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# 工业自动化生产线管控系统 详细设计方案
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## 文档信息
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- **版本**：V2.4（最终生产版·固定槽位与批量补料）
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- **日期**：2026-05-01
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- **状态**：可交付开发
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## 目录
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1. [项目背景与目标](#1-项目背景与目标)
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2. [核心设计理念](#2-核心设计理念)
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3. [系统总体架构](#3-系统总体架构)
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4. [事件总线与一致性模型](#4-事件总线与一致性模型)
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5. [工艺路线定义](#5-工艺路线定义)
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6. [数据库设计](#6-数据库设计)
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7. [工件生命周期与状态管理](#7-工件生命周期与状态管理)
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8. [调度器三层架构设计](#8-调度器三层架构设计)
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9. [任务（Task）状态机与生命周期](#9-任务task状态机与生命周期)
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10. [工单管理详细设计](#10-工单管理详细设计)
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11. [工站接口设计](#11-工站接口设计)
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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)
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13. [超时与心跳机制](#13-超时与心跳机制)
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14. [运行期状态校验](#14-运行期状态校验)
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15. [断电恢复与事件重放](#15-断电恢复与事件重放)
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16. [Redis数据结构设计](#16-redis数据结构设计)
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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)
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18. [与外部系统交互](#18-与外部系统交互)
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19. [关键技术选型](#19-关键技术选型)
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20. [部署与扩展性](#20-部署与扩展性)
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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
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### 1.1 项目背景
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本系统面向一条多品种小批量柔性生产线，核心设备包括：
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- 4台CNC加工中心（CNC_1~4）
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- 高压清洗机（双槽位，关门批处理，清洗时间2~3分钟/件）
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- 内窥镜检测滚筒线（自动检测分流）
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- 热能去毛刺机
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- 除锈清洗线（5位FIFO流水线）
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- 激光打标机（无上下料位，手持作业）
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- 地轨机器人（唯一搬运设备）
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- 10个接驳台（各9槽位）
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- 随行暂存台（8个固定槽位）
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- 抽检台（1号槽位用于异常工件暂存）
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可加工的工件类型及机床绑定关系：
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| 基本类型 | 子型号 | 绑定机床 |
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| A6VM107 | B99414, B99487 | CNC_3, CNC_4 |
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| A6VM160 | B99464, B99488 | CNC_1, CNC_2 |
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| A6VM200 | B99259 | CNC_1 |
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### 1.2 建设目标
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- 工件全生命周期实时追踪与可视化
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- 事件驱动 + 状态机自动调度，无需预编排任务图
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- 多品种混流生产，灵活应对异常（插单、故障、返工）
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- 新增工件类型或设备仅需配置，不改核心代码
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- 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
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### 2.1 工艺状态机驱动
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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。
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### 2.2 事件驱动 + Redis 单一真相源
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- **Redis 是运行时唯一状态源**，所有调度决策仅查询 Redis。
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- PostgreSQL 仅作持久化日志和审计存储，不参与在线决策。
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- PLC 信号是输入，不是状态源。
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- 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。
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### 2.3 调度三层解耦
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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。
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### 2.4 机器人子调度器
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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。
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### 2.5 工单与调度过滤
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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。
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### 2.6 暂存台固定槽位策略
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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。
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### 2.7 工业级健壮性
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- 实体版本号防并发和状态回退
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- 原子抢占防重复派单
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- Task 状态机跟踪生命周期，支持超时与重试
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- 设备心跳监控在线状态
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- 分级断电恢复策略
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## 3. 系统总体架构
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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。
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┌──────────────────────────────────────────────────────┐
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│ 人工终端 (React) │
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└──────────────────────┬───────────────────────────────┘
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│ WebSocket / HTTP
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┌──────────────────────▼───────────────────────────────┐
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│ go-zero HTTP Server (API层) │
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│ ┌─────────┐ ┌──────────┐ ┌────────────────────┐ │
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│ │工单管理 │ │看板/监控 │ │人工交互接口 │ │
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│ └────┬────┘ └────┬─────┘ └────────┬───────────┘ │
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│ │ │ │ │
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│ ┌────▼────────────▼────────────────▼─────────────┐ │
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│ │ 业务逻辑层 (Service) │ │
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│ │ ┌────────────┐ ┌───────────┐ ┌──────────┐ │ │
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│ │ │工单服务 │ │调度引擎 │ │状态管理 │ │ │
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│ │ └────────────┘ └───────────┘ └──────────┘ │ │
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│ └───────────────────────┬───────────────────────┘ │
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│ │ │
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│ ┌───────────────────────▼───────────────────────┐ │
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│ │ 基础设施层 (Infra) │ │
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│ │ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌────────────┐ │ │
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│ │ │事件总线 │ │PLC适配器 │ │机器人通信 │ │ │
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│ │ │(Redis │ │(OPC-UA/ │ │(TCP/寄存器)│ │ │
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│ │ │ Streams) │ │ Modbus) │ │ │ │ │
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│ │ └──────────┘ └──────────┘ └────────────┘ │ │
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│ └───────────────────────┬───────────────────────┘ │
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│ │ │
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│ Redis (SSOT) PostgreSQL (持久化) │
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└──────────────────────────────────────────────────────┘
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```
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## 4. 事件总线与一致性模型
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### 4.1 事件结构
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```go
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type Event struct {
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ID string // UUIDv7
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EntityID string // 如 "job:J123"
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EntityVersion int // 事件基于的实体版本
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Type string // 事件类型
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Source string // 来源模块/设备
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Timestamp time.Time
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Payload map[string]interface{}
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}
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```
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### 4.2 原子更新与版本控制
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- 每个实体在 Redis Hash 中存储 `version`（整数）。
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- 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）。
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- 校验通过后更新状态并递增版本。
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### 4.3 写入路径
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1. 生成事件对象（携带当前版本）。
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2. 发布到 Redis Stream (XADD)。
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3. 消费协程调用 `StateManager.ApplyEvent` 执行 Lua 脚本更新 Redis。
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4. 异步写入 PostgreSQL。
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### 4.4 幂等与重放
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- 实体记录 `last_event_id`，重复事件直接跳过。
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- 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
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### 5.1 工序类型
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| 类型 | 说明 | 资源需求 |
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|------|------|---------|
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| LOAD | 上料并首次扫码 | 机器人+接驳台 |
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| BUFFER_STAGE | 暂存台积聚等待 | **暂存台特定槽位**（分配后固定） |
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| MACHINING | CNC加工 | CNC_1~4（可限定） |
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| WASH | 高压清洗（成对关门） | 高压清洗机 |
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| INSPECTION | 内窥镜检测 | 检测滚筒线 |
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| JUDGE | 检测结果判定 | 无 |
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| RUST_WASH | 除锈清洗 | 除锈清洗线(FIFO) |
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| FINAL_SCAN | 最终扫码（手持） | 扫码器 |
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| LASER_MARK | 激光打标（手持） | 激光打标机 |
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| DECISION | 抽检/下料分支 | 机器人 |
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### 5.2 首次扫码特殊规则
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机器人从接驳台抓取工件后直接手持扫码：
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- **成功** → 分配暂存台空闲槽位，放入，工件进入 `BUFFER_STAGE`（状态 `ON_BUFFER`）。
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- **失败** → 工件放回原接驳台槽位，状态 `SUSPENDED`，原因 `SCAN_FAILED`，人工介入。
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### 5.3 示例工艺路线（A6VM107）
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```json
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{
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"recipe_id": "R-A6VM107",
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"steps": [
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{"step_id":"10","type":"LOAD","tool":"SCANNER","next":"20","branches":{"FAIL":"_RETURN_BAY"}},
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{"step_id":"20","type":"BUFFER_STAGE","next":"30"},
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||
{"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"}
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]
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}
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```
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> `_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
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### 6.1 基础主数据表
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**product_type**
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| 字段 | 类型 | 说明 |
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|------|------|------|
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| id | varchar(20) PK | A6VM107, A6VM160, A6VM200 |
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| name | varchar(50) | |
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| recipe_id | varchar(20) FK | |
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| is_active | boolean | |
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**recipe**
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| 字段 | 类型 | 说明 |
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|------|------|------|
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| id | varchar(20) PK | |
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| name | varchar(50) | |
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| version | int | |
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| create_time | timestamptz | |
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**recipe_step**
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| 字段 | 类型 | 说明 |
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|------|------|------|
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| step_id | varchar(10) PK | |
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| recipe_id | varchar(20) FK | |
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| step_name | varchar(50) | |
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| step_type | varchar(20) | 工序类型 |
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| resource_type | varchar(50) | 所需工站类型 |
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| tool_type | varchar(20) | 手持工具类型 |
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| allowed_resources | jsonb | 允许的设备列表 |
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| processing_params | jsonb | 工时等 |
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| next_step_default | varchar(10) | |
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| next_step_branches | jsonb | 分支映射 |
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| step_timeout | int | 超时秒数 |
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| description | text | |
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**equipment**
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| 字段 | 类型 | 说明 |
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|------|------|------|
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| id | varchar(20) PK | |
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| type_code | varchar(20) | |
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| name | varchar(50) | |
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| status | varchar(20) | 从Redis推导，此字段仅作离线参考 |
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| slot_count | int | |
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| ip_address | varchar(45) | |
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| location | varchar(50) | |
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### 6.2 业务数据表
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**work_order**
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| 字段 | 类型 | 说明 |
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|------|------|------|
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| id | varchar(30) PK | |
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| product_type_id | varchar(20) FK | |
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| quantity | int | |
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| source_bay_slot_id | varchar(30) FK | |
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| status | varchar(20) | CREATED/IN_PROGRESS/PAUSED/COMPLETED/CANCELLED |
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| context | jsonb | |
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| created_time | timestamptz | |
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| updated_time | timestamptz | |
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| completed_time | timestamptz | |
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**job**
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| 字段 | 类型 | 说明 |
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|------|------|------|
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| id | varchar(30) PK | |
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| work_order_id | varchar(30) FK | |
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| product_type_id | varchar(20) FK | |
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| recipe_id | varchar(20) FK | |
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| current_step_id | varchar(10) FK | |
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| status | varchar(20) | 见7.1 |
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| position_type | varchar(20) | ON_EQUIPMENT/ON_BUFFER/IN_HAND |
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| position_ref_id | varchar(50) | 位置引用（含暂存台槽位ID） |
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| context | jsonb | 子型号、扫码数据等 |
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| priority | int | |
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| suspended_reason | text | |
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| version | int | 事件版本控制 |
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| last_event_id | varchar(36) | |
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| created_time | timestamptz | |
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| last_updated | timestamptz | |
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**job_step_instance**
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| 字段 | 类型 | 说明 |
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|------|------|------|
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| id | bigserial PK | |
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| job_id | varchar(30) FK | |
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| step_id | varchar(10) FK | |
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| attempt_no | int | |
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| status | varchar(20) | IN_PROGRESS/COMPLETED/FAILED |
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| equipment_id | varchar(20) | |
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| start_time | timestamptz | |
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| end_time | timestamptz | |
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| result | jsonb | |
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**task**
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| 字段 | 类型 | 说明 |
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|------|------|------|
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| id | varchar(36) PK | UUID |
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| job_id | varchar(30) FK | |
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| type | varchar(30) | TRANSPORT/HANDHELD_SCAN… |
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| status | varchar(20) | CREATED/DISPATCHED/RUNNING/SUCCESS/FAILED/TIMEOUT |
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| from_pos | jsonb | |
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| to_pos | jsonb | |
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||
| assigned_robot | varchar(20) | |
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| started_time | timestamptz | |
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| completed_time | timestamptz | |
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| result | jsonb | |
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**task_log / event_log** 略。
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## 7. 工件生命周期与状态管理
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### 7.1 Job 状态
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| 状态 | 含义 | 转换示例 |
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|------|------|---------|
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| CREATED | 已创建，在接驳台 | → IN_HANDLING |
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| IN_HANDLING | 机器人操作中 | → ON_BUFFER（扫码成功） / SUSPENDED（扫码失败） |
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| PROCESSING | 设备加工中 | → WAITING_UNLOAD |
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| WAITING_UNLOAD | 加工完成待取走 | → IN_HANDLING |
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| ON_BUFFER | 固定在暂存台槽位上 | → IN_HANDLING |
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| WAITING_DECISION | 等待判定（检测后） | → COMPLETED / SCRAPPED / ON_BUFFER |
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| COMPLETED | 正常下线，**释放暂存台槽位** | 终态 |
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| SCRAPPED | 报废，**释放暂存台槽位** | 终态 |
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| SUSPENDED | 异常暂停（扫码失败等） | → 恢复 |
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### 7.2 暂存台槽位生命周期
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- 扫码成功后分配一个空闲槽位（编号1~8），写入 `position_ref_id`。
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||
- 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
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### 8.0 调度触发机制（事件驱动）
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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`。
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2. 调度引擎阻塞在 `ZPOPMAX` 上，仅处理变动工件，无全局扫描。
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||
3. 处理完若无可行任务，工件放回 `sched:ready_jobs` 等待下一次事件。
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### 8.1 任务生成层
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||
根据 `job.current_step` 和 `recipe_step` 生成候选动作列表。
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### 8.2 约束过滤层
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||
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。
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### 8.3 策略选择层
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||
优先级排序：
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1. 紧急转移（WAITING_UNLOAD）
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2. 成组装卸（高压清洗机）
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||
3. 设备上料
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4. **暂存台批量补料**（空位 > 4 触发）
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5. 手持作业
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||
6. 普通搬运
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### 8.4 原子抢占
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||
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
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||
```
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CREATED → DISPATCHED → RUNNING → SUCCESS
|
||
↓ ↓
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||
FAILED TIMEOUT
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||
```
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- CREATED：调度生成
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- DISPATCHED：已下发机器人
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- RUNNING：机器人开始执行
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- SUCCESS/FAILED/TIMEOUT：终态
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- FAILED 可重试，TIMEOUT 则工件回退。
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## 10. 工单管理详细设计
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- **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。
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- **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。
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||
- **返工**：修改 `current_step`，新增 `job_step_instance`。
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||
## 11. 工站接口设计
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||
```go
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type Station interface {
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ID() string
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||
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
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||
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
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||
- **工序超时**：`step_timeout` 超时自动挂起。
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- **任务超时**：Task 创建后超时回退。
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||
- **设备心跳**：`equipment:{id}:heartbeat` TTL 5s，丢失则过滤。
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||
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||
---
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## 14. 运行期状态校验
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||
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
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|
||
### 15.1 恢复分级
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||
| 级别 | 条件 | 措施 |
|
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|------|------|------|
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| L1 自动 | CREATED/ON_BUFFER/WAITING_RESOURCE | 直接恢复 |
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| L2 半自动 | PROCESSING 且 PLC 确认完成 | 转 WAITING_UNLOAD 自动恢复 |
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| L3 人工 | IN_HANDLING/关门中/位置不明 | 人工确认处置 |
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### 15.2 重放
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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
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- `job:{id}` Hash：状态、位置、版本、last_event_id
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- `equipment:{id}` Hash：设备状态
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- `equipment:{id}:heartbeat` String TTL
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- `task:{id}` Hash：任务状态
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- `sched:ready_jobs` Sorted Set：按优先级排队的就绪工件
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- `buffer:slots:bitmap` String：8位 Bitmap 表示暂存台槽位占用
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- `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
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### 17.1 槽位分配与释放
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- 暂存台共 8 个槽位，编号 1~8，通过 Redis Bitmap 管理。
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- **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`。
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- **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。
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- **释放**：工件状态变为 COMPLETED 或 SCRAPPED 时，对应 Bitmap 位置 0。
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### 17.2 批量补料规则
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- **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。
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- **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。
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- **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。
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- **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
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- **AGV**：托盘到位/成品送出通过事件通知。
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- **MES**（可选）：接收工单，上报履历。
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- **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
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| 组件 | 技术 |
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| 后端语言 | Go 1.23.4 |
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| 框架 | go-zero v1.3.8（单体） |
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| ORM | ent v0.14.5 |
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| 数据库 | PostgreSQL |
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| 缓存/状态/事件 | Redis (SSOT, Streams, Lua) |
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| PLC 通信 | OPC-UA / Modbus TCP |
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| 前端 | React 19 + Semi Design + Zustand + Vite 7 |
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## 20. 部署与扩展性
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- 单体二进制部署，依赖 Redis + PostgreSQL。
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- 模块接口解耦，未来可拆分微服务。
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- 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
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### A.1 状态信号（PLC → 系统）
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| PLC信号 | 地址 | 类型 | 系统事件 |
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|---------|------|------|---------|
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| CNCDone1~4 | M1140.0~3 | bool | MACHINE_TASK_COMPLETE |
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| WasherDone | M1144.0 | bool | MACHINE_TASK_COMPLETE |
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| DeburrDone | M1145.0 | bool | MACHINE_TASK_COMPLETE |
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| CleaningDone | M1146.0 | bool | MACHINE_TASK_COMPLETE |
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| MeasureOK/NG | M1148.0/1 | bool | INSPECTION_PASS/FAIL |
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| SamplingOK/NG | M1151.0/1 | bool | SAMPLING_PASS/FAIL |
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### A.2 指令信号（系统 → PLC）
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| 指令 | 地址 | 参数 | 任务类型 |
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|------|------|------|---------|
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| FetchWorkpieceFromDock | M1000 | 类型,接驳台号,槽号 | PICK |
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| PlaceWorkpieceToDock | M1010 | 类型,接驳台号,槽号 | PLACE |
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| FetchWorkpieceFromTempStation | M1020 | 类型,暂存位 | PICK |
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| PlaceWorkpieceToTempStation | M1030 | 类型,暂存位 | PLACE |
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| PlaceWorkpieceToMachine | M1040 | 类型,设备ID,槽位 | LOAD |
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| FetchWorkpieceFromMachine | M1050 | 类型,设备ID,槽位 | UNLOAD |
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| ExchangeWorkpieceToMachine | M1060 | 类型,设备ID,槽位 | EXCHANGE |
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| PlaceWorkpieceToRollingLine | M1070 | 类型 | LOAD |
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| FetchWorkpieceFromRollingLine | M1080 | 类型 | UNLOAD |
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| PlaceWorkpieceToSamplingStation | M1090 | 类型 | PLACE |
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| FetchWorkpieceFromSamplingStation | M1100 | 类型 | PICK |
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| MoveWorkpieceToMarkingStation | M1110 | 类型 | HANDHELD_MARK |
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| 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。* |