Zintegrowany system automatyki może łączyć systemy RFID, CNC, bezpieczeństwa i wizyjne. Przykładem jest zakład General Motors Powertrain w USA.
Metody zastosowane w nowym systemie sterowania i wymiany informacji na linii produkcji układów przeniesienia napędu GF6 z sześciobiegową przekładnią napędzającą przednią oś w zakładzie General Motors (GM) Powertrain w Toledo w stanie Ohio sprawiają, że trwające dotąd tygodniami zmiany na linii produkcyjnej są wprowadzane w ciągu kilku godzin.
System automatyki charakteryzuje się wysokim stopniem integracji, a mimo to jest systemem rozproszonym i zapewnia inżynierom GM wiele innych korzyści. Linie, na których są produkowane układy przeniesienia napędu, są obecnie wyposażone w systemy RFID, bezpieczeństwa i sterowania obrabiarkami CNC.
Za pośrednictwem Centrum Kompetencji Branży Motoryzacyjnej firmy Siemens (Automotive Center of Competence) firma General Motors nabyła dla swojej sieci sterowniki programowalne PLC, obrabiarki sterowane numeryczne (CNC), interfejsy człowiek-maszyna (HMI), system RFID oraz protokół ethernetowy wysokiego poziomu Profinet. Jako dopełnienie tej topologii sprzętowo-komunikacyjnej firma Elite Engineering dostarczyła swój Elastyczny System Konfiguracji Montażu (Flexible Assembly Configuration System – FACS). Następnie specjaliści Siemensa opracowali system SIFACS, służący przede wszystkim do integracji głównych bloków oprogramowania sterowników PLC i funkcji stanowisk z etykietami RFID na każdej z palet zawierających obrabiane elementy. Rozwiązanie to stanowi węzeł komunikacyjny systemu zarządzania danymi na linii produkcyjnej.
RFID na początek
Kiedy obrabiany przedmiot jest przemieszczany wzdłuż linii montażowej układów przeniesienia napędu – za co w większości przypadków odpowiada automatycznie nawigowany wózek AGV (Automated Guided Vehicle) – każda paleta jest wyposażana w etykietę RFID. Szef tego projektu zatrudniony w firmie Siemens Reinhold Niesing wyjaśnia: – Kluczowe znaczenie ma przepustowość danych w systemie, ponieważ bezpośrednio wpływa ona na czas cyklu, czyli maksymalny dopuszczalny czas wytworzenia jednej gotowej części lub wyrobu gotowego na linii produkcyjnej.
Jak dodaje inżynier, etykiety muszą mieć opcję działania w trybie statycznym, czyli takim, w którym dane umieszczone na części muszą zostać odczytane przed rozpoczęciem procesu. – Etykieta zawiera informacje o numerze modelu, numerze seryjnym oraz o stopniu wykonania. Im szybciej odczytamy te dane, tym szybciej zostanie uruchomiony proces obróbki – tłumaczy Reinhold Niesing.
Z kolei dynamiczny tryb pracy systemu RFID polega na tym, że informacje na kolejnych stanowiskach na linii muszą być odczytywane „w locie”, bez jej zatrzymywania. Taka sytuacja jest często spotykana w tradycyjnych liniach do pakowania, wysyłki i tym podobnych rozwiązaniach wykorzystujących technikę RFID. Niestety w mniej zaawansowanych systemach jakość sygnału z biegiem czasu i po pewnej liczbie odczytów spada.
Aby tego uniknąć, zapewniono obsługę dwóch protokołów: ISO 15693 (otwarty standard) oraz komercyjnego standardu opracowanego w firmie Siemens – Simatic RF300.
Jedną z kluczowych innowacji w systemie jest wyposażenie każdej etykiety zarówno w pamięć EEPROM, jak i FRAM. Pamięć EEPROM o rozmiarze 20 bajtów pełni funkcję jednorazowego programowanego układu pamięciowego (One-Time Programmable – OTP). Rozwiązanie to jest podyktowane względami bezpieczeństwa i zostało uznane przez projektantów GM za najbardziej pożądane w tym zastosowaniu. Z kolei w pamięci FRAM dane mogą być zapisywane wielokrotnie, tak aby zapewnić optymalne wykorzystanie układu przez dłuższy czas. Mimo wysokiego poziomu zaawansowania urządzeń RFID dane są bezproblemowo przesyłane w systemie przy użyciu istniejącego protokołu Profinet, Profibus i innych popularnych standardów.
Systemy sterowania – których działanie ma decydujące znaczenie dla linii produkcyjnych znajdujących się w ciągłym ruchu – realizują polecenia ruchu odczytywane z urządzeń RFID z szybkością 8000 bajtów na sekundę. Wartość ta o wiele przewyższa wydajność odczytu i zapisu przewidzianą w normach ISO 15693.
Sterowanie numeryczne
Technika CNC jest wykorzystywana w dziesiątkach obrabiarek w procesach obróbki metalu, głównie na stanowiskach frezowania obwiedniowego, szlifowania i wykańczania kół zębatych i wałków wieloklinowych. Sterownik CNC przetwarza wymiary konkretnego elementu w strefie cięcia obrabiarki i koordynuje funkcje sterowania ruchem do wewnątrz i na zewnątrz maszyny.
Sterowniki pracują razem z pozostałymi urządzeniami i oprogramowaniem sieci komunikacyjnej na linii produkcyjnej. Na przykład koła koronowe, przygotowywane na frezarce Wera Profilator, są indeksowane między jednym stanowiskiem a kolejnym, w ustalonych odstępach czasu, zgodnie z ustalonymi wymaganiami produkcji. Operacja ta jest wykonywana całkowicie automatycznie, bez udziału operatorów. Interwencja jest konieczna tylko w celach konserwacyjnych i podczas zaplanowanych kontroli.
Podobnie przy obróbce korpusów zaworów i kadłubów skrzynek przekładniowych technika CNC jest wykorzystywana na każdym etapie procesu do produkcji żądanych elementów w kolejności odpowiedniej do dalszego montażu i testów. Podczas kolejnych operacji inne sterowniki ruchu i oprogramowanie odpowiadają za realizację i monitorowanie procesu montażu oraz sterowanie nim za pośrednictwem pakietu rozwiązań SIFACS.
Systemy bezpieczne w razie awarii
W zakładzie GM w Toledo stosowane są liczne funkcje bezpieczeństwa. W efekcie w razie awarii wszystkie sterowniki PLC, urządzenia we/wy oraz napędy z wbudowanymi elementami bezpieczeństwa zachowują się bezpiecznie. Wszystkie zabezpieczenia są połączone w sieci przy użyciu protokołu Profisafe – certyfikowanej sieci bezpieczeństwa, co eliminuje czasochłonne i trudne w utrzymaniu tradycyjne stałe połączenia systemów bezpieczeństwa.
Napędy, układy rozruchowe oraz zabezpieczenia maszyn są zintegrowane w formie wielofunkcyjnego, mocowanego na maszynie systemu we/wy, dzięki czemu projektowanie jest mniej skomplikowane. Do celów serwisowych po ewentualnej awarii moduły można wymienić podczas pracy – bez wyłączania całego stanowiska. Mimo to stosowany jest bardzo wysoki stopień ochrony integralności – IP65/67. Fakt, że obudowy nie są wymagane, przyczynił się również do ograniczenia poniesionych przez GM kosztów projektu.
Elastyczność stanowisk
Na jednym stanowisku zautomatyzowanego montażu Hanwha są produkowane różne podzespoły układu przeniesienia napędu, natomiast na innych liniach powstają elementy, które później zostaną użyte do produkcji podzespołów. Jak wyjaśnia Greg Nazareth, inżynier sterowania w GM, dodanie stanowiska wymaga tylko dodania sterownika PLC ze standardową logiką SIFACS, żądanych urządzeń obróbkowych oraz pobrania konfiguracji eFACS. W przeciwieństwie do tradycyjnego sterowania strefami konieczna ponowna konfiguracja nie opiera się na modułach konstrukcyjnych, ale wydawane instrukcje mają wpływ na całą linię.
W przypadku wszystkich ręcznych stanowisk roboczych na tej linii do sterowników PLC są pobierane te same dane. Stanowiska te nie są wprawdzie zależne od sieci serwerów w systemie deterministycznym, ale wykorzystano w nich to samo oprogramowanie do szybkich przezbrojeń, zmiany sekwencji obróbki, równoważenia obciążenia linii i raportowania. Z myślą o wykonywaniu tych zadań operatorzy zostali odpowiednio przeszkoleni.
Wbudowane funkcje diagnostyczne
Wszystkie etapy produkcji części, a także informacje dotyczące rozwiązywania problemów i usuwania usterek w programach obrabiarek są rejestrowane do celów analizy, a funkcje diagnostyczne są w dużym stopniu wbudowane w system. Matthew Thornton z firmy Siemens zwraca uwagę na znaczenie, jakie ma łatwa dostępność dla operatorów najważniejszych danych o wydajności we wszystkich panelach HMI w systemie: – Skoro wszystkie funkcje sterowania ruchem i bezpieczeństwa są wbudowane w napędy, nie trzeba było tworzyć oddzielnej architektury do rozwiązywania problemów, wymagającej tradycyjnej sieci bezpieczeństwa, złożonej z szafek z przekaźnikami.
W kontekście przesyłania danych bezpieczeństwa specjaliści GM badają inne rozwiązanie firmy Siemens – technikę otwartej wymiany danych w rozproszonych systemach automatyki.
Narzędzia usprawniające
Korzystając z dostarczonych wraz z systemem FACS narzędzi, które mają usprawniać proces i zwiększać jego wydajność, inżynierowie procesów i produkcji gromadzą dane i „dostrajają” system w czasie rzeczywistym. Stale aktualne są dane o stanie wykonania i czasie cyklu.
Równoważenie obciążenia linii i stanowisk można również zapewnić „w locie”: kierownik zespołu lub operatorzy stanowisk mogą błyskawicznie przeprowadzić obliczenia dotyczące całkowitej wydajności procesu, obciążenia operatorów, przewidywanego czasu cyklu, a nawet czasu poszczególnych operacji w procesie. Dane można wyświetlić w formie wykresu i szybko przeanalizować, aby uzyskać informacje niezbędne do podjęcia właściwych działań.
Jim Remski jest kierownikiem projektów dotyczących produkcji układów napędowych w zakładach motoryzacyjnych w oddziale Siemens Industrial Automation firmy Siemens Industry Inc.
Artykuł pod redakcją Michała Andrzejczaka
Autor: Jim Remski
