BUDOWA I ZASTOSOWANIE MODUŁOWEJ LINII PRODUKCYJNEJ

Transkrypt

1 BUDOWA I ZASTOSOWANIE MODUŁOWEJ LINII PRODUKCYJNEJ Marcin WIŚNIEWSKI, Katarzyna PETA, Arkadiusz PIETROWIAK, Olaf CISZAK Streszczenie W artykule omówiono budowę modułowej linii produkcyjnej zbudowanej na potrzeby stanowiska dydaktycznego w Laboratorium Modelowania Elastycznych Linii Produkcyjnych w Instytucie Technologii Mechanicznej Wydziału Budowy Maszyn i Zarządzania Politechniki Poznańskiej. Elementy składowe stanowiska odzwierciedlają aktualny stan techniki i są powszechnie stosowane w przemyśle. Takie rozwiązanie pozwala na prowadzenie zajęć dydaktycznych na tych samych urządzeniach zarówno dla studentów kierunków specjalistycznych, np. mechatronika, jak i wprowadzenia w metody zarządzania produkcją studentów kierunku zarządzania i inżynierii produkcji. W publikacji omówiono koncepcję zastosowania modułu (jako części linii produkcyjnej) oraz przykładową rekonfigurację linii. Przedstawiona modułowa linia produkcyjna umożliwia swobodne modelowanie i symulowanie procesów produkcyjnych. Słowa kluczowe moduł, modułowa linia produkcyjna, modelowanie i symulowanie procesów produkcyjnych 1. Wprowadzenie Moduł to jednostka o ustalonych wymiarach i cechach [1], dzięki czemu możliwe jest jego określenie jako elementu składowego modułowej linii produkcyjnej. To rozwiązanie ułatwia dokonywanie napraw, rozbudowywanie i rekonfigurację linii produkcyjnej. Systemy modułowe są projektowane, budowane i utrzymywane na podstawie obowiązujących zasad inżynierii, w szczególności tych odnoszących się do modułowości, umożliwiających wymienialność części składowych, dużą dostępność, zabezpieczenie przez zwielokrotnienie oraz tolerowanie uszkodzeń krytycznych części składowych [2]. W artykule omówiono koncepcję zastosowania modułu (jako części linii produkcyjnej) oraz przykładową rekonfigurację linii. Przedstawiona modułowa linia produkcyjna umożliwia swobodne modelowanie, symulowanie i badanie (testowanie) procesów produkcyjnych. 2. Budowa linii modułowej Do głównych elementów modułowej linii produkcyjnej należą (rys. 1): 1) moduł transportowy, 2) system sterowania i RFID, 3) aplikacje robotów przemysłowych IRB 140 i 4) centrum obróbcze FMS. Dodatkowym wyposażeniem są mobilne stacje procesowe. Moduł transportowy został wykonany w systemie przenośników TS2 firmy Bosch Rexroth AG o długości 3 m (podobne rozwiązania oferują firmy: Flexlink, Plastics Technology, MDT, DynaCon). Posiada wbudowaną szafkę sterowniczą (wyspę I/O rozproszone zasoby wejść/ wyjść systemu sterującego) z zamontowanym modułem komunikacyjnym ET 200S firmy Siemens AG. Dzięki temu możliwe jest dowolne konfigurowanie kształtu linii produkcyjnej: może występować w formie pojedynczego długiego transportera, kilku równoległych lub jako transportery pracujące w pętli zamkniętej. System połączeń między wyspami I/O obejmuje: obiektowe zasilanie sieciowe V + N + PE, obiektowe i systemowe zasilanie 24 V DC, pętlę awaryjną, zasilanie pneumatyki, magistralę sieciową Profinet i Profibus. Każdy moduł transportowy zawiera następujące elementy automatyki: sterowanie silnikiem transportera i bramkami stoperów, sterowanie i kontrolę pozycji siłownika windy, czujniki indukcyjne kontroli położenia palet, stację systemu identyfikacji palet dwie anteny RFID, rezerwowe zasoby wejść/wyjść dwustanowych 24 V DC [3]. Mobilne stacje procesowe wyposażone są w sterowniki PLC S firmy Siemens AG. Pracują one jako wyspy IWLAN i wykorzystują przemysłowy system komunikacji bezprzewodowej połączony z centralnym systemem sterowania. Linia produkcyjna posiada dwa stanowiska wyposażone w roboty przemysłowe IRB 140 firmy ABB Ltd. 9

2 2/2015 Technologia i Automatyzacja Montażu Rys. 1. Schemat budowy modułowej linii produkcyjnej Fig. 1. Schematic diagram of the modular production line Jeden współpracuje z systemem wizyjnym IVC-2D firmy SICK AG, który za pomocą dwóch wejść/wyjść dwustanowych synchronizuje pracę obu urządzeń, a za pomocą sieci Ethernet przekazywane są informacje o położeniu analizowanych elementów. Drugi z robotów został podwieszony do konstrukcji obejmującej dwa ciągi transportowe i obejmuje zasięgiem cztery stacje robocze [3]. Dodatkowo współpracuje z magazynem wymiany chwytaków firmy Schunk GmbH. Stanowiska zrobotyzowane są organizacyjnie podrzędne w stosunku do systemu transportu palet. Na centrum obróbcze FMS [4] składa się: 1) tokarka CNC typu MIRAC PC Denford, 2) frezarka CNC typu TRIAC PC Denford oraz 3) robot RV-M1 firmy Mitsubishi Electric Automation Inc. poruszający się po torze jezdnym umieszczonym wzdłuż modułu transportowego. Takie rozwiązanie pozwala na pobieranie materiałów wyjściowych z palet i transportowanie ich do tokarki lub frezarki w celu obróbki. Po jej zakończeniu robot odbiera części po obróbce i odkłada na paletę [5]. Wszystkie procesy są w pełni zautomatyzowane i programowane w lokalnych systemach sterowania (komputery z systemem FMS_Control, Denford Fanuc Milling i Turning 2.96), przy czym robot jest jednostką nadrzędną w stosunku do frezarki i tokarki, a podrzędną w stosunku do centralnego systemu sterowania linii produkcyjnej [6]. Centralna jednostka sterująca zarządza wszystkimi procesami zachodzącymi na linii produkcyjnej. Wyposażona jest w: 1) sterownik PLC S7-300, 2) panel operatorski TP1500 Comfort służący do podstawowej obsługi systemu oraz 3) stację operatorską PC [3]. Program sterujący oraz wizualizacja zostały wykonane w środowisku TIA Portal Totaly Integrated Automation V Rekonfiguracja linii modułowej Elementy wykonawcze zostały zdefiniowane w programie jako jednolite bloki funkcyjne [6]. Utworzono moduły dotyczące: 1) sterowania elementami wykonawczymi, 2) diagnostyki stanu pracy, 3) obsługi alarmów oraz 4) logiki sygnałów wejść/wyjść. Dla poszczególnych elementów zaprojektowano komponenty do wizualizacji ich pracy, a następnie wykonano widoki segmentów transportowych. Pozwala to (w przypadku rekonfiguracji linii modułowej) w prosty sposób zaktualizować główny ekran wizualizacji. Rekonfiguracja [7] struktury linii modułowej nastąpiła ze względu na przeniesienie jej do innego, większego pomieszczenia. Pierwotnie linia miała kształt kwadratu i składała się z dwunastu modułów transportowych (rys. 2). W pomieszczeniu docelowym jej kształt miał przypominać prostokąt o proporcji boku 1:3 (rys. 3). 10 TiAM_2_2015.indd :54:16

3 Rys. 2. Schemat pierwotnej konfiguracji linii produkcyjnej Fig. 2. Diagram of the original configuration of the production line Spowodowało to zmianę kolejności podłączania modułów transportowych i konieczność dokupienia dodatkowej windy (w celu zmiany kierunku transportowanych palet). Winda jako składnik modułu transportowego dostępna jest w ofercie firmy Bosch Rexroth AG. Dodatkowo odłączono jeden moduł transportowy, zachowano natomiast piętnaście stacji obróbczych. Kolejną czynnością było wprowadzenie zmian w głównym ekranie wizualizacji, zaprojektowanym w środowisku TIA Portal. Modułowa konstrukcja linii produkcyjnej oraz uniwersalny zapis programu sterującego umożliwiają w prosty i sprawny sposób dokonywanie zmian w kształcie linii i kolejności podłączania modułów transportowych. 4. Sterowanie i symulowanie procesów produkcyjnych Palety należy umieścić w module AS1 i załadować materiały/podzespoły niezbędne do wykonania kolejnych operacji lub gotowego wyrobu. Następnie wprowadza się do systemu dane o rodzaju produktu i kolejności wykonywania operacji na linii produkcyjnej (rys. 4 5) [3]. Informacje charakteryzujące stan każdej palety są przechowywane w elemencie pamięciowym systemu RFID zamontowanym na każdej z nich. Mogą być odczytane, zmienione oraz zapisane, gdy element pamięciowy RFID znajdzie się w zasięgu anteny RFID umieszczonej na stanowisku produkcyjnym [8]. Na palecie zapisywane są informacje o: numerze identyfikacyjnym palety i produktu, kolejności wykonywanych operacji i aktualnym stanie ich wykonania. Numer operacji wynika z przypisania go do danego modułu, np. operacja 142 oznacza, że jest ona przypisana do modułu 14. jako druga. Po wprowadzeniu danych przyciskiem Start uruchamiany jest cykl produkcyjny. Paleta zatrzymuje się tylko na zaprogramowanych wcześniej stacjach produkcyjnych (operacja = stacja produkcyjna). Każda z nich może być zdefiniowana jako: 1) symulacja stanowiska produkcyjnego paleta oczekuje określony czas; lub 2) jako rzeczywiste stanowisko z pracującym urządzeniem [8]. Po osiągnięciu przez paletę określonej stacji produkcyjnej system transportowy wysyła informację o jej dostarczeniu. Po jego odebraniu urządzenie wysyła kolejny sygnał, tym razem informujący system transportowy, że operacja jest w trakcie wykonywania. O jej zakończeniu powiadamia kolejny sygnał informacja zapisywana jest w pamięci systemu RFID. Następnie transporter przemieszcza paletę do kolejnej stacji, a urządzenie informuje o gotowości do kolejnego cyklu. Gdy zostaną wykonane wszystkie zaplanowane operacje, paleta przemieszcza się do segmentu AS2 będącego umownym końcem linii produkcyjnej. Po zdjęciu gotowego produktu, paleta jest gotowa do dalszej pracy. Operator może ponownie ją uzbroić (kasując informację o wykonaniu operacji i zatwierdzając przyciskiem START kolejny cykl produkcyjny) lub zmienić rodzaj produktu i zapisać nowe dane do pamięci RFID (algorytm programowania palety rys. 4). Trasa poruszania się palety w systemie transportowym wynika z kolejności wykonywania operacji na poszczególnych stacjach roboczych (rys. 6). W punktach węzłowych, gdzie zachodzi możliwość wyboru alternatywnych tras poruszania się palety, optymalna trasa wybierana jest automatycznie przez system, bądź wybierany jest określony kierunek transportu predefiniowany przez operatora [6]. Na modułowej linii produkcyjnej można symulować 15 stacji obróbkowych. Możliwość konfigurowania wyrobów i operacji pozwala dowolnie modelować oraz symulować krótkie i długie serie produkowanych wyrobów, testować nowe rozwiązania technologiczne i organizacyjne. Dodatkowo budowa modułowa pozwala szybko przekonfigurować linię i dostosować ją do nowego miejsca instalacji. Rys. 3. Schemat nowej konfiguracji linii produkcyjnej Fig. 3. Schematic of a new configuration of production line 11

4 2/2015 Technologia i Automatyzacja Montażu Rys. 4. Ekran i algorytm programowania palety Fig. 4. Screen and algorithm for programming palette Rys. 5. Ekran planowania operacji Fig. 5. Operation planning screen Rys. 6. Schemat przykładu trasy poruszania się palety Fig. 6. Example schematic of a pallets route 12

5 5. Podsumowanie Przedstawiona modułowa linia produkcyjna jako stanowisko badawcze zbudowane na Politechnice Poznańskiej umożliwia swobodne modelowanie, symulowanie i badanie (testowanie) procesów produkcyjnych. Ponadto opisane konfiguracje i opracowana koncepcja zastosowania modułu (jako części linii produkcyjnej) uwzględnia realizację zadań dydaktycznych. Powszechnie przyjmuje się, że maszyny i urządzenia, z których działaniem i obsługą zaznajamiani są studenci w trakcie zajęć, powinny odzwierciedlać aktualny stan wiedzy i techniki. W praktyce, ze względu na mnogość rozwiązań pochodzących od różnych producentów, trudno znaleźć system, którego zastosowanie mogłoby reprezentować większą liczbę dostępnych rozwiązań. Modułowa linia produkcyjna spełnia te oczekiwania, dzięki czemu możliwe jest kształcenie studentów na różnych kierunkach, np.: mechatronika, mechanika i budowa maszyn, zarządzanie i inżynieria produkcji oraz logistyka. LITERATURA [Online] %C5%9B%C4%87, [Online]. 3. Dokumentacja Techniczno-Ruchowa linii modułowej. 4. Mehrabi M.G., Ulsoy A.G., Koren Y.: Reconfigurable manufacturing systems: Key to future manufacturing. Journal of Intelligent Manufacturing, pp , Nieoczym A.: Kierunki automatyzacji procesów przemysłowych, Technologia i Automatyzacja Montażu, nr 1, 2001, pp [Online]. 7. Bi Z.M., Lang S. Y. T., Shen W., Wang L.: Reconfigurable manufacturing systems: the state of the art. International Journal of Production Research, pp. 1 26, Podręczniki i instrukcje programowania. Mgr inż. Marcin Wiśniewski Zakład Projektowania Technologii, Instytut Technologii Mechanicznej, Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, Poznań, tel , marcin.wisniewski@put.poznan.pl. Mgr inż. Katarzyna Peta Zakład Projektowania Technologii, Instytut Technologii Mechanicznej, Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, Poznań, tel Mgr inż. Arkadiusz Pietrowiak Zakład Projektowania Technologii, Instytut Technologii Mechanicznej, Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, Poznań, tel , arkadiusz.pietrowiak@put.poznan.pl. Dr hab. inż. Olaf Ciszak Zakład Projektowania Technologii, Instytut Technologii Mechanicznej, Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, Poznań, tel , olaf.ciszak@put.poznan.pl. CONSTRUCTION AND USE OF MODULAR PRODUCTION LINE Abstract The article discusses the construction of modular production line built for the purpose of teaching stand at the Laboratory of Modeling of Flexible Production Lines at the Institute of Mechanical Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Management, University of Technology. Laboratory stand components reflect the current technics state and are commonly used in the industry. This solution allows for a teaching provision on the same devices for students of different faculties: a specialized faculty like Mechatronik, as well for students of Management and Production Engineering, as the introduction of methods of production management. The paper discusses the concept of use of the module (as part of the production line) and sample line reconfiguration. Presented modular product line allows free modeling and simulation of manufacturing processes. Keywords module, modular production line, modeling and simulation of manufacturing processes 13