Automatycy dzieciom

Niedawno zarząd Disneylandu zdecydował się na wykorzystanie zaawansowanych systemów automatyki i sterowania bazujących na standardzie Ethernet w jednej z głównych atrakcji parków rozrywki w Kalifornii i na Florydzie – Toy Story Midway Mania. Podstawą pomysłu na stworzenie nowej atrakcji było połączenie klasycznych gier zręcznościowych (strzelanie, rzut do celu itp.) z prowadzeniem ich przez znane postaci jednego z najpopularniejszych filmów animowanych ostatnich lat – Toy Story.

Styliści i projektanci Disneylandu zaproponowali stworzenie pełnej, trójwymiarowej przestrzeni, w której goście parku poruszaliby się pomiędzy kolejnymi stanowiskami-grami w wózkach stylizowanych na pierwszą połowę XX wieku. Punkty ze wszystkich gier są sumowane i odpowiednio nagradzane.  
Aby zrealizować tę ideę w praktyce, inżynierowie musieli opracować system w pełni współpracujących układów sterowania i kontroli ruchu wózków, wyświetlania odpowiednich obrazów w kolejnych stacjach, zliczania punktów oraz różnych dodatkowych atrakcji (niewielkich wybuchów, wodotrysków itp.). Do obsługi gości przewidziano w sumie 20 wózków, które poruszają się po dwóch ścieżkach pomiędzy kolejnymi stacjami. W każdym z wózków znajdują się jednocześnie cztery osoby, siedzące w parach po dwóch stronach wózka. Każda z osób ma swoje własne narzędzie do trafiania w cele ukazujące się na ekranach zlokalizowanych na kolejnych przystankach. Wózki zatrzymują się kolejno przed stacjami, na których umieszczono ekrany wyświetlające trójwymiarowe obrazy z postaciami z filmu oraz różnego typu grami zręcznościowymi. Przeznaczone są dla każdej z par na wózku, które strzelając do celów, zbierają punkty. Urządzenia strzelające, przypominające wyglądem niewielkie działka, zamontowane są na barierce, mniej więcej na wysokości kolan. Tak, aby każdy z uczestników zabawy mógł je wygodnie obsługiwać, bez względu na wzrost.
Mechanizm wyzwalania strzałów oparto na zasadzie pociągania niewielkiej dźwigni czy rączki, która zapewnia sprawniejszą obsługę działka, niż w przypadku zastosowania klasycznego spustu czy guzika. Elementy, którymi strzela się do celu, są bardzo zróżnicowane: od strzałek i kółek, po piłki baseballowe i paintballowe. Pojawiają się na ekranie w momencie wyzwolenia strzału przez osoby siedzące w wózkach, imitując lot w przestrzeni. Pełna synchronizacja sygnałów z działek na wózku i ekranów 3D oraz sprawne poruszanie się wózków pomiędzy kolejnymi stacjami na trasie przejazdu koordynują dwa systemy automatyki – system sterowania ruchem oraz system sterowania i kontroli gier z kolejnych stanowisk.

Sterowanie ruchem wózków 
Każdy z wózków wyposażony jest w kilka modułów serii Simatic firmy Siemens: zasilacz, sterownik PLC Simatic S7 315 z modułami We/Wy (32 dyskretne wejścia i wyjścia), moduł procesora Simatic CP343-1 odpowiedzialnego za komunikację, moduł licznika Simatic FM350-2 oraz moduł klienta komunikacji bezprzewodowej Scalance W. Do wizualizacji i diagnostyki poruszania się wózków wykorzystano przemysłowe pakiety PC IL43 wraz z WinCC Flexible 2007 Runtime 2048 Tags oraz Step 7 v5.4 Professional. Sterownik PLC S7 315, zainstalowany na wózku, kontroluje tzw. profil wózka (prędkość i kierunek obrotu, aby zapewnić właściwą jego orientację względem ekranów na stacjach) i przekazuje informacje o położeniu do systemu nadrzędnego. Dodatkowo ruch i położenie wózka śledzi zewnętrzny sterownik PLC S7 319 z modułami zdalnych We/Wy. Przekazuje on również na bieżąco informacje o położeniu wózka w kolejnych strefach do systemu nadrzędnego. Stref na całej trasie ustanowiono około 400. Wózek identyfikowany jest w każdej z nich, jak też na kolejnych przystankach, specjalnym sygnałem wysyłanym przez zewnętrzny komputer. Każda ze stref ma swój unikatowy sygnał, co pozwala na śledzenie postępu ruchu wózka na trasie. Sygnały te obsługiwane są przez 49 zdalnych stacji We/Wy Siemens ET200S-PN – wyposażonych w cztery dyskretne kanały wejściowe, cztery dyskretne wyjścia 0,5 A oraz dwa wyjścia przekaźnikowe.
Komunikacja pomiędzy komputerami na wózku i zewnętrznymi realizowana jest poprzez protokół Ethernet, z wykorzystaniem magistrali Profinet i switchy Scalance X208. Protokół Ethernet zastosowano również do wymiany danych pomiędzy systemami sterowania wózkami i elementami multimedialnymi.
– Standard Ethernet był już wykorzystywany w Disneylandzie wcześniej, jednak nie jako element komunikacji magistralowej przy zbieraniu danych ze sterowników i modułów We/Wy – podkreśla Olaf Scheel, menedżer aplikacji w Siemens Energy & Automation. – W środowisku inżynierskim praktycznie każdy zetknął się już z tym standardem. Stąd łatwość instalacji sieci i jej diagnozowania. 

Jak podkreśla Jody Gerstner, kierownik grupy technicznej w Disneylandzie, to pierwszy przypadek, kiedy w tym parku rozrywki zastosowano sieć Ethernet do obsługi całej aplikacji.
– W ciągu ostatnich lat przeprowadziliśmy już kilka operacji wymiany stosowanych dotychczas systemów firmowych na standard Ethernet – mówi Jody Gerstner. – Najpierw były to aplikacje obsługujące dźwięk, a następnie systemy kontroli układów wizualnych. Planując system sterowania ruchem wózków i pełnej jego synchronizacji z dźwiękiem i panelami wizyjnymi, przetestowano kilka popularnych na rynku magistralowych systemów sterowania typu fieldbus. Jednak aplikacja ta wymagała obsługi bardzo dużej liczby urządzeń i punktów kontrolnych. Konieczne okazało się zastosowanie modułów zdalnych We/Wy. Moduły ET200 Siemensa pozwalają na pełną i kompleksową obsługę planowanej aplikacji właśnie przy wykorzystaniu standardu Ethernet. W ten sposób powstał system sterowania i kontroli Profinet, bazujący na standardzie Ethernet. Zapewnia on zaawansowane i zdalne funkcje diagnostyki układu, takie jak: możliwość stwierdzenia uszkodzeń linii i magistral, wykrywanie zwarć oraz innych tego typu defektów. Umożliwia szybką ich naprawę. 
Cztery czujniki zbliżeniowe Pepperl+Fuchs ustalają aktualną pozycję wózka na torze – poprzez odczytywanie specjalnych etykiet z kodami paskowymi, które są rozmieszczone na całej jego długości. Dodatkowo, w celu precyzyjnego pozycjonowania wózka, zastosowano czujnik laserowy Banner, który odczytuje paski umieszczone na podłodze wzdłuż trasy wózka. Moduły dostępowe ScalanceW zbierają informacje ze wszystkich tych czujników i przekazują je przewodami do zamontowanych w wózkach modułów klienckich ScalanceW.
Przemysłowy switch ethernetowy Weidmuller (8-portowy niezarządzalny) realizuje zadania komunikacji wieżyczek urządzeń strzelniczych wózka. Łączy się bezprzewodowo ze sterownikami PLC oraz komputerami sterowania grami na kolejnych stacjach. W sterowni całej aplikacji znajdują się dwie szafy z układami dystrybucji energii, sygnałów i obsługi funkcji bezpieczeństwa. Zlokalizowano tam również wspomniany już na wstępie system wizualizacji Siemens WinCC Flexible Runtime HMI. Dzięki temu operatorzy mogą szybko orientować się, gdzie w danej chwili znajdują się wózki, zaś w razie awarii ustalić, co stało się i w jakim miejscu. Każdy wózek napędzany jest dwoma serwonapędami SEW Eurodrive, które pracują w trybie master/slave.
Sterowanie grami
Kolejnym wyzwaniem było ustalenie pozycji każdego z działek strzelniczych wózka, tak aby prawidłowo współpracowało z systemem wizualizacji celów wyświetlanych na ekranach. W tym celu w wózkach zamontowano małe komputery z systemem operacyjnym Windows XP. Są one przeznaczone tylko do obsługi sygnałów gier oraz ich wzajemnej synchronizacji. Zbierają dane z enkoderów umieszczonych w działkach – w celu ustalenia poziomu, wysokości i odchyłki pozycji wieżyczki działka. Informacje te są zestawiane w pojedyncze pakiety i wysyłane do zewnętrznego systemu obsługi gier. System rozproszony zbiera wszystkie te dane w sterowni (20 wózków x 4 komputery na każdy wózek daje w sumie 80 komputerów wysyłających ciągłe strumienie danych do obróbki) przez sieć Ethernet. Następnie wysyłane są do niemal200 innych komputerów, które są bezpośrednio odpowiedzialne za obsługę obrazów wyświetlanych na ekranach kolejnych stacji na trasie wózków. 
– Każdy z ekranów tej aplikacji ma własny komputer HP, który odbiera dane ze sterowni – wyjaśnia Jody Gerstner. – W tym momencie do głosu dochodzi już czysta matematyka. Specjalny algorytm pobiera odpowiednie dane i oblicza pozycję, w jakiej powinien pojawić się na ekranie ślad strzału oddanego z działka na wózku. Obliczany jest nawet wygląd płomienia lub wybuchu po strzale. Tak stworzony komputerowy obraz przesyłany jest łączami światłowodowymi do projektora i specjalnego polaryzatora obrazów 3D, w celu wyświetlenia na ekranie. 
Komputery generują obrazy dla prawego i lewego oka. Dzięki polaryzatorom są odpowiednio synchronizowane tak, aby odbiorca uzyskiwał prawidłowy obraz 3D poprzez założone specjalne okulary. Punkty zdobywane przez uczestników zabawy na kolejnych stacjach są zbierane przez układy obsługi gry wzdłuż całej trasy i przesyłane do komputera PC umieszczonego w wózku, komputera, który wyświetla odpowiednią informację na ekranie. Pokazuje się również informacja o skuteczności strzałów. System obsługi gier wysyła także sygnały do układów sterujących wybuchami i dodatkowymi atrakcjami, które urealniają przebieg zdarzeń na torze. Jeżeli na przykład uda się zestrzelić wyświetlany na ekranie balon z wodą, uczestnicy opryskiwani są kroplami prawdziwej wody.  
Cały system wymiany danych w układach obsługi gier i ekranów zrealizowany jest w standardzie 100baseT Ethernet. Jednak jego przepustowość nie jest w pełni wykorzystana, gdyż moc obliczeniowa nowoczesnych, szybkich komputerów pozwala na ograniczenie strumieni danych przesyłanych magistralami sieciowymi.
David Greenfield
Artykuł pod redakcją dr. inż. Andrzeja Ożadowicza, adiunkta w Katedrze Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.