ALGORYTM OPTYMALIZACJI KOLEJNOŚCI OPERACJI W RAMACH MODUŁOWEJ LINII PRODUKCYJNEJ Arkadiusz PIETROWIAK, Olaf CISZAK, Marcin WIŚNIEWSKI, Katarzyna PETA, Marcin SUSZYŃSKI Streszczenie W pracy poruszono zagadnienie wyboru najkorzystniejszej kolejności rozpoczynania operacji w środowisku modułowego Elastycznego Systemu Produkcyjnego (ESP). Przybliżono budowę i zasadę działania ESP, w którym zastosowano liczne elementy zwiększające łatwość jego adaptacji do różnych zadań, jak np. roboty przemysłowe, obrabiarki CNC lub czytniki RFID. Szczegółowo opisano zasadę działania algorytmu optymalizacji wraz z założeniami, jakie przyjęto przed rozpoczęciem jego konstruowania. Algorytm został wstępnie przetestowany w środowisku zewnętrznym, a następnie dostosowany i zaimplementowany w środowisku sterownika PLC S7-300, a jego obsługa możliwa jest dzięki wizualizacji za pomocą odpowiedniej maski na panelu HMI. Zbadano również wpływ obsługi algorytmu na spowolnienie pracy sterownika w czasie rzeczywistym. Słowa kluczowe algorytm optymalizacji, modułowa linia produkcyjna, PLC, kolejność 1. Wprowadzenie Indywidualizacja potrzeb klientów stała się istotnym trendem na rynkach produkcyjnych oraz konsumpcyjnych. Zjawisko to pociągnęło za sobą konieczność przystosowania się przedsiębiorstw do produkcji w małych seriach o krótkim czasie realizacji. Powoduje ono także wystąpienie problemu redukcji kosztów związanych z koniecznością częstych przezbrojeń systemu produkcyjnego. Rozwiązaniem w takich przypadkach okazuje się być zastępowanie tradycyjnych linii produkcyjnych (o tzw. sztywnej automatyzacji) przez systemy elastycznej produkcji nową metodę konfiguracji systemów produkcyjnych stosujących najnowsze rozwiązania techniczne [2]. Elastyczne systemy produkcyjne (ESP) pozwalają na łączenie zalet dwóch całkowicie odmiennych sposobów organizacji systemów produkcyjnych wysoką wydajność przypisywaną tradycyjnym potokowym liniom produkcyjnym oraz różnorodność produkcji, spotykaną w gniazdach technologicznych [2]. W celu uzyskania zjawiska elastyczności w ESP konieczna jest ścisła współpraca, występujących w ich składzie, podstawowych podsystemów składowych: [1]: wytwarzania, transportu, sterowania numerycznego. Tylko pełna integracja ww. podsystemów pozwala na pełną elastyczność umożliwiającą efektywne zaspokajanie zróżnicowanych w czasie potrzeb klientów [1, 3]. Wyznacznikiem skutecznego działania tak skonfigurowanego systemu jest przede wszystkim terminowość realizacji zleceń. Przy zróżnicowanej produkcji jest ona najczęściej efektem optymalizacji w kierunku minimalizacji czasochłonności wykonania zleceń, która wynika z odpowiednio dobranej kolejności wykonywania poszczególnych operacji bądź całych zleceń produkcyjnych. Wraz z pojawieniem się elastycznych systemów produkcyjnych zaczęto podejmować próby, by zadania ustalania kolejności wykonywane były w nich w sposób automatyczny, z użyciem odpowiedniego oprogramowania, natomiast bez bieżącej kontroli operatora [1]. 2. Podjęty problem Problematyka optymalizacji kolejności operacji jest złożonym zagadnieniem badawczym poruszanym w licznych publikacjach, w których przytacza się różne metody jej rozwiązywania, tj. np. metody grafów, sieci neuronowe czy też algorytmy genetyczne [4 7]. Wszystkie te metody łączy duży stopień skomplikowania i konieczność posiadania często znacznych możliwości obliczeniowych dla rozwiązanego postawionego zadania. W poniższej pracy poruszono kwestię optymalizacji kolejności wykonywania operacji w modułowej linii produkcyjnej. Przyjęto kryterium minimalizacji czasu wykonania wszystkich operacji technologicznych równoznaczne minimalizacji czasu opóźnień dla określonej marszruty wynikające z ograniczeń konstrukcyjno-technologicznych systemu. Jednocześnie podjęto się zadania implementacji algorytmu w układzie sterowania odpowiedzialnego za pracę całej linii w sposób umożliwiający jego wykonywanie w czasie rzeczywistym. 13
3/2015 Technologia i Automatyzacja Montażu 3. Budowa Elastycznego Systemu Produkcyjnego Prowadzone badania zostały przeprowadzone w środowisku modelowego Elastycznego Systemu Produkcyjnego zbudowanego w Zakładzie Projektowania Technologii Instytutu Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej. Ważnym aspektem, także w kontekście implementacji algorytmu optymalizacji, jest modułowa budowa wspomnianego ESP (rys. 1). Konstrukcja modułowego ESP została zaplanowana w sposób umożliwiający jego dowolną rekonfigurację bez konieczności zmiany algorytmu sterującego czy też innych zmian konstrukcyjnych. W ramach ESP możliwe jest wykonywanie zarówno zadań montażowych, jak i produkcyjnych. Operacje możliwe do wykonywania w ramach ESP to m.in.: toczenie, frezowanie, pozycjonowanie i montaż elementów za pomocą robotów ABB, rozpoznawanie obiektów z użyciem systemu wizyjnego. Efekt modułowości całego systemu uzyskano dzięki wprowadzeniu go w poszczególnych podsystemach: a) wytwarzania do obróbki i orientowania materiałów obrabianych lub montowanych system wyposażono w obrabiarki (tokarkę i frezarkę) sterowane numerycznie oraz dwa roboty przemysłowe ABB; b) transportowy zapewniający transport pomiędzy stanowiskami z zastosowaniem modułów transportowych firmy BOSCH umożliwiających przemieszczanie elementów na paletach za pomocą układu pasów transportowych i wind o dowolnym miejscu montażu. Dodatkowo lokalizacja palet odbywa się przy użyciu systemu wbudowanych nadajników RFID i odpowiadających im odbiorników zamocowanych w wybranych miejscach systemu; c) sterowania gdzie każdy moduł posiada niezależną szafę sterowniczą z modułem wejść i wyjść służących do zbierania sygnałów z poszczególnych części ESP. Centralne sterowanie jest realizowane za pomocą sterownika Siemens serii S7-300 umieszczonego w centralnej szafie sterowniczej. Dzięki nadaniu poszczególnym modułom rozproszonym indywidualnych numerów IP, przetwarzany centralnie program działa poprawnie, mając dostęp do wszystkich modułów, niezależnie od miejsca ich ustawienia w ciągu linii. Elastyczność systemu w warstwie sterowania możliwa jest dzięki zastosowaniu przemysłowych sieci komunikacyjnych: ProfiBus i ProfiNet. Komunikacja między sterownikiem a modułami rozproszonymi odbywa się poprzez sieć ProfiNet. Sieć ProfiBus służy natomiast do komunikacji pomiędzy głównym sterownikiem a robotami przemysłowymi, stacją obróbkową, złożoną z maszyn CNC oraz czytnikami RFID. Dzięki tak złożonej warstwie komunikacyjnej wszystkie żądania, w tym te związane ze zmianą programów na poszczególnych stacjach, mogą Rys. 1. Modułowy Elastyczny System Produkcyjny ZPT ITM Politechniki Poznańskiej: a) strefa obróbkowa wraz z manipulatorem, b) strefa robotów przemysłowych ABB, c) schemat sterowania całej linii na panelu HMI Fig. 1. Flexible Modular Production System on ZPT Poznan University of Technology IMT: a) cutting zone with manipulator, b) ABB industrial robots zone, c) line control scheme on the HMI 14
być wywoływane z poziomu centralnego sterowania. Jedynym założeniem jest posiadanie wcześniej wprowadzonego programu wykonawczego do pamięci robota lub komputera sterującego obrabiarką. Dodatkowo możliwości autonomicznej i elastycznej pracy linii poszerza zastosowanie systemu wizyjnego firmy Sick AG. Dzięki współpracy robota z systemem wizyjnym nie ma konieczności wcześniejszego orientowania elementów. Dowolnie umieszczany element jest lokalizowany z zastosowaniem techniki wizyjnej, a informacje o jego położeniu przesyłane są do robota, który wykonuje procedurę orientacji przedmiotu zawsze w tym samym punkcie. Modułowy ESP służy aktualnie do prototypowania zadań montażowych m.in. elementów elektronicznych i realizacji nieskomplikowanych procesów technologicznych [8]. 4. Algorytm optymalizacji Program sterujący umożliwia umieszczenie w systemie jednocześnie 16 palet i zaplanowanie dla każdej z nich 10 produktów o marszrutach technologicznych złożonych z 15 operacji. Rzeczywiste możliwości systemu są jednak znacząco mniejsze ze względu na jego linearną strukturę. W systemie brak linii buforowych, przez co wykonywanie operacji na określonym danym stanowisku powoduje zablokowanie linii dla innych palet, które nie mają, w tym przypadku, alternatywnej trasy. Przy takim, niekorzystnym, umieszczeniu palet w systemie czas wykonania jednego produktu wlicza się do kolejnego ze względu na konieczność oczekiwania. Z punktu widzenia możliwości poprawy stanu aktualnego znaczącym ułatwieniem jest budowa linii, w której stanowiska rozmieszczone są zgodnie z przebiegiem procesu technologicznego. Z kolei ze względu na stosowane maszyny, tj. np. obrabiarki i roboty przemysłowe, ciąg technologiczny nie musi ograniczać się do jednego obiegu. Po pierwszym przejściu wszystkich palet te same maszyny mogą wykonywać inne programy obróbki, już w drugim cyklu. Ze względu na zwiększenie przejrzystości badań sytuację taką pominięto. Pierwszym etapem działania programu jest odczyt danych o liczbie palet i przypisanych do nich operacjach. Na potrzeby badań liczbę tę ograniczono do pięciu. Na podstawie pobranych danych budowana jest macierz kolejności operacji. Macierz ma stałą strukturę, tzn.: każdej fizycznej operacji odpowiada zawsze to samo miejsce w ciągu liczb w macierzy. W przypadku gdy dla wybranego wyrobu zaplanowano np. operację 131, zajmującą przedostatnie miejsce w ciągu technologicznym, to w wierszu odpowiadającym temu produktowi na przedostatnim miejscu zostanie wstawiona jedynka. Takie podejście upraszcza kontrolę poprawnego wpisywania operacji, ze względu na fakt, iż operacje zawsze zostaną ustawione w odpowiedniej kolejności, niezależnie od tego, jak zostaną wprowadzone do programu przez operatora. Rys. 2. Schemat blokowy algorytmu porównywania palet Fig. 2. Block diagram of pallet comparison algorithm 15
3/2015 Technologia i Automatyzacja Montażu Porównywanie wartości przypisanych paletom (rys. 2) stanowi punkt wyjścia do sortowania macierzy kolejności operacji. Do tego celu zastosowano algorytm wykorzystujący ideę sortowania bąbelkowego (rys. 3). Ciąg, odpowiadających kolejnym paletom liczb, podlega kilkukrotnej iteracji. Z każdym kolejnym obiegiem wyznaczana jest liczba maksymalna, która pomijana jest przy kolejnym porównaniu. W ten sposób, gdy zostanie zakończona liczba iteracji, jej wynikiem jest posortowany, w kolejności od najmniejszej do największej, ciąg liczb, odpowiadających kolejnym paletom. Istotną zmianą w porównaniu z innymi algorytmami optymalizacji kolejności operacji jest fakt, iż przy realizacji opisanego algorytmu całkowicie pominięto kwestię czasów trwania operacji. Takie rozwiązanie możliwe jest jedynie gdy, tak jak w opisanym przypadku, ma się do czynienia z liniowym układem stanowisk rozmieszczonych zgodnie z kolejnością przebiegu procesu technologicznego. 5. Implementacja algorytmu Testy działania algorytmu przeprowadzono w środowisku programistycznym Python, by następnie podjąć się zadania zaimplementowania algorytmu w środowisku sterownika serii S7-300. Sterowniki tej serii, ze względu na swoje zastosowanie w sterowaniu nawet wymagającymi procesami, posiadają bardzo duże możliwości. Oferują programiście pracę w jednym z kilku języków programowania m.in.: LAD (z ang. Ladder Diagram), FBD (z ang. Function Block Diagram) czy SCL (z ang. Structured Control Language). Z punktu widzenia problemu implementacji, najlepszym rozwiązaniem wydawał się język SCL, ze względu na swoją strukturę zbliżoną do języka Pascal. W porównaniu z symulacją w środowisku zewnętrznym, struktura programu na sterowniku wymusiła konieczność jego podziału, ze względu na modułowy charakter programu. Poszczególne fragmenty programu, jak macierz, porównywanie lub sortowanie zajmują oddzielne, wzajemnie się ze sobą komunikujące, bloki. Charakterystyka programu sterownika wymusiła dodanie nowych fragmentów programu zajmujących się m.in.: odczytem danych wprowadzonych przez panel operatorski do odpowiednich komórek pamięci. Dane te należało następnie poddać konwersji do formatu obsługiwanego przez algorytm sortowania. Na potrzeby sortowania utworzono także dodatkowe bazy danych przechowujące dane o operacjach zarówno przed, jak i po sortowaniu. Do obsługi programu przez operatora zaprojektowano również maskę operatorską na panelu HMI (rys. 4). Pozwala ona na pobranie informacji o aktualnie zaplanowanych wyrobach i przypisanych im operacjach. Następnie operator może zdecydować, czy poddać operacje sortowaniu czy też nie. Wyświetlane dane prezentują najbardziej korzystną, pod względem sumy czasu opóźnień, kolejność wprowadzania palet na linię, która ma za zadanie pomóc operatorowi w odpowiednim ich umieszczeniu. Bardzo dużą zaletą programu jest możliwość jego pracy w czasie rzeczywistym. W badanym przypadku, dodatkowy czas, wynikający z realizacji algorytmu, Rys. 3. Schemat blokowy sortowania bąbelkowego z wykorzystaniem funkcji porównującej Fig. 3. Block diagram of the bubble sort using a comparison function 16
wydłużył obieg programu sterownika o 2 ms do 12 ms. Z punktu widzenia standardów przemysłowych pozwalających na wydłużanie czasu obiegu programu, nierzadko aż do 80 ms, jest to zmiana pomijalna. Rys. 4. Maska panelu do obsługi algorytmu Fig. 4. Operator mask to operate the algorithm Podsumowanie Zaproponowana w pracy metoda wyznaczania najkorzystniejszej kolejności wykonywania operacji opiera się na bardzo prostych założeniach. Niemniej jednak daje ona wymierne rezultaty w postaci istotnego skrócenia czasu wykonania całej marszruty technologicznej. Została ona doświadczalnie sprawdzona w środowisku opisanego modułowego ESP, potwierdzając swoją przydatność. Osiągnięto również najważniejszy cel badań, jakim było udowodnienie możliwości implementacji algorytmu w sterowniku przemysłowym. Jak się okazało, odpowiednia budowa programu umożliwia jego ciągłą pracę bez zwiększonego obciążenia systemu i tym samym negatywnego wpływu na inne zadania sterowania procesem. Aktualnie trwają pracę nad rozszerzeniem możliwości algorytmu optymalizacji o dodatkowe zadania wykonywane w czasie rzeczywistym. LITERATURA 1. Dylewski R., A. Jardzioch. 2012. Optymalizacja kolejności zleceń produkcyjnych ze względu na minimalną sumę opóźnień. Pomiary Automatyka Kontrola 58 (6) : 527 529. 2. Pałucha K., G. Radziejowska. 2002. Kształtowanie procesów logistycznych w elastycznych systemach produkcyjnych. Logistyka (3) : 48 50. 3. Gania I. 2006. Elastyczne systemy produkcyjne (ESP). Logistyka (5) : 33 34. 4. Honczarenko J., A. Berliński. 2010. Harmonogramowanie zabiegów montażowych korpusu przewodu wentylacyjnego. Technologia i Automatyzacja Montażu (1) : 6 9. 5. Smutnicki C., A. Tyński. 2005. Modelowanie przepływu zadań w elastycznym systemie produkcyjnym z wózkami AGV. Automatyka (1) : 223 232. 6. Żuk T. 2002. Zagadnienia procesu planowania produkcji. Szybkobieżne pojazdy gąsienicowe (2) : 92 105. 7. Konefał B., W. Szabajkowicz. 2006. Optymalizacja parametryczna automatycznego procesu technologicznego montażu. Technologia i Automatyzacja Montażu (1) : 17 22. 8. Wiśniewski M., A. Pietrowiak, O. Ciszak, K. Peta. 2015. Budowa i zastosowanie modułowej linii produkcyjnej. Technologia i Automatyzacja Montażu (2) : 9 13. Mgr inż. Arkadiusz Pietrowiak Zakład Projektowania Technologii, Instytut Technologii Mechanicznej, Politechnika Poznańska, 61-138 Poznań, ul. Piotrowo 3, tel. 61 665-22-51, e-mail: arkadiusz.pietrowiak@put.poznan.pl. Dr hab. inż. Olaf Ciszak Zakład Projektowania Technologii, Instytut Technologii Mechanicznej, Politechnika Poznańska, 61-138 Poznań, ul. Piotrowo 3, tel. 61 665-22-62, e-mail: olaf.ciszak@put.poznan.pl. Mgr inż. Marcin Wiśniewski Zakład Projektowania Technologii, Instytut Technologii Mechanicznej, Politechnika Poznańska, 61-138 Poznań, ul. Piotrowo 3, tel. 61 665-22-61, e-mail: marcin.wisniewski@put.poznan.pl. Mgr inż. Katarzyna Peta Zakład Projektowania Technologii, Instytut Technologii Mechanicznej, Politechnika Poznańska, 61-138 Poznań, ul. Piotrowo 3, tel. 61 665-22- 61, e-mail: katarzyna.p.peta@doctorate.put.poznan.pl. Dr inż. Marcin Suszyński Zakład Projektowania Technologii, Instytut Technologii Mechanicznej, Politechnika Poznańska, 61-138 Poznań, ul. Piotrowo 3,tel. 61 665-22-51, e-mail: marcin.suszynski@put.poznan.pl. SEQUENCE OPTIMIZATION ALGORITHM FOR OPERATIONS IN MODULAR PRODUCTION LINE Abstract This paper deals with the selection of the optimal sequence of setting up operations in an environment Flexible Manufacturing System (ESP). Brought closer to the construction and operation of the ESP, which uses a number of features to increase ease of adaptation to different tasks like Industrial robots, CNC or RFID readers. Describes in detail the principle of the optimization algorithm, together with the assumptions that were adopted before the start of the construct. The algorithm was initially tested in the external environment, and then adapted and implemented in an PLC S7-300, and its operation is made possible by visualization using a suitable mask on the HMI. Also examined the impact of use of the algorithm to slow the operation of the controller in real time. Keywords optimization algorithm, flexible production line, PLC, queuing 17