Dodając wizyjny system czasu rzeczywistego pracujący pod kontrolą Microsoft Windows to szybsza inspekcja i wciąż tak samo dobre HMI.
Przemysł farmaceutyczny jest ogromny, a zapotrzebowanie na jego produkty rośnie w tempie ekspotencjalnym ? już teraz każdego dnia wykonywane są zawrotne ilości operacji mieszania, urabiania, formowania i pakowania produktów. Niezależnie od ilości margines błędu wynosi zero. Jeśli choćby jedna tabletka zostanie umieszczona w nieodpowiednim opakowaniu, życie klienta może zostać zagrożone.
Zapotrzebowanie rośnie, a wraz z nim potrzeba szybkiego produkowania leków przy jednoczesnej dokładnej kontroli. Już dawno w tym zadaniu człowiek został zastąpiony przez szybkie systemy inspekcyjne. Przeprowadzenie rygorystycznych inspekcji wymaga wykorzystania oprogramowania czasu rzeczywistego szczególnie wtedy, gdy system wizyjny współpracuje bezpośrednio z systemem sterowania linią produkcyjną.
Systemy wizyjne przeprowadzają inspekcje poszczególnych tabletek i ich opakowań. Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków nakazuje kontrolę każdego wyprodukowanego w USA opakowania, aby zagwarantować, że etykieta jest właściwa i właściwie umiejscowiona, porcje leków odpowiednie, a nadrukowana data przydatności zgodna z rzeczywistą. Coraz częściej wymaga się także, aby każde opakowanie miało swój własny numer identyfikacyjny, ułatwiający śledzenie w razie takiej potrzeby.
Wymagania dotyczą butelek i blisterów. Przy produkcji szczepionek bardzo ważne jest sprawdzenie, czy 100% fiolek ma odpowiednio uformowane aluminiowe zamknięcie. W przypadku strzykawek producenci bardzo często wykonują 100% inspekcje, aby się upewnić, że produkt jest perfekcyjny. Ponieważ czas to pieniądz, producenci farmaceutyków poszukują możliwości w pełni automatycznych i szybkich inspekcji przy jednoczesnym zachowaniu jakości i bezpieczeństwa. Takie aplikacje wymagają bardzo wysokiej prędkości przetwarzania obrazów o wysokiej rozdzielczości połączonej z szybką decyzją i przekazaniem informacji do systemu sterowania. Niektóre z systemów wykonują do 200 000 inspekcji na godzinę, decyzja podejmowana jest w czasie do 30 ms.
Optel Vision Systems z siedzibą w Quebec City w Kanadzie dostarcza kompletne systemy do inspekcji na liniach produkcyjnych. Firma została wynajęta do opracowania nowego systemu inspekcji i sterowania, w który miała być wyposażona nowa linia do produkcji dwufazowych tabletek rozpuszczalnych.
W tej aplikacji błąd w dawkowaniu leku mógł być powodem poważnego zagrożenia zdrowia. Kluczem stała się więc dokładna i pewna identyfikacja dawkowania leku. Najbezpieczniejszym rozwiązaniem jest pełna i automatyczna kontrola produkcji każdej tabletki bez wyjątku. Jedyną alternatywą była złożona inspekcja wykonywana przez człowieka, ale jest ona kosztowna i co najważniejsze ? nie można na niej w pełni polegać.
Drukarka do nadruków na tabletkach ma niełatwe zadanie. Proces nie dość, że jest złożony, to większość jego parametrów podlega ciągłej zmianie. System monitorowania, który pomoże operatorowi w odpowiednim doborze parametrów i da natychmiastową odpowiedź o jakości wydruku, może znacznie zmniejszyć czas, jaki potrzebny jest na przygotowanie procesu drukowania.
Optel Vision Systems zaproponował zintegrowany system komputerowy wykorzystujący procesor Intel. Firma wykorzystuje procesory Intel do różnych aplikacji, zależnie od jej wymagań są to procesory jedno- lub czterordzeniowe.
Kamera robi zdjęcie każdej tabletce przesuwającej się w tempie 2000 sztuk na minutę. Za wyzwalanie kamery odpowiedzialny jest firmowy układ I/O Optel Vision, którego procesor pracujący w czasie rzeczywistym przelicza niezbędne parametry kamery i przesyła je w standardzie Ethernet do głównego procesora firmy Intel. Układ odpowiedzialny jest także za współpracę z enkoderem obrotowym badającym prędkość linii produkcyjnej. Obraz przetwarzany jest przez komputer, w którym odpowiedni algorytm ocenia, czy nadruk ma wady. Jeśli tak, tabletka zostaje śledzona przez system aż do momentu wyrzucenia jej z linii (następuje to również za pomocą urządzenia firmy Optel Vision).
Przetwarzanie obrazu wykonywane jest przez oprogramowanie Optel Vision na jednym z rdzeni procesora. Otrzymany z kamery obraz jest porównywany z matematycznym modelem prawidłowego produktu. Biblioteka zawiera około 50 algorytmów zdolnych do przetwarzania obrazów butelek, blisterów i tabletek w tempie 10 000 sztuk na minutę. System inspekcyjny dla tej aplikacji wykorzystuje dwie kamery i jeden komputer. Optel Vision opracował wytwórczy system wizyjny, który może współpracować z maksymalnie 20 kamerami i czterema komputerami.
Aby sterować rzeczywistym procesem, aplikacja wizyjna uruchomiona jest w systemie operacyjnym czasu rzeczywistego (RTOS). Inżynierowie Optel Vision próbowali wykorzystać wbudowaną wersję systemu Microsoft Windows NT, ale zaobserwowali problemy synchronizacji, które objawiały się tym, że system nie zauważał wszystkich zdarzeń. Wynika to z faktu, że Microsoft Windows jest systemem zaprojektowanym do interakcji z człowiekiem, a nie z szybkozmiennymi procesami przemysłowymi. Krytyczna część informacji może zostać niezauważona przez Microsoft Windows, gdyż system może w tym momencie wykonywać jakąś inną czynność, obciążając tym samym procesor.
Inżynierowie przetestowali różne sterowniki I/O dla systemu Microsoft Windows, eksperymentowali również z własnym oprogramowaniem i implementacją systemu czasu rzeczywistego. Aplikacje albo nie działały pewnie, albo były zbyt złożone. Ekipie zależało na rozwiązaniu, w którym system czasu rzeczywistego pracuje w parze z systemem Windows. W ten sposób można było skorzystać z zalet obu systemów ? system czasu rzeczywistego szybko przetwarza informacje, natomiast system Microsoft Windows oferuje funkcjonalność interfejsu operatora i gromadzenia danych. Louis Roy, prezes Optel Visio, poszukiwał rozwiązania łączącego zalety obu systemów.
Udało się. Specjalne oprogramowanie dba o to, żeby krytyczne operacje I/O były wykonywane przez system czasu rzeczywistego, a pozostałe przez Microsoft Windows. Oddzielne oprogramowanie z oddzielnym harmonogramem zadań wykorzystuje wbudowane w procesor Intel funkcje, gwarantując, że krytyczne zadania zostaną wykonane w zadanym czasie (rysunek 1). Oprogramowanie to jest wyposażone w pakiet narzędzi diagnostycznych i monitorujących zintegrowanych w środowisku Microsoft Visual Studio. Oprogramowanie jest przygotowane tak, że kod programu tworzony jest podobnie, niezależnie od tego, czy platformą docelową jest system czasu rzeczywistego, czy Microsoft Windows. Asystent (kreator) programowania platformy czasu rzeczywistego umożliwia szybkie prototypowanie aplikacji dla tego systemu.
? Byliśmy przyzwyczajeni do dużej liczby aplikacji czasu rzeczywistego, które ze względu na fakt, że system ten jest zamknięty, trudno było interpretować i poszukiwać w nich błędów ? mówi Mathieu Gallant, kierownik w Optel Vision.
? Teraz dzięki zwiększonej funkcjonalności systemu czasu rzeczywistego? łatwiej jest stworzyć oprogramowanie ? mówi Gallant. W przeszłości Optel Vision musiało modyfikować ich oprogramowanie tak, aby wspierało najnowszą wersję systemu Microsoft Windows, gdy tylko była ona dostępna.
Gdy system został zaktualizowany do nowej koncepcji tandemu systemu RTOS i Microsoft Windows, przystąpiono do modyfikacji warstwy HMI Microsoft Windows, co ułatwia trening operatorów: HMI wyposażano w dodatkowe funkcje diagnostyczne znacznie ułatwiające pracę. Łatwość, z jaką teraz tworzy się oprogramowanie, pozwala na wykonanie wszystkich procedur łącznie z testowaniem, instalacją i uruchomieniem w niecałe trzy miesiące. System inspekcyjny w opisywanej wcześniej aplikacji został szybko zatwierdzony i zaczął przynosić wymierne korzyści zleceniodawcy i jakość odbiorcy końcowemu.
Rekonfiguracja jest prostsza. Firma pracuje obecnie nad systemem skanowania ?w locie?, które wymaga zwiększonej obróbki obrazu i precyzyjnego śledzenia produktu, aby zagwarantować integralność seryjnej produkcji w czasie procesu pakowania.
Nowy projekt bazuje na poprzednim i jest jedynie jego rozwinięciem. Nie ma potrzeby pisania całej aplikacji od początku.
Zautomatyzowanie procesu inspekcji i odrzucania wadliwych produktów eliminuje niepotrzebne postoje oraz czyni pracę operatorów wydajniejszą ? to wszystko przy wskaźniku zwrotu z inwestycji ROI krótszym niż sześć miesięcy.
Kim Hartman jest wiceprezesem działu marketingu i sprzedaży w TenAsys Corp. w Beaverton w stanie Oregon w USA.
Artykuł pod redakcją mgr. inż. Łukasza Urbańskiego, doktoranta w Katedrze Automatyki Przemysłowej i Robotyki Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.
CE