MONITORING MASZYN I LINII PRODUKCYJNYCH W KOMPUTEROWYM WSPOMAGANIU PRODUKCJI

Transkrypt

1 Piotr WONIAK 1, Paweł NASKRT 2, Waldemar BOJANOWSKI 3, P.P.P Technical, Nowa Sól 1. Wstp. W dzisiejszych czasach zarzdzanie przedsibiorstwem lub produkcj do swojego prawidłowego i optymalnego funkcjonowania potrzebuje szeregu istotnych danych. Dane te s zwizane z dostpnoci jak i stanem maszyn i urzdze znajdujcych si w danej firmie. Zbieranie na bieco tego typu danych umoliwiaj nowoczesne przemysłowe systemy informatyczne. Pierwsze przypadki zastosowania informatyki w zarzdzaniu przedsibiorstwem miały miejsce w latach szedziesitych. Koszt zakupu i eksploatacji stosowanych wówczas systemów i zwizane z nimi wymagania natury technicznej ograniczały zasig ich wykorzystania do duych firm. Uzyskiwane informacje dotyczyły jedynie zdarze przeszłych, i z tego powodu nie mogły by wykorzystywane do biecego zarzdzania firm czy te produkcj. Przełom nastpił w latach 80-tych, gdy pojawiły si mikrokomputery, spadły ceny sprztu i zmniejszyły si wymagania zwizane z jego eksploatacj. Poziom funkcjonalnoci dostpnego oprogramowania umoliwił uzyskiwanie realnych danych w sferze planowania działalnoci gospodarczej, a nie jak dotychczas tylko automatyzacj powtarzalnych czynnoci administracyjnych. Technologia komputerowego wspomagania zarzdzania stała si ogólnie dostpna. [1] Stopie złoonoci współczesnych systemów wspomagajcych zarzdzanie przedsibiorstwem lub produkcj zaley od liczby obejmowanych dziedzin tematycznych, liczby spełnianych funkcji i stopnia zautomatyzowania procesu decyzyjnego. Podstawowymi funkcjami systemu informatycznego zarzdzania s: ewidencjonowanie danych planistycznych, planowanie i prognozowanie, kontrola (ustalenie odchyle od norm, zada, planu), wieloprzekrojowa analiza, wspomaganie podejmowania decyzji, sterowanie i monitoring, sprawozdawczo. Jedn z tych funkcji, jak spełniaj w dzisiejszych czasach systemy informatyczne w zarzdzaniu produkcj, jest: sterowanie i monitoring. Czym jest sterowanie i monitoring? STEROWANIE jest to inaczej regulacja, która polega na takim oddziaływaniu na obiekt sterowany, za pomoc sygnałów wejciowych, aby jego sygnały wyjciowe osignły podan warto. MONITORING - oznacza regularne jakociowe i ilociowe pomiary zjawiska lub obecnoci substancji, przeprowadzane przez z góry okrelony czas. 1 mgr in. 2 in. 3 in. 129

2 Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze Oprogramowanie komputerowe do sterowania i monitoringu produkcji pozwala obserwowa na panelu operatorskim lub ekranie monitora cały proces wytwarzania produktu, take na bieco ledzi prac maszyn oraz ich parametrów. Najwaniejsz cech tych systemów jest bieca automatyczna analiza warunków niedopuszczalnych i szybkie dostarczenie tych informacji, w postaci alarmów, osobom bezporednio zaangaowanym w produkcj. Ze wzgldu na wysokie wymagania niezawodnociowe stawiane systemom komputerowej obsługi procesów technologicznych i eksperymentów badawczych oraz systemom zarzdzania informacj procesow, s one zaliczane do grupy zastosowa specjalnych. Systemy takie, powszechnie okrelane jako SCADA, składaj si z elementów odpowiedzialnych za kontakt z procesem oraz elementów odpowiedzialnych za wizualizacj, przetwarzanie i archiwizacj informacji procesowej (stacje i panele operatorskie) [2]. 2. Charakterystyka systemu SCADA. SCADA (ang. Supervisory Control and Data Aquisition) jest to oprogramowanie wykorzystywane do zbierania danych ze sterowanego procesu i przesyłajce je do centralnego komputera, w którym s wykorzystywane do zarzdzania i sterowania. Oprogramowanie SCADA cechuje si tzw. skalowalnoci, tj. moliwoci rozbudowy sprztowej i programowej bez koniecznoci dokonywania istotnych zmian w istniejcej strukturze (urzdze i programu). Do podstawowych funkcji oprogramowania SCADA nale: wizualizacja pracy procesu na obrazie synoptycznym, wybór i zadawanie parametrów technologicznych, sterowanie automatyczne, zdalne sterowanie wzłami technologicznymi, zezwalanie na sterowanie remontowe, alarmowanie o awariach i przekroczeniach parametrów technologicznych z podpowiedziami dla operatora. [3] Systemy SCADA dostpne s jako gotowe rozwizania, a nie jak wiekszo sytemów do zarzadzania produkcj pod ktem administracyjnym, które to opracowywane s pod konkretnego klienta i jego potrzeby. Oznacza to ich uniwersalno do współpracy i obsługi dowolnego procesu technologicznego. Przy stosowaniu sytemów typu SCADA wane jest, odpowiednie dopasowanie optymalnej sprztowej struktury automatyki jak i odpowiedniego skonfigurowania oprogramowania. Jako konfiguracji wpływa na realizm i jednoznaczno komputerowej wizualizacji procesu oraz na prawidłow odpowied systemu na zdarzenia wystpujce w kontrolowanym przez system procesie. 3. Funkcje sytemu umoliwiajcego sterowanie i monitoring procesu technologicznego. 3.1 Synoptyka (wizualizacja) procesu. Najpraktyczniejszym i zarazem najbardziej jednoznacznym sposobem elektronicznej wizualizacji aktualnego stanu procesu jest wywietlenie na ekranie panela operatorskiego lub ekranie monitora graficznej, animowanej mapy sygnałów na tle schematu technologicznego. W celu realistycznego przedstawienia procesu na ekranie monitora lub panelu operatorskiego stosuje si informacje w postaci koloru, trzeciego wymiaru, wiatłocienia a nawet rzeczywistych zdj poszczególnych maszyn lub urzdze. Podczas tworzenia aplikacji do wizualizacji danego procesu naley pamita, by tworzone ekrany były czytelne i jednoznaczne, ograniczajc ilo wywietlanych informacji do niezbdnego minimum. 130 Nowa Sól r

3 Gotowe systemy typu SCADA posiadaj ju gotowe biblioteki symboli aparaturowych (rys.1) co znacznie upraszcza i przyspiesza proces tworzenia synoptyki procesowej. Rys. 1 Gotowe obiekty graficzne w bibliotece symboli 3.2 Obliczenia w procesach wizualizacji. W nowoczesnym systemie automatyki podstawowe informacje o procesie dostarczaj pomiary natomiast aplikacja SCADA znaczco wzbogaca t informacj. Przetwarzanie to, polega na wyznaczaniu wartoci zmiennych wyliczalnych na podstawie m.in. wartoci pochodzcych z pomiarów. Zastosowanie zmiennych wyliczalnych moe przyczyni si do obnienia kosztów systemu automatyki, gdy pozwala na rezygnacj z niektórych pomiarów lub zastpienie ich pomiarami prostszymi. 3.3 Struktura skonfigurowanego sytemu. Obecny stan techniki transmisji danych umoliwia dowolne rozproszenie poszczególnych funkcji systemu. W wikszoci systemach automatyki wykonywanie pomiarów wykonywane jest przez komputer lub sterownik typu PLC, przetwarzanie oraz wizualizacja danych przez drugi komputer lub przystosowany do tego panel operatorski, natomiast cała archiwizacja danych moe by wykonywana na serwerze (trzeci komputer). Przykład takiej realizacji jest przedstawiony na (rys.2). Powszechne jest stosowanie wielu stacji nadzoru operatorskiego, zorganizowanych hierarchicznie. 131

4 Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze 3.4 Listy zdarze (alarmy). Rys. 2 Przykładowa struktura systemu W aplikacjach wizualizacyjnych alarmy słu do sygnalizowania niebezpiecznych stanów pracy urzdzenia. Rónego rodzaju systemy typu SCADA umoliwiaj wywietlanie dwóch typów alarmów - historycznych i biecych (rys. 3). Pierwsze z nich s przechowywane do czasu ich skasowania, zostaj zapamitane nawet po znikniciu przyczyn, które je wywołały. Druga grupa alarmów - alarmy biece s widoczne tylko w czasie, gdy trwaj stany je wywołujce. Kady z tych alarmów na licie opisany jest charakterystycznymi parametrami takimi jak: identyfikator, typ zmiennej, warto zmiennej w momencie wystpienia alarmu, data i czas wystpienia zdarzenia. Bezporednia i szczegółowa analiza zdarze umoliwia operatorowi podejmowanie właciwych decyzji. 132 Nowa Sól r

5 3.5 Trendy. Rys. 3 Okno do wywietlania alarmów biecych i historycznych. Trendy i grafy słupkowe (rys.4) umoliwiaj sprawniejsze i bardziej przejrzyste przekazanie informacji o relacji pomidzy dwoma lub kilkoma wybranymi zmiennymi procesowymi. Pozwala to m.in. na lepsz diagnostyk procesu i wykrycie nieprawidłowoci (np. oddziaływanie na siebie ptli regulacji). Naley zadba o to, eby nazwa i identyfikator grupy były odpowiednie do jej charakteru i składu. Opracowanie składu grup jest poyteczne zarówno do obserwacji procesu w czasie rzeczywistym, jak i na etapie analiz po-procesowych oraz rearchiwizacji danych procesowych. [4] Rys. 4 Ekran do wywietlania trendów 3.6 Archiwizacja danych. Przetworzone dane procesowe s okresowo archiwizowane (rejestrowane) w plikach dyskowych. Okres archiwizacji, wynoszcy typowo od 1 do 15 minut, powinien by dobrany do specyfiki procesu. Stosowanie krótkich okresów archiwizacji w procesach 133

6 Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze wolnozmiennych powoduje powstawanie informacji nadmiarowej. Z kolei zbyt rzadka archiwizacja moe prowadzi do bezpowrotnej utraty istotnych danych procesowych. Archiwum procesowe ma posta cigu tablic zawierajcych stany wszystkich zmiennych oraz sygnatury czasu pobrania próbek. Zapis archiwów realizowany jest najczciej przez specjalizowany komputer nazywany serwerem plików. [4] 4. Przykładowa aplikacja. W ramach planu inwestycyjnego, prowadzonego od dwóch lat przez jedn z renomowanych firm w Polsce z kapitałem zagranicznym, zajmujcej si wytwarzaniem urzdze wentylacyjnych, zaistniała potrzeba zautomatyzowania procesu odlewania poszczególnych czci wentylatorów ze stopu aluminium. Celem modernizacji czci odlewni było zaprojektowanie i stworzenie aplikacji pozwalajcej na całociowe sterowanie, kontrolowanie i monitorowanie dwóch procesów: proces przygotowania (regeneracji) masy formierskiej, proces przygotowania form odlewniczych. Pierwszy z tych procesów całociowo wykonywany jest na zespole maszyn takich jak: mieszarka, chłodziarka, sito obrotowe, przenoniki tamowe, oraz zespół zbiorników, zwanym stacj przerobu masy formierskiej. Proces przygotowania form odlewniczych realizowany jest za pomoc automatycznej linii formierskiej. Proces przygotowania form składa si z nastpujcych czynnoci: formowanie półformy dolnej i górnej, wykonanie otworu wlewowego i przelewowego w górnej półformie, złoenie formy, transport formy na stanowisko zalewania, chłodzenie zalanych metalem form, wybijanie odlewu z formy, rozdzielenie formy. Sterowanie powyej wymienionymi procesami zostało wykonane na dwóch osobnych swobodnie programowalnych sterownikach PLC firmy GE Fanuc. Proces przygotowania masy został wykonany na sterowniku typu GE Fanuc Natomiast proces sterowania lini formiersk wykorzystuje rozproszony układ o budowie modułowej jakim jest VersaPoint oraz układ centralny na bazie sterownika Oba systemy za pomoc sieci ethernet połczone s do panelu graficznego typu Quickpanel umieszczonego na głównym pulpicie sterowniczym. Panel jest wyposaony w system operacyjny Windows CE oraz kolorowy 12 calowy, dotykowy ekran. Na panelu zainstalowane jest licencjonowane oprogramowanie umoliwiajce obsług aplikacji typu SCADA. Proces przygotowania masy formierskiej polega na transporcie za pomoc zespołu przenoników tamowych oraz przenoników kubełkowych (elewatorów) masy zwrotnej do zbiorników głównych mieszarki. Podczas transportu masa zostaje poddana procesowi oczyszczania z kawałków metalu w sicie obrotowym. Nastpnie wykonywany jest pomiar temperatury masy, chłodzenie i nawilanie wstpne w chłodziarce fluidyzacyjnej. Ochłodzona masa trafia do zbiorników głównych umieszczonych nad mieszark. Mieszarka wyposaona jest w dwie wagi tensometryczne: waga masy zwrotnej i piasku, waga dodatków. W wadze masy zwrotnej zostaje wykonywane nawaenie masy zwrotnej, pomiar jej aktualnej temperatury i wilgotnoci oraz nawaenie piasku wieego. W wadze małej waony jest składnik dodatków (bentonit lub mieszanka). Nawaone składniki wpadaj do mieszarki gdzie, nastpuje mieszanie wszystkich dodatków oraz dozowanie wody. Po zakoczonym okresie mieszania zregenerowan mas za pomoc przenoników 134 Nowa Sól r

7 tamowych transportuje si w zalenoci od zapotrzebowania do zbiornika formierki linii automatycznej lub zbiornika formierni rcznej. Rys. 5 Ekran wizualizacyjny mieszarki Całym procesem operator mone sterowa za pomoc zainstalowanego panelu operatorskiego. Na poszczególnych ekranach panelu przedstawiony jest opisany proces technologiczny. Za pomoc systemu sterowania wykonywana jest kontrola prawidłowoci pracy poszczególnych maszyn i urzdze biorcych udział w procesie. Na panelu znajduj si przyciski do załczenia poszczególnych napdów oraz przedstawiony w sposób graficzny ich aktualny stan pracy. Na jednym z ekranów panelu umieszczone s stany alarmowe. W procesie przygotowania masy najistotniejsz spraw jest, by przygotowywana masa posiadała okrelone parametry zgodne z wybran przez operatora receptur. Główne załoenia jakie zostały osignite przy modernizacji stacji przygotowania masy to: uzyskanie okrelonych parametrów masy zgodnie z receptur. skrócenie czasu przygotowania masy wieej, sterowanie całym procesem z jednego miejsca, wizualizacja pracy poszczególnych maszyn biorcych udział w procesie, szybka lokalizacja wyłcze awaryjnych, kontrola i informacja o wyłczeniach remontowych, rejestrowanie zuytych materiałów do produkcji masy formierskiej, obnienie energochłonnoci, samokontrola stanów awaryjnych, moliwo wykonywania masy w trybie cyklicznym, kontrola napełnienia zbiorników ze składnikami, moliwo modyfikacji receptur. 5. Podsumowanie. Dziki obiektywnej ocenie przebiegu procesu, moliwa jest szybka diagnostyka nieprawidłowoci technologicznych, awarii i ich przyczyn. Podnosi to zarówno bezpieczestwo uytkowania obiektu, jak te minimalizuje kosztowne przestoje. Biece 135

8 Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze i po-procesowe statystyki trybologiczne pozwalaj na prognozowanie zuycia aparatury oraz racjonalne planowanie remontów i zapasów czci zamiennych. Systemy receptur oraz automatycznego załadunku i dozowania zagwarantuj powtarzalno procesu. Zmiany jakoci surowców lub zaburzenia warunków procesu mog by niwelowane przez mechanizmy zaawansowanego sterowania, w tym poprzez algorytmy optymalizacyjne. Cigła rejestracja przebiegu procesu, w tym sytuacji alarmowych, przekrocze technologicznych oraz awarii elementów systemu, wymusza na obsłudze zwikszenie odpowiedzialnoci oraz popraw jakoci pracy. Moliwo kształtowania uprawnie do ingerencji w proces połczona ze zwikszon liczb punktów nadzoru technologicznego, to take zwikszenie bezpieczestwa procesowego. Ingerencja w proces, realizowana z poziomu klimatyzowanego pomieszczenia, bez potrzeby docierania do miejsc odległych, trudnodostpnych i niebezpiecznych, zwiksza komfort obsługi. Jednoczenie, naturalny i intuicyjny sposób dostpu do informacji procesowej nie wymaga długiego szkolenia ani szczególnych kwalifikacji informatycznych personelu obsługi, ułatwiajc koncentracj szkolenia na problematyce procesowej. [5] 6. Literatura. 1. Abramowicz W. - Zintegrowane systemy informatyczne. 2. Rzepka M. Zintegrowane systemy zarzdzania produkcj. CHIP nr 11/96 3. Strona internetowa 4. Szymczak S. Komputerowa obsługa procesów technologicznych. 5. Chlebus E. Technika kombuterowa CAx w inynierii produkcji. 136 Nowa Sól r