如企业生产的黑箱：生产计划乱，临时插单变更工序繁多，生产进度难把控混线生产，小批量多样化加工品质管控，人工操作要求高人机料工序工艺节拍生产信息如何透明化管理？运行控制的基础：现场无线感知联网電壓電流開關值電壓電流開關值電壓電流開關值便捷式搜集机台上传感器替代PLC的工作参数,可有效管理产线的生产参数三色燈狀態Wi-Fi6.1智能工厂运营与车间物流基于无线互联的设备状态故障报警6.1智能工厂运营与车间物流运行控制：车间物流6.1智能工厂运营与车间物流运行控制：车间物流6.1智能工厂运营与车间物流EKI-6311GNEKI-1361小车控制系统AGV监控无线通讯管理生产调度软件电子元器件车间控制6.1智能工厂运营与车间物流小批量多种类加工换线频繁影响大单个设备故障对整体生产节拍影响大参数设定和设备控制对品质影响高6.1智能工厂运营与车间物流电子元器件车间控制：研华台湾工厂SMT线电子制造车间全局管理空压机环境及设施监控SMT线制程节拍分析SMT线制程图像监控Unit6：生产作业控制6.1智能工厂运营与车间物流6.2智能车间生产作业控制6.3

AGV任务分配与路径规划6.2智能车间生产作业控制生产作业控制的本质是为保证生产过程按计划执行而施加的控制活动，通过将实际生产完成情况与计划标准进行比较，根据偏差状况对生产作业进行不同程度的实时修改与调整，保证生产计划按时完成。作业进度管理生产能力余额控制车间物料管理生产信息管理6.2智能车间生产作业控制生产作业控制的核心：对转换过程进行控制投入控制转换过程中的生产作业控制输出控制生产计划生产实施生产进度控制在制品控制库存控制生产成本控制生产率控制生产质量控制设备控制6.2智能车间生产作业控制生产进度控制：对原材料投入生产准备到成品入库为止的全部生产过程进度所进行的控制时间上的控制产量上的控制64通过坐标图进行生产进度控制

通过折线图进行生产进度控制投入进度控制出产进度控制工序进度控制6.2智能车间生产作业控制在制品控制：企业从原材料、外购件等投入生产起到经检验合格办完入库手续之前，存在于生产过程中各个环节的毛坯、零部件数量过少影响生产过程的均衡性数量过多影响生产的现场条件和生产的效益656.2智能车间生产作业控制工序进度控制：对产品（零、部件）在生产过程中经过每道加工工序的进度所进行的控制加工路线单：又称多工序工票、长票、跟票等，是指以零件为对象开列并随同加工件按生产过程流转的一种工作票。加工路线单是企业生产部门在分配作业、下达作业指令时常用到的一种派工单的形式。它是在成批和单件生产类型中采用的作业指令形式。它是以零件为单位，综合地发布指令，指导工人根据既定的工艺路线顺次地进行加工。加工路线单跟随零件一起转移，各道工序共用一张生产指令。666.2智能车间生产作业控制生产过程监控

当前制造企业面向的生产环境已经从传统的小品种、大批量向中小批量、多品种转变，制造系统需要针对复杂多变的生产环境实现快速柔性生产，其核心便是对产线资源的优化配置、仿真运行验证。数字孪生驱动的生产过程监控6.2智能车间生产作业控制6.2智能车间生产作业控制主要能力:面向生产管理人员，实时可视化监测生产状态、关键KPI：车间设备可用度、性能、生产质量和OEE等。生产管理人员实时可视化监测性能及问题查找后台数据进行根因分析监测制造KPI，预测趋势6.2智能车间生产作业控制主要能力:面向维护人员，实时可视化监测关键设备健康状态，预测潜在问题，及时预警维修及服务工作。维护人员实时异常监测异构设备统一互联基于状态的监测设备运行趋势及问题解决6.2智能车间生产作业控制实时可视化设备状态设备联结问题他实时报警快速查看历史趋势控制工程师主要能力:面向设备控制人员，实时监测设备互联状态，保证数据采集的稳定性。6.2智能车间生产作业控制Unit6：生产作业控制6.1智能工厂运营与车间物流6.2智能车间生产作业控制6.3

AGV任务分配与路径规划Unit5：车间物流与作业控制6.1智能工厂运营与车间物流5.2智能车间设施布局与优化6.2智能车间生产作业控制6.3AGV任务分配与路径规划AGV构成——机械系统机械系统分为四部分：电源：电池(11)、电源模块(12)控制：PC(2)、STM32微控制器(5)运动：全向轮(1)、减速器(8)驱动器(10)、直流伺服电机(13)传感器：IMU(4)、激光雷达(7)、编码器(9)

其它：路由器(3)、壳体(6)图1AGV机械系统框架AGV构成——电气系统供电系统：电池及电源转换模块；为传感器及模块提供电源系统控制：上位机(PC)、下位机(STM32)；处理多传感器数据，实现决策与控制数据通讯：串口、CAN总线、网线；构建局域网络，实现数据实时传输图2AGV电气系统框架图3AGV主要电气参数AGV构成——控制系统AGV控制逻辑：遥控AGV，扫描环境地图并保存；根据静态地图，完成全局路径规划传感器采集环境信息，实时更新地图根据环境信息，完成局部路径规划发布运动指令，控制AGV运动采集运动信息，实时补偿偏差图4激光SLAM导航AGV控制系统框架AGV构成——定位导航AGV定位导航原理：利用激光雷达数据采集环境信息，并实时更新地图根据地图的灰度值形成代价地图，使用导航算法完成全局路径规划根据IMU和里程计信息，估计AGV位置与姿态，完成局部路径规划，并发布运动控制指令图5基于ROS的激光SLAM导航节点关系图图6基于ROS的激光SLAM导航仿真实现多AGV的分组优化、并列并行控制6.3AGV任务分配与路径规划机械臂AGV末端执行器其他辅助设备自主移动生产单元不确定约束的路径规划自主协同配送智能算法车头AGV运动模型

速度采样

智能移动装配单元机械臂移动AGV驾驶室及玻璃玻璃吸盘气泵支架执行装配操作的关键设备；控制吸盘实现玻璃的搬运、定位和装配吸盘实现驾驶室玻璃的吸附；气泵为吸盘提供吸力。玻璃支架实现玻璃的承载和定位；驾驶室支架实现驾驶室的固定和支撑；机械臂支架实现机械臂的固定、支撑和配重。驾驶室和玻璃是