Transfer inovácií 14/2009 2009

88

HIERARCHICKÉ RIADENIE DISTRIBUČNEJ STANICE MODULÁRNEHO VÝROBNÉHO SYSTÉMU

HIERARCHICAL CONTROL OF MODULAR PRODUCTION SYSTEM STATION

Ing. Vojtech Siničák Technická univerzita v Košiciach,

Strojnícka fakulta, Katedra biomedicínskeho inžinierstva,

automatizácie a merania, Letná 9, 040 01 Košice

e-mail: vojtech.sinicak@tuke.sk Abstrakt

Článok sa zaoberá hierarchickým riadením distribučnej stanice modulárneho výrobného systému MPS500. Systém MPS500 je komplexný edukačný systém určený pre výučbu v širokej oblasti automatizácie a riadenia. Článok stručne popisuje realizáciu 3 stupňového hierarchického riadenia jednej zo staníc, modulov systému. Stručne popisuje MPS500 ako systém, štruktúru a využitie distribučnej stanice. A nakoniec realizáciu hierarchického riadenia stanice na procesnej, supervíznej a informačnej úrovni riadenia. Popisované hierarchické riadenie stanice bolo realizované ako súčasť diplomovej práce absolventa študijného odboru Automatizácia a riadenie v strojárstva.

Kľúčové slová

Modulárny výrobný systém, hierarchické riadenie, algoritmus riadenia, PLC, WinCC, vizualizácia, vzdialené riadenie cez internet Abstract

The paper deals with hierarchical control of distribution station of modular production system MPS500. The system MPS500 is a complex educational system designated to teaching in wide field of automatization and control. The paper describes briefly realization of three-level hierarchical control in the case one of the stations and system modules. It describes MPS500 as a system, a structure and a use of distribution station. Finally, the article treats realisation of hierarchical control of the station on processing, supervising and information level of control. Describing hierarchical control of the station was realised within a diploma thesis of a student graduate at the specialization Automatization and Control in Mechanical Engineering. Key words

Modular production system, hierarchical control, algorithms of control, PLC, WinCC, visualisation, distant control via the Internet

ÚVOD

Pre zvyšovanie efektivity a konkurencieschopnosti výrobných závodov je veľmi dôležité zavádzanie pružnej výroby. Výroby, ktorá dokáže okamžite reagovať na podmienky na trhu a pri nízkych nákladoch pružne meniť výrobnú náplň a svoj profil. V súčasnosti dominuje zavádzanie takzvaných pružných výrobných systémov. Tie sú postavené na myšlienke modularity, flexibility, decentralizovaného riadenia a hierarchického riadenia. Z hľadiska výučby v oblasti automatizácie a riadenia výrobných systémov je dôležité, aby absolvent mal skúsenosti a praktické poznatky z pružnej výroby. Silným nástrojom pre realizáciu takejto výučby je MPS500 (Modular Production System), systém firmy FESTO Didaktika.

MODULÁRNY VÝROBNÝ SYSTÉM MPS500

Modulárny výrobný systém MPS500 firmy FESTO Didaktika je edukačný systém pre oblasť automatizácie a riadenia vo výrobe. (obr.1). Je to komplexný model pružného výrobného systému. Tento systém umožňuje kvalitný a presne cielený tréning a nácvik. A to v oblastiach ako je konštruovanie, údržba a diagnostika pneumatických a elektrických systémov, PLC programovanie, priemyselná komunikácia, automatizácia procesov, riadenie a programovanie robotov, hierarchické riadenie a iné. Edukačný model výrobného systému zahrňuje 4 základné vlastnosti, vyžadované pre súčasné moderné výrobné systémy. A to modularitu, flexibilitu, decentralizované riadenie a hierarchické riadenie. [1]

Obr. 1 Štruktúra MPS500

Modularita

MPS systém je postavený na modulárnom princípe. A to vo forme samostatných pracovných staníc. Typov staníc je množstvo typov ako napr. distribučná a vstupná stanica, dopravník, procesná, testovacia stanica, montážna stanica, manipulačná stanica, triediaca stanica a automatizovaný sklad.

Transfer inovácií 14/2009 2009

89

Každá z týchto pracovných staníc (obr.2) je samostatný plne funkčný systém z hardvérovým a softvérovým vybavením a vlastným riadením. Funkčným spájaním jednotlivých modulov (staničiek) sa vytvára ďalšia dôležitá vlastnosť moderných výrobných systémov a to flexibilita.

Obr. 2 Distribučná a montážna stanica (modul)

Flexibilita

Spájaním a funkčným prepojením jednotlivých pracovných staníc (modulov) sa vytvára pružný (flexibilný) výrobný systém podľa požiadaviek na výrobu (obr.3). Pri požiadavke na zmenu časti výrobného procesu nie je nutné vymeniť celý výrobný systém, ale len jeho časť. Napr. ak je namiesto vŕtania potrebný iný výrobný proces (napr. frézovanie), jednoduchou výmenou procesnej vŕtacej stanice za frézovaciu stanicu sa zabezpečí zmena. Súčasne nie je potrebné programovať celý výrobný systém, ale len vymenenú časť.

Obr. 3 MPS500 v jednej z možných konfigurácií

Decentralizované riadenie

Každá zo staníc, modulov má vlastný riadiaci systém napr. na báze PLC automatu. To zaručuje autonómnosť a funkčnosť riadenia. A zároveň celý proces riadenia zjednodušuje. Jednotlivé stanice medzi sebou vzájomné komunikujú na báze priemyselných zberníc a komunikačných protokolov. Typov a možností priemyselných zberníc je množstvo. Závisí od konkrétnych požiadaviek a jednotlivých výrobcov aké rozhrania podporujú. MPS500 systém podporuje priemyselná zbernice typu Profibus, Profinet, Priemyselný ethernet, MPI, ASi (obr.4).

Obr. 4 Schéma decentralizovaného riadenia

MPS500

Hierarchické riadenie

Riadenie komplexného výrobného systému je náročný proces, ktorý si vyžaduje systémový prístup. Preto sa postupne zaviedlo takzvané hierarchické riadenie, alebo ináč nazývané produkčné pyramídy. Najnázornejšie sú modely viacvrstvových pyramíd, ktoré sa v praxi používajú pod názvom produkčné pyramídy. Typov a rozdelení je niekoľko napr. firmy Allen Bradley (obr.5), Wonderware (obr.6). Najčastejšie však býva využitie 3 stupňového hierarchického riadenia, ktoré využíva napr. aj firma Molex v Kechneci (obr.7) .

Obr.5 Produkčná pyramída podľa Allen Bradley

Obr.6 Produkčná pyramída podľa Wonderware

Transfer inovácií 14/2009 2009

90

Obr.7 Produkčná pyramída - 3 stupňová

DISTRIBUČNÁ STANICA

Distribučná stanica je jedným z niekoľkých modulov systému MPS500. Jej primárnou funkciou je premiestňovanie súčiastok uskladnených v zásobníku stanice na inú stanicu. (obr.8).

Štruktúra stanice

• 2 činný priamočiary lineárny pneumatický piest, pohon.

• Kyvný (semirotačný) pneumatický pohon. • Ejector – výroba podtlaku, prísavnej sily. • Sucker – prísavka na kyvnom pohone. • Jednotka pre úpravu vzduchu. • Zásobník na súčiastky. • S7 300 PLC automat firmy Siemens. • EPneumatický ventilový terminál. • Snímače polohy v jednotlivých polohách

(mechanické, magnetické, optické). • HMI ovládací terminál. • 24V napájací zdroj. • Vozík + príslušenstvo.

Obr.8 Distribučná stanica MPS500 systému [5]

HIERACHICKÉ RIADENIE DISTRIBUČNEJ STANICE

Pri hierarchickom riadení distribučnej stanice, bola v danom prípade využitá 3-stupňová hierarchická štruktúra riadenia. A to riadenie na procesnej úrovni riadenia, supervízna úroveň riadenia a nakoniec informačná úroveň riadenia. Úlohou bolo realizovať funkčné hierarchické riadenie (obr. 9) [5].

Obr.9 Hierarchické 3 - stupňové riadenie

Procesná úroveň riadenia

Procesná úroveň riadenia, alebo ináč aj technologická úroveň riadenia. Riadenie na úrovni jednotlivých pohonov a pracovných prvkov. Priame ovládanie pracovných prvkov, pomocou PLC automatu a elektropneumatického ventilového ostrova. Realizované úlohy:

• Oboznámenie sa zo štruktúrou distribučnej stanice (príslušné HW a SW vybavenie) (obr.10).

• Schéma zapojenia pracovných prvkov (obr.11).

• Schéma zapojenia vstupov a výstupov pripojených k PLC S7300 (obr.12).

• Návrh algoritmu riadenia (sekvenčné programovanie – Grafcet diagram) (obr. 13).

• Programovanie PLC vo vývojovom prostredí STEP7 (obr.14).

• Simulácia úlohy v prostredí FluidSim a PLCSim.

• Testovanie, diagnostika a ladenie programu na distribučnej stanici.

Obr.10 Procesná úroveň riadenia distribučnej

stanice

Transfer inovácií 14/2009 2009

91

Obr.11 Schéma zapojenia pracovných prvkov

Obr.12 Schéma zapojenia vstupov a výstupov

do PLC

Obr.13 Zápis algoritmu riadenia (Grafcet diagram)

Obr.14 Vývojové prostredie STEP7

Supervízna úroveň riadenia Supervízna úroveň riadenia, alebo ináč aj dispečerská úroveň riadenia. Do supervíznej úrovne riadenia zaraďujeme prostriedky na riadenie, kontrolu a komunikáciu s výrobným procesom, kde využívame osobné počítače, rozhrania na komunikáciu človek - stroj, stroj –človek. Ide o takzvané HMI (Human Machine Interface). Ďalej vizualizačné softvéry napr. WINCC, InTouch, WebControl a iné. Tieto systémy nazývané aj SCADA/HMI systémy slúžia na vizualizáciu výrobných procesov, alarmové hlásenia a celkový dispečerský dohľad nad výrobným procesom a komplexnými výrobnými systémami (obr. 15,16) [2].

Obr.15 Schéma supervíznej úrovne riadenia

distribučnej stanice MPS systému

Transfer inovácií 14/2009 2009

92

Obr.16 Vizualizácia distribučnej stanice vo vývojovom prostredí WinCC

Informačná úroveň riadenia

Informačná úroveň riadenia, alebo ináč aj manažérska úroveň riadenia. Zahrňuje prostriedky na analyzovanie stratégie riadenia podniku, pričom využíva databázové servery, trendové grafy a štatistické výstupy. Jedná sa hlavne o prostriedky pre plánovanie a riadenie výroby takzvané MES, MRP systémy. Ďalej o logistické a vyhodnocovacie prostriedky. Pri riadení konkrétnej distribučnej stanice MPS systému, neboli tieto prostriedky využité. Avšak bol realizovaný diaľkový dohľad a riadenie s využitím globálnej informačnej siete Internet, serverovej technológie, webových technológií. A web kamery na prenos digitálneho obrazu z distribučnej stanice (obr. 17,18).

Obr.17 Schéma informačnej úrovne riadenia

Obr.18 Riadenie distribučnej stanice cez internet [5]

ZÁVER

Hierarchické riadenie je dôležitou súčasťou riadenia výrobných systémov. Preto je potrebné jeho zvládnutie a to na úrovni jednej pracovnej staničky, až po riadenie komplexného výrobného systému. Edukačný systém MPS500 je silným nástrojom, ktorý poskytuje priestor pre tréning a nácvik potrebných zručností v oblasti automatizácie a riadenia výrobných systémov. V tomto článku bolo stručne popísané realizované 3 stupňové hierarchické riadenie distribučnej stanice. Toto riešenie bolo použité v diplomovej práci absolventa študijného odboru automatizácie a riadenia v strojárstve.

LITERATÚRA [1] MPS The Modular Production System.

[online]. Festo, 2009. [citované 2009-04-30]. Dostupné na internete: < http://www.festo-didactic.com/us-en/products >.

[2] PERDUKOVÁ, D., FEDOR, P.: Riadiace a vizualizačné systémy. Košice: TU-FEI, 2006. ISBN 80-8073–486-0

[3] KOŠŤÁL, P.: Navrhovanie výrobných systémov z prvkov stavebnice MPS firmy FESTO: Vedecké spisy strojníckej fakulty. Košice: TU-SJF, 2008. 6 s. ISBN 978-80-8073-995-9

[4] Priemyselné komunikačné systémy. [online]. Bratislava : február 2009. [cit 2009-05-09]. Dostupné na internete: < http://www.kar.elf.stuba.sk/predmety/pkom/PKS_DS/Cv_2/02-01_SIMATIC.pdf >.

[5] SVETLÍK, J. - DANESHJO, N.: Prehľadová štúdia CAx technológií. In: TRANSFER 2008 : Využívanie nových poznatkov v strojárskej praxi: 10. medzinárodná vedecká konferencia, Trencín, 27.-28. November 2008. Trencín : Digital Graphic, 2008. 4 s. ISBN 978-80-8075-357-3.

[6] Peter Babjak.: Hierarchické riadenie distribučnej stanice MPS systému.: Diplomová práca 2009, TUKE,SjF,KBIAaM

Článok bol vypracovaný v rámci

riešenia projektu VEGA č. 1/0383/09.