Pobierz - Politechnika Śląska

WYBRANE PROBLEMY INĩYNIERSKIE
NUMER 2
INSTYTUT AUTOMATYZACJI PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH
I ZINTEGROWANYCH SYSTEMÓW WYTWARZANIA
Grzegorz WIKŁA*
Instytut Automatyzacji Procesów Technologicznych i Zintegrowanych Systemów
Wytwarzania, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika lska, Gliwice
*
[email protected]
AUTOMATYCZNA AKWIZYCJA DANYCH
Z SYSTEMÓW PRODUKCYJNYCH DLA POTRZEB SYSTEMÓW
WSPOMAGAJĄCYCH ZARZĄDZANIE PRZEDSIĉBIORSTWEM
Streszczenie: W pracy przedstawiono opis metod zbierania danych w systemach
produkcyjnych w celu kontroli i raportowania przepływu produkcji. Zastosowane metody
zbierania danych to technologie rozpoznawania obrazów, RFiD oraz kodów paskowych.
Zbierane s take dane z sensorów aparatury automatyki przemysłowej. Zaprezentowano opis
stanowiska do monitoringu systemów produkcyjnych, integrujcego te technologie.
Komunikacja z systemami warstwy biznesowej jest realizowana na porednictwem
technologii OPC. Zebrane dane s analizowane i prezentowane w systemie klasy MES
(Manufacturing Execution Systems), skd mog by dalej wysyłane do zintegrowanych
systemów wspomagajcych działanie przedsibiorstwa ERP, co pozwala na sprawne
zarzdzanie przedsibiorstwem na podstawie aktualnych danych.
1. WstĊp
Przedsibiorstwo chcce zachowa konkurencyjno na rynku jest zmuszone do cigłego
usprawniania organizacji pracy. Upowszechnienie systemów klasy ERP sprawiło, e trzeba
szuka dalszych moliwoci doskonalenia procesów przebiegajcych w przedsibiorstwie.
Systemy ERP potrzebuj dobrego połczenia z systemem produkcyjnym, a kierownictwo
firmy chce mie dokładniejszy obraz sytuacji. Potrzebne s wic łczniki midzy warstw
biznesow a procesem produkcyjnym, które zapewni transfer danych z produkcji do ERP
oraz wizualizacj procesu produkcyjnego.
Dostosowywanie przedsibiorstw do wymogów norm ISO serii 9000 take wymusza
pojawienie si pewnych rozwiza. ledzenie przepływu materiałów, półproduktów oraz
produktów gotowych w trakcie realizacji procesu produkcyjnego to podstawowe wymagania
stawiane firmom produkcyjnym. Normy ISO9000 wymuszaj midzy innymi jednoznaczn
identyfikacj operacji technologicznych, podzespołów, wyrobów i osób odpowiedzialnych za
dany etap produkcji.
Aby umoliwi sprawny przepływ danych z systemu produkcyjnego do ERP, konieczne
jest stosowanie rónych technologii identyfikacji stanu procesu. W celu zbadania moliwoci
zastosowa rónych systemów identyfikacji stanu systemu produkcyjnego oraz
.
przetestowania współpracy oprogramowania pracujcego w rónych czciach
przedsibiorstwa zbudowano zautomatyzowane stanowisko, wyposaone w róne podsystemy
zbierania danych (system wizyjny, kody paskowe i znaczniki RFiD). W skład stanowiska
wchodzi ponadto komputer z oprogramowaniem klas HMI/SCADA i MES oraz niezbdne
systemy klasy OPC i Historian.
2. Metody akwizycji danych z systemu produkcyjnego
Istnieje wiele metod zbierania danych procesowych z systemu produkcyjnego. Wybór
właciwej zaley od stopnia automatyzacji procesu produkcyjnego. W pełni
zautomatyzowane systemy produkcyjne s najczciej wyposaone w du liczb czujników
monitorujcych stan procesu, dziki czemu nie ma wikszych problemów z pozyskaniem
danych do systemów HMI/SCADA, a nastpnie MES. Czujniki odpowiadaj za pomiary
temperatury, cinienia, stosowane s take czujniki indukcyjne, pojemnociowe, optyczne
i wiele innych. Dane pobierane z czujników wymagaj analizy i interpretacji
Pobieranie danych z systemów zautomatyzowanych w mniejszym stopniu lub
niezautomatyzowanych stanowi wikszy problem, poniewa w tej sytuacji czsto niezbdne
jest wykorzystanie danych dostarczanych werbalnie lub za porednictwem prostych systemów
przez samych pracowników. Rozwizanie to jest zawodne, a dane pojawiaj si ze znacznym
opónieniem. Prowadzone s wic prace nad rónymi metodami zautomatyzowanego
pobierania danych, eliminujcymi bd ograniczajcymi udział człowieka.
Pierwsz chronologicznie technologi, zastosowan w celu ułatwienia przekazywania
danych jest technologia kodów paskowych (barcodes). W systemie automatycznej
identyfikacji opartym na kodach kreskowych kada operacja technologiczna, półprodukt,
wyrób finalny jak równie osoba realizujca proces produkcyjny jest identyfikowana za
pomoc kodu kreskowego. Jest to technologia optyczna, odczytanie informacji z etykiety
wymaga zazwyczaj udziału człowieka. Kody kreskowe nie daj moliwoci dopisywania
informacji o danym produkcie, drukowane najczciej na nonikach papierowych nie s te
odporne na działanie takich czynników, jak wilgo bd wysokie temperatury, mogce
powodowa uszkodzenie etykiety, co uniemoliwia odczyt informacji [1].
Technologia kodów paskowych jest obecnie szeroko stosowana ze wzgldu na niewielki
koszt – etykiety mona drukowa na dowolnej drukarce, na rónych nonikach bd
bezporednio na samym znakowanym obiekcie. Rozwijana jest technologia kodów
paskowych dwuwymiarowych, które pozwalaj na upakowanie znacznie wikszej iloci
danych na podobnej powierzchni w porównaniu z klasycznymi. Udoskonalono równie
techniki korekcji błdów, pozwalajce na poprawny odczyt kodów z uszkodzonych noników
[2].
Kody kreskowe bd prawdopodobnie wypierane przez technologi RFiD (Radio
Frequency Identification). Nonikami danych s transpondery, nazywane te tagami.
Zbudowane s one z miniaturowego obwodu scalonego z anten, a aktywowane za pomoc
fal radiowych (rys. 1). Podstawow zalet technologii RFID jest moliwo zapisu duo
wikszej liczby informacji o obiekcie, wana jest równie moliwo edycji danych
i ponownego zapisania (zalena od zastosowanych tagów). Odczyt i zapis danych nastpuje
drog radiow, bezprzewodowo i bez koniecznoci „widzialnoci” transpondera przez
czytnik. Wystarczy, aby oznakowany przedmiot znalazł si w zasigu działania anteny
czytnika, a transponder zostanie aktywowany i komunikacja nawizana [3]. Technologia ta
'+
+
'
jest obecnie rozwijana, poniewa
poniewa wci nie s całkowicie rozwizane
zane pewne problemy, na
przykład w sytuacji, gdy w zasigu
gu głowicy czytnika znajdzie si wiksza liczba
transponderów. Najwaniejsz
niejsz przeszkod powszechnego stosowania technologii RFiD jest
fakt, ee cena taga znacznie przekracza ko
koszt
szt wydrukowania kodu paskowego. Cena jednak
bdzie spada wraz z upowszechn
upowszechnianiem si technologii RFiD i masow produkcj tagów.
W pewnych zastosowaniach RFiD wypiera kody paskowe ze wzgldu
du na wi
wiksz odporno
tagów na róne
ne czynniki zewn
zewntrzne, takie jak wilgo lub wysoka temperatura.
Rys.1. Zasada działania układu RFiD [4]
[
Fig.1. RFiD - operating principle
Kolejn metod identyfikacji obiektów ss systemy wizyjne.. W tej metodzie obraz
przekazywany z kamery jest zamieniany na posta
posta cyfrow i poddawany analizie przez
algorytm rozpoznawania obrazów. Identyfikacja produktu
produ
nastpuje
puje na podstawie jego
rzeczywistego kształtu lub biecych
bie
właciwoci
ci (temperatura obiektu, struktura wewn
wewntrzna
materiału), a nie informacji zawartych w dodatkowych
dodatkowych elementach, takich jak etykiety, które
mogłyby ulec zniszczeniu w trakcie przepływu produktu w łacuchu
cuchu dostaw [4].
Główne zastosowania systemów wizyjnych to: kontrola jakoci,
ci, kontrola procesu montau
monta
lub parametrów wytwarzania, wykrywanie obecnoci
obecno ci oraz identyfikacja obiektów, pomiar
temperatury, sterowanie oraz wizualizacja procesów przemysłowych.
System wizyjnej identyfikacji obiektów składa si
si z: kamery cyfrowej, ródła wiatła oraz
komputera, czsto
sto zintegrowanego z kamer
kamer we wspólnej obudowie. Najczciej
Najcz
analizowany
jest obraz uzyskany w wietle
wietle widzialnym, obiekt badany jest oowietlany
o
wiatłem
czerwonym.
Skuteczno rozpoznania obiektów t
t metod jest uzaleniona
niona od ich pozycji w polu
widzenia kamery oraz owietlenia.
wietlenia. N
Najlepsze efekty s uzyskiwane przy wykrywaniu rónic
w kształcie obiektów produkowanych seryjnie.
Dokładno metody jest zalena
zale
od skutecznoci
ci algorytmu do rozpoznania obiektów
w sytuacji, gdy bieca
ca orientacja produktu jest inna ni
ni zapisana w pamici
pami sensora lub gdy
w zasigu kamery znajd si te
te inne obiekty. System wizyjny moe by take
tak stosowany do
odczytu
czytu kodów kreskowych, zarówno standardowych, jak i dwuwymiarowych.
3. Stanowisko do monitoringu systemów produkcyjnych „In-line”
„I
„In
W celu rozwijania metod akwizycji danych z systemów produkcyjnych zbudowano
stanowisko, pozwalajce
ce na kontrol
kontrol przebiegu procesu
su produkcyjnego z zastosowaniem
kamery, znaczników RFID oraz kodów paskowych. Układ umoliwia
umo
współprac
z istniejcymi
cymi stanowiskami laboratoryjnymi oraz sieciami przesyłania
przesyłania danych. Konstrukcja
.
mechaniczna daje moliwo jego przemieszczania i zainstalowania nad rónymi modelami
systemów produkcyjnych (rys. 2).
Rys.2. Widok stanowiska „In-line” do monitoringu systemu produkcyjnego
Fig.2. Overview of the „In-line” production monitoring station
System składa si z podsystemów akwizycji danych, czci mechanicznej, pełnicej
zadanie ustroju nonego dla pozostałych elementów i układu sterowania. Cz stanowiska
odpowiadajca za rozpoznawanie stanu systemów produkcyjnych składa si z systemu
wizyjnego, urzdze zapisujcych i odczytujcych RFID oraz kody paskowe. Kamera
zainstalowana na kocówce 3-osiowego manipulatora moe przemieszcza si nad
obserwowanym systemem produkcyjnym. Układ sterowania umoliwia kierowanie ruchami
manipulatora oraz integruje w jedn cało wszystkie podsystemy automatyki, jest
wyposaony w interfejsy do rónych typów sieci przesyłania danych. Sterowanie systemem
jest moliwe zarówno z poziomu pulpitu operatora, jak równie poprzez sie komputerow
(HMI/SCADA iFix i Citect SCADA). Stanowisko posiada interfejsy, umoliwiajce wymian
danych i sterowanie z poziomu oprogramowania.
4. Oprogramowanie do akwizycji i obróbki danych
W celu akwizycji danych ze stanowiska naley wykorzysta oprogramowanie nalece do
kilku klas: sterowniki do przekazywania danych w standardzie OPC, przemysłowy system
archiwizacji danych (historian) i oprogramowanie klasy MES.
Standard OPC pozwala na komunikacj komponentów takich jak sterowniki PLC czy
DCS z nisz warstw programow (klientem OPC). Pierwotnie skrót OPC oznaczał „OLE
'+
for Process Control”, lecz technologia OLE (Object Linking and Embedding) została
zarzucona przez Microsoft na rzecz ActiveX. Obecnie skrót ten ma rozwinicie „Open
connectivity” [5]. Architektura systemu OPC została przedstawiona na rys. 3. Podstawowy
poziom specyfikacji OPC to OPC DA (Data Access) – słuy do akwizycji w czasie
rzeczywistym danych ze sterowników PLC, DCS i innych oraz ich transferu na panele HMI
czy te w inne lokalizacje. Przy pomocy OPC DA do serwera OPC s kierowane zapytania
o aktualne wartoci zmiennych procesowych. Pozwala to na dostp do wartoci zmiennych
stanu sterowników.
/0123456
01301
7504/
Rys.3. Zasada działania OPC
Fig.3. OPC - operating principle
Systemy typu „historian” słu do archiwizacji danych pochodzcych z układów
automatyki przemysłowej. Zostały zaprojektowane w taki sposób, by zapewni wysok
wydajno obsługi centralnej bazy danych, mogcej zawiera bardzo du ilo informacji,
pozwalajc równoczenie na kompresj tych danych. Baza taka zwykle jest wyposaona
w system kolektorów słucych do zbierania danych z rónych ródeł oraz pozwala na
agregacj, koncentracj i dostaw danych zgodnie z konfiguracj okrelon przez
uytkownika kocowego [6]. Ponadto moliwe jest te generowanie danych symulacyjnych.
MES – z angielskiego „Manufacturing Execution Systems” (systemy realizacji
produkcji, systemy kontroli wykonania) plasuj si w przedsibiorstwie pomidzy
oprogramowaniem ERP a systemami produkcyjnymi. Systemy MES opieraj swoje działanie
na danych pobieranych z systemów produkcyjnych za porednictwem oprogramowania klasy
Historian i OPC. Umoliwiaj wydajne zbieranie informacji w czasie rzeczywistym ze
stanowisk produkcyjnych oraz ich transfer bezporednio na obszar biznesowy. Dziki
systemom MES mona błyskawicznie uzyska informacje o stopniu wykonania produkcji,
podejmowa decyzje na podstawie biecych danych oraz reagowa na problemy pojawiajce
si w procesie produkcyjnym. Informacje uzyskane z produkcji pozwalaj na analiz
wczeniej zdefiniowanych wskaników wydajnoci i uzyskanie realnego obrazu
wykorzystania zdolnoci produkcyjnych [7].
5. Podsumowanie
Systemy MRP działajce bez wsparcia HMI/SCADA oraz MES nie sprawdzaj si
najlepiej w zarzdzaniu systemami produkcyjnymi, co w skrajnym wypadku moe
doprowadzi do zablokowania produkcji. Wprowadzenie rozwiza pozwalajcych na
automatyczn akwizycj, obróbk i prezentacj danych produkcyjnych pozwala na
otrzymanie pełnego obrazu procesów odbywajcych si na hali produkcyjnej. Istnienie luki
midzy systemami zarzdzania przedsibiorstwem od strony biznesowej a hal produkcyjn
zostało dostrzeone, co w efekcie spowodowało dynamiczny rozwój systemów MES oraz
oprogramowania pomocniczego i słucego jako interfejs. Systemy MES opieraj si na
&
!
.
danych z procesu wytwarzania, w ich zasigu mog znajdowa si nawet pracownicy
obsługujcy poszczególne maszyny.
Literatura
1. Chartier P.: Systemy kodu kreskowego. Pozna: 1990, Scan-Poland.
2. Górny Z.: Analiza moliwoci zastosowania kodów dwuwymiarowych. Pozna: 1995,
ILiM.
3. Okulewicz J.: Warunki wykorzystania identyfikacji radiowej w systemach logistycznych,
„Logistyka” 2006, nr 6.
4. Aftewicz M.: Metodyka projektowania przemysłowych systemów wizyjnych.
http://www.systemywizyjne.pl/pliki/metody-projektowania-psw.pdf.
5. The OPC Foundation - The Interoperability Standard for a Connected World.
http://www.opcfoundation.org/Default.aspx/01_about/01_whatis.asp?MID=AboutOPC#op
en. Dostp 4.04.20111.
6. Coetzee D.: Historian software extending the capabilities of HMI/scada.
http://www.instrumentation.co.za/article.aspx?pklarticleid=3413. Dostp 4.04.20111.
7. Inne klasy systemów, portal Decyzje-it.pl. http://decyzje-it.pl/centrum-wiedzy/inneklasy.html#mes. Dostp 1.10.2010.
AUTOMATIC ACQUISITION OF DATA FROM PRODUCTION
PROCESS SYSTEMS FOR ENTERPRISE MANAGEMENT SUPPORT
SYSTEMS
Summary: This paper presents methods of automatic data acquisition from production
systems for control and reporting of it. Vision systems, RFiD technology and bar codes
technology are here used, as well as collecting data from sensors of manufacturing control
devices and built-in sensors. Automatic post designed for production systems in-line
monitoring, integrating these technologies was presented. Communication with business –
layer systems is realized by OPC technology. Collected information is analyzed and presented
in MES (Manufacturing Execution Systems) and can by relayed to integrated enterprise
management systems ERP. This connection allows for reliable and efficient enterprise
management basing on up-to-date information.