服装吊挂流水线（FMS）与MES系统

　　智能生产线是实现智能制造的重要载体，主要通过构建智能化生产系统、网络化分布生产设施，实现生产过程的智能化。服装吊挂流水线数据采集系统是一套集、计算机信息处理、电子系统设计、优化算法设计、工业自动化控制技术及现代管理方法于一体的服装制造设备，也称柔性生产系统或灵活生产系统(FMS)，是提升服装生产效率和企业生产管理水平的有效工具。在服装生产中，服装吊挂流水线是服装生产的执行系统，它本身并不能实现智能化生产;而MES(ManufacturingExecution System )是一套对生产现场综合管理系统。MES用集成的思想替代原来的设备管理、质量管理、生产排程、DNC、数据采集软件等车间需要用的孤立软件系统。服装吊挂流水线(FMS)只有通过具有通信功能的云平台与MES系统对接，实现对自身工作状态的感知;具有自适应能力，能够根据作业数据进行调整;这样才能通过数据应用和工业云服务，实现企业整个业务流程的智能制造与科学运营。

　　一、服装吊挂流水线FMS系统

　　服装吊挂流水线系统是服装工业“快速反应生产技术”中的一项高科技自动化设备，其基本组成是一台主电脑、一套悬空的物体传送系统和一套含有电脑终端机的工作站(工位)。

　　服装吊挂系统的基本理念是将服装各部件的裁片挂在衣架上，通过一个环形传输轨道把流水线上的各个生产工作站(工位)结合起来，负载衣料的吊架按预先设置的加工方案流程，并结合生产现实际情况进行智能调整，在各个工作站(工位)之间自动传输，经传输轨道自动将衣料输送到每一个员工所在的加工工作站(工位)位置上，能大幅度地减少搬运、绑扎、折叠等的非生产时间的生产流水线，并能提前发现及解决生产过程中的瓶颈。当生产员工完成一个工序后，只需轻按控制钮，吊挂系统就自动地将衣架转送到下一个工序站。

　　一个最基本的吊挂系统分为：主传动系统、主轨道、进站机构与支轨道、工作站(工位)、出站机构、气动系统、控制系统、电子件和软件部分以及型材支架、储备站衣架等。每一个工作站(工位)又包括进、出站放行机构、衣架提升机构和操作终端等。其中最核心的软件部分，包括生产信息的采集、整理、分析和智能调度系统和整个吊挂系统运行所需的驱动软件。

　　服装吊挂流水线系统是利用单元生产模式进行服装加工。同一个工序可由多个工作站加工，一个工作站也可以加工不同的工序。服装吊挂流水线系统从整体构成来看，可分为：机械架构部分和管理控制系统两部分。机械架构从外观上可分高吊悬空式和落地式两种;管理控制系统按管理控制方式可分为：人工控制、电脑自动控制、人工与电脑控制。控制系统由上机位软件管理中心、硬件控制节点、操作终端和主轨道四部分构成。其控制系统结构见图1所示。

　　上位机软件是整套控制系统的“大脑”，上机位实时与终端程序进行数据交换，对数据进行保存、分析和显示，通过有效的调度算法控制每一件衣服的整个生产过程。主要是根据下位机采集反馈的数据对负载衣料的吊架进行调度，完成制衣工作站监控管理和企业生产管理，控制服装加工过程的顺利进行。同时将采集的数据进行分析，以报表形式展现给用户。上位机软件也支持跟其他信息管理软件，如：ERP、OA进行不同方式的数据对接，将整个公司信息整合起来。

　　上位机管理软件本质上是以数据库为基础的数据操作、分析系统。分为三大部分：管理终端、网络通信、数据库操作。上位机软件总体结构图见图2所示。

　　PC程控器电脑(上位机)与工作站之间是一对多的关系。工作站与信息管理系统通过串行通讯方式上下传输数据，通信系统结构框图见图3所示。PC电脑上位机以网络分布形式连接每一个工作站内的控制器，在PC电脑上位机上可实时监控到各个工作站当前产量以及其它方面的生产数据和生产故障等信息，使生产管理具有良好的可视性和可控性。

　　工作站控制器系统主要包括中转器和制衣工作站智能控制节点两部分，完成对各个制衣工位的控制和上下交互数据的传输。STC单片机作为整个工位控制核心，管理整个工作站及外围扩展资源的工作运行，对工作模块进行控制。其中中转器是以STC为核心实现总线通信方式的转换。控制节点以STC为核心，连接有数据采集设备和手持设备等外设。

　　中转器是上下通信的桥梁，负责处理所有工作站的数据。上位机下发给工作站的数据，先进入发送缓存区，再由MCU取出转换处理后下发给工位，工作站接到命令响应动作后反馈应答，应答数据也是先由MCU转换后填入接收缓存区。正常工作时，MCU实时去判断发送缓存区(TX )是否有数据，如果有数据，取出数据放入数组进行处理，再把这部分数据下发给所有工位，数据中含有工作站地址，每个工作站根据接收到的数据进行地址匹配，如果是自己的数据就按受处理并立即应答给上位机。MCU接收到工作站的应答数据后，先将数据存入数组，再将这部分数据发送到接收缓存区(RX)。中转器处理程序的流程如图4所示。

　　工作站接受到中转站下发的控制信号之后产生相应动作。工作站作为员工直接操作的工作平台，是吊挂流水线系统员工直接操作的部分，主要完成与上位机的信息交互，通过执行命令和发送命令对工作站的机电设备进行控制，如读卡器的信息交互，电磁阀的开关、负载电机的运转、手持设备命令控制等等。另外，手持器的控制信号及数据采集装置(RFID读卡器)所读取的RFID卡信息，也通过工作站上传中转站，再由中转站传送至PC终端。

　　通过RFID多种传感器的配备，可以实现精确识别和实时追踪生产线上每一个布料的加工信息和位置信息，不同的款式、不同品种的面料可以同时挂入生产线，系统会准确的将不同款式和品种的面料传送到对应的工序和工人手中，在工人和缝制设备充足的条件下，实现了一条生产线中同时对不同品种、多款式服装等产品的加工生产。

　　控制节点的数据采集装置要实现对RFID卡信号的采集，借助RFID读卡器的实时信息读取及记录，可以方便的实现生产信息的及时反馈和交互，从而实现整个生产流程实时监测和控制。读卡器可以读取员工上下班、工作数量、时间等信息，并传输给工作站，工作站再通过中转站传送给上位机，控制系统的信息处理分析，方便对员工工资及产品数量统计处理。

　　管理终端即人机交互模块，是流水线管理者可以直接操作的软件平台。管理终端可以调用网络通信、数据库操作两个模块，网络通信模块存储数据时可以对数据库模块进行操作。也就是把整个上位机管理软件从逻辑结构上划分为了3层：表示层 (USL)、业务逻辑层(BLL)，数据访问层(DAL)。其管理终端功能架构如图5所示。

　　二、服装流水线生产调度优化算法

　　服装流水线生产调度的关键技术是流水线负荷平衡，而服装生产流水线负荷平衡问题是个组合优化问题，问题的求解具有【数学】非线性规划NP(NonLinear Programming) 特征。

　　具有非线性约束条件或目标函数的数学规划，是运筹学的一个重要分支。非线性规划研究一个 n元实函数在一组等式或不等式的约束条件下的极值问题，且目标函数和约束条件至少有一个是未知量的非线性函数。实用非线性规划问题要求整体解，而现有解法大多只是求出局部解。目标函数和约束条件都是线性函数的情形则属于线性规划。

　　对于静态的最优化问题，当目标函数或约束条件出现未知量的非线性函数，且不便于线性化，或勉强线性化后会招致较大误差时，就可应用非线性规划的方法去处理。对实际规划问题作定量分析，必须建立数学模型。建立数学模型首先要选定适当的目标变量和决策变量，并建立起目标变量与决策变量之间的函数关系，称之为目标函数。然后将各种限制条件加以抽象，得出决策变量应满足的一些等式或不等式，称之为约束条件。

　　非线性规划问题的一般数学模型可表述为求未知量x1，x2，…，xn，使满足约束条件：

　　gi(x1，…，xn)≥0 i=1,…

　　hj(x1，…，xn)=0 j=1,…

　　并使目标函数f(x1，…，xn)达到最小值(或最大值)。其中f，诸gi和诸hj都是定义在n维向量空间Rn的某子集D(定义域)上的实值函数，且至少有一个是非线性函数。 上述模型可简记为：

　　s.t. gi(x)≥0 i=1,…

　　hj(x)=0 j=1,…

　　其中x=(x1，…，xn)属于定义域D，符号min表示“求最小值”，符号s.t.表示“受约束于”。

　　定义域D 中满足约束条件的点称为问题的可行解。全体可行解所成的集合称为问题的可行集。对于一个可行解x*,如果存在x*的一个邻域，使目标函数在x*处的值f(x*)优于(指不大于或不小于)该邻域中任何其他可行解处的函数值，则称x*为问题的局部最优解(简称局部解)。如果f(x*)优于一切可行解处的目标函数值，则称x*为问题的整体最优解(简称整体解)。实用非线性规划问题要求整体解，而现有解法大多只是求出局部解。

　　服装生产流水线工序平衡(既目标涵数min)与合并规则(即约束条件)和算法是计算机辅助工艺过程设计CAPP、生产过程执行MES管理系统开发中的关键技术。现在一般服装吊挂流水线FMS系统生产过程建模方式，采用静态的线性规划法，将服装生产流水线工序平衡问题转化为线性规划问题，利用系统基本信息(批量、交货期等)生成工序平衡的目标涵数min，以合并规划、合并概率为约束条件进行计算，这种算法已不能满足智能制造的要求。

　　服装生产属于离散制造业，而服装柔性生产线，它区别于刚性生产线，未来的发展是基于互联网平台和大数据来驱动企业实现智能化与柔性化制造，提高生产过程可控性。对于离散制造业而言，产品往往由多个零部件经过一系列不连续的工序装配而成，其过程包含很多变化和不确定因素，在一定程度上增加了离散型制造生产组织的难度和配套复杂性。离散型制造过程建模方式，则需采用动态的离散数学模型。工序平衡，采用服装IE智能建模方式，通过计算机对工序竞争进行合理排序，通过优先权区域，把设备、工人技能等部确定因素也考虑进去，建立IE调度数学模型，运用人工智能算法求得问题的优化解;动态调度采用多线网络化协同生产，所有的生产数据连接起来，用人工智能算法来实现智能调度，解决工序平衡问题。

　　三、服装柔性生产MES智能管理系统

　　众所周知，MES是一个承上启下的车间级综合信息系统，涉及到与底层自动化系统和各类设备的信息采集，需要承接ERP下达的生产计划，实现设备与工装管理、质量管理、人员派工、在制品管理、生产追溯、车间排产等功能的集成应用，并与仓储物流系统集成。

　　MES可以为企业提供包括制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、工作中心/设备管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、项目看板管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块，为企业打造一个扎实、可靠、全面、可行的制造协同管理平台。

　　MES系统的应用与制造企业所处的行业、产品特点、工艺路线、生产模式、设备布局、车间物流规划、生产和物流自动化程度、数据采集终端、车间联网以及精益生产推进等诸多因素息息相关，非常具有行业特质。同时，MES的应用又与车间无纸化、物联网应用、工业大数据分析、Digital Twin(数字化映射)等诸多新兴技术交叉，本身正在不断进化。因此，MES应用要真正取得实效，不但需要一个适合企业的MES软件平台，以及满足行业共性需求和企业的个性化需求的系统功能，更需要专业的MES咨询和实施服务伙伴，来实现MES系统的落地。不同行业、不同生产模式的企业，应用的是MES中的某些模块或者在MES的基础上进行拓展应用。离散制造型企业更加重视生产的柔性，其智能工厂建设的重点是智能制造生产线。

　　服装柔性生产智能管理MES系统结构见图6所示。MES系统结构： 包括柔性生产智能管理系统(服务器、云平台(B/S架构)、客户端(C/S架构)、无线路由器、无线终端机、无线手持机和电子看板组成)、工艺数据库系统、工业物联网云智造平台、手机APP系统。可对接服装订单生成系统、服装制造计划与排程优化系统、裁剪管理系统、服装CAT/CAD/CAM快速成衣系统、自动缝制专用机、单元自动系统、RFID智能吊挂系统、吊挂线下系统、柔性整烫中心、智能分拣系统、吊挂输送式立方体仓储等系统。各终端机、手持机或手机通过无线网络与客户端连接;客户端通过外网与云平台连接。

　　通过GST全自动工艺分析功能与MES的结合，将生产指令及工序SOP(标准作业指导书)直接推送到每个工位的平板显现屏上显现。面对瓶颈工序等问题时，系统会根据工序的工种、设备、匹配职工等信息，在生产线智能查找可代替的工序站点，在不影响整体工序正常工作的情况下，预先找到可替代瓶颈工序的职工。实现工序内、工序间自动消除生产瓶颈，保障生产线整体高速运转。通过独有的IE智能平衡技术，系统不仅实现工序内平衡，更实现了工序间的生产平衡。

　　在生产过程中，实时生产分析技术可以提前预测可能发生的生产瓶颈等问题，并根据生产线的缝制设备和职工 情况给出最优化的生产调节方案，用户只需要提前与相应职工进行沟通，便可以根据系统意见直接在管理软件系统中对生产线进行调整，吊挂生产线设备则会自动化的完成生产调节，无须人工的搬运吊架和面料。快捷、高效的智能化调整免去了组长、车间主任、IE等人的繁重工作，直接为用户节约了大量的管理成本。

　　通过“云智造平台”独有的智能优化分析技术，实现了生产线的智能化自动调度，在生产线出现瓶颈之前将其避免，并根据生产情况的变化不断地动态调整生产线，帮助企业实现IE的智能平衡。并将相关生产、调度和统计信息实时推送给企业的各级管理人员。帮助用户及时消除生产瓶颈，提高生产效率，并显着降低企业对组长等管理人员的专业技能要求，生产管理成本降低显着。

　　四、MES与吊挂深度集成

　　智能制造应关注制造系统的协调能力、推理能力及对市场与客户的适应能力，MES与制造设备将给予企业管理提供高效、精确的工作方式。

　　MES与服装吊挂流水线深度融合系统，完全实现数据驱动，内置CPS与智能调度IE算法。实现了工艺自动分解、在制品智能调度、生产动态平衡、机位能力评估、设备在线检测等诸多智能制造刚性需求。是集人工智能、大数据、无线通讯、工业物联网于一体的综合技术应用。

　　主要特征如下：

　　1.MES与吊挂深度融合：只有融合才能使整个车间成为统一的调度单元，传统制造中的生产平衡、现场调度等难题在智能软件的管理下荡然无存;2.工艺自动分解：所有的工艺将按照现场实际能力动态分解、分配并驱动现场制造过程，传统制造中的员工请假、人员不足等问题完全解决;3.跨线调度：抛弃传统管理仅在产线内部调度的限制，车间作为统一的在线调度单元;4.全数据驱动：生产计划仅仅简单抛入系统即可，所有管理都由数据驱动，这得益于MES内置的CPS系统，该系统时刻监视车间现状，人工智能驱动工位/工艺分解、推送及检测;5.设备联网实现全数字化模型：吊挂、缝制设备等所有产线设备联网，数据精确到车缝的针数，自动进行工艺校验，提升在制品制造;6.进度及风险预测：通过历史大数据分析，按照实际订单进度实现交期预测，风险管控。

　　工业4.0的重心在于工业领域的智能制造，其技术难点在于联网设备的智能化水平足以进行实时数字化沟通。不仅设备与设备，设备与人，人与人，设备与产品也都要进行实时数字化交流。智造车间数据化，根据大数据，使每个环节有机结合从而提升综合实力，最快的速度生产出来，这就是智能制造最大的价值。