AUTOMATYZACJA PROCESÓW DYSKRETNYCH 2014 Krzysztof FRANCZOK Fabryka Maszyn ROTOX Sp. z o.o. METODA PROJEKTOWANIA MODELI O STRUKTURZE HIERARCHICZNEJ PROCESÓW DYSKRETNYCH Z WYKORZYSTANIEM SIECI PETRIEGO ORAZ STEROWANIA WIELOAGENTOWEGO Streszczenie. W referacie zaproponowano metodę projektowania modeli o strukturze hierarchicznej algorytmów sterowania procesów zachodzących w magazynie. W proponowanej metodzie modelowania algorytmów wykorzystano zmodyfikowane sieci Petriego oraz zasady sterowania wieloagentowego. Przedstawiono praktyczny sposób implementacji w środowisku sterowników PLC modelu procesu i algorytmu sterowania wózkami transportowymi, wykorzystując w tym celu właściwości instrukcji CASE OF języka strukturalnego. A METHOD TO MODEL AND DESIGN OF HIERARCHICAL MODELS OF DISCRETE PROCESSES, USING PETRI NETS AND ELEMENTS OF MULTI- AGENT CONTROL Summary. This paper presents a method to design hierarchical models of discrete process control algorithms in a storehouse. A method to model of the algorithms, using Petri nets and multi-agent controls, is proposed. A practical solution to implement the model of the process and algorithm for control the transport trolleys in the PLC environment, using the properties of the CASE OF statement of the structured language ST, is presented. 1. Wprowadzenie Dla projektowania algorytmów sterowania złożonych procesów dyskretnych, celowym jest wykorzystanie, do modelowania takich algorytmów, metod wykorzystujących sieci Petriego [8]. Modelowanie algorytmów sterowania z wykorzystaniem zmodyfikowanych sieci Petriego pozwala na analizę właściwości modelu algorytmu sterowania metodami znanymi z literatury, co umożliwia wyeliminowanie większości błędów na etapie projektowania. Po sprawdzeniu formalnym, model w postaci sieci Petriego można przekształcić do postaci programu dla sterownika PLC. Celem referatu jest zaproponowanie metody projektowania modeli o strukturze hierarchicznej i algorytmów sterowania procesami dyskretnymi w rozpatrywanym magazynie. Wskazano również na możliwość wykorzystania zmodyfikowanej sieci Petriego, a także języka strukturalnego ST, a w szczególności instrukcji CASE OF do implementacji w środowisku PLC takich algorytmów.
62 K. Franczok Obecnie stosunkowo najbardziej popularnym językiem wykorzystywanym do implementacji algorytmów dyskretnych procesów jest język SFC. Nie zawsze jest on jednak dostępny w środowisku programowania sterowników PLC, dlatego coraz powszechniej do programowania sterowników PLC wykorzystuje się język strukturalny ST. Jest to język, z punktu widzenia zasobów sterownika PLC, bardziej wydajny niż język SFC i pozwala na dostęp do wszystkich zasobów sterownika [7]. W pracy [4] przedstawiono metodę implementacji sieci Petriego z wykorzystaniem języka strukturalnego ST, z zachowaniem struktury i charakteru modelu. Pokazano, że do implementacji modelu sieci Petriego dobrze nadaje się instrukcja CASE OF języka strukturalnego ST. Z tego względu w niniejszym referacie skupiono się na wykorzystaniu możliwości jakie niesie ze sobą język strukturalny ST, w implementacji hierarchicznych modeli algorytmów sterowania procesami dyskretnymi. 2. Sterowanie procesem transportu w magazynie Algorytmy sterowania złożonymi procesami transportowymi w magazynie elementów produkcyjnych, można projektować z wykorzystaniem modelu o strukturze hierarchicznej. W pracy [1] przedstawiono metodę modelowania systemów wytwarzania przy pomocy sieci Petriego z wykorzystaniem elementów sterowania wieloagentowego. Metoda ta zakłada dekompozycję złożonych systemów wytwarzania na zbiór jednostek (agentów) o prostych regułach działania. Między poszczególnymi agentami zachodzą interakcje, prowadzące do osiągnięcia celu sterowania. Każdy z agentów powinien działać w pewnym zakresie niezależnie, realizować procesy obróbcze, montażu, transportu. Pojedynczy agent systemu realizuje zdefiniowane i przypisane mu algorytmy sterowania fragmentem procesu dyskretnego. Algorytmy realizowane przez każdy z wyodrębnionych agentów systemu zamodelować można siecią Petriego. Rozpatrywany w referacie układ transportowy magazynu (rys. 1) składa się z wózka transportowego W1, dwóch wózków pomocniczych W2 i W3, transporterów rolkowych S1,S2,S3,S4 oraz półek magazynowych P1-P14. Zadaniem układu transportowego jest przyjmowanie, przez transportery rolkowe S1 i S2 elementów produkcyjnych, a następnie umieszczanie ich za pomocą wózka W1, we współpracy z wózkami W2 i W3, w półkach magazynowych. Tak zmagazynowane elementy są, na podstawie napływających z nadrzędnego systemu sterowania żądań, podawane na podajniki rolkowe S3 i S4 [3]. Układ transportowy z rysunku 1 można podzielić na elementy proste (Simple Agent SA), z których każdy może pracować w sposób autonomiczny w ramach dużego systemu automatyzacji produkcji (Manufacturing Automation System - MAS). Agentem SA może być element transportera rolkowego S1-S4, czy wózka transportowego W1-W3.
Metoda projektowania modeli o strukturze hierarchicznej... 63 Rys.1. Schemat magazynu buforującego elementy produkcyjne [opracowanie własne] Każdy program jednostki SA może być zbudowany w formie bloku funkcyjnego FB (rys. 2). Jeśli dany element składowy systemu transportowego powtarza się wielokrotnie w systemie, może być sterowany za pomocą jednego bloku funkcyjnego FB, wywołanego w określonej liczbie instancji odpowiadającej liczbie elementów. Sterowanie i obserwacja SA przez program nadrzędny MAS może być realizowane poprzez strukturę zmiennych wejścia-wyjścia połączoną z wejściami i wyjściami FB. Rozwiązanie to powoduje, że główny program realizujący określony proces np. transportowy może mieć stosunkowo prostą budowę, a szczegółowe elementy operacji wykonywanych przez poszczególne SA są zawarte w ramach ich bloków funkcyjnych FB. Pozwala to na zachowanie przejrzystej i hierarchicznej struktury programu sterującego. Rys. 2. Blok funkcyjny SA dla wózka transportowego [opracowanie własne] Akcje programowe poszczególnych SA mogą realizować proste działania przyjmujące formę dyskretnego procesu sekwencyjnego (Discrete Sequential Process DSP). Na rysunku 3 przedstawiono model w postaci sieci Petriego, algorytmu sterowania wózkiem W1. Model ten zaimplementowany jest w bloku funkcyjnym FB (rys. 2), którego fragment kodu programu przedstawiono na rysunku 4. Główny model MAS (rys. 5) może również przyjąć postać procesu DSP. W poszczególnych miejscach DSP wywoływane są akcje w ramach agentów SA. Główny program MAS (rys. 6) zawiera tylko rozkazy wywołujące wcześniej zdefiniowane operacje w poszczególnych agentach SA, oraz instrukcje sprawdzające wykonanie zadanego rozkazu. Metoda ta pozwala na elastyczne budowanie, stosunkowo małym nakładem pracy, skomplikowanych MAS. Algorytm, którego model opisany jest siecią Petriego z rysunku 5, działa w sposób następujący: program nadrzędny MAS rozpoczyna pracę w kroku P0 (rys. 6). Kiedy aktywowana jest zmienna bjobexists, program przechodzi do kroku P1, gdzie z tablicy zadań JOB odczytywany jest numer zadania do wykonania (iactionno). Na podstawie numeru zadania przydzielana jest odpowiednia sekwencja
64 K. Franczok działania. Aby zobrazować sposób działania algorytmu, posłużono się przykładem dla przypadku, gdy z tablicy zleceń wybrane zostało zadanie o numerze 11 (tabela 1). Zadanie to polega na przemieszczeniu wózka transportowego W1 do pozycji podajnika S2 i pobraniu elementu produkcyjnego z podajnika S2 do wózka W1 (rys. 3). Sekwencja działania składa się z kroków opisanych w tabeli 3. W kroku P11 wywoływana jest akcja o numerze 110 dla bloku funkcyjnego fbsa_w1. Zestawienie zadań zdefiniowanych dla obiektu MAS Nr zadania Rodzaj zadania dla MAS 0 brak operacji 11 weź element produkcyjny z podajnika S2 21 odłóż element produkcyjny na półkę po prawej stronie 31 odłóż element produkcyjny na półkę po lewej stronie 41 pobierz element produkcyjny z półki po prawej stronie 51 pobierz element produkcyjny z półki po lewej stronie 61 odłóż element produkcyjny na podajnik S3 Tabela 1 Akcje zdefiniowane dla obiektu sterowanego blokiem funkcyjnym fbsa_w1 przedstawiono w tabeli 2. W zależności od numeru akcji jaka została wywołana w MAS, program bloku funkcyjnego FB przechodzi z kroku zero do kroku określonego wybranym numerem akcji (rys. 4). Uruchomienie danej akcji DSP skutkuje wykonaniem sekwencji działań. Dla akcji o numerze 100 (tabela 2), wykonywana jest sekwencja P11-P13 (rys. 4). Zakończenie sekwencji działania skutkuje przejściem do trybu oczekiwania na ponowne uruchomienie akcji. Rys. 3. Model sieci Petriego SA dla bloku funkcyjnego FB sterującego wózkiem W1 [opracowanie własne].
Metoda projektowania modeli o strukturze hierarchicznej... 65 Rys. 4. Fragment implementacji algorytmu bloku funkcyjnego FB wózka transportowego [opracowanie własne] Rys. 5. Model sieci Petriego algorytmu sterowania układem MAS [opracowanie własne]
66 K. Franczok Rys. 6. Fragment implementacji algorytmu sterowania MAS [opracowanie własne] Zestawienie akcji zdefiniowanych dla obiektu SA Numer akcji Akcja 0 brak operacji 100 jedź do półki 110 jedź do podajnika S2 120 jedź do podajnika S3 210 przemieść w prawo 220 przemieść w lewo Tabela 2 Tabela 3 Opis kroków sekwencji zadania nr 11 w ramach obiektu MAS Numer kroku Operacja P11 wywołanie akcji o numerze 110 w FB wózka transportowego W1 - odpowiada to wywołaniu ruchu wózka do pozycji podajnika S2, i przejście do kroku P12 P12 oczekiwanie na informację o wykonaniu akcji przez FB wózka transportowego W1. Po osiągnięciu przez wózek W1 pozycji podajnika S2, następuje przejście do kroku P13 P13 następuje zsynchronizowane wywołanie akcji o numerze 210 w blokach funkcyjnych dwóch niezależnych SA wózka W1 i podajnika S2 i przejście do kroku P14 P14 oczekiwanie na informację o zakończeniu akcji o numerze 210 przez oba SA. W momencie zasygnalizowania przez bloki funkcyjne obu SA wykonania zadanych akcji, program przechodzi do kroku P15,
Metoda projektowania modeli o strukturze hierarchicznej... 67 P15 zwiększenie indeksu dla tablicy zadań. Po zwiększeniu indeksu tablicy zadań program przechodzi do kroku P1, gdzie sprawdza jakie kolejne zadanie należy zrealizować. Jeśli jest to zadanie o numerze zero, to program kończy realizację listy zadań i przechodzi do kroku P0, gdzie oczekuje na nową listę zadań. Uruchomienie akcji w więcej niż jednym SA, uruchamia szereg procesów równoległych. Na przykład niezależne procesy jazdy dwóch wózków transportowych na zadaną pozycję pracy (rys. 6). Przejście do kolejnego miejsca w DSP, może być uwarunkowane potwierdzeniem wykonania akcji przez określone jednostki SA. 3. Podsumowanie Zaproponowana w referacie metoda pozwala na wykorzystanie w sposób praktyczny metody modelowania procesów dyskretnych zachodzących w magazynie, z wykorzystaniem zmodyfikowanych sieci Petriego i implementację w środowisku sterowników PLC. Sprowadzenie złożonego systemu sterowania do postaci struktury składającej się z mniejszych jednostek (agentów), pracujących niezależnie, ułatwia implementację modelu w środowisku sterownika PLC. Wykorzystanie instrukcji CASE OF pozwala na odtworzenie w programie struktury i właściwości dynamicznych modelu w postaci sieci Petriego [4]. Jeśli model sieci Petriego zostanie poddany analizie własności strukturalnych i behawioralnych i spełni założone kryteria, a następnie zostanie zaimplementowany z zachowaniem struktury i własności dynamicznych w środowisku sterownika PLC, to program wykonywany przez sterownik również będzie te kryteria spełniał. Wykorzystanie instrukcji CASE OF do implementacji procesów dyskretnych zamodelowanych siecią Petriego umożliwia również precyzyjną synchronizację procesów współbieżnych, co szerzej zostało opisane w [4]. Poprzez wykorzystanie takiej struktury algorytmu, możliwe jest sterowanie w czasie rzeczywistym całym procesem produkcyjnym. Na proces ten składają się zarówno określone operacje wykonywane współbieżnie, jak również etapy transportowe, których celem jest łączenie w określonych miejscach w całość podzespołów wykonywanych w procesie produkcji niezależnie od siebie. W przypadku, gdy zaistnieje potrzeba zmiany algorytmu systemu automatyzacji produkcji (Manufacturing Automation System MAS), konieczna jest zmiana ograniczająca się do przekonfigurowania głównego programu bez wprowadzania zmian w programach poszczególnych prostych jednostek (Simple Agent SA). Istnieje możliwość rozbudowania programu określonego agenta SA poprzez zdefiniowanie kolejnego podprogramu, nadanie mu numeru, a następnie wywołanie tego podprogramu poprzez jego numer w programie głównym MAS. Dodanie lub modyfikacja pojedynczego algorytmu w ramach jednego SA nie wpływa na działanie pozostałych SA nie związanych bezpośrednio z SA modyfikowanym. System tego typu może być zorientowany na potrzeby procesu i wymagany poziom automatyzacji. Pozwala to na wydzielenie w programie części lokalnej dotyczącej poszczególnych elementów składowych systemu, od części globalnej całego systemu. Ułatwia to sterowanie systemem transportowym rozpatrywanego magazynu.
68 K. Franczok W tak zrealizowanym systemie, możliwe jest wykorzystanie w miejscach decyzyjnych, zarówno prostych jak i bardzo skomplikowanych algorytmów sterowania. Mogą to być algorytmy oparte na prostych warunkach logicznych, lub wykorzystujące zasady logiki rozmytej. Umożliwia to dążenie do całkowitego wyeliminowaniu udziału człowieka w sterowaniu przebiegiem procesu produkcyjnego. Dobór punktów decyzyjnych pozwala optymalizować działanie systemu w oparciu o wiedzę ekspercką i algorytmy uczące się. Z wykorzystaniem przedstawionego podejścia możliwe jest monitorowanie stanu poszczególnych agentów SA, co umożliwia realizację procesu w czasie rzeczywistym, w oparciu o aktualny stan wszystkich agentów procesu dyskretnego. Umożliwia to optymalizację wykorzystania elementów transportowych w całym systemie sterowania, przyjmując jako kryterium najbardziej korzystne parametry wydajnościowe. Warto zauważyć, że modelowanie algorytmów sterowania zarówno dla MAS jak i SA, jest również możliwe poprzez wykorzystanie diagramów stanów języka UML, które następnie przekształca się do postaci sieci Petriego. Ułatwia to komunikację pomiędzy specjalistami różnych branż niekoniecznie zaznajomionymi z środowiskiem sterowników PLC. Metody transformacji diagramów stanów UML do postaci sieci Petriego, opisane są w licznych pracach [2,5,6]. LITERATURA 1. Cyklis J., Słota A.: Modelowanie systemów wytwarzania przy pomocy sieci Petriego z wykorzystaniem teorii złożoności. SOP 2008 CA Systems and Technologies, ISBN 978-83-7242-481-5, s. 47-52. 2. Doligalski M., Adamski M., Projektowanie strukturalnych programów dla PLC na podstawie modelu maszyny stanowej UML. PAK, 5/2007, s. 42-44. 3. Franczok K.: A Petri net based control method for concurrent and sequentual processes in a storehouse. Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej, seria Elektryka 2014 Nr 352/2014, z.70, s. 21-22. 4. Franczok K.: Metoda modelowania procesów sekwencyjnych i współbieżnych w środowisku sterowników PLC. PAR, 1/2014, s. 98-104. 5. Grobelny M.: Transformacja diagramów aktywności UML 2.0 do sieci Petriego w systemach sterowania binarnego. KNWS 09, s. 31-33. 6. Lasota A.: Modelowanie procesów produkcyjnych z wykorzystaniem diagramów aktywności UML i sieci Petriego. Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2012. 7. Oprzędkiewicz K.: Porównanie języków programowania. PAR 12/2006, s. 5-9. 8. Reisig W.: Petrinetze, Modellierungstechnik, Analysemethoden, Fallstudien. Vieweg+Treubner Verlag, Springer Fachmedien, Wiesbaden 2010.