Решения SICK для мобильных транспортных средств

«Индустрия 4.0» — это название современного тренда в автоматизации с обменом данными в производственном процессе. Оно включает киберфизические системы, «Интернет вещей», облачные измерения и когнитивные вычисления. Понятие «Индустрия 4.0» обычно связывают с четвертой индустриальной революцией.

Термин «Индустрия 4.0» (иногда сокращаемый до I4.0, или просто I4) возник в рамках проекта, посвященного высокотехнологичной стратегии развития в Германии, и впервые был упомянут на Ганноверской выставке в 2011 г. Рабочая группа проекта представила основные положения и рекомендации по движению к новой промышленной революции. Заключительный доклад группы, возглавляемой Зигфридом Даисом (компания Robert Bosch GmbH) и Хеннингом Кагерманом, был сделан 8 апреля 2013 г.

Аналогично понятию «умного дома» «Индустрия 4.0» проповедует «умное производство». В рамках модульной структуры такого производства киберфизические системы мониторят физические процессы, создают виртуальные копии физического мира и принимают децентрализованные решения. С помощью технологии «Интернета вещей» киберфизические системы общаются и кооперируют между собой и с человеком в режиме реального времени, как на внутреннем уровне, так и на уровне организационной структуры всей цепочки производства.

Один из примеров внедрения принципов «Индустрии 4.0» — это реализация устройств, способных предвидеть неисправности или поломки и досрочно автоматически запускать процесс техобслуживания. Другой пример — автоматизированная логистическая система, быстро реагирующая на неожиданные изменения в ходе производства.

Представим разницу между современным заводом и заводом будущего, действующим по принципам 4.0. Сегодня любая компания стремится предложить продукцию высокого качества при минимальных затратах. Для этого требуются точные актуальные данные о состоянии различных участков производства. Поломки, остановки технологических процессов являются основными объектами изучения в целях обеспечения бесперебойной работы предприятия. Завод «Индустрии 4.0» основан на постоянном мониторинге состояния оборудования и диагностике неисправностей. На основе собранных сведений системы строят графики предсказаний необходимости технического обслуживания. Данные с аналогичных устройств обрабатываются и сравниваются, что позволяет строить прогнозы на будущее. Таким образом достигается бесперебойность производственного цикла. Система связей I4 отвечает на вопрос не «что случилось» или «почему это случилось», а «что может случиться» или «что можно сделать, чтобы этого не случилось».

Продукция SICK для «Индустрии 4.0»

Компания SICK AG постоянно работает по ряду направлений, связанных с внедрением принципов «Индустрии» 4.0 [1]:

1. Прозрачность производства. Необходима точная информация о том, что, когда, где и как происходит. Это позволяет отслеживать весь процесс снабжения производства от А до Я и влиять на него в режиме реального времени.
2. Динамическое и гибкое производство. Прогрессирующая автоматизация производства обеспечивает его гибкость и малосерийность. В центре интересов оказывается заказчик, при этом выпуск изделия даже в единичном экземпляре, сделанного по спецификации клиента, становится рентабельным.
3. Автоматизация систем контроля качества изменяет визуальные возможности и решения на основе анализа изображения. Качество продукции всегда находится в поле зрения датчиков SICK.
4. Мобильные платформы. Мобильные системы интегрируются в производственный процесс. Автоматизированные транспортные средства обеспечивают сопровождение и безопасность в любых индустриальных применениях.
5. Взаимодействие робототехники и человека. Сотрудничество подразумевает нечто большее, чем просто кооперацию и совместное существование. Человек и робот одинаково вовлечены в производственный процесс и работают рука об руку в одной среде.

В статье пойдет речь о решениях SICK для мобильных платформ и автоматизированных транспортных средств.

Решения SICK для мобильных платформ

«Индустрия 4.0» основана на мобильности. Применение специализированных датчиков и навигационных систем, автоматизированных транспортных систем (АТС, AGV) во внутренней логистике предприятия позволяет разрушить производственные барьеры и повысить гибкость технологических процессов (рис. 1). Сегодня модульные сенсорные решения для мобильных AGV-платформ применяются практически во всех областях промышленности — на сборочных линиях, для доставки расходных материалов, как неотъемлемая составляющая логистических складов.

Рис. 1. Автоматизированные транспортные средства [2]

Технические возможности и возможности применения AGV-систем существенно расширились в последние годы. Их ключевым звеном являются разнообразные датчики, которые должны быть модульными и масштабируемыми, чтобы перемещение продукции стало безопасным, быстрым и прозрачным. Применение мобильных транспортных систем, с одной стороны, снижает риск ошибок и неполадок, а с другой — сокращает время каждого технологического этапа изготовления продукции.

Линейка датчиков SICK содержит решения как для небольших транспортных тележек, так и для автоматизированных транспортных средств, перемещающих тяжелые и опасные грузы [3]. Исключающие столкновение робокары должны двигаться по коридорам цехов (которые могут быть достаточно узкими) и не создавать угрозу столкновения с персоналом или оборудованием. Датчики SICK позволяют надежно защитить персонал и оборудование от столкновения, собирая необходимые данные для безошибочной и гибкой навигации робокаров. С их помощью возможно высокоскоростное перемещение грузов даже по искривленным траекториям. Надежное измерение скорости и направления движения с защитными устройствами SICK также сокращает количество устройств, подключенных к АТС.

Автоматическая транспортная система собирает следующую телеметрическую информацию для управления: вес груза, скорость перемещения, направление и ускорение движения, местоположение в цехе, пройденное расстояние, данные по сближению и т. д. Реализация задач навигации и позиционирования внутри помещения подразделяется на несколько аспектов:

• движение по направляющей линии;
• локализация, определение абсолютного положения ТС;
• контроль параметров движения ТС (скорость, наклон и др.).

Компания SICK предлагает сенсорные решения для решения всех трех задач.

Контроль движения по направляющей линии

Используя сканер линии, легко организовать автоматизированное перемещение робокаров в цехах предприятия. SICK создает решения на основе двух технологий: оптической и магнитной.

SICK OLS (Optical Line Sensor) — это оптические датчики для навигации автоматически управляемых транспортных средств и тележек, работающие на базе люминесцентной технологии. Источник излучения — синий светодиод 450 нм. Оптические датчики обнаруживают стандартные люминесцентные клейкие ленты вне зависимости от цвета пола, его материала, наличия загрязнений или дефектов поверхности. При отклонении от центральной оси полосы происходит срабатывание датчика с точностью 1 мм.

Технология применения клейкой ленты, предназначенной для создания маршрута движения транспортного средства, обеспечивает гибкость прокладки пути, радиус изгиба которого может составлять до 0,5 м. Кроме того, оптические датчики имеют возможность считывания 4-значного 1D-кода во время движения (он должен быть расположен перпендикулярно линии) и, следовательно, передачи информации о маршруте или команды управления при опасных ситуациях. Интерфейсы CANopen и Ethernet, а также встроенный веб-сервер помогают легко установить устройства и ввести их в эксплуатацию.

Датчики имеют широкую зону измерений — 180 мм, в которой могут быть размещены сразу три линии, что позволяет проводить их гибкую стыковку. В число пользовательских установок входит размер дефектной зоны ленты, которая может быть загрязнена или частично оторвана. Таким образом, дефекты поверхности не будут влиять на движение робокара.

Оптические датчики — это наиболее бюджетное решение для контроля линии, отвечающее требованиям надежности и гибкости (рис. 2).

Рис. 2. Оптические датчики контроля полосы OLS

Преимущества оптических датчиков линии:

• прочность и точность, нечувствительность к окружающему освещению, загрязнению или дефектам поверхности;
• независимость от материала или цвета поверхности;
• простота сдвига линии и изменения маршрута;
• поле считывания 180 мм (одновременно сканер может обрабатывать до трех линий), точность измерений 1 мм;
• считывание баркодов открывает возможность удаленной передачи данных или управляющих команд и упрощает управление транспортным средством;
• интерфейсы: CANopen и Ethernet TCP/IP;
• бюджетное решение по сравнению с камерами.

Помимо оптических датчиков контроля полосы, SICK предлагает и другое решение — магнитные датчики полосы MLS (рис. 3). Они не чувствительны к условиям окружающей среды, таким как яркий свет, конденсат или загрязнение линии. Если требуется использование невидимой линии, магнитная лента может быть установлена под поверхностью напольного покрытия.

Рис. 3. Датчики движения по магнитной полосе

Магнитные датчики полосы монтируются под углом 90° к магнитной линии и работают в диапазоне 100–1000 мм. Положение датчика передается на робокар по CANopen-интерфейсу. Благодаря широкой линейке устройств, имеющих длину корпуса 200–600 мм, они могут устанавливаться на различные модели транспортных средств.

Магнитные датчики распознают до трех линий, а положение кара и команды (такие как поворот на перекрестке, остановка, изменение скорости) могут быть закодированы с помощью боковых магнитных знаков.

Принципиальное отличие при выборе оптических или магнитных датчиков линии находится в сфере их применения — магнитные датчика наиболее устойчивы к экстремальным условиям эксплуатации.

Преимущества магнитных датчиков линии:

• простота установки, плоский дизайн корпуса, несколько моделей с разными рабочими диапазонами;
• высокий клиренс, дорожный просвет 10–50 мм;
• дифференциация направляющих линий, возможность пересечений, слияния линий;
• простое и надежное детектирование командных маркеров;
• разрешающая способность 1 мм, повторяемость 1 мм;
• интерфейс: CANopen.

Определение местоположения

Для решения задачи определения местоположения тележки используются датчики, которые передают абсолютное положение мобильной платформы. Локализация сетки может осуществляться с помощью 2D-кодов или свободных отражателей и контуров.

Рис. 4. GLS-сканеры матричного кода

GLS-сканеры (рис. 4) позволяют управлять ТС без привязки к линиям, что значительно расширяет свободу их перемещения [4]. Растровые матричные коды добавляются на пол в Y/X-проекции для локализации положения. Пересекая эти коды, GLS-сканеры динамически считывают их, что помогает транспортному средству определить его абсолютное положение (рис. 5).

Рис. 5. Лазерный сканер 2D TiM5xxx

Преимущества GLS-сканеров:

• рабочая область сканера: 120×90 мм;
• рабочее расстояние: 100–200 мм;
• интерфейсы: CANopen и Ethernet TCP/IP;
• калибровка датчика, тележки и баркода через общую систему координации;
• выходной сигнал положения и вращения в мм и градусах;
• автоматизированное фокусирование для простоты обслуживания.

Для портативных передвижных тележек удобно использовать навигацию на 2D-кодах. Поскольку размеры таких автоматизированных ТС невелики, то и к сканерам предъявляются требования портативности. Малогабаритные лазерные сканеры TiM5xx SICK [5] работают в диапазоне до 25 м, они сканируют контур помещения для определения местоположения. Выходные параметры измерений доступны оператору через Ethernet.

Сканеры TiM5 также предназначены для предотвращения столкновения с другими ТС, измерения и детектирования объектов, определения палет, мониторинга объектов в системе автоматизации зданий.

Преимущества сканеров TiM5xx:

• мониторинг площади до 1470 кв. м с помощью одного устройства;
• высокая стойкость к засветке благодаря HDDM-технологии;
• прочный корпус с защитой IP67;
• малая мощность потребления: 4 Вт;
• компактный дизайн корпуса с максимальной высотой 86 мм;
• встроенный интерфейс Ethernet;
• большой измерительный диапазон: 0,05–25 м;
• стандартный разъем подключения М12.

В тех случаях, когда данных измерений только контура или только отражателя недостаточно, используется совмещенная технология измерения обоих параметров. Она реализована в лазерных сканерах серии NAV3xx 2D LiDAR (рис. 6), имеющих неограниченные возможности пространственного ориентирования и способных работать как с естественным ландшафтом, так и с отражателями, что позволяет динамически изменять маршрут движения в компьютере ТС. Для определения абсолютного положения достаточно сканирования трех отражателей. Сканеры с высокой точностью измеряют контур, угол и расстояние внутри помещения при угле сканирования 360°. По каждому отражателю производится несколько измерений, которые преобразуются в точные координаты метки. Это позволяет сохранять точность данных позиционирования даже при изменении условий внешней среды.

Рис. 6. Лазерный 2D-сканер NAV3

Преимущества сканеров NAV3 [6]:

• смешанный режим измерений контура и отражателей;
• большой диапазон измерений до 70 м (с отражателями) или до 35 м с черными объектами;
• скоростной встроенный компьютер;
• угловое разрешение: до 0,1°;
• сбор данных по навигационным, пространственным и контурным параметрам, а также угловому положению и отражающим меткам.

В статье рассмотрено лишь одно направление разработок компании SICK по выполнению задач «Индустрии 4.0», а именно создание устройств для мобильных автоматизированных транспортных систем. Однако даже в рамках этой узкой тематики мы охватили только спектр продукции, решающей задачи навигации, локализации и управления движением. За пределами публикации остались решения, обеспечивающие безопасность движения и контроль нагрузки.