Dedykowane I/O zapewniają szybszą komunikację

Metro Weighing and Automation zastąpiła w swoich systemach pakowania sterowniki PLC modułami We/Wy.

Wszyscy jesteśmy świadomi, jak istotne dla uzyskania optymalnych rezultatów w konkretnych zastosowaniach automatyki przemysłowej jest właściwe dobranie sprzętu i oprogramowania. Wszyscy o tym wiemy, choć może nie zawsze stosujemy to w praktyce.

 

Fot. Jak w ostatnio dostarczonej linii, firma Metro Weighing and Automation unowocześniła sterowniki w swoich systemach pakowania.

Wystawiając tę powszechnie znaną mądrość na próbę, firma Metro Weighing and Automation (MWA) odkryła, że zastosowanie do produkcji systemów ważenia i pakowania nowego systemu I/O wyposażonego w logikę i komunikację przynosi znacznie lepsze efekty niż używane do tej pory PLC.

MWA to otwarta w 1971 roku firma z siedzibą główną w stanie Minnesota (USA). Początkowo zajmowała się sprzedażą i serwisem wag. Dziewięć lat później opracowała pierwszy system załadunku pieców wyposażony w wagi i wibrujące dozowniki. Po kolejnych dziesięciu latach stworzyła swój pierwszy system pakujący, wyposażony w komputer przemysłowy, sterujący komponentami systemu. Dzisiaj około 90% produkcji MWA jest przeznaczone dla dostawców elementów łącznych dla przemysłu motoryzacyjnego.

 

Od podajników do transporterów

– Mimo że MWA produkuje pięć różnych systemów pakowania, każdy produkt jest wykonywany na zamówienie i tak skonfigurowany, by odpowiadał konkretnym wymaganiom klienta – mówi Philip Harrison, jeden z dyrektorów MWA, odpowiedzialny za sprzęt i oprogramowanie sterujące w tych systemach. Podstawowymi komponentami systemu pakującego są stacje podające, podajniki, wagi i transportery. Wszystkie te elementy muszą być precyzyjnie zsynchronizowane, aby paczki nie zostały przepełnione lubniedopełnione oraz by szybko przesuwały się na swoje miejsce na podajnikach. Wzajemne zależności między poszczególnymi elementami systemu pakującego oraz potrzeba komunikowania się z innymi systemami pracującymi w zakładzie sprawia, że aplikacje pakujące „dojrzały” do automatyzacji.

– Zazwyczaj mamy od 10 do 12 elementów sterujących, zarządzających sprzętem podającym produkty na wagę podajnika – mówi Harrrison. – Musimy mieć możliwość kontrolowania prędkości pracy podajników i szybkiej regulacji ilości podawanych produktów oraz przerw między kolejnymi partiami. Dziewięćdziesiąt procent funkcji sterujących realizowanych jest za pośrednictwem ekranu dotykowego komputera wykonującego opracowany przez nas program IntelliPack. Pozostałe funkcje sterujące – głównie przesuw pudeł – są wykonywane przez PLC.

Systemy MWA pracowały dobrze, ale przez całe lata Harrisona frustrowały ograniczenia komunikacji i przetwarzania danych w systemach PLC, które zmusiły go do opracowania niezbyt wyszukanych programów, rozwiązujących problemy na zasadzie ich obchodzenia. – Problem – mówi Harrison – polega na tym, że zastosowane w aplikacji PLC po prostu nie gwarantowało niezbędnychstruktur danych lub deterministycznego ich przetwarzania wymaganego przez aplikacje pakujące. Ponadto stosowane wraz z PLC dołączone protokoły sieciowe były zbyt wolne, co dodatkowo pogarszało sytuację.

– W PLC, których używaliśmy, zakres długości cyklu przetwarzania wynosił 30–50 ms. Głównym założeniem dostawców PLC jest szybkie sterowanie w obrębie wewnętrznej części urządzenia, ale jeśli mamy do czynienia z procesem zewnętrznym, który musi dostać się do tych danych, to właśnie urządzenie wewnętrzne ma status obywatela ostatniej kategorii – mówi Harrison. Sugeruje, że przy pobieraniu danych przestrzeganie standardów byłoby bardziej skuteczne.

 

Poszukiwany determinizm

– Nasze oprogramowanie zarówno odpytywało dane w tle, jak i ustawiało wyjścia w rezultacie podejmowanych decyzji. Ale nawet przy zoptymalizowanej komunikacji przez asynchroniczne wywołania oraz bloki odczytu i zapisu, linie komunikacyjne były przeciążone, a program nie mógł w sposób zdecydowany ustawić prędkości podajnika. Musieliśmy tak zaprojektować nasz program, żeby robił przerwy trwające aż 300 ms, w przypadkach gdy kolejka I/O robiła się zbyt długa. W tym czasie program nie widział danych przychodzących z wag, aż do pojawienia się możliwości kolejnego wywołania I/O. To było denerwujące, ale w takiej sytuacji niewiele więcej mogliśmy zrobić.

Problem skłonił Harrisona do poszukiwania innych środków umożliwiających skuteczne sterowanie. Snap Ultimate I/O firmy Opto 22 zapewniło szybki kanał komunikacyjny do punktów sterujących systemu pakującego, jako że jest w standardzie wyposażone w komunikację ethernetową 10 Mbps i 100 Mbps, co pozwala na wymianę danych z bazami przedsiębiorstwa bez programowo-sprzętowych elementów pośredniczących. Sterowanie funkcjonalne wbudowane w moduł I/O umożliwia stosowanie rozproszonej architektury I/O.

– PLC jest urządzeniem do jednowątkowych zastosowań – mówi Anthony J. Dern, inżynier z Opto 22. – Ale funkcje sterujące naszych urządzeń pozwalają na wielozadaniowość. Możemy zatem wykonać wszystko, co niezbędne, bardzo szybko i precyzyjnie.

Zamiast PLC, MWA montuje teraz na maszynach pakujących bank I/O Ultimate oraz sterownik. Do komunikacji pomiędzy przemysłowymi pecetami, na których pracuje program MWA Intellipack, a urządzeniami I/O używana jest skrętka (sieć) ethernetowa. MWA używa również Terminal-G70 firmy Opto 22, posiadający złącze Ethernet, graficzny interfejs operatora wyposażony w systemy Snap Ethernet I/O i SNAP Ultimate I/O firmy Opto 22.

– Różnica wydajności pomiędzy tymi systemami I/O a stosowanymi wcześniej rozwiązaniami PLC jest wyraźna – mówi Harrison. – MWA używało dwóch modeli PLC, z których jeden potrzebował od 30 do 50 ms dla jednego wywołania I/O, a drugi od 20 do 40 ms. Ultimate Brain firmy Opto 22 potrzebuje od 0,5 do 1,5 ms na wykonanie tej samej funkcji. Ponadto standardowe źródło próbkowania oraz dostępne sterowniki OPC wyeliminowały potrzebę stosowania protokołów firmowych.

 

Dostepność

System I/O ułatwia fizyczną konserwację systemu pakowania i upraszcza panel sterujący operatora. Na przykład kiedyś w przypadku zepsucia się wskaźnika wagi technik musiał podważyć płytkę, wyjąć ją z modułu i wymienić, po czym zamknąć obudowę. Teraz jest to kwestia wyjęcia i włożenia z powrotem jednego scalonego modułu – jak twierdzi Harrison.

MWA uprościło również programowanie systemu przez zastosowanie wyprodukowanego przez Opto 22 – ioControl, graficznego programu narzędziowego, opartego na schematach przepływu technologicznego, a przeznaczonego do zdalnego monitorowania i zbierania danych w aplikacjach automatyki przemysłowej. Reprezentujący firmę Opto 22 Dern mówi: – W pakiecie graficznego programowania definiuje się każde zadanie przez konstruowanie schematu technologicznego, ilustrującego zadanie, jakie ma zostać wykonane. Można sporządzić kilka takich schematów, po jednym dla każdego zadania… Same instrukcje są zawarte wewnątrz każdego bloku schematu.

"Zastosowanie modułów We/Wy pozwoliło zejść z 20–50 ms nawet poniżej 1,5 ms ”

Harrison mówi, że szybsze systemy I/O pozwoliły firmie MWA przygotować nową wersję programu Intellipack, znacznie lepiej przystosowaną do dynamicznych warunków pracy niż poprzednia. W rezultacie systemy łatwiej wstępnie konfigurować, są też bardziej elastyczne dla użytkowników.

– Intellipack Versja 1, przeznaczony do pracy na PLC, nie monitorował warunków wystarczająco szybko, żeby podejmować „inteligentne” decyzje – mówi Harrison. – Zmusiło nas to do połączenia procesu podejmowania decyzji ze wstępnie zadanymi wartościami, które musieliśmy wprowadzać na ekranach systemowych w fabryce po wcześniejszym przetestowaniu różnych rodzajów części pakowanych przez klienta. W rezultacie, jeśli klient wprowadzał jakąś nową część, która nie była podobna do żadnej z tych, które testowaliśmy, musieliśmy udawać się do klienta i wprowadzać odpowiednie zmiany na miejscu. Jednak prędkość komunikacji przy zastosowaniu Opto 22 Ultimate I/O pozwala nowej wersji programu Intellipack szybko się „uczyć” nowej części i automatycznie do niej dostosowywać.

– Wystarczy tylko wprowadzić na ekranie urządzenia informacje o rodzaju używanego podajnika. Program Intellipack, wersja 2, ciągle analizuje pakowane części i podejmuje precyzyjne decyzje w celu osiągnięcia optymalnej prędkości i precyzji – mówi Harrison. – Snap Ultimate I/O i program Intellipack pozwoliły MWA oferować klientom systemy, które wymagają od nich niewiele więcej niż naciśnięcia przycisku „start”.

 

Niezawodna wydajność – 15 pudełek na minutę

– O ile wiemy, jesteśmy jedyną firmą oferującą tego rodzaju system. Pewien klient kupił od nas aż trzy linie pakujące i w zasadzie wymienił cały dotychczasowy system pakowania na nasz – mówi Harrison.

Chociaż systemy używane przez wspomnianego klienta miały pakować po 15 pudełek na minutę, skomplikowane procedury ustawiania linii oraz inne problemy sprawiały, że rzeczywista wydajność produkcyjna wynosiła mniej niż połowę tej liczby.

– Przy zastosowaniu naszego systemu wystarczy, że dotknie się numeru części, załączy system, a uzyska wydajność 15 pudełek na minutę przez cały dzień – wyjaśnia Harrison.

Dalsze plany rozwoju obejmują moduł, który pozwoli użytkownikom na bezpośrednie podłączenie systemu I/O do wag.

Metro Weighing and Automation – www.metrowa.com
Opto 22 – www.opto22.com
AB-MICRO – www.abmicro.com.pl

Informacja o autorze:
Dan Sussman jest niezależnym ekspertem z USA.