智慧工厂调度系统方案

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智慧工厂调度系统方案 郑州联睿电子科技有限公司 I 目 录 1 项目概述.....................................................................................................3 1.1 背景..................................................................................................3 1.2 目标与意义......................................................................................3 2 设计依据.....................................................................................................4 2.1 工作原理..........................................................................................4 2.2 系统优势..........................................................................................5 3 智能调度系统.............................................................................................6 3.1 系统框架..........................................................................................6 3.2 系统功能..........................................................................................7 3.2.1 全局化定位监控........................................................................7 3.2.2 人员、物资与运输工具信息管理............................................8 3.2.3 运输工具导航............................................................................9 3.2.4 重点区域与危险区域管理......................................................10 3.2.5 无线传输系统..........................................................................11 3.2.6 实时搜索..................................................................................11 3.2.7 视频联动..................................................................................12 II 3.2.8 报表统计分析..........................................................................13 3.3 解决方案........................................................................................13 3.3.1 识别系统..................................................................................13 3.3.2 装配工具自动化控制..............................................................13 3.3.3 质量检测流程的优化..............................................................13 3.3.4 设备实时定位..........................................................................14 3.3.5 防撞系统..................................................................................14 3 1 项目概述 1.1 背景 中国正在成为世界汽车制造工业的集聚中心，新世纪以来，我国汽车产业 蓬勃发展，成绩举世瞩目。从产量来看，从 2000 年 207 万辆，大幅增至 2015 年 2450 万辆，增长将近 12 倍，并从 2009 年开始位居世界第一位，2015 年更 是创下全球历史新高；从产值来看，2015 年我国汽车产业工业销售产值达 6.63 万亿元，相比 2000 年增长超过 10 倍，占 GDP 的比重超过 10%。单从规 模上讲，我国已经成为汽车制造大国毋庸置疑。 然而经过十多年的高速发展，中国汽车产业在 2015 年出现了拐点，中国 汽车协会数据表明，2015 年汽车行业总营业收入尽管仍然保持着 3%以上的增 长，但是增长速度迅速下降了超 10%，而利润总额近十年来首次出现了下滑的 情况。在营业收入和销量上涨的情况下，整体利润的下滑无疑是一个异常的信 号。 1.2 目标与意义 汽车模型的需求数量是年年飙升，从 2012 年到 2019 年，可用汽车模型的 数量预计增长幅度超过 20%。我国大约提供 300 左右的不同种类的车型，而且 每种车型都有多个定制选项，相当于几百万亿的变化可能。在同一生产线上生 4 产不同的汽车模型，而管理这种产品复杂变化将有大量的挑战。如何防止工人 在每辆车有不同组合的情况下出现错误？如何保证运输的物资是组装所需要的 物资？如何确保资产工具正确的时间在正确的位置，误差为零？等等问题不胜 枚举。 一家汽车制造厂的汽车装配线上，每辆汽车需要在流水线上移动到达不同 的装配点，传统管理办法是工人输入数据终端或者用条形码扫描分配到装载点， 如果在生产过程中一旦出现错误，在最后质量检测阶段又需要大量人力与物力 来纠正。利用定位标签固定在车辆、工人的操作工具和所需要的物资上，就可 以实时感知工人的装配是否正确，并监控整个操作过程，大大减少了人为操作 失误带来的损失。 智慧工厂调度系统能够在传统的应用环境中达到 15cm 的定位精度，并具 有很好的稳定性；借助该系统，汽车制造厂能够实现人员、物资与车辆的实时 定位，避免等待浪费，优化生产节拍时间；有利于降低生产制造过程的人为失 误，并提升工厂生产线管控能力；可以根据监控状态数据，分析出潜在的低效 率环节，并加以改进；提供自适应和自动化应对多种变化的生产线；还可以与 工厂现有的系统集成；辅助工厂的 5S 管理，提高效率、质量和降低生产单位成 本。 5 图 1-1工厂生产线 2 设计依据 2.1 工作原理 智慧工厂调度系统主要是采用超宽带定位技术来实现设备的精准定位，超 宽带技术是近年来新兴一项全新的、与传统通信技术有极大差异的通信无线新 技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或 微秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有 3.1~7.0GHz 量级的带宽。目前， 包括美国、日本、加拿大等在内的国家都在研究这项技术，在无线室内定位领 域具有良好的应用前景。 超宽带技术是一种传输速率高（最高可达 1000Mbps 以上），发射功率较 低， 穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术，无载波。正是这些优点， 使它在室内定位领域得到了较为精确的结果。超宽带室内定位技术常采用 TDOA 演示测距定位算法，就是通过信号到达的时间差，通过双曲线交叉来定 6 位的超宽带系统包括产生、发射、接收、处理极窄脉冲信号的无线电系统。而 超宽带室内定位系统则包括 UWB 接收器、UWB 参考标签和主动 UWB 标签。 定位过程中由 UWB 接收器接收标签发射的 UWB 信号，通过过滤电磁波传输 过程中夹杂的各种噪声干扰，得到含有效信息的信号，再通过中央处理单元进 行测距定位计算分析。 2.2 系统优势 和传统的室内定位技术相比，U-Loc 室内厘米级实时定位系统主要有以下 几个优势： 1) 高实时性 基于 IR-UWB 技术的无线实时高精度定位平台，依靠由多个强大的数据采 集传感器组成的集成网络来即时发送信号，相当于室内的 GPS，更精准，动态 地告诉你“现在正在发生什么”。 2) 厘米级定位精度 优化的定位算法，保证在室内等多径效应显著的应用场合的高精度定位， 能够同步、精准、实时地提供给定区域内的人员和设备的瞬间位置和运动信息， 便于管理者直观、全局化地把握现场情况，从而做出决策。 3) 强抗多径干扰能力 U-Loc 系统采用超宽带（UWB）技术，利用无载波的超短脉冲进行通信， 纳秒级的极窄脉冲具有较高的时间分辨率，能将直达信号和多径信号分离，具 有较强的抗多径干扰能力。 7 4) 高稳定性 极窄脉冲间的时隙容易识别，结合到达时间差定位法（TDOA）定位目标， 与基于接收信号强度的传统定位技术相比，对应用环境的电磁、物理干扰不敏 感，能够实现较高的定位精度。 5) 布设简便 自组网的无线连接架构，使系统部署更简单、稳定可靠。 6) 高安全性 辐射极小，不到手机辐射的 1%。 3 智能调度系统 3.1 系统框架 图 3-2系统框架 智慧工厂调度系统主要分为：数据采集层、网络传输层、应用层三部分构 成，形成一套完整的管理系统平台。 8  数据采集层 数据采集层是人员定位的基础硬件层，具有获取人员定位信息的作用。主 要包括定位标签和定位基站。定位标签发送 UWB 脉冲信号（包括用于标签定 位的信息和属性信息），基站接收到标签发送的定位信号后，经过简单处理以 后通过网络传输层将信号传输至定位引擎进行位置解算。  网络传输层 网络传输层是数据传输的通道，将标签发送的定位信息发送到定位引擎， 起到连接数据采集层和应用层的作用。U-Loc 包括无线和有线两种数据传输的 形式，考虑到现场机械和钢架等比较多，现场环境复杂，为保证数据传输质量 和定位效果，采用超五类网线进行数据的传输，这种传输方式可以同时解决定 位基站供电的问题。  应用层 应用层可以说是整个调度系统的核心层，包括定位引擎和定位平台。定位 引擎用于解算目标的位置，根据数据采集层传回的定位信息，定位引擎根据事 先写入的定位算法解算目标的位置，并进行后续的处理，得到最优的位置信息； 然后将位置数据在定位平台上展示出来与用户的业务进行交互形成一套定位管 理系统。 3.2 系统功能 系统根据标签回传的定位信息，实时解算出来目标的位置信息，在此基础 上实现人员、物资与运输工具的定位和管控。系统充分考虑到现场的特殊性以 及实际的需求，实现的功能有：全局化定位监控；人员、物资与运输工具信息 管理；运输工具导航；重点区域与危险区域管理；无线传输系统；实时搜索； 视频联动；报表统计分析。 9 图 3-3系统功能 3.2.1 全局化定位监控 在定位系统二维地图中，可以精准显示出人员、物料、工具、运输车的位 置信息，实时显示运动轨迹，做到全局化地图显示；可以通过定位和运动轨迹 查看各个人员是否在各自的区域作业；查看运输的物料是否到达正确装配区域。 装配工作中，常常需要了解特种作业人员与装配工具在某一段时间内去过 哪些地方，或者在某一段时间内某一区域有哪些人员与工具在作业，这就需要 进行轨迹回放，第一种称为单目标回放，第二种称为多目标回放（区域回放）。 目标在实时定位时，定位结果除了在显示平台上显示外，还会以日志的形式存 储在数据库中，当系统收到回放请求时，平台会向数据库中请求历史定位数据， 同时结合报表统计来呈现回放结果。这种回放形式相比于摄像头来讲，具有多 维度整体性，摄像头的回放形式智能从单一维度，一个视角对事件进行还原， 无法确定人员与工具在整个区域的相对位置，利用轨迹回放的形式可以从多个 维度来整体上显示人员与工具在整个区域的位置，结合报表统计功能，能够直 观地显示历史信息。 10 图 3-3 定位信息处理平台定位标签位置的轨迹显示 3.2.2 人员、物资与运输工具信息管理 用户管理：管理员可以对系统设置多个用户名，不同用户名设置不同的管 理权限，做到信息权限统一管理。 物资管理：管理员可以对物资信息进行实时修改、查询，确保物资在正确 的时间出现在正确的位置，减少了人为错误和昂贵的重复劳动。 运输工具管理：可以查询某个区域内叉车、平板车、无人搬运车等的数量、 工作情况、电量及可以到达的哪些装配点等信息，实时调度运输，减少等待浪 费。 标签管理：每个标签对应一个唯一 ID，将定位标签与对应的人员、物资等 信息进行绑定一同录入数据库中，在标签管理界面上可以对标签进行增加、修 改、删改、查询等操作；这样在管理系统中就可以实时查看人员、物资与运输 工具的属性信息及定位数据。 11 图 3-4 标签信息绑定示意图 3.2.3 运输工具导航 与工厂现有的导引系统进行集成，可动态规划路线以达到最小等待、最少 空驶、最优路径的目的；计算“实时交通状况”与运输时间以确保物料能与汽车 同时到达装配区域，减少生产线停工的情况；计算各运输工具的工作量，分析 其潜在的低效率环节，为生产线的整体智能化管理提供有力的数据保障；计算 行驶路径上与人员、物体的距离，当到达一定距离（可通过后台设定）时将自 动停止并发出报警信息。 导航特点如下： （1）自动化程度高； 当应用平台接收到生产计划后，将动态计算运输工具位置、运输时间、运 输距离等信息，实时调配运输工具，确保物料能与车辆同时到达装配区域。 （2）充电自动化； 当运输工具的电量即将耗尽时，它会向系统发出请求指令，请求充电，在 12 系统允许后自动到充电的地方“排队”充电。 （3）美观，提高观赏度，从而提高企业的形象。 （4）生产车间的运输工具可以在被定位系统覆盖的各个车间穿梭往复。 3.2.4 重点区域与危险区域管理 工厂作业时存在很多重点区域与危险区域，只有授权操作人员才允许进入 作业，因此需要严格限制非授权人员的进入，加大对重点区域与危险区域的管 控力度。利用智慧工厂调度系统可以随时在后台圈定电子围栏标为重点区域与 危险区域，当非相关人员靠近或者进入这些区域的时候，后台会接收到标签的 存在信号和标签属性信息，当发现被定位人员并未得到授权，调度系统会回发 报警信息至标签，进而触发标签上的蜂鸣器来提醒相关人员或者区域负责人， 整个过程历时不足一秒。同时，针对某些临时的危险作业区域，管理人员可以 临时圈定电子围栏，当作业完成后又可以解除危险区域，将危险区域变成普通 级别的作业区域。 13 图 3-4电子围栏功能示意图 3.2.5 无线传输系统 基于超宽带的高效定位传感网络，该传感网具有定位精度高（优于 10cm）、抗干扰性强、传输速度快、发送功率小和安全保密性强的特点，利用 它可同时传送高精度实时定位、现场数据，并实时归纳这些数据的关联性，形 成一个基于精准位置的高效物联网承载平台。 该传感网络上下行链路可以高效复用，生产区内不但可以实现厘米级高精 度位置服务，还能实现高效的现场数据传输，可实现运输工具自主导航和路径 规划，实时上传各个工具位置和数据等功能。 14 图 3-6 无线传输系统示意图 3.2.6 实时搜索 当不清楚某一个设备是否在使用还是在仓库里，如果正在使用也无法确认 在那一条生产线或者当某人员不在工作区域内时，通过调度系统查询各自的 ID 号或名字等信息，可实时确定各自的历史运动轨迹、当前位置及工作状态。 强大的实时搜索功能减少了搜索人员和设备的时间，从而提高生产过程的 可控性、减少生产线上人工与设备的干预。 3.2.7 视频联动 视频联动是通过在定位区域内安装相应的摄像头，将视频监控系统接入到 定位综合管理平台中，可以实现重点区域联动、视频跟随、报警联动等。 重点区域联动：佩戴定位标签的人员进入重点区域以后，实现摄像头的自 动调取，可以做到人员运动轨迹监控及视频画面监控。 视频跟随：对于像球型带有自旋转的摄像头，可实现特定人员进入视频监 控区域后，系统平台自动旋转摄像头跟随特定人员的运动情况，直至人员离开 摄像头监控区域。 报警联动：通过火灾报警传感器、手动紧急报警按钮的 ID 和位置信息进行 一一映射关联，同时利用安装的视频联动高清摄像头，可以实现报警位置区域 的精确监控，实现出现报警信息时管理平台自动调取报警该区域的视频画面， 以便监控人员第一时间察看和了解报警区域的真实情况。 15 图 3-7 视频联动示意图 3.2.8 报表统计分析 现场人员众多，仅仅依靠定位系统来显示人员的位置信息和时间对象，会 使结果不够清晰直观。利用报表统计功能可以弥补这一缺陷，比如人员的出勤 统计、危险区域的人员误闯统计、区域工作人员统计等。利用报表统计功能结 合图形化界面呈现最终的结果，这种图文并茂的展现可以更加直观的呈现系统 结果。 3.3 解决方案 3.3.1 识别系统 工厂现有识别系统需要手动使用扫描仪扫二维码，每天会有数百乃至数千 次重复工作。 解决方案： 生产线上与仓库的每台机器都放上标签，并且它们的数据信息会被实时报 告。调度系统自动辨别设备。 结论： 16 替代传统的手工识别任务，节约成本和生产时间，而且大幅减少错误和重 复劳动。 3.3.2 装配工具自动化控制 生产线上的车辆需要人工用扫码等方式确认车辆编号，然后由操作员在管 理系统中操作工具控制系统。 解决方案： UWB 实时定位系统网络会同时跟踪车辆和工具授权在车间内的位置以判断 工具靠近车辆的时间。可以从产品管理系统获得必须的工具程序，直接送到工 具控制系统来操作工具。 结论： 节省了流水线的成本和时间，提高了生产质量，包括减少人物错误和重复 劳动。 3.3.3 质量检测流程的优化 在生产的最终阶段需要进行一个多方位的质量检测流程，包括最终调试和 最终操作测试。流程的状态，比如步停时间，运作进程，或者甚至是车辆的位 置，都可能是未知的，甚至完全需要人工完成。 解决方案： 在最终流程中当车辆经过特定流程步骤的时候(空间热点区域)将会被实时追 踪。能够通过步停的控制