Wzrastająca liczba zastosowań układów automatyki opartych na komputerze PC w sterowaniu produkcją przynosi korzyści wynikające z elastyczności takiego rozwiązania, dostępu do bogatego oprogramowania narzędziowego i niższych kosztów towarzyszących. Do tego dochodzi łatwość połączenia z systemami biznesowymi, obsługiwanymi głównie przez PC o takiej samej lub bardzo podobnej budowie i oprogramowaniu.
Wpływ techniki komputerów osobistych na nasze otoczenie widzimy wokoło. Obserwujemy ekspansję zastosowania komputerów PC w przemysłowej komunikacji, w interfejsach użytkownika, przy wizualizacji
procesów produkcyjnych i wielu tym podobnych. Technika ta ma też niezliczoną ilość użytkowych programów i kompletnych programowych narzędzi, które pomagają w bieżącym diagnozowaniu stanu urządzeń, w obróbce i przetwarzaniu danych oraz w szerokiej gamie czynności typowych dla przedsiębiorstwa. Istnieje jednak jeszcze inny obszar zastosowania techniki opartej na PC, jest to bezpośrednie i realizowane na bieżąco nadzorowanie procesu produkcyjnego lub wytwarzanych wyrobów. Nie ma przy tym rozgłosu, nawet niechętnie używa się określenia, że jest ?bazowany na PC?, a to ze względu na poprzedni wizerunek tej techniki oraz względnie małą wagę nadzorowanego procesu wytwórczego. Rozwój takich zastosowań jest też słabiej udokumentowany. Prezentowany w tym artykule szereg przykładów ukazuje niejako zaledwie szczyt czegoś, co ma już teraz wielkość góry lodowej.
Scentralizowana architektura układu sterowania oparta na PC opracowana przez firmę Beckhoff, steruje płynnie pracą 34 pras wulkanizacyjnych w wytwórni opon Continental. Jednym z procesów na prasie wulkanizacyjnej jest napełnianie gazem wnętrza surowych opon w celu uzyskania ich właściwego kształtu
Zmiana wizerunku
Wizerunek automatycznego sterowania wykorzystującego typowe PC zmienia się i chociaż powoli, to jednak buduje coraz większe zaufanie u użytkowników. Przy tym trzeba wyraźnie powiedzieć, że sprzęt, jaki jest używany w przemyśle do celów automatycznego sterowania, to nie jest ten sam, który kupujemy wraz z PC dla domowego bądź biurowego użytku. Dlatego też nazywamy go przemysłowym komputerem (IPC ? IndustrialPC). W wielu przypadkach komputery przemysłowesą budowane do pewnego, z góry założonego zastosowania. Rezultatem takiego podejścia w budowaniu przemysłowych PC jest ich wysoka niezawodność, uzyskana poprzez rezygnację z bardziej zawodnych zespołów ruchomych, jak napędy dysków i wentylator chłodzący. W to miejsce wchodzą: pamięci fleszowe, radiator oraz stałe, wtykowe zespoły na płytkach drukowanych, realizujące określone funkcje. W niektórych rozwiązaniach mamy wręcz do czynienia z jednopłytkowym komputerem, wyposażonym dodatkowo w program testujący dla podniesienia jego niezawodności.
Ze strony oprogramowania sterowanie oparte na PC sprzyja używaniu języka programowania wyższego poziomu, wtedy PC staje się urządzeniem programującym. Technika PC pozwala też na symulacje programowe i może uprościć rozruch systemu automatycznego sterowania.
Wulkanizowanie opon
Wytwarzanie opon samochodowych składa się z szeregu procesów, mających decydujące znaczenie dla niezawodności pojazdów i bezpieczeństwa w ruchu drogowym. W 2004 roku firma Continental, dokonując w swoich zakładach w Charlotte, USA modernizacji 34 pras wulkanizacyjnych do produkcji opon, zastosowała sterowanie oparte na PC. Linia produkcyjna poprzednio była obsługiwana przez sterowniki (PLC) pochodzące z początku lat 90-tych. Decyzja o przejściu na scentralizowany system z użyciem PC była podyktowana znaczącymi ograniczeniami istniejącego systemu, wysokimi kosztami nowych sterowników oraz potrzebą uniknięcia rozbudowanych połączeń kablowych, wiążących wiele stanowisk pracy w jeden system. Zakłady oponiarskie miały już nowe maszyny (z formą dzieloną na segmenty) opracowane przez siostrzaną firmę Continental FMF.
Były one wyposażone w panelowy komputer PC, model CP7130 dostarczony przez firmę Beckhoff Automation (dla producenta opon firma Beckhoff była już znanym i wypróbowanym dostawcą). Ten komputer stanowił podstawę systemu automatycznego sterowania pracą pras. Układ sterowania pracą nowych pras formujących przewidywał trzy
rodzaje stanów: działanie przy sterowaniu ręcznym lub automatycznym oraz wymianę form. Sterowanie ręczne pozwalało na operowanie zespołami urządzenia i całym procesem i zapewniało bezpieczeństwo przy realizacji produkcji. Technologia produkcji przewidywała, że przez czas aktywności prasy w dętce utrzymywane jest podciśnienie, a segmenty formy nie mogą przemieszczać się. Jeśli prasa jest przez dłuższy czas nieczynna, system sterowania przełącza prasę w stan ?wymiana formy?, przy którym zlikwidowane jest podciśnienie, a segmenty formy mogą być poruszane. W tym stanie prasy może być przeprowadzane: wymiana narzędzi, okresowe czynności utrzymania ruchu i czyszczenie. Tryb automatycznego sterowania obsługuje cały proces wykonywania opony, podczas którego dane dotyczące przebiegu procesu i pracy samej prasy są zbierane i obrabiane przez oprogramowanie Beckhoff TwinCat, a jego rezultaty są w sposób ciągły wizualizowane na panelowym monitorze PC.
Modernizacja zwiększyła elastyczność linii produkcyjnej. Jack Plyler, inżynier elektryk z firmy Continental tak to opisuje: ? Prasy sterowane przez PLC nie miały możliwości działania w trybie ręcznym. Poszczególne sekwencje programowe oczekiwały w kolejce na realizację, ale nie mogły być sprawdzane, używane w procesie komponenty. Poza tym zakłady firmy Continental narzuciły wymaganie roboczej temperatury otoczenia dla układu sterującego na poziomie 65°C, zbyt trudnego dla poprzedniego rozwiązania.
Pamięć fleszowa zamiast twardego dysku
? Główną cechą CP7130 było to, że mogliśmy operować kompaktową pamięcią fleszową o pojemności 330 MB, działającą pod systemem operacyjnym Windows XPE ? powiedział Plyler. ? To usunęło ostatnie argumenty przemawiające za utrzymywaniem zamierzeń odnośnie zastosowania sterowników PLC. Ponadto Panel PC zamiast wentylatora ma radiator. Kluczem do użycia Microsoft Windows w sterownikuprzemysłowym jest oprogramowanie TwinCat firmy Beckhoff. W przypadku wystąpienia jakiegoś niespodziewanego problemu z systemem operacyjnym Windows TwinCat ma zabezpieczenie w razie uszkodzenia SO, które pozwala, tak jak przy sterownikach PLC, na kontynuowanie pracy i doprowadzenie sterowanego procesu do bezpiecznego stanu.
Plyler przypomina nam, że sterownik PC z Windows w wykonaniu przemysłowym nie powinien być sprzężony z biurowym czy domowym komputerem. Od kilku lat firma Beckhoff stosuje sterowniki z systemem operacyjnym Windows w różnych, wymagających dziedzinach przemysłu i poszukuje dalszych możliwości nowych zastosowań. Uzyskiwane oszczędności z zastosowania sterowania opartego na PC były natychmiast widoczne. Zdaniem firmy Continental to 50% oszczędności uzyskano na sterowaniu mechanicznymi i elektrycznymi zespołami 34 ulepszonych pras wulkanizacyjnych do produkcji opon.
Sterowanie oparte na PC w produkcji betonu
Czołowy amerykański dostawca materiałów budowlanych, firma New Enterprise Stone & Lime Co. Inc. (NES&L) ma wiele zakładów: wytwarzania betonu, kamienia budowlanego i urządzeń związanych z tego rodzaju produkcją. Firma ta przy produkcji: betonu, mieszanki bitumicznej, cementu, asfaltu oraz innych produktów stosuje obecnie do sterowania różnego rodzaju urządzeniami system oparty na komputerze PC, a dostarczony przez firmę Opto 22.
Beton jest materiałem o różnych właściwościach, dobieranych w zależności od zastosowań. Programista z NES&L Ashley Fleck zauważa wyraźne różnice pomiędzy betonem używanym do budowy elementów schodów na stadionach sportowych lub ścian w więzieniach, a używanym do budowy działek parkingowych i rezydencji mieszkalnych. ? Każdy rodzaj betonu wymaga wymieszania wielu różnych składników: piasku, kruszywa, wiórek stalowych itp. w różnych proporcjach ? mówi A. Fleck.
Systemy sterowania firmy Opto 22 prowadzące procesy mieszania betonu w NES&L mają inteligentne urządzenie B3000, obejmujące: procesor/sterownik, moduły We/Wy do sieci (B3000 Ethernet I/O processor/controller) ? połączone z analogowymi i cyfrowymi modułami We/Wy. Urządzenie to steruje ruchem przenośników transportujących kamień do mieszarki, a komunikuje się z PC przez Ethernet.
Firma New Enterprise Stone & Lime produkuje ponad 200 odmian betonu. Stosuje przy tym system sterowania opracowany przez firmę Opto22, oparty na PC, modułach We/Wy oraz własne opracowania programowe. System obsługuje ponad trzydzieści zakładów produkcyjnych
System firmy Opto 22 steruje również otwieraniem i zamykaniem hydraulicznie napędzanych zastawek do dozowania odpowiedniej ilości składników do mieszarki. Takie i jeszcze inne procesy produkcyjne są definiowane i wprowadzane do realizacji zgodnie z zamówieniem. Zastosowanie sterowania procesem oparte na PC zostało opracowane przez programistów NES&L przy wykorzystaniu języka Visual Basic.
A. Fleck opisuje sposób podejścia firmy Opto 22 jako jedyny, w którym opracowane i dostarczane jest całe niezbędne wyposażenie bez zmuszania użytkownika do stosowania swojego (to znaczy Opto 22) oprogramowania. Takie podejście może często znacznie ograniczyć wydatki użytkownika. Dzięki temu firma NES&L przez zastosowanie własnego oprogramowania znacznie zmniejszyła koszty wdrożenia nowego systemu sterowania.
Firma NES&L zdecydowała się na wdrożenie w swoich zakładach sterowania opartego na komputerach PC ze względu na mniejsze koszty, elastyczność oprogramowania i właściwą dla PC zdolność do połączenia z innymi systemami działającymi w firmie. Ponadto uproszczone jest gromadzenie danych i komunikacja z bazami danych oprogramowania.
Zdaniem inżyniera A. Fleck sterowanie oparte na komputerach PC okazało się niezwykle niezawodne i dało NES&L wyraźne korzyści przy uruchamianiu nowych zakładów i linii produkcyjnych. ? Zastosowaliśmy ten system sterowania w wielu naszych zakładach i w zasadzie nie musieliśmy nigdy powracać do poprzednich rozwiązań ? mówi Fleck.
Zwiększenie produkcji wałków napędzających
W celu zwiększenia wielkości produkcji elementów do zespołów wałów napędowych zakłady Spicer Driveshaft Manufacturing Inc. (USA) zastosowały urządzenia i maszyny sterowane numerycznie (CNC) Trunnion, opracowane i wykonane przez firmę City Machine Tool & Die Co. Inc. (USA). Wielozadaniowe, przezbrajalne maszyny i urządzenia Trunnion reprezentują śmiałe rozwiązania projektowe. Maszyny te wyróżnia system sterowania numerycznego Rexroth MTC 200 oparty na komputerze PC z firmy Bosch Rexroth Electric Drives and Controls. Na każdym stanowisku wykonywane są niezależne operacje technologiczne ? od wiercenia i gwintowania poczynając do całkowicie sterowanego numerycznie toczenia i wytaczania. Ważną zaletą jest sprawna wymiana narzędzi. ? Jeżeli operator chce wymienić narzędzia i oprzyrządowanie do obróbki innego detalu, to powinien mieć możliwość łatwej zmiany programów oraz innych informacji dotyczących tego detalu ? mówi Dennis Kelly dyrektor techniczny firmy City Machine. Jest to możliwe do wykonania tylko wtedy, gdy wiele systemów zostało tak zintegrowanych, że zachowują się tak, jakby były jednym systemem.
Jak wyjaśnia Karl Rapp szef oddziału automatyzacji i obrabiarek w firmie Bosch Rexroth: ? System Rexroth MTC 200 może jednocześnie sterować nawet siedmioma niezależnymi operacjami technologicznymi na obrabiarkach wielozadaniowych. MTC 200 realizuje wszystkie funkcje wymagane dla interpolacji przestrzennej (3-D), kołowej i spiralnej; przekształcenie we współrzędnych biegunowych; synchronizację głównego wrzeciona oraz innych elementów obrabiarek.
Komputerowe, cyfrowe sterowanie ruchem (CNC) oraz realizacja działań logicznych typowego sterownika (PLC), według Rappa, są już umieszczane na kartach wtykowych stosowanych do komputerów typu PC. ? Zaletą tych rozwiązań jest to ? mówi Rapp ? że działanie maszyny nie zależy od struktury PC-ta ani systemów operacyjnych Windows, bo stwarzają one tylko możliwość funkcjonowania specjalizowanych modułów sterujących CNC. W urządzeniach o dużej liczbie osi decydujący charakter ma przesyłanie wszystkich informacji związanych z CNC. Może być również dobrze zrealizowany przez magistralę ISA/PCI.
Zagadnienie relacjonuje D. Kelly (CMTD): ? U podstaw projektu rozwiązania Trunnion legła użyteczność i ona stanowi też główną przyczynę wybrania do niego oprogramowania MTC200 w celu sterowania pracą maszyn. Potrzebna nam była zdolność magazynowania
i przywoływania wielu programów do obróbki rozmaitych części. Urządzenia sterowane za pomocą sterowników (PLC) wymagały częstego przeprogramowania dla każdego przypadku rozpoczęcia obróbki nowej części. Za pomocą sprzętu typu PC odpowiedni program wybiera się z menu programów, ładuje się i urządzenie jest gotowe do pracy. Poszukiwaliśmy odpowiednich sterowników, ale nasze wymagania były dla nich zbyt skomplikowane.
Na koniec D. Kelly stwierdza: ? Teraz nasi odbiorcy otrzymali łatwe w użyciu urządzenie, pozwalające na wymianę narzędzi szybko i bezbłędnie.
Oprogramowanie odmładza urządzenie
W 1993 roku firma Great Lakes Indusries (GLI) rozpoczęła modernizację pierwszej swojej sterowanej numerycznie tokarki, wykorzystując oprogramowanie OpenCNC. Modernizacja ta dała wprost nieprawdopodobny i niemal natychmiastowy efekt w postaci spadku czasu niesprawności obrabiarki i kosztów jej napraw.
Oprogramowanie OpenCNC ? opracowane przez Manufacturing Data Systems Inc. (MDSI) ? działa w ogólnodostępnej technice PC i mówi się, że będzie to pierwsze udokumentowane, przemysłowe, sprawdzone w warunkachprodukcyjnych oprogramowanie do sterowania numerycznego pracą obrabiarek.
GLI produkuje różnego rodzaju koła zębate dla różnych odbiorców, między innymi dla znanej firmy John Deere.
Produkcja jest prowadzona w kilku gniazdach obróbczych. Wielkość serii produkcyjnej wynosi przeciętnie 200 sztuk i zależy od wydajności obrabiarki, wymiarów i ciężaru części oraz wymaganych operacji. GLI specjalizuje się w wykorzystywaniu modernizowanego wyposażenia, dając maszynom ?drugą młodość?.
Rick Stafford, inżynier automatyk GLI mówi: ? Przed zainstalowaniem OpenCNC mieliśmy kilka obrabiarek, na których części były jeszcze wykonywane całkiem dobrze, ale obrabiarki te miały przestarzały układ sterowania. Nie było nas stać na zakup nowych obrabiarek, zaś przestoje i koszty naprawy sterowania były głównymi przeszkodami przy realizacji naszych zobowiązań.
Układ sterowania pracą maszyn Trunnion (firmy City Machine Tool & Die Co. Inc.) używa oprogramowania MTC200 CNC pochodzącego z firmy Bosch Rexroth i działającego na komputerze PC. Dodatkowy interfejs tego układu SERCOS zapewnia wysoką dokładność cięcia niezależnie od prędkości przepływu informacji w sieci, wykorzystuje w tym celu zamknięte obwody regulacyjne do sterowania prędkością i położeniem
W 1995 roku OpenCNC stało się dostępne na komputerach PC. Działają pod systemami operacyjnymi firmy Microsoft i mają rozszerzenie o moduł bezpośredniego działania (real- -time) przez firmę Ardence Inc., (dawniej Venturcom).
? Sterowanie pracą obrabiarek jest w całości realizowane z najwyższą możliwą do uzyskania dokładnością w oprogramowaniu dostosowanym do komputerów PC ? powiedział Bruce Nourse, wiceprezes MDSI. ? Potrzebne są tylko dwie karty, które można zakupić u wielu dostawców. Jedna z nich wykorzystywana jest do odczytu z enkodera impulsów określających położenie i do wysłania sygnału sprzężenia zwrotnego do układu sterującego pracą obrabiarki. Druga karta obsługuje pojedyncze, cyfrowe sygnały wejścia/ wyjścia, które wspierają oprogramowanie do funkcji logicznych. W tym systemie sterowania nie ma żadnych kart ruchomych.
Całe przetwarzanie związane z planowaniem trajektorii ruchu i przyjmowaniem sygnałów sprzężenia zwrotnego od obwodów dla wielu osi było wykonywane przez oprogramowanie PC. W tym również kompletne obwody z algorytmami regulacji PID do prędkości i przyspieszeń ruchu, a także zachowanie ograniczeń dla ustawionych w programach wartości, były realizowane programowo.
Tradycyjnie sterowanie pracą maszyn jest domeną komputerów, które zaskakują czasem niespodziewanymi przerwami w pracy i kosztownymi naprawami w przypadku uszkodzenia. Przedsiębiorstwo ma dwa wyjścia: zakupić nowy, drogi system sterowania lub czekać na przyjazd pracownika serwisu, który naprawi przestarzały system sterowania.
W rzeczywistości od samego początku zastosowania OpenCNC wszystkie maszyny w GLI ? tokarki rewolwerowe, frezarki pionowe, frezarki obwiedniowe 4-osiowe, zgrzewarki 6-osiowe i piece indukcyjne do obróbki cieplnej zostały do tego przystosowane. Jak objaśnia R. Stafford: ? Czas sprawności maszyn jest teraz znacznie dłuższy ? o 20- -50% lub więcej w porównaniu do czasu, jaki był uzyskiwany przy poprzednim sterowaniu numerycznym CNC. Ponadto potrafimy teraz sami usuwać usterki i nie musimy czekać na pracownika serwisu dostawcy. Wydajność maszyn o dwuminutowym cyklu pracy wzrosła po ich modernizacji z zastosowaniem OpenCNC o prawie 100%. Zdobyte doświadczenie umożliwia nam teraz zakupy maszyn z przestarzałym systemem sterowania, przeprowadzenie ich modernizacji i wdrożenie do eksploatacji kosztem zaledwie 10% ich pierwotnej ceny.
? Przyjazny dla operatora interfejs sterowania z OpenCNC przyczynił się do szybkiego zaakceptowania tego rozwiązania, jak również bardzo skrócił czas szkolenia obsługi ? podsumowuje Stafford.
Reasumując, można powiedzieć, że sterowanie oparte na komputerach PC jest i pozostanie w tym przedsiębiorstwie. Rozwiązanie
to przynosi rosnące korzyści, jakie daje otwarta architektura. Duża szybkość wykonania rozkazów potrzebna w układach sterujących pracą maszyn, prosta obsługa i konserwacja, podniesienie na wyższy poziom techniki wytwarzania oraz, co jest również ważne, łatwiejsze sprzęgnięcie z systemami biznesowymi ? oto lista zalet.
Specjaliści sugerują, że gwarantem sukcesu jest ten sam dostawca sprzętu i oprogramowania przy wprowadzaniu takich rozwiązań.
ce
Artykuł pod redakcjąJózefa Czarnula i Janusza Pieńkowskiego