POLITECHNIKA OPOLSKA

Transkrypt

1 POLITECHNIKA OPOLSKA Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Instytut Automatyki AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ w dyscyplinie Automatyka i Robotyka mgr inż. Krzysztof Franczok Problemy modelowania i sterowania procesami transportowymi w magazynie elementów produkcyjnych z wykorzystaniem zmodyfikowanej sieci Petriego Promotor: prof. dr hab. inż. Ryszard Rojek Recenzenci: prof. dr hab. inż. Stefan Domek prof. dr hab. inż. Jan Maciej Kościelny Opole, 2017

2 Autor składa serdeczne podziękowania Panu Profesorowi Ryszardowi Rojkowi za merytoryczną pomoc oraz cenne uwagi w trakcie realizacji rozprawy doktorskiej. Autor również pragnie podziękować Zarządowi Fabryki Maszyn ROTOX Sp. z o.o., z siedzibą w Pokoju k. Opola, za umożliwienie realizacji rozprawy doktorskiej.

3 Spis treści I. WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ I SKRÓTÓW II. SYLWETKA DOKTORANTA 1. UZASADNIENIE WYBORU TEMATU BADAWCZEGO DYSERTACJI TEZA ROZPRAWY DOKTORSKIEJ TREŚĆ POSZCZEGÓLNYCH ROZDZIAŁÓW PROBLEMY MODELOWANIA I STEROWANIA WYBRANYMI PROCESAMI W MAGAZYNIE ZASTOSOWANE METODY BADAWCZE WYNIKI PRZEPROWADZONYCH BADAŃ PODSUMOWANIE I WNIOSKI DOROBEK NAUKOWY AUTORA LITERATURA... 33

4 I. Wykaz ważniejszych oznaczeń i skrótów Rozwinięcie ważniejszych skrótów: CPU centralna jednostka wykonawcza (ang. Central Processing Unit) FTC sterowanie tolerujące uszkodzenia (ang. Fault Tolerant Control) IPN interpretowana sieć Petriego (ang. Interpreted Petri Net) MA magazyn automatyczny MHIPN zmodyfikowana hierarchiczna intepretowana sieć Petriego (ang. Modified Hierarchical Interpreted Petri Net PAC programowalny sterownik automatyki (ang. Programmable Automation Controller) PC komputer osobisty (ang. Personal Computer) PLC programowalny sterownik logiczny (ang. Programmable Logic Controller) PN sieć Petriego (ang. Petri Net) SFC sekwencyjny schemat funkcjonalny (ang. Sequential Function Chart) Wykaz ważniejszych oznaczeń d i(t) defekt jednostki wykonawczej e i(t) uchyb regulacji i-tego procesu F niepusty skończony zbiór łuków skierowanych F CPU stała zależna od użytej CPU F e niepusty, skończony zbiór łuków zezwalających F o niepusty, skończony zbiór łuków zabraniających In(t) zbiór miejsc wejściowych tranzycji t K zbiór podsieci, z których zbudowany jest model K funkcja hierarchii, określająca zbiór podsieci związanych z makromiejscem L alfabet lokalny L zmienna lokalna l(pi-j) ilość aktywności miejsca o numerze j w sieci Pi M Znakowanie sieci M(P) zbiór znakowań grupy sieci Petriego M 0 znakowanie początkowe mo funkcja znakowania początkowego N sieć Petriego N liczba procesów Out(t) zbiór miejsc wyjściowych tranzycji t P niepusty, skończony zbiór miejsc p i-j miejsce j w sieci i in(o) P t zbiór miejsc wejściowych tranzycji t out(o) P t zbiór miejsc wyjściowych tranzycji t S skończony, niepusty zbiór lokalnych i globalnych sygnałów wewnętrznych s funkcja etykietująca, przypisująca do węzłów wyrażenie blokady i zezwolenia T niepusty, skończony zbiór tranzycji t(pi-j) czas aktywności miejsca o numerze j w sieci Pi Te szacowany czas wykonania procedury t i(l,m) tranzycja z miejscem wejściowym l i miejscem wyjściowym m Ui(t) zbiór sygnałów sterujących i-tego procesu w i(t) liczba zleceń oczekujących na realizację Wi(t) zbiór wartości zadanych i-tego procesu y i(t) liczba zrealizowanych zleceń Yi(t) z i(t) δ η(p i-j) κ λ τ τ_i zbiór sygnałów wyjściowych i-tego procesu zakłócenie funkcja przyporządkowująca δ : T X (formuła logiczna cond) wskaźnik wykorzystania procesu funkcja pojemności miejsc, funkcja przyporządkowująca każdemu miejscu pewien podzbiór z przestrzeni wyjścia. funkcja przypisująca opóźnienia czasowe do węzłów sieci wartość progowa czasu, ω jest funkcją wagi łuków, ω: Fo N, wartość progowa ilości wykonanych zadań, σ k

5 II. Sylwetka doktoranta Doktorant Krzysztof Franczok ukończył w 2004 roku, z wynikiem bardzo dobrym, jednolite studia magisterskie na kierunku Elektrotechnika, na Wydziale Elektrotechniki Automatyki i Informatyki Politechniki Opolskiej. Po obronie pracy magisterskiej uzyskał tytuł magistra inżyniera elektryka, o specjalności Automatyka i Metrologia Elektryczna. W 2003 roku podjął pracę zawodową w Fabryce Maszyn ROTOX Sp. z o.o., gdzie od 2010 roku do chwili obecnej pełni obowiązki Głównego Automatyka Działu Badań i Rozwoju. W ramach rozwoju zawodowego brał udział w licznych szkoleniach z zakresu projektowania i programowania systemów sterowania maszyn numerycznych zarówno w kraju jak i za granicą,. W swojej dotychczasowej działalności zawodowej opracował i wdrożył szereg zaawansowanych projektów komputerowych systemów sterowania dla różnego rodzaju maszyn i urządzeń, m.in. centrów obróbczych i magazynów automatycznych. Urządzenia te prezentowane były na krajowych i międzynarodowych targach branżowych, w tym m.in.: Międzynarodowe Targi WinDoor-Tech 2013 w Poznaniu, Międzynarodowe Targi Branżowe Fensterbau Frontale 2014 w Norymberdze. Od 2010 roku zajmuje się problemami syntezy algorytmów i układów sterowania procesami dyskretnymi w systemach magazynowych i centrach obróbczych. Osiągnięcia naukowe związane z tymi zagadnieniami prezentowane były m.in. na XVIII Krajowej Konferencji Automatyki 2014 we Wrocławiu organizowanej przez Politechnikę Wrocławską pod auspicjami Komitetu Automatyki i Robotyki PAN, XIX Krajowej Konferencji Automatyzacji Procesów Dyskretnych 2014 w Zakopanem, a także na Międzynarodowej Konferencji Diagnostyki Procesów i Systemów DPS2015 w Ustce, sponsorowanej przez KAiR PAN. Wyniki uzyskane w trakcie prowadzonych prac badawczych, zostały opublikowane m.in. w czasopiśmie naukowym PAR, monografii Komitetu Automatyki i Robotyki PAN oraz w licznych materiałach konferencyjnych, a także zostały wdrożone w magazynach automatycznych produkowanych przez F.M. ROTOX Sp. z o.o. W latach doktorant dwukrotnie pełnił funkcję opiekuna stażu naukowego, realizowanego przez pracownika naukowego Politechniki Opolskiej, w ramach współpracy nauki i biznesu w zakresie wykorzystania sterownika rozmytego Takagi-Sugeno-Kanga do sterowania wybranymi procesami w magazynie. Doktorant jest współautorem wielu nowatorskich rozwiązań, w tym dwóch zgłoszonych do polskiego i europejskiego urzędu patentowego. Zwieńczeniem dotychczasowej pracy badawczej i zawodowej jest przygotowana dysertacja doktorska, pod tytułem Problemy modelowania i sterowania procesami transportowymi w magazynie elementów produkcyjnych z wykorzystaniem zmodyfikowanej sieci Petriego. Autoreferat rozprawy zawiera uzasadnienie celu i tematu, tezę oraz krótki opis struktury rozprawy. Szczególną uwagę zwrócono na teoretyczne i praktyczne znaczenie przeprowadzonych badań.

6 1. Uzasadnienie wyboru tematu badawczego dysertacji Magazynowanie stanowi jeden z ważniejszych pomocniczych procesów produkcyjnych [RUD2014-1, KOR2000]. Magazyny są ważnymi elementami łańcucha dostaw, w szczególności mają kluczowe znaczenie dla efektywnej realizacji procesów produkcyjnych. Od ich efektywności i niezawodności zależy wydajność całego procesu produkcyjnego, co ma istotny wpływ na wzrost wymiernych korzyści dla gospodarki. Celowym jest więc prowadzenie badań i wdrażanie zmodyfikowanych efektywnych algorytmów sterowania, prowadzących do poprawy tych cech magazynu. W magazynie realizowane są różnorodne procesy, w tym m.in.: dyskretne, sekwencyjne, współbieżne, ciągłe, o niepewnych parametrach. Proces przepływu towarów w realnych magazynach jest skomplikowany, opóźnienia dostaw są zmienne, a zapotrzebowanie zmienia się w sposób dynamiczny [ABR2016]. Mimo, że magazyn jest powszechnie postrzegany przede wszystkim jako obiekt logistyczny, problematyka sterowania procesami zachodzącymi w nim ma ścisły związek z zagadnieniami automatyki i robotyki [IGN2013, CHO2015, ORL2016, LEŚ2016]. W rozprawie podjęto problem badawczy dotyczący usprawnienia procesów transportowych zachodzących w magazynie, które obejmują procesy ruchowe i manipulacyjne realizowane przez autonomiczne jednostki wykonawcze systemu magazynowego. Proponuje się przy tym alternatywne do znanych metod podejście do modelowania i implementacji układów sterowania tymi procesami z wykorzystaniem odpowiednio zmodyfikowanej sieci Petriego. Zaproponowane w 1962 roku przez Carla Adama Petriego [PET1962] sieci, tzw. sieci Petriego, stanowią efektywne narzędzie do modelowania układów sterowania sekwencyjnymi i współbieżnymi procesami dyskretnymi [REI1988, MUR1989, LAS2012, KAR2012, SKO2013]. Zastosowanie sieci Petriego stanowi również wygodne narzędzie do modelowania przepływu materiałów w magazynie [ŁEB2007, KOW2011] oraz procesów ruchowych w transporcie, w szczególności w aspekcie bezpieczeństwa ruchu [SKO2011, SKO2013]. Istotną zaletą zastosowania sieci Petriego jest możliwość przeprowadzenia weryfikacji formalnej zaprojektowanych układów sterowania, polegającej na sprawdzeniu struktury i podstawowych własności behawioralnych sieci [LAS2012]. Istotny problem badawczy podjęty w rozprawie dotyczy integracji układu diagnostycznego z układem sterowania. Jednym z oczekiwań stawianych nowoczesnym układom sterowania jest zdolność do dynamicznej rekonfiguracji, której celem jest zwiększenie elastyczności i niezawodności systemów sterowania [DBBF2016, VOGL2016]. Proponowane podejście polega na wykorzystaniu zdecentralizowanej struktury układu sterowania do wykrywania uszkodzeń wielokrotnych, pomimo prowadzenia diagnostyki zakładającej uszkodzenia pojedyncze w ramach poszczególnych podsystemów [KOŚ2015]. Wykorzystanie własności strukturalnych zmodyfikowanej sieci Petriego zaproponowanej w rozprawie pozwala na prowadzenie w czasie rzeczywistym skutecznej diagnostyki zarówno układu sterowania, jak i sterowanego procesu. Analizowane w czasie rzeczywistym 2

7 sygnały, pochodzące bezpośrednio z układu sterowania, umożliwiają jego dynamiczną rekonfigurację. Kluczowe znaczenie w procesie projektowania układów sterowania procesami dyskretnymi ma rodzaj platformy realizacyjnej, dla której projektowany jest układ. Wiele własności charakterystycznych dla wybranej platformy sprzętowo-programowej można wykorzystać do poprawy działania algorytmów sterowania, o ile własności te zostaną odpowiednio uwzględnione w procesie projektowania [AND2003, AND2007, GNI2010, FRA2014-1, FRA2014-4, FRA2015-1]. Do realizacji układów sterowania procesami dyskretnymi dobrze nadają się nowoczesne i coraz powszechniej stosowane w przemyśle sterowniki klasy softplc. Są to systemy czasu rzeczywistego (hard real time), których platformę sprzętową stanowią komputery PC (PC based control) [OPR2006-2, OPR2007]. Ze względu na potrzebę zastosowania opracowanych układów sterowania w realnych magazynach przeznaczonych dla zakładów przemysłowych, zdecydowano się wykorzystać sterownik tej klasy jako sprzętowo-programową platformę do sterowania magazynem. W literaturze przedmiotu można spotkać opisy różnych metod implementacji modeli sieci Petriego w zależności od zastosowanej platformy sprzętowo-programowej [WĘG2003, AND2003, WĘG2010, ADA2007, WĘG2003, SEI2008, SEI2012, FRE2000, KLE2003, MIN2002, AND2003, AND2007, GNI2009-1, AND2007]. Jednak programy utworzone z wykorzystaniem dostępnych metod charakteryzują się szeregiem ograniczeń i trudności w zastosowaniu praktycznym. Jednym z wielu istotnych utrudnień jest konieczność przekształcenia modelu algorytmu z postaci sieci Petriego do postaci logicznej przed jego implementacją w sterowniku PLC [FRE2000, GNI2010, KLE2013]. Po przekształceniu modelu w postaci sieci Petriego do postaci logicznej tracona jest informacja o strukturze sieci. W rezultacie utworzony program może być pozbawiony niektórych własności strukturalnych i behawioralnych modelu. Ponadto każda modyfikacja modelu wymaga ponownego przekształcenia go do postaci logicznej. Proponowana w rozprawie metoda modelowania i implementacji układów sterowania pozwala na bezpośrednie przekształcenie modelu do postaci programu z zachowaniem jego struktury i własności behawioralnych. Problemy sterowania i synchronizacji procesów dyskretnych w środowisku sterowników PLC stanowią wciąż otwarte zagadnienie. W szczególności dotyczy to problemów związanych z zapewnieniem niezawodności i elastyczności układów sterowania. Obszerny przegląd literatury krajowej i światowej wskazuje na niedostatek publikacji, poruszających te zagadnienia w aspekcie implementacji uzyskanych układów sterowania w środowisku sterowników PLC. Dostrzegalna jest zatem luka, którą można wypełnić poprzez zaproponowanie nowego podejścia do implementacji układów sterowania procesami dyskretnymi w środowisku sterowników PLC, uzyskując przy tym zdolność układów sterowania do autodiagnostyki i rekonfiguracji dynamicznej. W rozprawie podjęto próbę rozwiązania tego problemu, a rezultaty przedstawiono m.in. w publikacjach [FRA2014-1, FRA2014-3, FRA2014-5, FRA2015-1]. 3

8 Proponowana metoda modelowania pozwala na bezpośrednią implementację odpowiednio zmodyfikowanej sieci Petriego w środowisku sterowników PLC. Ponadto modyfikacja interpretowanej sieci Petriego pozwala na modelowanie złożonych układów sterowania procesami dyskretnymi w sposób umożliwiający uproszczenie struktury sieci Petriego. W rezultacie możliwe jest przekształcenie zaprojektowanego i zweryfikowanego modelu do postaci programu dla sterownika PLC, z zachowaniem jego własności strukturalnych i behawioralnych. Przed uruchomieniem zaprojektowanych układów sterowania w realnym magazynie, celowym jest przeprowadzić badania poprawności działania tych układów w środowisku symulacyjnym. Opracowana metoda projektowania umożliwia przeprowadzenie takich badań i przez to pozwala usprawnić proces projektowania poprawnych układów sterowania i diagnostyki. Zastosowanie zmodyfikowanej sieci Petriego i instrukcji CASE OF języka strukturalnego do realizacji układów sterowania procesami dyskretnymi pozwala na stworzenie programu dla sterownika PLC charakteryzującego się: przejrzystą strukturą, możliwością szybkiej analizy pracy algorytmu, większą efektywnością wykorzystania zasobów procesora sterownika PLC, możliwością realizacji zadań diagnostycznych w czasie rzeczywistym, zdolnością do automatycznej rekonfiguracji systemu w celu dopasowania do aktualnych warunków pracy. Niniejsza dysertacja stanowi podsumowanie prac badawczych wykonanych w odpowiedzi na potrzebę weryfikacji poprawności algorytmów i programów opracowanych dla usprawnienia procesów w rzeczywistych magazynach elementów produkcyjnych oraz ich realizacji praktycznej w zakładach produkcyjnych. Praca ma charakter teoretyczny, praktyczny i eksperymentalny. Wyniki prowadzonych prac badawczych zostały wykorzystane w licznych wdrożeniach magazynów elementów produkcyjnych w kraju i za granicą. Wdrożenia, badania i modyfikacje poszczególnych algorytmów, zarówno w środowisku symulacyjnym jak i w rzeczywistych obiektach, zostały zrealizowane w ramach pracy autora w Dziale Badań i Rozwoju Fabryki Maszyn ROTOX Sp. z o.o. z siedzibą w Pokoju k. Opola. 4

9 2. Teza rozprawy doktorskiej Motywacją do podjęcia pracy badawczej stały się wymagania: poprawy efektywności pracy magazynu elementów produkcyjnych, opracowania metody modelowania i syntezy algorytmów sterowania procesami współbieżnymi i sekwencyjnymi, pozwalającej na prototypowanie, weryfikację poprawności oraz implementację algorytmów w środowisku sterowników PLC, w sposób szybszy i efektywniejszy od znanych metod, opracowania metody autodiagnostyki układów sterowania, prowadzącej do osiągnięcia przez te układy zdolności do wykrywania, zapobiegania oraz tolerowania uszkodzeń (Fault-Tolerant-Control), a także dynamicznej rekonfiguracji układu sterowania realizowanej w czasie rzeczywistym, obniżenia zapotrzebowania mocy obliczeniowej procesora sterownika PLC do realizacji złożonych algorytmów sterowania oraz zwiększenie szybkości realizacji tych algorytmów, poprzez skrócenie czasu cyklu sterownika. Uwzględniając aktualny stan wiedzy oraz czynniki motywujące do podjęcia tematu, w rozprawie podjęto próbę udowodnienia następującej tezy: Sterowanie wybranymi procesami dyskretnymi sekwencyjnymi i współbieżnymi zachodzącymi w magazynie elementów produkcyjnych można zrealizować w sposób efektywny za pomocą algorytmów zaprojektowanych z wykorzystaniem zmodyfikowanej sieci Petriego. Z powyższej tezy wynika następujący cel pracy: Celem badań jest opracowanie metody modelowania i syntezy algorytmów sterowania procesami dyskretnymi w magazynie elementów produkcyjnych oraz komputerowego wspomagania procesów decyzyjnych dla poprawy efektywności pracy magazynu. Dla udowodnienia tezy i osiągnięcia celu pracy zrealizowano zaplanowany zakres prac, który obejmuje: analizę procesów zachodzących w magazynie jako obiekcie sterowania, charakterystykę procesów dyskretnych i zadań realizowanych przez magazyn elementów produkcyjnych, analizę osobliwości procesów i ich wpływ na wybór metody sterowania, ocenę możliwości wykorzystania sieci Petriego do modelowania i sterowania procesami zachodzącymi w magazynie, propozycję modyfikacji sieci Petriego w celu zastosowania do modelowania algorytmów sterowania realizowanych w środowisku PLC, z wykorzystaniem instrukcji CASE OF języka strukturalnego ST, rozszerzenie algorytmów sterowania o zadania diagnostyczne, implementację w środowisku sterowników PLC, algorytmów sterowania procesami oraz diagnostyki poprawności ich realizacji w magazynie elementów produkcyjnych, realizację praktyczną systemu sterowania. 5

10 3. Treść poszczególnych rozdziałów Struktura pracy obejmuje osiem rozdziałów. Rozdział pierwszy ma charakter wprowadzający. Omówiono w nim problematykę pracy. Omówiono ogólne uwagi na temat problemów modelowania i sterowania systemów technicznych oraz potrzeby diagnozowania poprawności ich pracy. Wskazano na korzyści dla gospodarki, wynikające z poprawy efektywności pracy układów sterowania procesami dyskretnymi zachodzącymi w magazynie elementów produkcyjnych. Sformułowano tezę pracy. Przedstawiono także jej cel i zakres. W rozdziale drugim przedstawiono charakterystykę magazynu elementów produkcyjnych jako obiektu sterowania. Omówiono wybrane procesy dyskretne zachodzące w magazynie oraz ich osobliwości, mające wpływ na wybór metody sterowania. Przedstawiono zadania i problemy związane z realizacją wybranych procesów dyskretnych zachodzących w magazynie. W trzecim rozdziale zestawiono podstawowe informacje dotyczące sieci Petriego oraz dokonano przeglądu stanu wiedzy w zakresie możliwości ich zastosowania do modelowania procesów dyskretnych i realizacji algorytmów sterowania. Omówiono dostępne metody oceny poprawności algorytmów zaprojektowanych z wykorzystaniem sieci Petriego. W dalszej części rozdziału przedstawiono koncepcję formalnego opisu zmodyfikowanej sieci Petriego. Modyfikacja sieci umożliwia modelowanie algorytmów sterowania wybranymi procesami dyskretnymi zachodzącymi w magazynie, przeznaczonych do realizacji w środowisku sterowników PLC. Szczególny nacisk położono na rozwiązanie problemów sterowania procesami współbieżnymi. Rozdział czwarty zawiera szczegółowy opis sposobu przekształcania modelu algorytmu sterowania z postaci zmodyfikowanej sieci Petriego do postaci programowej z wykorzystaniem wybranych własności instrukcji CASE OF języka strukturalnego. W piątym rozdziale zaprezentowano sposób realizacji programowej algorytmów sterowania w postaci zmodyfikowanej sieci Petriego z wykorzystaniem instrukcji CASE OF języka strukturalnego. W rozdziale szóstym przedstawiono propozycję integracji układu sterowania z układem diagnostycznym, której celem jest poprawa skuteczności wykrywania stanów awaryjnych. Omówiono problemy odporności układów sterowania na uszkodzenia. Podkreślono ważność zadań diagnozowania układów sterowania oraz detekcji stanów awaryjnych. Przeprowadzono przegląd znanych metod diagnostyki procesów, ze szczególnym uwzględnieniem ważnego kierunku rozwoju układów sterowania tolerujących uszkodzenia (ang. Fault-Tolerant -Control). Rozdział siódmy zawiera przykład realizacji praktycznej algorytmów sterowania wybranymi procesami dyskretnymi zachodzącymi w magazynie. Omówiona została metodyka badania efektywności zaprojektowanych algorytmów, zarówno z wykorzystaniem symulacji komputerowej, jak i w warunkach rzeczywistych. Omówiono wyniki badań zrealizowanych w środowisku symulacyjnym oraz w rzeczywistym magazynie. Wykazano, że wykorzystanie zmodyfikowanej sieci 6

11 Petriego pozwala na zachowanie przejrzystej i hierarchicznej struktury algorytmu sterującego, a także umożliwia efektywne wykorzystanie zasobów sterownika programowalnego PLC. Ósmy rozdział zawiera podsumowanie przeprowadzonych prac oraz wnioski z dokonanych badań. Przedstawiono również planowany kierunek dalszych prac badawczych. 7

12 4. Problemy modelowania i sterowania wybranymi procesami w magazynie Osobliwości wybranych procesów dyskretnych zachodzących w magazynie W rozdziale drugim dysertacji szczegółowo przeanalizowano osobliwości rozpatrywanych procesów zachodzących w magazynie elementów produkcyjnych (rys.4.1). W rezultacie opracowano zestaw problemów związanych z realizacją tych procesów, które można podsumować następująco: na przebieg procesów zachodzących w magazynie istotny wpływ ma sposób współdziałania operatora z maszyną, wybrane procesy zachodzące w magazynie realizowane są cyklicznie i współbieżnie, pewne procesy decyzyjne muszą uwzględniać zdefiniowane priorytety, jednoczesna realizacja procesów składowania i wydawania elementów może prowadzić do występowania kolizji, występujące duże zróżnicowanie cech elementów produkcyjnych ma znaczący wpływ na efektywność realizacji zadań, procesy realizowane w magazynie można podzielić na takie, które są realizowane samodzielnie przez określoną jednostkę transportową i procesy realizowane przy współpracy z inną jednostką transportową. Do rozwiązania postawionych zadań proponuje się zastosowanie systemu nadrzędnego jako mechanizmu zabezpieczającego realizację współbieżną procesów załadunku i rozładunku (rys. 4.2). Zadaniem tego systemu jest monitorowanie w czasie rzeczywistym pozycji wózków transportowych oraz etapów realizowanych przez nie operacji. Aby system nadrzędny mógł spełniać swoją rolę, sygnały wyjściowe y 1 (t) oraz y 2 (t) muszą zawierać informację zarówno o liczbie wykonanych załadunków i rozładunków, ale także informację o aktualnych etapach poszczególnych zadań elementarnych, realizowanych przez jednostki wykonawcze. W oparciu o te informacje system nadrzędny powinien generować odpowiednie sygnały sterujące, wpływające na sposób realizacji zadań przez poszczególne jednostki wykonawcze. Do poprawnego funkcjonowania proponowanego układu sterowania wymagana jest możliwość akwizycji w czasie rzeczywistym, informacji o etapach realizacji poszczególnych procesów cząstkowych. Niezbędna jest również możliwość wpływania przez układ sterowania na sposób realizacji tych procesów. 8

13 Rys.4.1. Magazyn w układzie 2WG+4WP [źródło: opracowanie własne]

14 Rys.4.2. Schemat blokowy układu sterowania procesem załadunku i rozładunku [źródło: opracowanie własne]

15 Wobec tego w rozprawie podjęto próbę opracowania nowej metody modelowania złożonych układów sterowania procesami dyskretnymi, w oparciu o znane metody modelowania oraz własności sieci Petriego. Założono, że metoda ta powinna umożliwiać: odwzorowanie struktury obiektu w strukturze algorytmu, oddzielenie nadrzędnych, globalnych algorytmów decyzyjnych od algorytmów lokalnych, właściwych dla poszczególnych jednostek wykonawczych, akwizycję w czasie rzeczywistym informacji o aktualnym etapie realizacji poszczególnych procesów, implementację różnej klasy algorytmów decyzyjnych, działających w oparciu o informacje otrzymywane w czasie rzeczywistym z systemu sterowania, projektowanie i rozszerzenie algorytmów sterowania w kierunku zapewnienia poprawy poszczególnych procesów, a w szczególności minimalizacji wpływu czasów bezczynności (oczekiwania na dostęp do zasobów) na efektywność pracy magazynu, przeprowadzenie formalnej weryfikacji zaprojektowanych modeli układów sterowania z wykorzystaniem znanych metod, implementację opracowanych algorytmów w środowisku sterowników PLC, w sposób pozwalający zachować strukturę i własności dynamiczne modelu, poprawę odporności układu sterowania na zakłócenia i awarie, poprzez wykorzystanie gromadzonych w czasie rzeczywistym i archiwizowanych informacji o stanie systemu, do dynamicznej rekonfiguracji struktury układu sterowania magazynem. Modyfikacja hierarchicznej interpretowanej sieci Petriego Opracowanie autorskiej metody modelowania oraz implementacji układów sterowania procesami dyskretnymi sekwencyjnymi i współbieżnymi o strukturze hierarchicznej stanowi jedno z istotniejszych osiągnięć rozprawy. W metodzie tej wykorzystano opracowaną przez autora dysertacji zmodyfikowaną hierarchiczną interpretowaną sieć Petriego MHIPN (ang. Modified Hierarchical Interpreted Petri Net) (4.1), której szczegółowy opis podano w rozdziale trzecim rozprawy: MHIPN={P i, T i, F, m o, X, Y, δ, λ, S, s, K, k, τ} (4.1) gdzie : P i - niepusty, skończony zbiór miejsc (np. P i ={p i-1,p i-2, p i-j }) taki, że: i numer sieci j numer miejsca w sieci T i - niepusty, skończony zbiór tranzycji (np. T i ={t i(1-2),t i(2-3),,t m-n }) taki, że: P T=, i numer sieci, m numer miejsca wejściowego tranzycji, n numer miejsca wyjściowego tranzycji, F - niepusty, skończony zbiór łuków skierowanych, takich że: F=F o F e F i, F o : zbiór łuków zwykłych F o (P T) (T P) oraz f Fo : ω(f) 0, F e : zbiór łuków zezwalających F e (P T) oraz f F e : ω(f)= 0, F i : zbiór łuków zabraniających F i (P T) oraz f F i : ω(f)= 0 11

16 m o - funkcja znakowania początkowego m o : P N {0} X - alfabet wejściowy, Y - alfabet wyjściowy, δ - funkcja przyporządkowująca każdej tranzycji pewien podzbiór z przestrzeni wejścia. δ : T X λ - funkcja przyporządkowująca każdemu miejscu pewien podzbiór z przestrzeni wyjścia. λ : P Y S - skończony niepusty zbiór lokalnych i globalnych sygnałów wewnętrznych s - funkcja etykietująca, przypisująca do węzłów wyrażenie blokady i zezwolenia, budowane z elementów S. K - zbiór podsieci, z których zbudowany jest model k - funkcja określająca hierarchię podsieci związanych z makromiejscem τ - funkcja przypisująca opóźnienia czasowe dla węzłów sieci, Rys Model układu sterowania w postaci trzypoziomowej sieci hierarchicznej [źródło: opracowanie własne] 0409 Wprowadzenie modyfikacji do sieci Petriego pozwala na modelowanie systemów współbieżnych o wielu poziomach hierarchii i dużej liczbie procesów realizowanych współbieżnie (rys.4.3). Wówczas tak zmodyfikowana sieć nadaje się do modelowania układów sterowania systemów składających się z wielu rozproszonych autonomicznych jednostek wykonawczych. Ponadto zastosowanie struktury hierarchicznej pozwala na czytelne rozdzielenie funkcji realizowanych na różnych poziomach systemu sterowania. Podział procesów współbieżnych na procesy sekwencyjne, reprezentowane przez podsieci automatowe, pozwala w istotny sposób uprościć analizę i weryfikację poprawności algorytmu sterowania z wykorzystaniem znanych metod [LAS2012, KAR2008, SZP2008, WĘG2003]. Dodatkową zaletą proponowanego sposobu modelowania systemów sterowania jest możliwość monitorowania w czasie rzeczywistym aktualnego znakowania każdej sieci i podsieci. Informacja o aktualnym znakowaniu wszystkich podsieci automatowych może służyć racjonalizacji pracy całego systemu, przez zastosowanie algorytmów decyzyjnych. Algorytmy te, wykorzystujące informacje o aktualnym znakowaniu sieci Petriego, można wykorzystać do sterowania zmianą zachowania się systemu, poprzez zastosowanie takich metod, jak wywłaszczenie czy zmiana priorytetów dla realizacji procesów. 12

17 Implementacja układu sterowania w środowisku sterowników PLC W rozdziale czwartym dysertacji szczegółowo przedstawiono reguły przekształcania uzyskanego modelu układu sterowania w postaci zmodyfikowanej sieci Petriego do postaci programu dla sterownika PLC. Wykorzystano przy tym charakterystyczny dla sterowników PLC sposób przetwarzania programu oraz własności instrukcji CASE OF języka strukturalnego. Zaproponowane reguły pozwalają na przekształcenie poszczególnych fragmentów zmodyfikowanej sieci Petriego do postaci programu z zachowaniem w programie własności strukturalnych i behawioralnych modelu. Zastosowanie łuków zezwalających (rys. 4.4) i zabraniających (rys. 4.5) umożliwia realizację procesów współbieżnych w układach sterowania o strukturze hierarchicznej. Należy podkreślić, że opracowane reguły obowiązują zarówno w przypadku zastosowania klasycznych sterowników PLC jak i urządzeń sterowania nowej generacji klasy PAC (ang. Programmable Automation Controller). Rys.4.4. Realizacja łuku zezwalającego [źródło: opracowanie własne] 0518 Rys.4.5. Realizacja łuku zabraniającego [źródło: opracowanie własne] 0519 Integracja układu diagnostycznego z układem sterowania Zastosowanie sieci MHIPN do modelowania układów sterowania procesami dyskretnymi, połączone z realizacją programową modeli w sterowniku PLC, z wykorzystaniem instrukcji CASE OF, pozwala na pozyskanie informacji o stanie układu sterowania i realizowanych procesów bezpośrednio z układu sterowania. Monitoring aktualnego znakowania każdej sieci i podsieci Petriego realizowany w czasie rzeczywistym, w połączeniu z możliwością wpływania na wybór alternatywnych wariantów pracy systemu, daje możliwość automatycznej rekonfiguracji układu sterowania. W rozprawie zaproponowano trzy mechanizmy diagnozowania, które pozwalają na: 13

18 lokalizację usterki, wczesne wykrywanie zmian w układzie sterowania mogących prowadzić do awarii, równomierne wykorzystanie jednostek wykonawczych. Lokalizacja przyczyn zatrzymania realizacji procesu dyskretnego Lokalizacja przyczyny zatrzymania procesu dyskretnego realizowana jest w oparciu o analizę wartości zmiennych p i-j, zawartych w zbiorze znakowań M(P) (4.2). Zbiór ten zawiera pełną informację o aktualnym stanie wszystkich realizowanych współbieżnie procesów i umożliwia badanie dynamiki zmian ich stanu w funkcji czasu. M(P) = {m(p 1-j ), m(p 2-j ), m(p 3-j ),, m(p n-j ) } (4.2) gdzie : m(p 1-j ), m(p 2-j ), - zmienne określające aktywne miejsce j, w sieciach P 1,P 2, P 3 i P n m(p 3-j ), m(p n-j ) W wyniku analizy informacji zawartych w zbiorze M(p) można jednoznacznie, w czasie rzeczywistym, określić aktywne miejsca w sieciach Petriego, stanowiących modele procesów (rys.4.6). Rys.4.6. Przykładowy diagram aktywności miejsc w wybranych sieciach Petriego [źródło: opracowanie własne] Diagnostyka oparta na monitorowaniu czasu aktywności miejsc w sieci Petriego Pomiar czasu aktywności określonych miejsc w sieci Petriego reprezentowanych przez wartości zmiennej p i-j, i porównanie go z czasem wzorcowym pozwala stwierdzić, czy proces realizowany jest planowo, czy też nastąpiło jego spowolnienie lub całkowite zatrzymanie (rys.4.7). Jeśli czas aktywności miejsca w sieci przekracza kolejne zdefiniowane progi czasowe, określone wartościami τ, następuje wykonanie działania układu diagnostycznego określonego zależnością (4.3): SP(i,j) = 0 < t(p i j ) τ 1 SP i j = 0 (stan normalny) τ 1 < t(p i j ) τ 2 SP i j = 2 (stan ostrzegawczy) τ 2 < t(p i j ) τ 3 SP i j = 3 (stan bliski awarii) (4.3) τ 3 < t(p i j ) SP i j = 4 (stan awarii) { 0 < τ 1 < τ 2 < τ 3 gdzie: τ i wartość progowa czasu, t(p i-j ) czas aktywności miejsca P o numerze j, w sieci P i. 14

19 Rys.4.7. Przykładowa charakterystyka czasu ruchu tłoczyska [źródło: opracowanie własne] Diagnostyka oparta na pomiarze stopnia wykorzystania jednostek wykonawczych W celu oceny stopnia wykorzystania jednostek wykonawczych, zlicza się krotności wystąpienia aktywności określonych miejsc p i-j w sieci Petriego. Wskaźnik l(p i-j ), określający liczbę krotności pozwala określić, które jednostki wykonawcze wykonały więcej operacji, a tym samym wymagają przeprowadzenia określonych prac konserwacyjnych. W rezultacie eliminuje się zbędne czynności konserwacyjne i ogranicza koszty eksploatacji. SP(i,j) = { 0 < l(p i j ) σ 1 SP i j = 0 (stan normalny) σ 1 < l(p i j ) σ 2 SP i j = 2 (przegląd podstawowy) σ 2 < tl(p i j ) σ 3 SP i j = 3 (przegląd rozszerzony) σ 3 < l(p i j ) SP i j = 4 (remont) 0 < σ 1 < σ 2 < σ 3 15 (4.4) gdzie: σ k wartość progowa ilości wykonanych zadań, l(p i-j ) ilość aktywności miejsca P o numerze j, w procesie i. W zależności od tego, który próg σ k zostanie przekroczony, następuje odpowiednio zdefiniowane działanie algorytmu decyzyjnego. Realizacja praktyczna algorytmów sterowania dla wybranych procesów dyskretnych w badanym rzeczywistym magazynie Układ sterowania zrealizowano dla rzeczywistego magazynu wyposażonego w dwa wózki główne WG oraz cztery wózki pomocnicze WP (rys.4.1). Otrzymany układ sterowania (rys.4.8). ma strukturę hierarchiczną o trzech poziomach hierarchii: poziom I - nadrzędny system (układ) decyzyjny, poziom II - układy sterowania procesem (załadunku, rozładunku), poziom III - układy realizacji zadań podstawowych (WG,WP). Nadrzędny system decyzyjny odpowiada za koordynację pracy układów sterowania procesami załadunku i rozładunku. W oparciu o informacje w postaci zbioru sygnałów Y(t), pochodzące z układu sterowania, wpływa na sposób realizacji tych procesów. Fragment modelu algorytmu sterowania magazynem z dynamiczną rekonfiguracją w postaci zmodyfikowanej sieci Petriego przedstawia rysunek 4.9

20 Rys.4.8. Schemat układu sterowania magazynem szyb zespolonych [źródło: opracowanie własne] 16

21 Rys.4.9. Fragment modelu układu sterowania magazynem z dynamiczną rekonfiguracją [źródło: opracowanie własne] 17

22 5. Zastosowane metody badawcze Metodyka badania efektywności zaprojektowanych algorytmów Układy sterowania opracowane z wykorzystaniem sieci MHIPN można zweryfikować w sposób formalny, wykorzystując w tym celu znane z literatury metody, omówione w rozdziale trzecim rozprawy. Jednak, gdy celem jest kompleksowe badanie systemów transportu i przepływu materiałów w magazynie z uwzględnieniem ich dynamiki, celowym jest wykorzystanie metod symulacji komputerowej [KARK2010, KARK2014] oraz eksperymentów przeprowadzonych w rzeczywistych warunkach przemysłowych. Jeżeli modele obiektów są opracowane z wymaganą dokładnością, to wyniki badań przeprowadzonych z obiektem rzeczywistym powinny okazać się w dużej części potwierdzeniem wyników osiągniętych w drodze badań symulacyjnych [TAR2013]. Rozpatrywane w pracy układy sterowania zostały zaimplementowane w środowisku Twincat 2.11 firmy Beckhoff [BECKHOFF]. Środowisko to umożliwia symulację programu w warunkach zbliżonych do rzeczywistych. a) b) Rys.5.1. Schemat realizacji symulatora pracy magazynu [źródło: opracowanie własne] 0501 Jako kryterium oceny efektywności pracy magazynu przyjęto liczbę wprowadzonych i wydanych elementów produkcyjnych w jednostce czasu pracy przy określonej pojemności magazynu [SCHU2008]. Na proces magazynowania składają się dwa procesy cząstkowe: proces załadunku i proces rozładunku, które realizowane są cyklicznie. 18

23 Eksperyment symulacyjny podzielono na trzy części, w których oceniono efektywność pracy: rzeczywistego i symulowanego magazynu szyb zespolonych wyposażonego w dwa wózki główne WG i cztery wózki pomocnicze WP (rys.6.1), symulowanego magazynu szyb zespolonych po odłączeniu dwóch wózków pomocniczych WP (rys.6.3), symulowanego magazynu szyb zespolonych po odłączeniu jednego wózka głównego WG (rys.6.5). W ramach przeprowadzonego eksperymentu badano czas trwania poszczególnych cykli każdego z procesów zarówno w warunkach rzeczywistych jak i w środowisku symulacyjnym. Otrzymane rezultaty obejmują: liczba przyjętych i wydanych z magazynu szyb w jednostce czasu, średnie czasy wykonania cykli procesu załadunku i procesu rozładunku, Dla celów realizacji badań symulacyjnych opracowany został autorski program, który stanowi uproszczony model rzeczywistego magazynu. Na model ten składają się modele poszczególnych jednostek wykonawczych oraz urządzeń stanowiących wyposażenie tych jednostek. W ten sposób sygnały pochodzące z obiektu rzeczywistego zastąpiono sygnałami symulowanymi. Zarówno program sterujący magazynem jak i program symulacyjny, wykonywane są w tym samym zadaniu (ang. task) sterownika PLC (rys. 5.1). W ten sposób sygnały pochodzące z obiektu rzeczywistego zastąpiono sygnałami symulowanymi. Platforma symulacyjna Do przeprowadzenia badań symulacyjnych wykorzystano interfejs użytkownika, przygotowany z wykorzystaniem środowiska Twincat PLC Control. Interfejs przedstawia schemat magazynu (rys. 5.2.) i umożliwia monitorowanie przebiegu procesów magazynowania. Wszystkie badania symulacyjne przeprowadzono z wykorzystaniem sprzętu komputerowego tożsamego ze stosowanym do sterowania rzeczywistym magazynem, tj. komputera typu C firmy Beckhoff wyposażonego w: system operacyjny Windows 7 Ulitmate 32bit, system czasu rzeczywistego Twincat NC PTP Runtime w wersji , środowisko programistyczne Twincat PLC Control w wersji

24 Rys.5.2. Wizualizacja platformy symulacyjnej w środowisku Twincat 2.11 [źródło: opracowanie własne]

25 6. Wyniki przeprowadzonych badań Ocena poprawności i efektywności pracy algorytmu sterowania z wykorzystaniem symulatora i rzeczywistego obiektu W pierwszym etapie badanie przeprowadzono dla wybranej konfiguracji magazynu w środowisku symulacyjnym (rys.5.2). W kolejnym etapie przeprowadzono badanie w rzeczywistym magazynie, pracującym w warunkach produkcyjnych. W obu przypadkach wykorzystano taką samą konfigurację jednostek wykonawczych oraz ten sam układ sterowania. Wyniki badań wykonanych w środowisku symulacyjnym oraz w magazynie rzeczywistym zestawiono w tabeli 6.1. Rys.6.1. Schemat sprawnego magazynu elementów produkcyjnych. [źródło: opracowanie własne] 0870 Rys.6.2. Układ sterowania magazynu elementów produkcyjnych. [źródło: opracowanie własne] 21

26 Uzyskane wyniki wskazują na występowanie różnić w działaniu układu sterowania w środowisku symulacyjnym i w warunkach rzeczywistych. W środowisku symulacyjnym średni czas cyklu załadunku jest dłuższy niż w warunkach rzeczywistych o 8,7%, a jednocześnie średnia liczba szyb wprowadzonych do magazynu w ciągu jednej godziny w warunkach symulacyjnych jest o 40% wyższa niż w realnym magazynie. Pozorna sprzeczność wynika z różnicy warunków otoczenia w jakich przeprowadzane były badania. W przypadku procesu rozładunku średnia wartość czasu cyklu rozładunku w warunkach symulacyjnych i rzeczywistych jest podobna. Jest to spowodowane tym, że zarówno w środowisku symulacyjnym, jak i w realnym magazynie, w jednym cyklu rozładunku wydawana była zawsze taka sama liczba szyb, a na sposób realizacji procesu rozładunku nie ma wpływu sposób pracy operatora magazynu. Jednocześnie liczba szyb wydanych w ciągu godziny w warunkach rzeczywistych jest niższa o 48% w stosunku do liczby szyb wydanych w warunkach symulacyjnych. Powodem takiego stanu, jest sposób wysyłania żądań wydania szyb z magazynu. W warunkach symulacyjnych żądania były wysyłane cyklicznie w taki sposób, by lista dyspozycji wydań w 2 (rys. 6.1) zawierała zawsze co najmniej dwie dyspozycje. W warunkach rzeczywistych lista w 2 nie zawsze zawiera dyspozycje wydań, na co wpływ ma nierównomierna praca operatora magazynu. Tabela 6.1. Konfiguracja 1 - podstawowa (2 wózki główne i 4 wózki pomocnicze) Proces załadunku Magazyn symulowany [s] n=4 22 Magazyn rzeczywisty [s] n={2,3,4} Średni czas realizacji jednego cyklu załadunku (dla n szyb w jednym cyklu) 61,43 56,05 Odchylenie standardowe Liczba szyb wprowadzonych podczas jednej godziny pracy magazynu Proces rozładunku Średni czas realizacji jednego cyklu rozładunku (dla n szyb w jednym cyklu). Odchylenie standardowe Liczba szyb wydanych podczas jednej godziny pracy magazynu 16,57 14, Magazyn symulowany [s] n=2 Magazyn rzeczywisty [s] n=2 24,58 28,23 8,80 8, W wyniku badań porównawczych przeprowadzonych w środowisku symulacyjnym i w rzeczywistym magazynie można wnioskować, że badania przeprowadzone w środowisku symulacyjnym pozwalają na wiarygodną ocenę przebiegu cykli procesów załadunku i rozładunku w zakresie, w którym procesy te nie są zależne od sposobu pracy operatora magazynu. Wyniki badań przeprowadzonych w środowisku symulacyjnym pozwalają zatem na ocenę efektywności magazynu, możliwej do uzyskania w przypadku prawidłowej obsługi strefy składowania magazynu przez personel. Stanowi to istotną zaletę opracowanego środowiska symulacyjnego, gdyż umożliwia obiektywną ocenę działania układów sterowania. W warunkach rzeczywistych ocena efektywności układów sterowania jest bardzo trudna z uwagi na zmienny w czasie wpływ personelu obsługującego.

27 Rekonfiguracja układu sterowania magazynem Kolejnym etapem badania było przeprowadzenie symulacji wyłączenia z eksploatacji poszczególnych jednostek wykonawczych i zbadanie wpływu takiego działania na efektywność magazynu. Wyłączenie jednostek wykonawczych może nastąpić w wyniku awarii lub planowanych prac konserwacyjnych. W pierwszym badaniu wyłączono z eksploatacji dwa wózki pomocnicze WP, po jednym po każdej stronie magazynu (rys. 6.3). Po przemieszczeniu wózków pomocniczych do strefy remontowej i ich wyłączeniu z eksploatacji, układ sterowania natychmiast rozpoczął realizację procesów załadunku i rozładunku z wykorzystaniem pozostałych, dostępnych wózków pomocniczych. Po odłączeniu dwóch wózków pomocniczych powtórzono badanie efektywności magazynu. W wyniku przeprowadzonej próby stwierdzono obniżenie o 9,4%, średniej liczby szyb wprowadzonych do magazynu oraz obniżenie o 10,2%, średniej liczby szyb wydanych z magazynu w ciągu jednej godziny, w stosunku do magazynu z aktywnymi wszystkimi wózkami pomocniczymi (tabela 6.2). Tabela 6.2. Konfiguracja 2 - z wyłączonymi dwoma wózkami pomocniczymi. Proces załadunku Średni czas realizacji jednego cyklu załadunku (cztery szyby w jednym cyklu) Magazyn symulowany [s] 2WG+2WP (rys.7.25) Magazyn symulowany [s] 2WG + 4WP (rys.7.23) 64,19 61,43 Odchylenie standardowe 16,05 16,57 Liczba szyb wprowadzonych podczas jednej godziny pracy magazynu Proces rozładunku Średni czas realizacji jednego cyklu rozładunku (dwie szyby w jednym cyklu). Odchylenie standardowe Liczba szyb wydanych podczas jednej godziny pracy magazynu Magazyn symulowany [s] 2WG+2WP (rys.7.25) Magazyn symulowany [s] 2WG + 4WP (rys.7.23) 26,27 24,58 8,11 8, Rys.6.3. Schemat magazynu elementów produkcyjnych z wyłączonymi wózkami WP. [źródło: opracowanie własne] 0 23

28 Rys.6.4. Układ sterowania magazynu elementów produkcyjnych. [źródło: opracowanie własne] 0823 Kolejne badanie przeprowadzono dla przypadku, gdy w magazynie wyłączono z eksploatacji jeden z dwóch wózków głównych WG (rys.6.5). W rezultacie układ sterowania przełączył się w tryb pracy z wykorzystaniem jednego wózka głównego. Realizacja procesu załadunku i rozładunku przebiegała naprzemiennie. Przełączenie układu sterowania nastąpiło automatycznie, zgodnie z wprowadzoną regułą postępowania. W takim układzie jednostek wykonawczych powtórzono badanie liczby szyb oraz średniej wartości czasu ich załadunku i rozładunku. Otrzymane wyniki wskazują na zmniejszenie liczby szyb wprowadzonych do magazynu w ciągu jednej godziny o 45,8% i zmniejszenie liczby szyb wydanych z magazynu w ciągu jednej godziny o 47,7% (tabela 6.3). Rys.6.5. Schemat magazynu elementów produkcyjnych z wyłączonym wózkiem WG [źródło: opracowanie własne] 0871 Wyniki przeprowadzonych badań wskazują na zdolność zaprojektowanego układu do dynamicznej rekonfiguracji w oparciu o dostępne zasoby (jednostki wykonawcze). Zgodnie z przewidywaniami zmiana sposobu sterowania spowodowała obniżenie efektywności magazynu, ale wszystkie zadania załadunku i rozładunku zostały zrealizowane. 24

29 Rys.6.6. Układ sterowania magazynu elementów produkcyjnych [źródło: opracowanie własne] 0823 Analiza porównawcza wyników badań przeprowadzonych w symulatorze oraz w rzeczywistym magazynie pozwala stwierdzić, że wyniki otrzymane w symulatorze odpowiadają w przybliżeniu wynikom uzyskanym w warunkach rzeczywistych. Są one wolne od zmiennego w czasie wpływu otoczenia, utrudniającego obiektywną ocenę działania układów sterowania. Oznacza to, że eksperyment przeprowadzony w środowisku symulacyjnym może być wykorzystywany do badania i rozwoju algorytmów decyzyjnych. Tabela 6.3. Konfiguracja 3 z wyłączonym jednym wózkiem głównym Proces załadunku Magazyn symulowany [s] 1WG+4WP (rys.7.29b) Średni czas realizacji jednego cyklu załadunku (cztery szyby w jednym cyklu) Magazyn symulowany [s] 2WG + 4WP (rys.7.22b) 58,65 61,43 Odchylenie standardowe 5,9 16,57 Liczba szyb wprowadzonych podczas jednej godziny pracy magazynu Proces rozładunku Średni czas realizacji jednego cyklu rozładunku (dwie szyby w jednym cyklu) Odchylenie standardowe Liczba szyb wydanych podczas jednej godziny pracy magazynu Magazyn symulowany [s] 1WG+4WP (rys.7.29b) Magazyn symulowany [s] 2WG + 4WP (rys.7.22b) 28,19 24,58 11,06 8, Ocena możliwości wdrożenia algorytmów sterowania w realnym magazynie i ich pracy w czasie rzeczywistym Zastosowanie zmodyfikowanej sieci Petriego do modelowania układów sterowania i wykorzystanie instrukcji CASE OF języka ST do implementacji tych modeli w środowisku sterowników PLC, daje szereg korzyści, które ułatwiają wdrożenie zaprojektowanych algorytmów sterowania. Usprawnienie przetwarzania sekwencji w sterowniku PLC Górna granica oszacowania czasu wykonania procedury obliczeniowej w sterowniku PLC określona jest zależnością [OPR2007]: 25

30 gdzie : T e F CPU T instr (6.1) T e - oznacza szacowany czas wykonania procedury, T instr - oznacza maksymalny czas wykonania poszczególnych instrukcji, zależnie od typu CPU oraz typu danych, na jakich są wykonywane działania, F CPU >1 - jest stałą zależną od typu użytej CPU. Realizacja programu utworzonego z wykorzystaniem instrukcji CASE OF, polega na wykonywaniu przez procesor sterownika wyłącznie tych instrukcji, które są zapisane za etykietą, na którą wskazuje wartość zmiennej sterującej p i. W rezultacie czas przetwarzania programu nie zależy od liczby miejsc w poszczególnych podsieciach Petriego, lecz liczby instrukcji w aktywnych miejscach podsieci i liczby podsieci w systemie. Rozpatrując podsieć automatową (maszynę stanu), w której dla uproszczenia każdemu miejscu przyporządkowana jest tylko jedna tranzycja wyjściowa, sekwencja zrealizowana z wykorzystaniem instrukcji CASE OF wymaga wykonania przez procesor sterownika tylko jednej instrukcji warunkowej, bez względu na liczbę miejsc w podsieci automatowej. Ta sama sekwencja zrealizowana z wykorzystaniem instrukcji IF THEN wymaga przetworzenia przez procesor sterownika 1+j instrukcji warunkowych, gdzie j - liczba miejsc w podsieci automatowej. Można to przedstawić w postaci zależności uzyskanych doświadczalnie: CASE OF : k= i * n (6.2) IF THEN : k= i * (j + n) (6.3) gdzie: k liczba przetwarzanych instrukcji w cyklu sterownika, i liczba podsieci automatowych, j liczba miejsc w podsieci automatowej, n liczba instrukcji aktywnego miejsca, Zastosowanie instrukcji CASE OF pozwala zatem na mniejsze obciążenie procesora przy realizacji pojedynczej podsieci automatowej w porównaniu z wykorzystaniem instrukcji IF THEN języka strukturalnego do realizacji takiej samej podsieci (zależności 6.2 i 6.3). W sposób pośredni przekłada się to na czas wykonania całego programu składającego się z wielu podsieci automatowych realizowanych jednocześnie. Wraz ze wzrostem liczby podsieci wzrasta obciążenie procesora, ale jest ono wielokrotnie mniejsze niż w przypadku realizacji takich samych podsieci automatowych z wykorzystaniem instrukcji If then. Cecha ta pozwala na: skrócenie czasu cyklu sterownika realizację złożonych operacji obliczeniowych w ramach aktywnych miejsc, bez znacznego obciążania procesora sterownika, wykonywanie wielu sekwencji jednocześnie bez ponoszenia ryzyka, że nastąpi przekroczenie czasu cyklu sterownika, co jest zjawiskiem niepożądanym. 26

31 Spełnienie kryteriów poprawności formalnej programu. Do kryteriów oceny poprawności formalnej zaliczamy takie kryteria, jak: osiągalność, ograniczoność, zachowawczość, żywotność i odwracalność. Przeprowadzone badania pokazują, że program utworzony za pomocą instrukcji CASE OF zachowuje własności dynamiczne modelu, a zatem jeśli model w postaci zmodyfikowanej sieci Petriego spełnia kryteria poprawności formalnej, to implementacja programowa będzie również je spełniać. Zdolność układu sterowania do zmiany sposobu realizacji procesu Zmiana wartości zmiennej sterującej p i powoduje uaktywnienie innego fragmentu programu, co odpowiada aktywności innego miejsca w sieci Petriego. Istnieje zatem możliwość wpływania na przebieg procesu, poprzez wymuszenie zmiany wartości zmiennej sterującej przez nadrzędny układ sterujący, a tym samym przeprowadzenie procesu z jednego stanu w inny. Taka zmiana może nastąpić, gdy program nadrzędny, nadzorujący przebieg procesu, wykryje możliwość wystąpienia działań niepożądanych. W takim przypadku program nadrzędny może spowodować zmianę wartości zmiennej sterującej p i bez względu na jej aktualną wartość i za pomocą odpowiednich sekwencji awaryjnych przeprowadzić proces do stanu bezpiecznego. Zdolność do dynamicznej rekonfiguracji struktury układu sterowania w czasie rzeczywistym Sterowanie aktywnością łuków zezwalających pozwala na dynamiczny wybór jednostek wykonawczych do realizacji określonego procesu. Algorytm na podstawie informacji o aktywnych miejscach w poszczególnych podsieciach ocenia dyspozycyjność poszczególnych jednostek wykonawczych i określa taki zbiór tych jednostek, który będzie właściwy do realizacji określonego zadania. Następnie, poprzez wybór odpowiedniej ścieżki dalszego działania, aktywuje odpowiednie łuki zezwalające. Synchronizacja procesów współbieżnych w środowisku sterowników PLC Rozpatrywane w rozprawie układy sterowania zostały zrealizowane z wykorzystaniem jednego sterownika PLC. Dla dużych systemów magazynowych celowym jest synchronizacja w pełni autonomicznych jednostek wykonawczych. Każda taka jednostka jest wyposażona w odrębny sterownik PLC, w którym realizowane są algorytmy sterujące zadaniami zdefiniowanymi dla tej jednostki. Zadaniem nadrzędnego układu sterowania jest koordynacja wykonania tych zadań. Praktyczna realizacja takiego układu sterowania wymaga jednak połączenia poszczególnych sterowników PLC w sieć, zapewniającą wymianę danych między jednostkami wykonawczymi, a nadrzędnym układem sterowania, z zachowaniem wymagań dla systemów czasu rzeczywistego (rys.6.7). Aby ocenić dokładność synchronizacji procesów dyskretnych realizowanych współbieżnie, przeprowadzono badanie synchronizacji trzech procesów sekwencyjnych (rys.6.8) wykonywanych: w jednym zadaniu cyklicznym (ang. task) sterownika PLC (rys.6.9), 27

32 w dwóch odrębnych zadaniach cyklicznych, realizowanych w jednym sterowniku PLC (rys. 6.10), w trzech autonomicznych sterownikach PLC (rys.6.11), połączonych ze sobą siecią Real-Time Ethernet z wykorzystaniem modelu Publisher/Subscriber [BECK2010-1, BECK2010-2]. Rys.6.7. Model komunikacji multi-master TwinCAT oparty o sieci Real-time Ethernet [źródło: BECK2010] Rys.6.8. Model synchronizacji procesów sekwencyjnych [źródło: opracowanie własne] 874 Rys.6.9. Wariant I procesy wykonane w jednym zadaniu cyklicznym jednego sterownika PLC [źródło: opracowanie własne] 28

33 Rys Wariant II procesy wykonane w dwóch zadaniach cyklicznych jednego sterownika PLC [źródło: opracowanie własne] Rys Wariant III procesy wykonane w trzech odrębnych sterownikach PLC [źródło: opracowanie własne] Tabela 6.4. Porównanie czasu reakcji programów w zależności od sposobu synchronizacji. Czas aktywności miejsca P1-20 [liczba cykli] Czas aktywności miejsca P2-10 [liczba cykli] Czas aktywności miejsca P3-20 [liczba cykli] Wariant I Wariant II Wariant III Uzyskane wyniki (tabela 6.4) potwierdzają możliwość synchronizacji procesów współbieżnych realizowanych z wykorzystaniem instrukcji CASE OF z dokładnością jednego cyklu sterownika we wszystkich trzech wariantach konfiguracji sprzętowoprogramowej. Szczególnie interesująca z punktu widzenia zastosowań praktycznych jest możliwość synchronizacji procesów realizowanych w odrębnych, całkowicie autonomicznych sterownikach PLC, połączonych siecią komunikacyjną, np. szybką siecią czasu rzeczywistego Real-Time Ethernet [WÓJT2011]. W rezultacie możliwe jest nadrzędne monitorowanie i sterowanie całkowicie autonomicznymi jednostkami wykonawczymi, wyposażonymi w odrębne sterowniki softplc, połączone ze sobą wyłącznie za pośrednictwem sieci Real-Time Ethernet. 29