5G技术在物流核心设备中的应用

2021-03-18 09:58:58
邢灵冰
文章摘要: 现代工业的迅速发展和日益激烈的市场竞争,对立体仓库技术提出了更高的要求。而巷道堆垛机、AGV等是整个自动化立体仓库系统的核心单机,其稳定性直接决定了立体仓库的运行效率。

5G技术具有高速度、低延时、高续航等特点。随着5G的快速发展,将与新型物流装备技术、大数据、区块链、智能制造等相结合,并积极应用到智能制造以及更加广泛的领域中。

现代工业的迅速发展和日益激烈的市场竞争,对立体仓库技术提出了更高的要求。而巷道堆垛机、AGV等是整个自动化立体仓库系统的核心单机,其稳定性直接决定了立体仓库的运行效率。这些传统设备的通讯均采用WIFI技术。由于WIFI技术本身的缺陷,存在易受干扰、易掉线等一系列问题,尤其是高架库中密集货品对WIFI信号的阻挡,也无法使设备稳定运行。而且随着物流技术应用的多样化和智慧化,比如需要加入视觉、信息读取等功能,对通讯带宽和通讯质量的要求就更高了。因此,一种全新的高稳定性、抗干扰能力强、应用范围广的通讯需求就显得尤为迫切。

一、5G网络的优势

5G通信应运而生,低时延、大带宽、大容量,以及无线蜂窝网络特有的高可靠、高安全、广覆盖能力等技术优势,将工厂车间、物流园区的人-机-料、点-线-场进行数字化、无线化改造。以便利用大数据、IoT、AR、AI等新兴技术,在信息化、自动化基础上,打造数字化、智能化方案。提高物流系统分析决策和执行效率,整合物流资源,融入工艺与流程,确保生产节拍。同时,5G无线通信方式实现工厂网络扁平化,进一步赋能柔性制造。5G蜂窝网络与传统WIFI的对比如表1。

表1 5G蜂窝网络与传统WIFI对比

二、5G技术应用场景

结合物流业务对通信要求的特征,将5G技术应用场景总结为四大类:

第一类:行业eMBB。基于5G大带宽的通信能力。

第二类:行业上行视频。基于视频与图像作业。

第三类:无线工业控制。基于5G低时延的实时控制。

第四类:5G感知技术。基于5G通信技术的感知和定位能力。

三、5G在核心物流设备的应用

1.AGV集群调度

AGV是物流行业目前最具自动化、智能化设备,也是发展最迅猛的技术,可见的方向是自主移动机器人AMR。电商分拣平台上,几百台AGV同时运行,如图1。AGV实时控制传输的数据量不大,但数据传输的频率很高,时延要求苛刻。

电商分拣正在运行的AGV

2.AGV协同控制

工业制造和搬运对象大小不一,重的物件达到几百吨,不可能为每种规格的物件设计一款AGV。多AGV协同搬运一个超大超重物件就很有必要,既减少AGV定制成本,又可以灵活组合复用,节约投资。超大设备组装时,比如飞机机翼,也需要多个AGV同步托举,物件的停放位置精度也受同步启停的影响。超大设备运动转弯时,编队成组的不同AGV需要执行不同的运动参数。

在多AGV协同搬运物件超重情况下,考虑到安全和惯性,需要多个AGV同步启停,否则会出现单一AGV独立超过负重,也就是对通信时延产生的命令到达时间差很苛刻。通信时延要控制在5~10微秒,以便留给机电伺服系统更充裕的时间。各AGV之间时钟同步也要求在1微秒。

3.AGV的云化控制

5G的上行大带宽、低延时使得AGV的云化视觉导航成为可能。将AGV本地摄像头数据上传,在云上进行计算处理,可以消除在每个AGV本地部署激光雷达、工控机GPU、购买算法license的大量硬件、软件成本。

视觉导航一般要求至少每100ms周期必须刷新上传一次视觉帧以及下发位置信息,以防碰撞。上传和下发的时延要控制在20ms以内。以便给云端的图像处理和位置计算留出宽裕的时间。

4.堆垛机C2C控制

堆垛机是自动化立体仓库的核心设备,通讯方式一般是采用有线通讯、红外通讯、WIFI。

有线通讯方式对电缆和布线要求极高,而且故障率高,应用极不方便。

红外通讯必须直线对准安装,在环境恶劣如粉尘多、照度差等条件下,数据传送的距离和可靠性较差,易出现数据传输中断等情况。

WIFI由于技术本身的缺陷,存在干扰、容量、掉线等一系列问题,尤其是高架库中密集货品对WIFI信号的阻挡,也无法使堆垛机稳定运行。运行中电气设备的数据采集和设备维护所需的大数据通信低带宽的通信能力更无法承载。5G无线通信将彻底消除以上问题。

堆垛机加入机器视觉,主要用工业相机。在出入库环节,对包装箱进行外观破损检测;在高架库放货环节,对货箱摆放姿态进行检测;在盘点、抽检环节,可以通过云视频实现在线实时盘点,安全高效。

视觉需要大数据上传,如果采用5G网络,2秒内可以将非压缩照片上传到边缘服务器,加上图片处理时间,可以满足3~4秒完成一个货品外观检测的节奏。目前主要的视觉堆垛机厂家已经启动内置5G通信模组的技术更新。

四、5G网络的建网要求

与MBB业务不同,物流场景的设备通信有以下几个典型特性(如表2):

表2物流场景设备通信的典型特性

1.超深度覆盖:高架库场景,巷道狭窄,货物密集,对信号穿透强度的要求高;

2.长距离无切换:物流设备在大型车间运行,需要300米内无切换;

3.切换带设计复杂:不同的车间格局和流程工艺要求下的切换带设计差异很大;

4.并发量超大:极端情况下,一个万平方米车间的物流设备,大概近万次/秒的并发通信。

五、5G终端选型建议

据GSA报告,到2019年10月,全球已发布的5G终端有172款,38款终端已经商用。到2019年11月,总计15款CPE进行发布或者商用。华为自2003年就开始大力投入通讯模组研发,至今已经有近二十年丰富经验,使能各行各业无线网络高速连接。2019年10月,华为发布MH5000 5G工业模组,售价999元。2020年,CPE的售价也会降到300美金以下。截止到2019年12月,典型几类已商用的5G模组和终端,如图2。

图2已商用的5G模组和终端

基于当前终端形态和物流场景,物流设备进行5G改造推荐使用的5G终端如表3。

表3物流设备5G改造推荐使用的5G终端

六、具体硬件架构实施图

5G应用场景中堆垛机、AGV等物流核心设备的逻辑控制器大多采用基于PC端的倍福PLC,5G终端选择华为CPE行业终端,双方为两个PLC标准设备提供了Ether CAT自动化协议,可实现第二层级的以太网通信,主从设备之间通过5G基站进行数据交换,对于特殊应用场景,引入移动边缘计算技术(MEC),如图3。

图3硬件架构实施图

七、结语

5G技术赋能工业互联网,推动信息化与工业化深入融合,为产业提供新动力。5G技术为传统物流产业的核心设备发展插上腾飞的翅膀,整合人工智能成果和大数据智慧,提高制造物流、仓储物流、场外物流移动信息化程度和运营管理效率、生产节拍。

信息化软件服务网 - 助力数字中国建设 | 责编:夏丽
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