# 工业自动化生产线管控系统 详细设计方案

## 文档信息
- **版本**：V2.4（最终生产版·固定槽位与批量补料）
- **日期**：2026-05-01
- **状态**：可交付开发

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## 目录
1. [项目背景与目标](#1-项目背景与目标)
2. [核心设计理念](#2-核心设计理念)
3. [系统总体架构](#3-系统总体架构)
4. [事件总线与一致性模型](#4-事件总线与一致性模型)
5. [工艺路线定义](#5-工艺路线定义)
6. [数据库设计](#6-数据库设计)
7. [工件生命周期与状态管理](#7-工件生命周期与状态管理)
8. [调度器三层架构设计](#8-调度器三层架构设计)
9. [任务（Task）状态机与生命周期](#9-任务task状态机与生命周期)
10. [工单管理详细设计](#10-工单管理详细设计)
11. [工站接口设计](#11-工站接口设计)
12. [机器人子调度器与手持工具](#12-机器人子调度器与手持工具)
13. [超时与心跳机制](#13-超时与心跳机制)
14. [运行期状态校验](#14-运行期状态校验)
15. [断电恢复与事件重放](#15-断电恢复与事件重放)
16. [Redis数据结构设计](#16-redis数据结构设计)
17. [暂存台槽位管理与批量补料](#17-暂存台槽位管理与批量补料)
18. [与外部系统交互](#18-与外部系统交互)
19. [关键技术选型](#19-关键技术选型)
20. [部署与扩展性](#20-部署与扩展性)
21. [附录A：PLC信号与事件映射表](#附录a-plc信号与事件映射表)

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## 1. 项目背景与目标

### 1.1 项目背景
本系统面向一条多品种小批量柔性生产线，核心设备包括：
- 4台CNC加工中心（CNC_1~4）
- 高压清洗机（双槽位，关门批处理，清洗时间2~3分钟/件）
- 内窥镜检测滚筒线（自动检测分流）
- 热能去毛刺机
- 除锈清洗线（5位FIFO流水线）
- 激光打标机（无上下料位，手持作业）
- 地轨机器人（唯一搬运设备）
- 10个接驳台（各9槽位）
- 随行暂存台（8个固定槽位）
- 抽检台（1号槽位用于异常工件暂存）

可加工的工件类型及机床绑定关系：

| 基本类型 | 子型号 | 绑定机床 |
|---------|--------|---------|
| A6VM107 | B99414, B99487 | CNC_3, CNC_4 |
| A6VM160 | B99464, B99488 | CNC_1, CNC_2 |
| A6VM200 | B99259 | CNC_1 |

### 1.2 建设目标
- 工件全生命周期实时追踪与可视化
- 事件驱动 + 状态机自动调度，无需预编排任务图
- 多品种混流生产，灵活应对异常（插单、故障、返工）
- 新增工件类型或设备仅需配置，不改核心代码
- 工业级健壮性：防重复派单、防状态回退、超时心跳、分级断电恢复

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## 2. 核心设计理念

### 2.1 工艺状态机驱动
每种工件定义静态工艺路线（状态机），工件实例仅保留当前工序指针、状态、上下文及物理位置。**绝不预生成任务实体**，所有前进步骤均由事件触发实时决策。

### 2.2 事件驱动 + Redis 单一真相源
- **Redis 是运行时唯一状态源**，所有调度决策仅查询 Redis。
- PostgreSQL 仅作持久化日志和审计存储，不参与在线决策。
- PLC 信号是输入，不是状态源。
- 每个状态变更均产生不可变事件，全局唯一 ID，实体版本号防乱序，所有处理器幂等。

### 2.3 调度三层解耦
调度引擎拆分为 **任务生成 → 约束过滤 → 策略选择**，各层独立可测，易于扩展。

### 2.4 机器人子调度器
调度引擎只下发抽象运输任务（取、放工件），机器人控制器自行完成路径规划、手持工具调用、重试。

### 2.5 工单与调度过滤
工单暂停仅修改工单自身状态，调度时通过约束过滤层排除，不污染工件状态。

### 2.6 暂存台固定槽位策略
暂存台提供 8 个固定槽位，工件在生产周期内**独占一个槽位直到下料**。补料策略：首次尽量装满（8件），后续当空位数超过 4 个时，一次性批量补满。

### 2.7 工业级健壮性
- 实体版本号防并发和状态回退
- 原子抢占防重复派单
- Task 状态机跟踪生命周期，支持超时与重试
- 设备心跳监控在线状态
- 分级断电恢复策略

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## 3. 系统总体架构

本系统为 **单体应用**，采用分层模块化设计，打包为单个可执行文件，内部按职责划分包（package），通过接口通信。

```
┌──────────────────────────────────────────────────────┐
│                   人工终端 (React)                   │
└──────────────────────┬───────────────────────────────┘
                       │ WebSocket / HTTP
┌──────────────────────▼───────────────────────────────┐
│               go-zero HTTP Server (API层)            │
│  ┌─────────┐  ┌──────────┐  ┌────────────────────┐  │
│  │工单管理 │  │看板/监控 │  │人工交互接口        │  │
│  └────┬────┘  └────┬─────┘  └────────┬───────────┘  │
│       │            │                │               │
│  ┌────▼────────────▼────────────────▼─────────────┐  │
│  │              业务逻辑层 (Service)              │  │
│  │  ┌────────────┐  ┌───────────┐  ┌──────────┐  │  │
│  │  │工单服务    │  │调度引擎   │  │状态管理  │  │  │
│  │  └────────────┘  └───────────┘  └──────────┘  │  │
│  └───────────────────────┬───────────────────────┘  │
│                          │                          │
│  ┌───────────────────────▼───────────────────────┐  │
│  │              基础设施层 (Infra)               │  │
│  │  ┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌────────────┐  │  │
│  │  │事件总线  │  │PLC适配器 │  │机器人通信  │  │  │
│  │  │(Redis   │  │(OPC-UA/  │  │(TCP/寄存器)│  │  │
│  │  │ Streams) │  │ Modbus)  │  │            │  │  │
│  │  └──────────┘  └──────────┘  └────────────┘  │  │
│  └───────────────────────┬───────────────────────┘  │
│                          │                          │
│       Redis (SSOT)       PostgreSQL (持久化)        │
└──────────────────────────────────────────────────────┘
```

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## 4. 事件总线与一致性模型

### 4.1 事件结构
```go
type Event struct {
    ID            string    // UUIDv7
    EntityID      string    // 如 "job:J123"
    EntityVersion int       // 事件基于的实体版本
    Type          string    // 事件类型
    Source        string    // 来源模块/设备
    Timestamp     time.Time
    Payload       map[string]interface{}
}
```

### 4.2 原子更新与版本控制
- 每个实体在 Redis Hash 中存储 `version`（整数）。
- 应用事件时，使用 Lua 脚本原子校验：当前版本必须等于事件携带版本，否则拒绝（过期事件）。
- 校验通过后更新状态并递增版本。

### 4.3 写入路径
1. 生成事件对象（携带当前版本）。
2. 发布到 Redis Stream (XADD)。
3. 消费协程调用 `StateManager.ApplyEvent` 执行 Lua 脚本更新 Redis。
4. 异步写入 PostgreSQL。

### 4.4 幂等与重放
- 实体记录 `last_event_id`，重复事件直接跳过。
- 断电恢复时可从 PG `event_log` 按顺序重放事件，安全重建 Redis 状态。

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## 5. 工艺路线定义

### 5.1 工序类型
| 类型 | 说明 | 资源需求 |
|------|------|---------|
| LOAD | 上料并首次扫码 | 机器人+接驳台 |
| BUFFER_STAGE | 暂存台积聚等待 | **暂存台特定槽位**（分配后固定） |
| MACHINING | CNC加工 | CNC_1~4（可限定） |
| WASH | 高压清洗（成对关门） | 高压清洗机 |
| INSPECTION | 内窥镜检测 | 检测滚筒线 |
| JUDGE | 检测结果判定 | 无 |
| RUST_WASH | 除锈清洗 | 除锈清洗线(FIFO) |
| FINAL_SCAN | 最终扫码（手持） | 扫码器 |
| LASER_MARK | 激光打标（手持） | 激光打标机 |
| DECISION | 抽检/下料分支 | 机器人 |

### 5.2 首次扫码特殊规则
机器人从接驳台抓取工件后直接手持扫码：
- **成功** → 分配暂存台空闲槽位，放入，工件进入 `BUFFER_STAGE`（状态 `ON_BUFFER`）。
- **失败** → 工件放回原接驳台槽位，状态 `SUSPENDED`，原因 `SCAN_FAILED`，人工介入。

### 5.3 示例工艺路线（A6VM107）
```json
{
  "recipe_id": "R-A6VM107",
  "steps": [
    {"step_id":"10","type":"LOAD","tool":"SCANNER","next":"20","branches":{"FAIL":"_RETURN_BAY"}},
    {"step_id":"20","type":"BUFFER_STAGE","next":"30"},
    {"step_id":"30","type":"MACHINING","allowed":["CNC_3","CNC_4"],"next":"40","step_timeout":600},
    {"step_id":"40","type":"UNLOAD","next":"50"},
    {"step_id":"50","type":"WASH","next":"60","step_timeout":300},
    {"step_id":"60","type":"UNLOAD","next":"70"},
    {"step_id":"70","type":"INSPECTION","next":"80"},
    {"step_id":"80","type":"JUDGE","branches":{"PASS":"90","FAIL":"900"}},
    {"step_id":"90","type":"UNLOAD","next":"100"},
    {"step_id":"100","type":"DEBURR","next":"110","step_timeout":300},
    {"step_id":"110","type":"UNLOAD","next":"120"},
    {"step_id":"120","type":"RUST_WASH","next":"130"},
    {"step_id":"130","type":"UNLOAD","next":"140"},
    {"step_id":"140","type":"FINAL_SCAN","tool":"SCANNER","next":"150","branches":{"FAIL":"145"}},
    {"step_id":"145","type":"LASER_MARK","tool":"LASER","next":"150"},
    {"step_id":"150","type":"DECISION","branches":{"SAMPLE":"200","NORMAL":"210"}},
    {"step_id":"200","type":"PLACE_SAMPLING"},
    {"step_id":"210","type":"PLACE_AGV"}
  ]
}
```
> `_RETURN_BAY` 表示放回原接驳台槽位并挂起。

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## 6. 数据库设计

### 6.1 基础主数据表

**product_type**
| 字段 | 类型 | 说明 |
|------|------|------|
| id | varchar(20) PK | A6VM107, A6VM160, A6VM200 |
| name | varchar(50) | |
| recipe_id | varchar(20) FK | |
| is_active | boolean | |

**recipe**
| 字段 | 类型 | 说明 |
|------|------|------|
| id | varchar(20) PK | |
| name | varchar(50) | |
| version | int | |
| create_time | timestamptz | |

**recipe_step**
| 字段 | 类型 | 说明 |
|------|------|------|
| step_id | varchar(10) PK | |
| recipe_id | varchar(20) FK | |
| step_name | varchar(50) | |
| step_type | varchar(20) | 工序类型 |
| resource_type | varchar(50) | 所需工站类型 |
| tool_type | varchar(20) | 手持工具类型 |
| allowed_resources | jsonb | 允许的设备列表 |
| processing_params | jsonb | 工时等 |
| next_step_default | varchar(10) | |
| next_step_branches | jsonb | 分支映射 |
| step_timeout | int | 超时秒数 |
| description | text | |

**equipment**
| 字段 | 类型 | 说明 |
|------|------|------|
| id | varchar(20) PK | |
| type_code | varchar(20) | |
| name | varchar(50) | |
| status | varchar(20) | 从Redis推导，此字段仅作离线参考 |
| slot_count | int | |
| ip_address | varchar(45) | |
| location | varchar(50) | |

### 6.2 业务数据表

**work_order**
| 字段 | 类型 | 说明 |
|------|------|------|
| id | varchar(30) PK | |
| product_type_id | varchar(20) FK | |
| quantity | int | |
| source_bay_slot_id | varchar(30) FK | |
| status | varchar(20) | CREATED/IN_PROGRESS/PAUSED/COMPLETED/CANCELLED |
| context | jsonb | |
| created_time | timestamptz | |
| updated_time | timestamptz | |
| completed_time | timestamptz | |

**job**
| 字段 | 类型 | 说明 |
|------|------|------|
| id | varchar(30) PK | |
| work_order_id | varchar(30) FK | |
| product_type_id | varchar(20) FK | |
| recipe_id | varchar(20) FK | |
| current_step_id | varchar(10) FK | |
| status | varchar(20) | 见7.1 |
| position_type | varchar(20) | ON_EQUIPMENT/ON_BUFFER/IN_HAND |
| position_ref_id | varchar(50) | 位置引用（含暂存台槽位ID） |
| context | jsonb | 子型号、扫码数据等 |
| priority | int | |
| suspended_reason | text | |
| version | int | 事件版本控制 |
| last_event_id | varchar(36) | |
| created_time | timestamptz | |
| last_updated | timestamptz | |

**job_step_instance**
| 字段 | 类型 | 说明 |
|------|------|------|
| id | bigserial PK | |
| job_id | varchar(30) FK | |
| step_id | varchar(10) FK | |
| attempt_no | int | |
| status | varchar(20) | IN_PROGRESS/COMPLETED/FAILED |
| equipment_id | varchar(20) | |
| start_time | timestamptz | |
| end_time | timestamptz | |
| result | jsonb | |

**task**
| 字段 | 类型 | 说明 |
|------|------|------|
| id | varchar(36) PK | UUID |
| job_id | varchar(30) FK | |
| type | varchar(30) | TRANSPORT/HANDHELD_SCAN… |
| status | varchar(20) | CREATED/DISPATCHED/RUNNING/SUCCESS/FAILED/TIMEOUT |
| from_pos | jsonb | |
| to_pos | jsonb | |
| assigned_robot | varchar(20) | |
| started_time | timestamptz | |
| completed_time | timestamptz | |
| result | jsonb | |

**task_log / event_log** 略。

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## 7. 工件生命周期与状态管理

### 7.1 Job 状态
| 状态 | 含义 | 转换示例 |
|------|------|---------|
| CREATED | 已创建，在接驳台 | → IN_HANDLING |
| IN_HANDLING | 机器人操作中 | → ON_BUFFER（扫码成功） / SUSPENDED（扫码失败） |
| PROCESSING | 设备加工中 | → WAITING_UNLOAD |
| WAITING_UNLOAD | 加工完成待取走 | → IN_HANDLING |
| ON_BUFFER | 固定在暂存台槽位上 | → IN_HANDLING |
| WAITING_DECISION | 等待判定（检测后） | → COMPLETED / SCRAPPED / ON_BUFFER |
| COMPLETED | 正常下线，**释放暂存台槽位** | 终态 |
| SCRAPPED | 报废，**释放暂存台槽位** | 终态 |
| SUSPENDED | 异常暂停（扫码失败等） | → 恢复 |

### 7.2 暂存台槽位生命周期
- 扫码成功后分配一个空闲槽位（编号1~8），写入 `position_ref_id`。
- 工件全程独占该槽位，直到进入 COMPLETED 或 SCRAPPED 状态后释放。

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## 8. 调度器三层架构设计

### 8.0 调度触发机制（事件驱动）
1. 状态管理器在原子更新 Redis 后，将新变为 `ON_BUFFER` 或 `WAITING_UNLOAD` 的工件 ID 推入 Redis Sorted Set `sched:ready_jobs`。
2. 调度引擎阻塞在 `ZPOPMAX` 上，仅处理变动工件，无全局扫描。
3. 处理完若无可行任务，工件放回 `sched:ready_jobs` 等待下一次事件。

### 8.1 任务生成层
根据 `job.current_step` 和 `recipe_step` 生成候选动作列表。

### 8.2 约束过滤层
过滤设备不可用、工单暂停、工件暂停、工具锁冲突、批处理未满、超时挂起等。

### 8.3 策略选择层
优先级排序：
1. 紧急转移（WAITING_UNLOAD）
2. 成组装卸（高压清洗机）
3. 设备上料
4. **暂存台批量补料**（空位 > 4 触发）
5. 手持作业
6. 普通搬运

### 8.4 原子抢占
Lua 脚本原子地将工件状态从 `ON_BUFFER` 改为 `IN_HANDLING`，成功则创建 Task。

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## 9. 任务（Task）状态机与生命周期

```
CREATED → DISPATCHED → RUNNING → SUCCESS
                    ↓           ↓
                  FAILED      TIMEOUT
```
- CREATED：调度生成
- DISPATCHED：已下发机器人
- RUNNING：机器人开始执行
- SUCCESS/FAILED/TIMEOUT：终态
- FAILED 可重试，TIMEOUT 则工件回退。

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## 10. 工单管理详细设计
- **创建**：选择接驳台槽位、工件类型（可指定子型号），生成工单和 N 个 Job。
- **暂停/恢复**：工单状态改为 PAUSED，过滤层排除；恢复改回 IN_PROGRESS。
- **单工件暂存**：直接设置 Job 状态为 SUSPENDED。
- **返工**：修改 `current_step`，新增 `job_step_instance`。

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## 11. 工站接口设计

```go
type Station interface {
    ID() string
    Type() string
    GetStatus() StationStatus // IDLE, BUSY, WAITING, FAULT
    CanAccept(jobType string) bool
    Execute(cmd StationCommand) (AssignedSlot string, error)
    OnEvent(event StationEvent)
}
```
设备占用通过 Redis 推导，不冗余存储。

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## 12. 机器人子调度器与手持工具
调度引擎下发抽象任务，机器人控制器自行完成运动控制、工具调用（通过 `HandheldTool` 接口），工具用 Redis 锁互斥。

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## 13. 超时与心跳机制
- **工序超时**：`step_timeout` 超时自动挂起。
- **任务超时**：Task 创建后超时回退。
- **设备心跳**：`equipment:{id}:heartbeat` TTL 5s，丢失则过滤。

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## 14. 运行期状态校验
周期性抽查 PLC 实际工件 vs Redis 逻辑，不一致则挂起报警。

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## 15. 断电恢复与事件重放

### 15.1 恢复分级
| 级别 | 条件 | 措施 |
|------|------|------|
| L1 自动 | CREATED/ON_BUFFER/WAITING_RESOURCE | 直接恢复 |
| L2 半自动 | PROCESSING 且 PLC 确认完成 | 转 WAITING_UNLOAD 自动恢复 |
| L3 人工 | IN_HANDLING/关门中/位置不明 | 人工确认处置 |

### 15.2 重放
从 PG 事件流按顺序重放，版本号与幂等保证正确性。

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## 16. Redis 数据结构设计

- `job:{id}` Hash：状态、位置、版本、last_event_id
- `equipment:{id}` Hash：设备状态
- `equipment:{id}:heartbeat` String TTL
- `task:{id}` Hash：任务状态
- `sched:ready_jobs` Sorted Set：按优先级排队的就绪工件
- `buffer:slots:bitmap` String：8位 Bitmap 表示暂存台槽位占用
- `tool:lock:{type}` String TTL：手持工具锁

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## 17. 暂存台槽位管理与批量补料

### 17.1 槽位分配与释放
- 暂存台共 8 个槽位，编号 1~8，通过 Redis Bitmap 管理。
- **分配**：首次扫码成功后，寻找第一个空闲槽位（位值为0），置1，记录槽位号到 job 的 `position_ref_id`。
- **占用期**：工件在生产全程独占该槽位，即使被取走去加工，槽位依然保持占用。
- **释放**：工件状态变为 COMPLETED 或 SCRAPPED 时，对应 Bitmap 位置 0。

### 17.2 批量补料规则
- **冷启动**：系统启动时若暂存台空位 = 8，触发连续上料，尽可能装满 8 件。
- **运行中触发**：每次槽位释放（工件下线）后，检查 Bitmap 中 0 的个数。若 **空位数 > 4**，立即触发批量补料。
- **补料数量**：N = min(空位数, 接驳台上待上料工件数)，目标是将暂存台补满至 8。
- **实现**：状态管理器在处理工件终态事件后调用 `BufferManager.CheckAndRefill()`，若满足条件则向调度引擎提交高优先级批量上料命令（优先级 4），生成一串“抓取→扫码→入暂存台”任务，连续执行直至补满或无料可上。

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## 18. 与外部系统交互
- **AGV**：托盘到位/成品送出通过事件通知。
- **MES**（可选）：接收工单，上报履历。
- **人工终端**：工单、抽检、暂停/恢复、断电恢复看板。

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## 19. 关键技术选型

| 组件 | 技术 |
|------|------|
| 后端语言 | Go 1.23.4 |
| 框架 | go-zero v1.3.8（单体） |
| ORM | ent v0.14.5 |
| 数据库 | PostgreSQL |
| 缓存/状态/事件 | Redis (SSOT, Streams, Lua) |
| PLC 通信 | OPC-UA / Modbus TCP |
| 前端 | React 19 + Semi Design + Zustand + Vite 7 |

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## 20. 部署与扩展性
- 单体二进制部署，依赖 Redis + PostgreSQL。
- 模块接口解耦，未来可拆分微服务。
- 新增工件/设备仅需数据库配置。

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## 附录A：PLC信号与事件映射表

### A.1 状态信号（PLC → 系统）
| PLC信号 | 地址 | 类型 | 系统事件 |
|---------|------|------|---------|
| CNCDone1~4 | M1140.0~3 | bool | MACHINE_TASK_COMPLETE |
| WasherDone | M1144.0 | bool | MACHINE_TASK_COMPLETE |
| DeburrDone | M1145.0 | bool | MACHINE_TASK_COMPLETE |
| CleaningDone | M1146.0 | bool | MACHINE_TASK_COMPLETE |
| MeasureOK/NG | M1148.0/1 | bool | INSPECTION_PASS/FAIL |
| SamplingOK/NG | M1151.0/1 | bool | SAMPLING_PASS/FAIL |

### A.2 指令信号（系统 → PLC）
| 指令 | 地址 | 参数 | 任务类型 |
|------|------|------|---------|
| FetchWorkpieceFromDock | M1000 | 类型,接驳台号,槽号 | PICK |
| PlaceWorkpieceToDock | M1010 | 类型,接驳台号,槽号 | PLACE |
| FetchWorkpieceFromTempStation | M1020 | 类型,暂存位 | PICK |
| PlaceWorkpieceToTempStation | M1030 | 类型,暂存位 | PLACE |
| PlaceWorkpieceToMachine | M1040 | 类型,设备ID,槽位 | LOAD |
| FetchWorkpieceFromMachine | M1050 | 类型,设备ID,槽位 | UNLOAD |
| ExchangeWorkpieceToMachine | M1060 | 类型,设备ID,槽位 | EXCHANGE |
| PlaceWorkpieceToRollingLine | M1070 | 类型 | LOAD |
| FetchWorkpieceFromRollingLine | M1080 | 类型 | UNLOAD |
| PlaceWorkpieceToSamplingStation | M1090 | 类型 | PLACE |
| FetchWorkpieceFromSamplingStation | M1100 | 类型 | PICK |
| MoveWorkpieceToMarkingStation | M1110 | 类型 | HANDHELD_MARK |
| StartScanCode | M1130 | 类型,轮次 | HANDHELD_SCAN |

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*本方案覆盖了从事件驱动、状态机、调度引擎到现场PLC信号的全部细节，可直接指导开发团队进行实现。*