Innowacyjny system monitorowania i sterowania produkcją jako

Innowacyjny system monitorowania i sterowania produkcją jako
element fabryki przyszłości
Tomasz Mączka ([email protected] – student, ROBO)
Tomasz Czech ([email protected] – student, ROBO)
dr inż. Tomasz Żabiński ([email protected] – opiekun projektu)
1.
Wstęp
Wzrost konkurencyjności wśród przedsiębiorstw produkcyjnych oraz rosnące wymagania dotyczące ochrony
środowiska i optymalizacji wykorzystania energii wymuszają konieczność monitorowania i optymalizacji procesów
produkcyjnych. Dąży się do minimalizacji kosztów produkcji przy jednoczesnej maksymalizacji wydajności i
zachowaniu odpowiedniej jakości produkowanych wyrobów. Ze względu na rosnącą złożoność systemów
produkcyjnych, klasyczne struktury organizacyjne nie będą w stanie sprostać wymaganiom stawianym fabrykom
przyszłości. W związku z tym opracowywane są nowe koncepcje organizacyjne np. holonowe, fraktalne oraz bioniczne,
których realizacja w praktyce wymaga zastosowania nowoczesnych rozwiązań w obszarach informatyki, automatyki i
robotyki. W przedsiębiorstwach produkcyjnych przyszłości znaczna część procesów decyzyjnych oraz zadań sterowania
realizowanych aktualnie przez człowieka musi zostać zastąpiona przez maszynowe przetwarzanie danych
wykorzystujące techniki sztucznej inteligencji [1,2]. Aby było to możliwe, przedsiębiorstwo musi zastosować
nowoczesne środki techniczne do stworzenia odpowiedniej infrastruktury sprzętowo-programowej poczynając od
poziomu hali fabrycznej [3,4]. Poprawnie skonstruowana infrastruktura umożliwia sterowanie maszynami, komunikację
pomiędzy urządzeniami a różnymi komórkami organizacyjnymi przedsiębiorstwa, gromadzenie i przetwarzanie danych,
komunikację z operatorami, wizualizację i zdalny podgląd stanu maszyn na hali fabrycznej jak również prezentację w
trybie on-line odpowiednich wskaźników statystycznych obliczanych na podstawie zarejestrowanych danych.
W artykule przedstawiono wyniki pierwszego etapu projektu realizowanego przez koło naukowe ROBO we współpracy
z Katedrą Informatyki i Automatyki Politechniki Rzeszowskiej i dwoma firmami należącymi do Klastra Zielona
Kuźnia. Należy podkreślić, że inspiracją dla prowadzonych prac są rzeczywiste potrzeby polskich firm produkcyjnych
tworzących Klaster Zielona Kuźnia. Projekt polega na stworzeniu koncepcji (w warstwie automatyki, robotyki i
informatyki) systemu wytwarzania przyszłości i jej implementacji w rzeczywistym środowisku produkcyjnym.
W trakcie pierwszego etapu wybrano konfigurację sprzętową oraz zainstalowano w rzeczywistej hali produkcyjnej
prototypową wersję systemu przeznaczoną dla jednej maszyny. Stworzone stanowisko jest testowane od kilku miesięcy
w codziennym procesie produkcyjnym. Aktualnie prowadzone są prace mające na celu objęcie systemem kolejnych
maszyn.
Celem jaki stawiają sobie autorzy projektu jest stworzenie innowacyjnego rozwiązania przeznaczonego do sterowania i
monitorowania systemów wytwarzania. Skonstruowana platforma sprzętowo-programowa będzie stanowiła podstawę
do implementacji nowatorskich rozwiązań odnośnie struktur organizacyjnych fabryk przyszłości oraz zastosowania
technik agentowych i metod sztucznej inteligencji w polskich przedsiębiorstwach produkcyjnych. Autorzy głęboko
wierzą, że ich praca przyczyni się do wzrostu konkurencyjności i innowacyjności polskich firm produkcyjnych a tym
samym do wzmocnienia pozycji Polski na arenie międzynarodowej i podniesienia standardu życia Polaków.
2.
Struktura systemu
Podstawowa struktura systemu składa się z trzech głównych poziomów tj. hali produkcyjnej, serwerów danych oraz
stacji klienckich, co schematycznie przedstawiono na rys.1.
Rys. 1. Struktura systemu dla jednego sterownika i sześciu maszyn
2.1. Poziom hali produkcyjnej
Głównym elementem systemu, na poziomie hali produkcyjnej, są sterowniki przemysłowe typu embedded PC, które
łączą funkcjonalność PLC/CNC z możliwościami systemu operacyjnego Windows CE. Programy PLC/CNC oraz
aplikacje Windows pracują na tej samej platformie sprzętowej. Strukturę komunikacyjną pomiędzy sterownikami i
pozostałymi elementami systemu oraz pomiędzy sterownikami a rozproszonymi modułami wejść/wyjść (protokół
EtherCAT) zapewnia sieć Ethernet.
Oprogramowanie na poziomie PLC oraz Windows CE zostało zaprojektowane i zaimplementowane tak, aby jeden
sterownik mógł obsługiwać wiele maszyn. Stworzono skalowalną strukturę, zarówno w warstwie programowej jak i
sprzętowej, w której jeden sterownik aktualnie może monitorować i sterować od jednej do sześciu maszyn (rys. 1, 2).
Sterowniki, poprzez rozproszone moduły wejść/wyjść, komunikują się bezpośrednio z elementami maszyn takimi jak:
czujniki, urządzenia wykonawcze, przyciski sterujące itp. Dodatkowo za pomocą złącz DVI, portów USB i COM oraz
sieci Ethernet komunikują się z dodatkowym osprzętem stanowiska takim jak: przemysłowy panel dotykowy 15’’,
czytnik kodów kreskowych oraz czytnik kart zbliżeniowych RFID. Docelowo projekt systemu uwzględnia
zainstalowanie na stanowisku operatora dodatkowych urządzeń pomiarowych np. suwmiarki elektronicznej. Na
aktualnym etapie wdrożenia, do głównych zadań realizowanych przez sterowniki należą: zapewnienie graficznego
interfejsu operatorskiego, autoryzacja operatorów (karty RFID), rejestracja czynności wykonywanych przez
operatorów, wprowadzanie powodów postoju, wsparcie dla realizacji planów kontroli jakości, egzekwowanie
harmonogramów produkcji oraz wizualizacja danych istotnych dla operatorów np. parametrów zlecenia produkcyjnego
czy też normatywnych i aktualnych czasów realizacji czynności przygotowawczo-zakończeniowych. Przykładowy
wygląd interfejsu operatorskiego na poziomie hali produkcyjnej przedstawiono na rys.2.
a)
b)
Rys. 2. Wygląd interfejsu operatorskiego na poziomie hali produkcyjnej: a) widok podstawowy, b) wizualizacja postępu produkcji
2.2. Poziom serwerów danych
Warstwę serwerów danych i stacji klienckich stanowią aktualnie komputery PC umożliwiające dostęp do danych
systemu dla różnych komórek przedsiębiorstwa, między innymi dla działu utrzymania ruchu. Komunikacja pomiędzy
serwerami a sterownikami realizowana jest za pośrednictwem technologii Web Services i serwera GlashFish. W obrębie
tego samego serwera działa aplikacja WWW udostępniająca stacjom klienckim dane dotyczące aktualnego stanu
urządzeń i procesu produkcyjnego oraz zapewnia dostęp do statystyk. Aplikacja WWW komunikuje się z modułem
zbierania i przetwarzania danych przy pomocy technologii EJB. W systemie wykorzystano bazę danych PostgreSQL.
Na obecnym etapie zaimplementowano podstawową wymianę danych z modułem harmonogramowania produkcji.
Szczegółowe dane dotyczące zlecenia produkcyjnego (opis produktu, liczba sztuk, parametry jakościowe) są pobierane
z systemu klasy ERP i wyświetlane na stanowisku pracy operatora maszyny. Docelowo stan zlecenia (wyprodukowana
liczba sztuk, czas realizacji) będzie synchronizowany z systemem planistycznym.
2.3. Poziom stacji klienckich
Aplikacja dla stacji klienckich wykorzystuje technologię WWW i może działać zarówno w sieci intranet jak i Internet.
Dostęp do serwisu WWW wymaga autoryzacji. Do stworzenia aplikacji wykorzystano technologię Java EE 5,
framework JSF, Ajax oraz bibliotekę RichFaces.
Aktualnie aplikacja WWW składa się z dwóch głównych modułów tj. monitorowania on-line oraz statystyk. Pierwszy
moduł zapewnia dostęp do aktualnych danych o stanie maszyn, o czynnościach wykonywanych przez operatorów i
postępie realizacji produkcji. Zastosowano odwzorowanie struktury fabryki w postaci drzewa, w którym kolejne
poziomy tworzą hale, gniazda i maszyny. Przykładowy widok szczegółowy gniazda pokazano na rys. 3a.
Moduł statystyk udostępnia dwa sposoby analizy danych tj. zbiorczy dla grupy maszyn oraz indywidualny dla wybranej
maszyny. Użytkownik ma możliwość odpowiedniego skonfigurowania statystyki poprzez wybór interwałów
czasowych, elementów uwzględnianych w analizie, rodzaju prezentacji danych (np. w dobowym lub tygodniowym
ujęciu) oraz typu wykresu (np. słupkowy, linowy). Aplikacja udostępnia moduł raportów wykorzystujący bibliotekę
JasperReports. Szablony raportów są tworzone za pomocą narzędzia IReport i umożliwiają zapis wyników do formatu
PDF lub XLS. Przykładowy wykres dla statystyki liczby wyprodukowanych sztuk pokazano na rys. 3b.
a)
b)
Rys. 3. Wygląd interfejsu www: a) widok gniazda, b) wykres statystyki liczby wyprodukowanych sztuk
3.
Planowane prace
Projekt zakłada objęcie systemem całego parku maszynowego w fabryce, w której aktualnie prowadzone są prace oraz
włączenie do systemu kluczowych zasobów produkcyjnych jej kooperantów z Klastra Zielona Kuźnia. System
umożliwi tworzenie wirtualnych gniazd lub linii produkcyjnych dzięki czemu przewidywalność i terminowość
realizacji zleceń produkcyjnych powinna ulec znacznej poprawie.
Już obecna wersja systemu, monitorująca jedną maszynę, pozwala na uzyskanie interesujących wniosków dotyczących
realizacji procesu produkcyjnego. Autorzy oczekują, iż monitorowanie pełnego parku maszynowego pozwoli uzyskać
znaczne korzyści w obszarze optymalizacji procesów produkcyjnych w przedsiębiorstwie. Zysk z wprowadzenia
systemu będzie dotyczył nie tylko kwestii finansowych (oszczędność materiału, odpowiedni przydział pracowników i
zleceń do maszyn) ale także wpłynie pozytywnie na środowisko (zmniejszenie zużycia energii i ilości generowanych
odpadów itp.).
Planowany kolejny obszar rozwoju systemu to analiza zebranych danych oraz pozyskiwanie na ich podstawie wiedzy,
wskazówek i wniosków odnośnie wydajności maszyn i operatorów, wykorzystania materiału, realizacji zleceń oraz
możliwości usprawnienia i udoskonalenia procesów produkcyjnych. Na podstawie liczby zdarzeń, zarejestrowanych w
czasie działania testowej wersji systemu dla jednej maszyny, nasuwa się wniosek, iż w celu ich efektywnej i skutecznej
analizy konieczne jest wykorzystanie metod sztucznej inteligencji. Techniki drążenia danych i pozyskiwania z nich
wiedzy mogą umożliwić, między innymi, wykrywanie niewłaściwych zachowań operatora powodujących przestoje i
awarie oraz wykrywanie czynników wpływających na proces produkcyjny i określanie poziomu ich oddziaływania.
Autorzy przewidują, że na bazie pozyskiwanej w sposób automatyczny wiedzy będzie istniała możliwość
automatycznego przypisywania operatorów i maszyn do zleceń produkcyjnych, tak aby zminimalizować liczbę awarii i
zmaksymalizować efektywność produkcji.
Efektem końcowym projektu, planowanym przez autorów, będzie stworzenie inteligentnego systemu monitorującego i
sterującego procesem produkcyjnym wraz z wykorzystaniem technik agentowych i sztucznej inteligencji.
Zaprojektowana struktura programowo-sprzętowa umożliwi implementację w rzeczywistym środowisku produkcyjnym
nowoczesnych koncepcji organizacyjnych fabryk przyszłości np. holonowych.
Autorzy są głęboko przekonani o konieczności stosowania w polskich fabrykach inteligentnych systemów
monitorowania i sterowania produkcją. Mają oni także nadzieję, że prowadzony przez nich projekt spotka się z
szerszym zainteresowaniem ze strony przedsiębiorstw produkcyjnych.
Literatura
[1]
Bollinger J G et al (1998) Visionary Manufacturing Challenges for 2020, Committee on Visionary Manufacturing Challenges, Board on
Manufacturing and Engineering Design, Commission on Engineering and Technical Systems, National research Council, National Academy
Press, Washington D.C., www.nap.edu
[2]
Christo C, Cardeira C, Trends in Intelligent Manufacturing Systems (2007), IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Vigo,
Spain
[3]
Żabiński T, Mączka T, Jędrzejec B (2009), Control and Monitoring System for Intelligent Manufacturing – Hardware and Communication
Software Structure. In: 7th Conference on Computer Methods and Systems, Cracow, Poland, pp 135-140
[4]
T. Żabiński, T. Mączka (2010), Human System Interface for Manufacturing Control - Industrial Implementation. 3rd International Conference
on Human System Interaction, Rzeszów, 2010 - zgłoszony