智能工厂实时定位系统解决方案

来源:中国科学院自动化研究所·曾隽芳博士

点击:881

A+ A-

所属频道:新闻中心

关键词:智能工厂 解决方案

    实时定位系统(RTLS, Real Time Location Systems)是未来智能工厂的关键组件。RTLS解决方案通过室内外精确定位,实现对工厂设备、AGV、人员、工件、物料等实时连续跟踪,生成轨迹路线图,并将定位数据发送给上层的软件系统,结合数据分析,进而提供精细化生产管理。

    1 实时定位系统的重要性

    当今市场瞬息万变、竞争加剧,客户定制化需求增多,要求生产线有更大的柔性。与此同时,随着数字化的发展,制造工业在工厂里安装了大量的组件和设备,对工厂系统的全面了解、实时追踪变得越来越重要。企业如何组织和管理生产以适应客户个性化需求快捷生产的同时还能提高工作效率,如何在复杂的工业环境中提供更好的现场服务,是当前制造业面临的挑战,为此提出了生产灵活、自组织的生产方式和物流理念。

    工业识别与定位成为促进制造业数字化的关键技术。帮助企业去改善生产过程和整个物流,使全范围、全过程实现数据可视化,提高时效性,并且避免错误。一方面要简化流程,通过标识对所有的人物车进行识别;另一方面就是定位,通过实时定位可以判断所有的人物车的位置。实时定位系统要适用于复杂工业环境,单一技术是很难实现的,需要融合多种不同的定位技术,才能保证定位的准确性和时效性,真正做到高精度实时定位。

    当前实时定位技术有很多,可分为室外定位与室内定位,按技术分为UWB、RFID、GPS和其它,按应用分为资产跟踪、人员跟踪、物流跟踪和其它。经过多年的发展,实时定位技术的精度、覆盖范围、容量、时延等指标都在优化,随着产业成熟度的增加,RTLS应用正快速增长,尤其是在汽车医疗等行业中。RTLS市场预计全球在2022年达到63亿美元,从2016至2022年间的年复合增长率是28%。高工业增长、企业数字化转型是驱动RTLS市场的主要因素,而成本偏高、环境干扰、系统不兼容、缺乏统—标准是市场的阻碍因素。

    从应用客户的角度来说,RTLS给企业带来的收益主要有四方面:(1)提升经济效益,仓储物流、离散制造过程中对于人员与设备的实时定位管理等。(2)降低安全事故风险,危险区域、险情预警与灾后援救等。(3)为精细化管理提供技术保障,人员轨迹管理、资产定位管理、厂内物料追踪、电子围栏等。(4)车间数字化、透明化,厂内智能物料箱、AGV、移动机器人的自动导引等。

    本文给出智能工厂RTLS一体化解决方案,包括系统架构、主要功能、技术特点和场景解决方案,最后分享某汽车生产厂应用案例。

    2 RTLS解决方案

    智能工厂的实时定位系统是基于简单架构网络的弹性可扩展定位平台,可提供定制定位解决方案所需的组件和服务,提供一站式RTLS解决方案。系统架构如图所示,由硬件基础架构、定位管理器和服务集成三部分构成。

    (1)硬件基础架构:固定于设备上的有源标签以预定义的间隔主动发送无线信号。四台或以上锚定基站接收信号并通过定位网关发至定位服务器。

    电子标签:与被管理对象(工件、机器人、载具、人员等)绑定,能够以规定的时间间隔发送无线信号。电子标签还可配备数据接口,将详细位置信息直接传送到本地控制系统,或向上位系统提供必要的传感器数据。

    锚定基站:接收电子标签无线信号,附加锚定坐标及时间戳,并传输标签附带数据。通过至少三个相互同步的锚定基站,可实现电子标签的三维定位,精度达厘米级。

    网关:用于将所有记录的数据打包,并传输到上位定位服务器,同时可担当锚定基站功能。

    定位服务器:计算电子标签的实时位置坐标,通过规则引擎来定义及编辑位置相关的事件类型。

    (2)定位管理器:用于计算具体电子标签的实时位置的软件系统,采用多模融合的定位技术,并通过指定接口,根据可定义及配置的规则,将详细信息传送至上位系统。

    (3)服务集成:定位信息和事件传递给上位系统用于自动控制,数据统计分析,流程优化及调整。

    在智能工厂中,实时定位系统服务多样上位智能系统,来自RTLS的4W(Where何地, When何时, Who何人何物, What何事件)定位数据与来自上位系统ERP/MES/WMS等的H(how做何事、如何操作)业务数据相集成,联动工作,最大化利用生产资源,提高现场管理效率和准确性。

     

    智能工厂RTLS解决方案的架构

    RTLS提供查找、记录、监测、控制、调度功能,可以应用于工厂多种应用场景。(1)查找功能高精度定位管理对象,何物何时位于何处,对每个对象有据可查;搜索结果一目了然,实现实时可视化管理;优化物料存储,消除物料不当损耗。(2)记录功能自动记录存档人工生产过程内容,全程可追溯;基于位置信息自动控制电动工具的工作状态和程序,减少操作差错;发现对潜在质量问题,做出及时响应。(3)监测功能跟踪转运流程,发现瓶颈,优化周转时间;直观显示管理对象相关信息;持续优化整体物料管理过程。(4)控制功能创建自组织生产和物流管理理念;建立自组织生产能力,实现车间透明化生产;优化物流路径。(5)调度功能智能高效调度员工,安排工单;基于员工位置灵活指挥;基于当前各个工位的工作能力,实现动态流水线作业;人物车和区域安全管理,全方位提高生产安全。

     

    基于RTLS的生产现场可视化管理

    4 应用案例举例

    当前以汽车制造为主导的制造业已经成为实时定位系统的主要终端用户,用于追踪和定位资产设备和其他生产工具、原材料、半成品材料和零部件、成品汽车、返修汽车以及整个生产车间的劳动力。这里分享某汽车生产厂RTLS应用案例,系统采用的是西门子SIMATIC RTLS,其技术特性如下:

    (1)双向数据传输:采用双向测距算法(TWR, Two Way Ranging)和到达时间差算法(TDOA, Time Difference of Arrival)多模融合的定位技术。集成了电子墨水屏的定位标签支持双向数据传输,提供定位功能外还可以主动刷新屏幕显示内容。双向数据传输为无纸化制造提供技术基础,上位系统对位置和动作进行分析后做出业务决定,再反馈到前端,指导现场人员如何进行下一步的操作。

    (2)多模定位技术:定位基站采用UWB超宽带和2.4GHz Phase调相两种无线技术融合,实现厘米级定位精度,适用于苛刻的工业环境,能同时适应室内和室外应用场景,实现工序、车间、工厂统一定位,易于扩展定位到更多工作区域和不同应用场景,工厂全范围覆盖、服务于生产全过程。

    (3)无缝综合集成:实时定位系统通过ISO标准接口可以与各类IT系统集成,与ERP、MES、WMS等数据同步更新物料信息,优化操作流程,实时调度生产资源,可以提供灵活可扩展的物联网云应用和智能工厂方案,在产量、质量、成本上持续优化,提高企业经济效益。

    项目中,RTLS服务于该汽车生产厂生产现场的多个应用场景:

    (1)RTLS应用于总装线拧紧器定位

    不同型号的汽车在同一生产线上组装时,需要给电动工具不同的工具程序以完成不同类型工作。以前车辆的识别依靠条形码扫描器,传至工具管理器,识别出车型,再调出操作指导,增加了工人操作动作,也不能完全避免误配置,无法确定拧紧器是对正确车型操作。采用RTLS系统同时对车辆和工具定位跟踪,在异构工具被带到车辆附近时,根据车辆的VIN,MES系统给出特定的工具程序,发送给工具控制器对工具进行编程并打开工具。软线及移动拧紧器高精度定位(750px),实现了基于安装使用位置的工作状态记录和校验,工具程序自动控制。

    应用RTLS削减了生产线上的时间开销,通过排除人为错误提升质量,帮助企业实现柔性化产线,提高生产节拍。复杂的装配线环境下仍有精准定位能力;电动移动工具的高可用性和高效率;对人工工作的自动记录实现更高等级的质量管理;通过减少人工干预,提高效率和准确性;根据操作过程步骤对工具自动控制,避免差错,改善品控。

     

    电动移动工具操作路径可视化

    (2)物料箱定位及信息可视化,无纸化

    物料箱作为车间内物料流转的载具,对其进行定位、跟踪、可视化是实现无纸化作业的关键。项目中,采用了支持高精度定位,电池供电移动使用的物料箱电子标签,使得在复杂的装配线环境下对物料箱仍有高精度的定位能力,实现物料箱定位及信息可视化,全过程物料运送控制,能减少生产线上的校对时间,并且通过排除人为错误提升质量。

     

    物料箱定位及物料运送控制

    3)基于RTLS的车间可视化管理

    在信息化平台内模拟物理实体、流程或者系统,可实现所有过程的精确数字化映射,涵盖从物料入库到进一步加工和最终装配。本应用中,对相关对象 (如工件、工装夹具、AGV 或机器人)绑定电子标签,由上位系统采集电子标签的信号,并计算其位置,然后将信息反馈给智能自动化系统和制造单元。全程定位关联对象,利用RTLS数据实时推送显示、电子纸、电子墨水屏的特性,实现从配件到总装的全过程可视化管理,无纸化作业,提高了现场管理效率和准确性。

    应用效果表明,基于多模技术的工业级实时定位系统以其实时连续、精准高效、灵活普适、弹性可扩展、易于部署的特性,用于复杂工业环境下的人员、物品等高精准定位,实现生产灵活、自组织的生产方式,帮助企业实现数字化转型,推动制造智能化。

    (审核编辑: 智汇张瑜)