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1、智慧工廠調度系統方案鄭州聯睿電子科技有限公司鄭州聯睿電子科技有限公司 目 錄1項目概述31.1背景31.2目標與意義32設計依據42.1工作原理42.2系統優勢53智能調度系統63.1系統框架63.2系統功能73.2.1全局化定位監控73.2.2人員、物資與運輸工具信息管理83.2.3運輸工具導航93.2.4重點區域與危險區域管理103.2.5無線傳輸系統113.2.6實時搜索113.2.7視頻聯動123.2.8報表統計分析133.3解決方案133.3.1識別系統133.3.2裝配工具自動化控制133.3.3質量檢測流程的優化133.3.4設備實時定位143.3.5防撞系統14141 項目概述2、1.1 背景中國正在成為世界汽車制造工業的集聚中心，新世紀以來，我國汽車產業蓬勃發展，成績舉世矚目。從產量來看，從2000年207萬輛，大幅增至2015年2450萬輛，增長將近12倍，并從2009年開始位居世界第一位，2015年更是創下全球歷史新高；從產值來看，2015年我國汽車產業工業銷售產值達6.63萬億元，相比2000年增長超過10倍，占GDP的比重超過10%。單從規模上講，我國已經成為汽車制造大國毋庸置疑。然而經過十多年的高速發展，中國汽車產業在2015年出現了拐點，中國汽車協會數據表明，2015年汽車行業總營業收入盡管仍然保持著3%以上的增長，但是增長速度迅速下降了超10%，而利潤總3、額近十年來首次出現了下滑的情況。在營業收入和銷量上漲的情況下，整體利潤的下滑無疑是一個異常的信號。1.2 目標與意義汽車模型的需求數量是年年飆升，從2012年到2019年，可用汽車模型的數量預計增長幅度超過20%。我國大約提供300左右的不同種類的車型，而且每種車型都有多個定制選項，相當于幾百萬億的變化可能。在同一生產線上生產不同的汽車模型，而管理這種產品復雜變化將有大量的挑戰。如何防止工人在每輛車有不同組合的情況下出現錯誤？如何保證運輸的物資是組裝所需要的物資？如何確保資產工具正確的時間在正確的位置，誤差為零？等等問題不勝枚舉。一家汽車制造廠的汽車裝配線上，每輛汽車需要在流水線上移動到達不同4、的裝配點，傳統管理辦法是工人輸入數據終端或者用條形碼掃描分配到裝載點，如果在生產過程中一旦出現錯誤，在最后質量檢測階段又需要大量人力與物力來糾正。利用定位標簽固定在車輛、工人的操作工具和所需要的物資上，就可以實時感知工人的裝配是否正確，并監控整個操作過程，大大減少了人為操作失誤帶來的損失。智慧工廠調度系統能夠在傳統的應用環境中達到 15cm 的定位精度，并具有很好的穩定性；借助該系統，汽車制造廠能夠實現人員、物資與車輛的實時定位，避免等待浪費，優化生產節拍時間；有利于降低生產制造過程的人為失誤，并提升工廠生產線管控能力；可以根據監控狀態數據，分析出潛在的低效率環節，并加以改進；提供自適應和自動5、化應對多種變化的生產線；還可以與工廠現有的系統集成；輔助工廠的5S管理，提高效率、質量和降低生產單位成本。圖1-1工廠生產線2 設計依據2.1 工作原理智慧工廠調度系統主要是采用超寬帶定位技術來實現設備的精準定位，超寬帶技術是近年來新興一項全新的、與傳統通信技術有極大差異的通信無線新技術。它不需要使用傳統通信體制中的載波，而是通過發送和接收具有納秒或微秒級以下的極窄脈沖來傳輸數據，從而具有 3.17.0GHz量級的帶寬。目前，包括美國、日本、加拿大等在內的國家都在研究這項技術，在無線室內定位領域具有良好的應用前景。超寬帶技術是一種傳輸速率高（最高可達 1000Mbps 以上），發射功率較低， 6、穿透能力較強并且是基于極窄脈沖的無線技術，無載波。正是這些優點，使它在室內定位領域得到了較為精確的結果。超寬帶室內定位技術常采用 TDOA 演示測距定位算法，就是通過信號到達的時間差，通過雙曲線交叉來定位的超寬帶系統包括產生、發射、接收、處理極窄脈沖信號的無線電系統。而超寬帶室內定位系統則包括 UWB 接收器、UWB 參考標簽和主動 UWB 標簽。定位過程中由 UWB 接收器接收標簽發射的 UWB 信號，通過過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號，再通過中央處理單元進行測距定位計算分析。 2.2 系統優勢和傳統的室內定位技術相比，U-Loc室內厘米級實時定位系統主要有以下7、幾個優勢：1) 高實時性基于IR-UWB技術的無線實時高精度定位平臺，依靠由多個強大的數據采集傳感器組成的集成網絡來即時發送信號，相當于室內的GPS，更精準，動態地告訴你“現在正在發生什么”。2) 厘米級定位精度優化的定位算法，保證在室內等多徑效應顯著的應用場合的高精度定位，能夠同步、精準、實時地提供給定區域內的人員和設備的瞬間位置和運動信息，便于管理者直觀、全局化地把握現場情況，從而做出決策。 3) 強抗多徑干擾能力U-Loc系統采用超寬帶（UWB）技術，利用無載波的超短脈沖進行通信，納秒級的極窄脈沖具有較高的時間分辨率，能將直達信號和多徑信號分離，具有較強的抗多徑干擾能力。4) 高穩定性極8、窄脈沖間的時隙容易識別，結合到達時間差定位法（TDOA）定位目標，與基于接收信號強度的傳統定位技術相比，對應用環境的電磁、物理干擾不敏感，能夠實現較高的定位精度。5) 布設簡便自組網的無線連接架構，使系統部署更簡單、穩定可靠。6) 高安全性輻射極小，不到手機輻射的1%。3 智能調度系統3.1 系統框架圖3-1系統框架智慧工廠調度系統主要分為：數據采集層、網絡傳輸層、應用層三部分構成，形成一套完整的管理系統平臺。 數據采集層數據采集層是人員定位的基礎硬件層，具有獲取人員定位信息的作用。主要包括定位標簽和定位基站。定位標簽發送UWB脈沖信號（包括用于標簽定位的信息和屬性信息），基站接收到標簽發送的9、定位信號后，經過簡單處理以后通過網絡傳輸層將信號傳輸至定位引擎進行位置解算。 網絡傳輸層網絡傳輸層是數據傳輸的通道，將標簽發送的定位信息發送到定位引擎，起到連接數據采集層和應用層的作用。U-Loc包括無線和有線兩種數據傳輸的形式，考慮到現場機械和鋼架等比較多，現場環境復雜，為保證數據傳輸質量和定位效果，采用超五類網線進行數據的傳輸，這種傳輸方式可以同時解決定位基站供電的問題。 應用層應用層可以說是整個調度系統的核心層，包括定位引擎和定位平臺。定位引擎用于解算目標的位置，根據數據采集層傳回的定位信息，定位引擎根據事先寫入的定位算法解算目標的位置，并進行后續的處理，得到最優的位置信息；然后將位置數10、據在定位平臺上展示出來與用戶的業務進行交互形成一套定位管理系統。3.2 系統功能系統根據標簽回傳的定位信息，實時解算出來目標的位置信息，在此基礎上實現人員、物資與運輸工具的定位和管控。系統充分考慮到現場的特殊性以及實際的需求，實現的功能有：全局化定位監控；人員、物資與運輸工具信息管理；運輸工具導航；重點區域與危險區域管理；無線傳輸系統；實時搜索；視頻聯動；報表統計分析。圖3-2系統功能3.2.1 全局化定位監控在定位系統二維地圖中，可以精準顯示出人員、物料、工具、運輸車的位置信息，實時顯示運動軌跡，做到全局化地圖顯示；可以通過定位和運動軌跡查看各個人員是否在各自的區域作業；查看運輸的物料是否到11、達正確裝配區域。裝配工作中，常常需要了解特種作業人員與裝配工具在某一段時間內去過哪些地方，或者在某一段時間內某一區域有哪些人員與工具在作業，這就需要進行軌跡回放，第一種稱為單目標回放，第二種稱為多目標回放（區域回放）。目標在實時定位時，定位結果除了在顯示平臺上顯示外，還會以日志的形式存儲在數據庫中，當系統收到回放請求時，平臺會向數據庫中請求歷史定位數據，同時結合報表統計來呈現回放結果。這種回放形式相比于攝像頭來講，具有多維度整體性，攝像頭的回放形式智能從單一維度，一個視角對事件進行還原，無法確定人員與工具在整個區域的相對位置，利用軌跡回放的形式可以從多個維度來整體上顯示人員與工具在整個區域的位12、置，結合報表統計功能，能夠直觀地顯示歷史信息。圖3-3定位信息處理平臺定位標簽位置的軌跡顯示3.2.2 人員、物資與運輸工具信息管理用戶管理：管理員可以對系統設置多個用戶名，不同用戶名設置不同的管理權限，做到信息權限統一管理。物資管理：管理員可以對物資信息進行實時修改、查詢，確保物資在正確的時間出現在正確的位置，減少了人為錯誤和昂貴的重復勞動。運輸工具管理：可以查詢某個區域內叉車、平板車、無人搬運車等的數量、工作情況、電量及可以到達的哪些裝配點等信息，實時調度運輸，減少等待浪費。標簽管理：每個標簽對應一個唯一ID，將定位標簽與對應的人員、物資等信息進行綁定一同錄入數據庫中，在標簽管理界面上可以13、對標簽進行增加、修改、刪改、查詢等操作；這樣在管理系統中就可以實時查看人員、物資與運輸工具的屬性信息及定位數據。圖3-4 標簽信息綁定示意圖3.2.3 運輸工具導航與工廠現有的導引系統進行集成，可動態規劃路線以達到最小等待、最少空駛、最優路徑的目的；計算“實時交通狀況”與運輸時間以確保物料能與汽車同時到達裝配區域，減少生產線停工的情況；計算各運輸工具的工作量，分析其潛在的低效率環節，為生產線的整體智能化管理提供有力的數據保障；計算行駛路徑上與人員、物體的距離，當到達一定距離（可通過后臺設定）時將自動停止并發出報警信息。導航特點如下：（1）自動化程度高；當應用平臺接收到生產計劃后，將動態計算運輸14、工具位置、運輸時間、運輸距離等信息，實時調配運輸工具，確保物料能與車輛同時到達裝配區域。（2）充電自動化；當運輸工具的電量即將耗盡時，它會向系統發出請求指令，請求充電，在系統允許后自動到充電的地方“排隊”充電。（3）美觀，提高觀賞度，從而提高企業的形象。（4）生產車間的運輸工具可以在被定位系統覆蓋的各個車間穿梭往復。3.2.4 重點區域與危險區域管理工廠作業時存在很多重點區域與危險區域，只有授權操作人員才允許進入作業，因此需要嚴格限制非授權人員的進入，加大對重點區域與危險區域的管控力度。利用智慧工廠調度系統可以隨時在后臺圈定電子圍欄標為重點區域與危險區域，當非相關人員靠近或者進入這些區域的時候15、，后臺會接收到標簽的存在信號和標簽屬性信息，當發現被定位人員并未得到授權，調度系統會回發報警信息至標簽，進而觸發標簽上的蜂鳴器來提醒相關人員或者區域負責人，整個過程歷時不足一秒。同時，針對某些臨時的危險作業區域，管理人員可以臨時圈定電子圍欄，當作業完成后又可以解除危險區域，將危險區域變成普通級別的作業區域。圖3-3電子圍欄功能示意圖3.2.5 無線傳輸系統基于超寬帶的高效定位傳感網絡，該傳感網具有定位精度高（優于10cm）、抗干擾性強、傳輸速度快、發送功率小和安全保密性強的特點，利用它可同時傳送高精度實時定位、現場數據，并實時歸納這些數據的關聯性，形成一個基于精準位置的高效物聯網承載平臺。該傳16、感網絡上下行鏈路可以高效復用，生產區內不但可以實現厘米級高精度位置服務，還能實現高效的現場數據傳輸，可實現運輸工具自主導航和路徑規劃，實時上傳各個工具位置和數據等功能。圖3-6無線傳輸系統示意圖3.2.6 實時搜索當不清楚某一個設備是否在使用還是在倉庫里，如果正在使用也無法確認在那一條生產線或者當某人員不在工作區域內時，通過調度系統查詢各自的ID號或名字等信息，可實時確定各自的歷史運動軌跡、當前位置及工作狀態。強大的實時搜索功能減少了搜索人員和設備的時間，從而提高生產過程的可控性、減少生產線上人工與設備的干預。3.2.7 視頻聯動視頻聯動是通過在定位區域內安裝相應的攝像頭，將視頻監控系統接入到17、定位綜合管理平臺中，可以實現重點區域聯動、視頻跟隨、報警聯動等。重點區域聯動：佩戴定位標簽的人員進入重點區域以后，實現攝像頭的自動調取，可以做到人員運動軌跡監控及視頻畫面監控。視頻跟隨：對于像球型帶有自旋轉的攝像頭，可實現特定人員進入視頻監控區域后，系統平臺自動旋轉攝像頭跟隨特定人員的運動情況，直至人員離開攝像頭監控區域。報警聯動：通過火災報警傳感器、手動緊急報警按鈕的ID和位置信息進行一一映射關聯，同時利用安裝的視頻聯動高清攝像頭，可以實現報警位置區域的精確監控，實現出現報警信息時管理平臺自動調取報警該區域的視頻畫面，以便監控人員第一時間察看和了解報警區域的真實情況。 圖3-7視頻聯動示意圖18、3.2.8 報表統計分析現場人員眾多，僅僅依靠定位系統來顯示人員的位置信息和時間對象，會使結果不夠清晰直觀。利用報表統計功能可以彌補這一缺陷，比如人員的出勤統計、危險區域的人員誤闖統計、區域工作人員統計等。利用報表統計功能結合圖形化界面呈現最終的結果，這種圖文并茂的展現可以更加直觀的呈現系統結果。3.3 解決方案3.3.1 識別系統工廠現有識別系統需要手動使用掃描儀掃二維碼，每天會有數百乃至數千次重復工作。解決方案：生產線上與倉庫的每臺機器都放上標簽，并且它們的數據信息會被實時報告。調度系統自動辨別設備。結論：替代傳統的手工識別任務，節約成本和生產時間，而且大幅減少錯誤和重復勞動。3.3.2 19、裝配工具自動化控制生產線上的車輛需要人工用掃碼等方式確認車輛編號，然后由操作員在管理系統中操作工具控制系統。解決方案：UWB實時定位系統網絡會同時跟蹤車輛和工具授權在車間內的位置以判斷工具靠近車輛的時間。可以從產品管理系統獲得必須的工具程序，直接送到工具控制系統來操作工具。結論：節省了流水線的成本和時間，提高了生產質量，包括減少人物錯誤和重復勞動。3.3.3 質量檢測流程的優化在生產的最終階段需要進行一個多方位的質量檢測流程，包括最終調試和最終操作測試。流程的狀態，比如步停時間，運作進程，或者甚至是車輛的位置，都可能是未知的，甚至完全需要人工完成。解決方案：在最終流程中當車輛經過特定流程步驟的20、時候(空間熱點區域)將會被實時追蹤。能夠通過步停的控制對如何使物品通過每一個步驟的操作進行詳細定義。解決方案提供可視的，可預警以及可報告的優化監視系統。結論：節省物質成本和生產時間，提升生產質量，包括減少人員錯誤和提高產品質量。3.3.4 設備實時定位不清楚某一個設備是否在使用還是在倉庫里。如果在使用也無法確認在那一條生產線。解決方案：生產線上每臺機器都放上標簽，并且它們的確切位置會被實時報告。利用強大的實時搜索功能可實時在應用平臺查看。結論：能夠對設備進行精確統計。某一個設備在哪一條生產線上還是在倉庫，甚至是歷史記錄都可以立刻被找到。3.3.5 防撞系統當有人或物品在運輸工具的前進路線時，可能會發生碰撞事故。解決方案：通過高精度定位系統計算“實時交通狀況”，智能選擇最優路線，并計算行駛路徑上與人員、物體的距離，當到達一定距離（可通過后臺設定）時將自動停止并發出報警信息警示前方避讓。結論：避免碰撞事故發生，并確保物料能與車輛同時到達裝配區域，減少生產線停工的情況。