基于多时间尺度协调的制造业生产线智能调度系统设计_林斌钿.pdf

|95应用技术0 引言传统的制造业生产线智能调度系统是通过对生产设备机组的运行状态进行感知，制定出对应的生产调度策略，实现对生产线的智能调度1。随着制造业规模的不断扩大，调度对象的数目也在不断增多。使得制造业的用电负荷与日俱增，将生产机组设备的用电负荷作为调度因素的重点规划是极为必要的，否则无法维系生产设备的正常运转。同时，生产车间的生产目标正在由生产数量逐步向生产质量发展，由此对车间生产机组的性能也提出了更高的要求2。为满足生产质量的需求，各生产线进口了不同规模与型号的生产设备。这就导致传统的智能调度系统采集到的生产设备信息具有多源性、复杂性。导致传统调度系统无法实现对大基数的设备信息进行处理与调度。同时，由于生产设备机组在不同时段的用电负荷具有较大差异，如果将不同时段视为同一个整体进行调度，会出现较大的用电资源浪费，不利于节能减排的实现。因此，为满足生产效率、减少机组的用电耗能，需在不同使用时段下提出对应的调度策略。多时间尺度协调理论可通过对不同时段的数据进行协调，提出具体可行的协调策略，可为智能调度系统的设计提供理论上的参考3。1 基于多时间尺度协调的制造业生产线智能调度系统设计从实际需求出发，结合多时间尺度协调理论，将采用日前调度的形式对生产设备进行智能调度4。调度系统的整体结构如图 1 所示。为满足制造业的生产需求，将智能调度系统的结构设计为三层，分别为显示层、业务层以及数据层。日前调度主要由业务层和数据层共同实现，通过对制造业生产日期前一天与当天进行不同的调度，实现制造业生产设备的错峰使用，提高生产设备的使用周期。1.1 系统硬件设计由于制造业的生产线通常由多方数据组成，为实现数据层对多方数据的整体调用与处理，需对多源数据集成器进行设计，为数据层功能的实现提供良好的硬件支持。本次数据集成器选用的是核心控制芯片 HLM8303 的数据集中器，利用 HDMI 线将集成器连接客户端平台以及网络设备，通过万维网对集成器的向上运行提供支持。为提高数据集成器的处理性能，需对参数进行调整，具体参数如表 1 所示。表1 HLM8303多源数据集成器配置参数属性参数额定电压3220/380V额定电流32.5（6）A（直流电源输出）集成频率56.7Hz65.7Hz通讯接口GPRS/CDMA通讯口RS232维护口USB数据口载波/微功率无线通讯口储存空间32GB响应时间0.32s基于多时间尺度协调的制造业生产线智能调度系统设计林斌钿（广东省技师学院，广东博罗，516100）摘要：由于制造业生产线智能调度系统缺乏对设备不同时段的调度规划，导致调度能力较弱，调度后的生产设备电力负荷较大。对此，设计基于多时间尺度协调的制造业生产线智能调度系统。通过计算线性关联范围，设计出支持多方数据调用的多源数据集成器，采集生产车间的设备信息，并对异常数据进行剔除。以生产设备的耗电成本、启动成本和调度成本最优化为目标，建立不同时段内的日前调度模型，提高其调度能力。在实验中，对构建出的智能调度系统进行了调度性能的检验，经实验分析证明，利用设计的智能调度系统对生产设备进行调度，可有效减少生产设备的电力负荷，具备较高的调度性能。关键词：多时间尺度协调；制造业生产线；智能调度系统用户登录界面功能操作界面机床监控系统管理计划管理信息管理决策支持业务执行产品数据生产数据用户信息订单信息数据采集资源管理显示层业务层数据层图 1 制造业生产线智能调度系统结构图DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.06.00896|电子制作 2023 年 3 月应用技术根据上述参数对多源集成器进行对应的配置调整，并通过 GPRS/CDMA 通讯口与终端控制器进行连接，实现与控制中心的交互功能。系统硬件框架如图 2 所示。GPRS/CDMA通讯口网络设备终端控制器集成器核心控制芯片HLM8303服务器客户端平台万维网 图 2 系统硬件框架图同时，为避免能耗过大或数据处理能力较弱，多元数据集成器的参数配置需要在一定数值范围内进行。通过线性优化，将集成器与数据处理器进行关联，通过对线性关联的具体范围内的多源数据集成器进行参数配置，可保证集成器数据处理性能的同时以较少的能耗进行工作。同时在客户端与服务器的终端位置，也需安装一个数据集成器，以实现对系统总数据的采集与管理。对于制造业生产线的生产设备，需对不同型号的生产设备采用相同的数据提取模型，以实现对生产设备的标准化数据管理。1.2 系统软件设计为了完成制造业生产线智能调度系统的软件设计，需要对生产设备的信息进行采集与处理，以完成生产设备日前调度模型。首先通过传感器对设备信息进行采集。并将采集到的信息传输到终端控制器，然后通过数据处理模块对设备信息进行预处理，并将处理后的信息输入数据层进行储存与调用。最后将采集并处理完成的制造业生产设备信息作为基础数据集，构建出不同时段的日前调度模型。1.2.1 制造业生产线生产设备信息采集与处理为对制造业生产线实现智能调度，首先要对生产设备的信息进行采集与处理，通过安装传感器对设备信息进行采集。设备信息包括设备工艺状态、设备转速、开关状态、绞边状态以及视频监控。同时还需对车间的环境信息进行采集，包括车间的温度、粉尘浓度以及含水量。生产设备以及车间环境的具体信息经由传感器进行实时采集，传输到终端控制器，通过数据处理模块对设备信息进行预处理，处理后重新输入数据层进行储存与调用。孤独森林算法适用于全局的异常点敏感检测，可对大规模数据进行批量处理，因此选用该算法对制造业生产车间的设备数据信息进行异常值的检测，具体实现步骤如下：首先将采集到的设备信息设定为一个集合 A，在该集合中放入 m 条数据，设其中的一条数据为 d，令该数据遍历孤立树，得到具体的遍历长度()h d，数据 d 在孤立树的平均遍历长度为()C m，可计算出数据 d 的异常分数 S，具体表达式如下：()()2h dC mdS=式(1)根据上述公式可知，当数据 d 在孤立树中遍历的平均长度小于对应的异常分数，且异常分数的值在 0.5 以下时，说明该数据为正常数据。若不符合以上条件则为异常数据，需对其进行剔除，剔除后即可得到完整稳定的数据源。根据上述步骤即可实现对制造业生产线生产设备的信息采集与数据处理，保证数据源的可靠性，为后续的智能调度提供良好的数据基础。1.2.2 建立生产设备日前调度模型将采集并处理完成的制造业生产设备信息作为基础数据集，构建出不同时段的日前调度模型，具体实现步骤如下：首先对目标函数进行建立，以生产设备机床的耗电成本、启动成本和调度成本最优化为目标，建立出的目标函数表达式如下：minmin()jwyFN PPP=+式(2)其中，代表实行日前调度的时段总数，N代表生产机床设备总数，t 代表调度的某一时段。jP、wP和yP分别代表生产设备机床的耗电成本、启动成本和调度成本。调度成本包括可平移的负荷调度成本以及可削减的负荷调度成本。对目标函数进行约束，使目标函数成立的概率在某一置信水平之下，具体约束表达式如下：1TMAXTGtCP=式(3)UPTGCR 式(4)其中，TC代表置信表达式，MAXGP和UPGR分别代表制造业生产设备的运行上限以及爬坡速度，代表备用功率系数，和分别代表制造业生产设备目标函数在的平均约束和备用约束条件成立下对应的置信水平。对于可削减负荷的调度成本，具体约束条件是每个使用者只能选择一种模式切换的方式参与调度。对于可平移负荷的调度成本，具体的约束条件为在某一时间段内平移次数为一次，具体表达式如下：01Tonttt=式(5)|97应用技术其中，ont代表连续调用时间的最小值，t代表接收响应的平移距离。通过不同时段的日前调度，可确定生产设备的多方调度成本，对不同时段的调度成本的约束条件进行整合，即可构建不同时段的日前调度模型，该模型可针对不同时段制定对应的日内调度计划。根据上述步骤即可构建出不同时段的日前调度模型，将该模型内容与生产设备信息采集处理进行集合，构成本智能调度系统的软件设计。结合上文的硬件设计与整体系统结构，至此，基于多时间尺度协调的制造业生产线智能调度系统设计完成。2 实验部分为证明提出的基于多时间尺度协调的制造业生产线智能调度系统比常规的调度系统具有较高的负荷控制能力，对该系统的实际调度效果进行检验。2.1 实验环境本次实验选取的实验对象为某电力企业生产线的两组火电机组以及两组电力机组。选取的对比对象为传统的基于态势感知的制造业生产线智能调度系统，通过使用两种系统对不同机组进行调度，比较两种智能调度系统的调度效果。两个机组的工作日负荷曲线如图所 3 示。电力负荷/M W510510152025电力负荷/M W510510152025图 3 日负荷曲线通过采用两种智能调度系统，在上午和下午两个时段对四组生产设备进行调度，记录下机组的负荷值，并对负荷峰谷差进行计算。2.2 实验结果本次实验采取的试验标准为生产机组的负荷峰谷差值，该值越小代表调度系统给出的调度策略越合理，说明调度系统对生产设备电力负荷的调度能力越强。负荷峰谷差的值可通过机组电力负荷的峰值与谷值作差求得，具体实验结果如表 2 所示。根据上述实验结果可以看出，智能调度系统在不同时间段对生产设备进行调度时，设备的运行状态也有所不同。传统的智能调度系统在对火电机组以及电力机组进行调度后，生产设备的电力负荷较大，且负荷峰谷差也较大，单一时段内最高峰谷差可达到 69.52kW，且对于相同类型的生产设备，如果调度后的电力负荷相差较大，说明传统的生产线智能调度系统的调度策略浪费了不必要的电力资源，其调度能力较弱，无法满足对制造业生产线的智能调度需求。而本文提出的智能调度系统在对生产设备进行调度时，机组负荷峰谷差明显控制得更好，最高负荷峰谷差值仅为 55.61kW。且对于同一类型的生产设备，调度后的电力负荷值较为一致，说明本文提出的智能调度系统的调度性能更加稳定，能够提出更为科学的调度策略，且对电力资源进行了有效地节约，在保证生产设备平稳运行的同时也做到了节能减排，能够满足制造业对生产设备的调度需求。这是由于本文提出的智能调度系统与多时间尺度进行了有效结合，对生产设备机组的信息数据进行了采集，以耗电成本、启动成本和调度成本为目标函数，构建出了不同时段的日前调度模型，可以实现对制造业生产设备的科学合理调度。表2 生产设备负荷峰谷差对比本文调度系统传统调度系统时段1时段2时段1时段2火电机组146.54kW54.78 kW50.37 kW61.34 kW火电机组244.32kw53.24kW45.65 kW69.52 kW电力机组148.96 kW55.61 kW52.30 kW63.46 kW电力机组247.41 kW54.89 kW51.49 kW62.37 kW3 结论本文所提出的制造业生产线智能调度系统与多时间尺度进行了有效结合，通过对不同时段的调度成本进行约束，构建出的日前调度模型可对生产设备进行科学合理的调度。在保证制造业生产车间正常运行的同时，能够有效地减少电力资源的浪费，做到节能减排。能够为管理层的调度决策提供可靠的参考数据，对生产设备数据进行智能化调度分析，满足制造业对生产设备的智能调度需求。在保证生产效率的同时，提高了机组运行的负荷率，有利于规划生产设备错峰用电，实现电力资源使用的最大化。在今后的研究工作中，还需对错峰管理调度进行更深入的研究。参考文献 1 戴猛,杜懿佳,潘金山.包神铁路集团机车调度系统功能设计J.铁道运输与经济,2022,44(04):22-29.2 刘云林.考虑能耗的连续退火钢卷调度系统设计与开发 J.承德石油高等专科学校学报,2022,24(01):51-55.3 唐军沛,常晓萌,韩珊珊,等.基于端口镜像的数据采集与监控仿真系统设计与实现 J.电气技术,2021,22(11):32-35+41.4 欧振国,张永旺,彭强,等.面向多数据源的计量生产调度管理系统设计 J.自动化应用,2021(09):63-64+67.