Principia cybernetica ´09

KONFERENCIA KATEDIER A ÚSTAVOV AUTOMATIZÁCIE A KYBERNETIKY STROJNÍCKYCH A TECHNOLOGICKÝCH FAKÚLT

UNIVERZÍT Z ČESKEJ A SLOVENSKEJ REPUBLIKY 2. – 4. 9. 2009

HERĽANY, SR

18-1

HIERARCHICKÉ RIADENIE DISTRIBU ČNEJ STANICE MPS

SYSTÉMU

Vojtech Siničák

Abstract: Systém MPS500 je komplexný edukačný systém určený pre výučbu v širokej oblasti automatizácie a riadenia. Článok popisuje realizáciu 3 stupňového hierarchického riadenia jednej zo staníc systému. Stručne popisuje MPS500 ako systém, štruktúru a využitie distribučnej stanice. A nakoniec realizáciu riadenia stanice na procesnej, supervíznej a informačnej úrovni riadenia. Abstrakt: 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. Key words: Modular production system, hierarchical control, algorithms of control, PLC, WinCC, visualisation, distant control via the Internet Kľúčové slová: Modulárny výrobný systém, hierarchické riadenie, algoritmus riadenia, PLC, WinCC, vizualizácia, vzdialené riadenie cez internet

ÚVOD

Pre zvyšovanie efektivity a konkurencieschopnosti výrobných závodov je veľmi dôležité zavádzanie takzvanej pružnej výroby. Čiže 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.

1. 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

Principia cybernetica ´09 KONFERENCIA KATEDIER A ÚSTAVOV AUTOMATIZÁCIE A KYBERNETIKY STROJNÍCKYCH A TECHNOLOGICKÝCH FAKÚLT UNIVERZÍT Z ČESKEJ A SLOVENSKEJ REPUBLIKY 2. – 4. 9. 2009 HERĽANY, SR

18-2

zahrňuje 4 základné vlastnosti, vyžadované pre súčasné moderné výrobné systémy. A to modularitu, flexibilitu, decentralizované riadenie a hierarchické riadenie.

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 napríklad distribučná a vstupná stanica, dopravník, procesná, testovacia stanica, montážna stanica, manipulačná stanica, triediaca stanica a automatizovaný sklad. (Obr. 2) Každá z týchto pracovných staníc 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. Napríklad ak je namiesto vŕtania potrebný iný výrobný proces ako napríklad

Principia cybernetica ´09

KONFERENCIA KATEDIER A ÚSTAVOV AUTOMATIZÁCIE A KYBERNETIKY STROJNÍCKYCH A TECHNOLOGICKÝCH FAKÚLT

UNIVERZÍT Z ČESKEJ A SLOVENSKEJ REPUBLIKY 2. – 4. 9. 2009

HERĽANY, SR

18-3

frézovanie. Jednoduchou výmenou procesnej vŕtacej stanice za frézovaciu stanicu. Súčasne nie je potrebné programovať celý výrobný systém, ale len vymenenú časť.

Obr. 3 MPS500 v jednej z možných konfigurácií

Decentralizované riadenie Každá zo staničiek, 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, 5)

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

Principia cybernetica ´09 KONFERENCIA KATEDIER A ÚSTAVOV AUTOMATIZÁCIE A KYBERNETIKY STROJNÍCKYCH A TECHNOLOGICKÝCH FAKÚLT UNIVERZÍT Z ČESKEJ A SLOVENSKEJ REPUBLIKY 2. – 4. 9. 2009 HERĽANY, SR

18-4

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

Obr. 7 Produkčná pyramída - 3 stupňová

Principia cybernetica ´09

KONFERENCIA KATEDIER A ÚSTAVOV AUTOMATIZÁCIE A KYBERNETIKY STROJNÍCKYCH A TECHNOLOGICKÝCH FAKÚLT

UNIVERZÍT Z ČESKEJ A SLOVENSKEJ REPUBLIKY 2. – 4. 9. 2009

HERĽANY, SR

18-5

2. 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

Principia cybernetica ´09 KONFERENCIA KATEDIER A ÚSTAVOV AUTOMATIZÁCIE A KYBERNETIKY STROJNÍCKYCH A TECHNOLOGICKÝCH FAKÚLT UNIVERZÍT Z ČESKEJ A SLOVENSKEJ REPUBLIKY 2. – 4. 9. 2009 HERĽANY, SR

18-6

¶ 12 pt

3. HIERACHICKÉ RIADENIE DISTRIBU ČNEJ 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)

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

Principia cybernetica ´09

KONFERENCIA KATEDIER A ÚSTAVOV AUTOMATIZÁCIE A KYBERNETIKY STROJNÍCKYCH A TECHNOLOGICKÝCH FAKÚLT

UNIVERZÍT Z ČESKEJ A SLOVENSKEJ REPUBLIKY 2. – 4. 9. 2009

HERĽANY, SR

18-7

Obr. 11 Schéma zapojenia pracovných prvkov

Obr. 12 Schéma zapojenia vstupov a výstupov do PLC

Principia cybernetica ´09 KONFERENCIA KATEDIER A ÚSTAVOV AUTOMATIZÁCIE A KYBERNETIKY STROJNÍCKYCH A TECHNOLOGICKÝCH FAKÚLT UNIVERZÍT Z ČESKEJ A SLOVENSKEJ REPUBLIKY 2. – 4. 9. 2009 HERĽANY, SR

18-8

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

Principia cybernetica ´09

KONFERENCIA KATEDIER A ÚSTAVOV AUTOMATIZÁCIE A KYBERNETIKY STROJNÍCKYCH A TECHNOLOGICKÝCH FAKÚLT

UNIVERZÍT Z ČESKEJ A SLOVENSKEJ REPUBLIKY 2. – 4. 9. 2009

HERĽANY, SR

18-9

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 vizuálizáciu výrobných procesov, alarmové hlásenia a celkový dispečerský dohľad nad výrobným procesom a komplexnými výrobnými systémami. (Obr. 15,16)

Obr. 15 Schéma supervíznej úrovne riadenia distribučnej stanice MPS systému

Obr. 16 Vizualizácia distribučnej stanice vo vývojovom prostredí WinCC

Informa čná 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

Principia cybernetica ´09 KONFERENCIA KATEDIER A ÚSTAVOV AUTOMATIZÁCIE A KYBERNETIKY STROJNÍCKYCH A TECHNOLOGICKÝCH FAKÚLT UNIVERZÍT Z ČESKEJ A SLOVENSKEJ REPUBLIKY 2. – 4. 9. 2009 HERĽANY, SR

18-10

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

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

Principia cybernetica ´09

KONFERENCIA KATEDIER A ÚSTAVOV AUTOMATIZÁCIE A KYBERNETIKY STROJNÍCKYCH A TECHNOLOGICKÝCH FAKÚLT

UNIVERZÍT Z ČESKEJ A SLOVENSKEJ REPUBLIKY 2. – 4. 9. 2009

HERĽANY, SR

18-11

hierarchické riadenie distribučnej stanice. Toto riešenie bolo použité v diplomovej práci absolventa študijného odboru automatizácie a riadenia v strojárstve.

LITERATÚRA

[1] KURIC, I. – KOŠTURIAK, J. – JANÁČ, A. – PETERKA, J. – MARCINČIN, J.: Počítačom podporované systémy v strojárstve, 1. vydanie, Žilina, EDIS 2002, 351 s., ISBN 80-7100-948-2

[2] PITEĽ, J.: Current trends in actuators for industrial robots. In: ICMaS : Proceedings of the International Conference on Manufacturing Systems : 13-14 November, 2008, Bucharest, Romania. Bucharest : University "Politehnica" of Bucharest, 2008. p. 199-202. ISSN 1842-3183.

[3] SVETLÍK, J. - DANESHJO, N.: Prehladová 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.

[4] RUSNÁK, J. - BEŇA, Ľ. - KOLCUN, M.: The usage of SOMA algorithm for the solution of optimisation problems in the electric power system control. In: Zeszyty naukowe Politechniki Opolskiej. Opole : Politechnika Opolska, 2006. p. 591-596. ISSN 1429-1533.

[5] DANESHJO, N.: Grafické podporné prostriedky pre projektovanie robotických systémov. In: Stretnutie ústavov a katedier výrobnej techniky a robotiky ČR a SR 2006: Zborník predstavení katedier a príspevkov účastníkov stretnutie: Konferencia: Košice, 29. – 30. máj 2006. Košice: TU-SjF, 2006. s. 19- 22. ISBN 80-8073-560-3.

Článok bol vypracovaný v rámci riešenia projektu VEGA č. 1/4072/07, VEGA č.

1/4075/07, VEGA č. 1/0559/08, VEGA č. 1/0383/09 a Agentúry na podporu výskumu a vývoja pod č. APVV-0385-07.