Realizace sběru dat z nízkotlakých lisů systémem MASA V tomto článku je popsán postup připojení dvou nízkotlakých licích strojů k informačnímu systému MASA pro monitorování a vyhodnocení strojů a linek v prostředí ČZ a.s. divize Slévárny hliníku ve Strakonicích. Projekt je rozdělen na jednotlivé fáze od prvotních příprav až po úspěšnou realizaci spolu s problémy, se kterými se projektant potýkal během celého průběhu realizace. MASA je aplikace vyvinutá firmou Elekt Labs s.r.o. a je určená pro monitorování a vyhodnocování stavů strojů, zařízení či jiných technologických celků na základě automatizovaného sběru dat. Cílem aplikace je soustavně a rychle identifikovat problémová místa za účelem jejich odstranění a tím přispět k podstatné úspoře nákladů, zvýšení jakosti a kvantity výroby. Zadání projektu Úkol spočíval v nahrazení stávajícího systému pro sběr dat ze dvou nízkotlakých lisů (lis 1 a lis 2), za připojení k již zákazníkem používanému systému MASA, využívanému k vyhodnocení dat z pecí pro tavbu hliníku a několika vysokotlakých lisů. Projekt do budoucna počítá s připojením dalšího nízkotlakého lisu (lis 3), který bude instalován v následujících měsících. Popis stávajícího sběru dat Dosavadní způsob sběru dat na nízkotlakých lisech ukládal hodnoty nastavených parametrů lisu, poruch a dalších dat do souborů na operátorský panel. Adresářová struktura ukládaných dat byla vedena podle data a sériového čísla odlitku. To mělo za následek zdlouhavé dohledávání a manipulaci s daty. Záznamy o výrobě se vedly na papírových průvodkách, které byly přiděleny operátorovi a ten na ně ručně zapisoval dobré a vadné kusy. Přínosy systému MASA Po připojení do systému MASA vzniknou pro obsluhu lisu, mistry i celý management možnosti sledovat nejen aktuální stav stroje, diagnostické signály stroje, produktivitu, zmetkovitost, ale i informace o zakázce a výrobcích odkudkoli, kde je přístup k www rozhraní systemu MASA. Tyto informace jsou navíc k dispozici zpětně za celou dobu provozu systému. Velmi silným nástrojem pro sledování využití stroje je Výkaz výroby. Zde si uživatel může vybrat časové období, které chce vyhodnotit a systém mu zobrazí základní výpis aktivity sledovaného stroje. V tomto výpisu může zjistit kdy a v jakých stavech se stroj nacházel, produktivitu, přehled výkonu stroje, kde je soupis různých parametrů jako například výkon stroje, OEE (Overall Equipment Effectiveness), zmetkovitost, čas v prostoji, odstávce či výrobní čas, průměrný takt stroje. Další možností je zobrazení paretových diagramů zobrazených podle různých kritériím. Analýza Ať se jedná o malý nebo velký projekt, vždy je potřeba pracovat co nejefektivněji a zachovávat ověřené postupy, aby se minimalizovaly náklady a předcházelo se nejrůznějším problémům. Projekt byl rozdělen na tři fáze (příprava, realizace a dokončení). V následujícím textu je popsána náplň jednotlivých fází a úskalí, která se v průběhu projektu vyskytla. Časové rozdělení projektu Na celou realizaci bylo vyhrazeno 11 týdnů. Jednotlivé dílčí úkoly byly rozděleny mezi 3 techniky tak, aby práce byla co nejefektivnější. První technik měl na starosti vedení celého týmu a projektu, obstarání mechanických částí, výběr IPC a ostatních komponent, komunikace se zákazníkem a dodavateli a analýzu PLC programu lisu. Druhý technik pracoval na vývoji aplikace a upravě databáze a třetí vypomáhal na vývoji aplikace a dále vyvinul simulátor lisu. Přípravná fáze
Tato fáze je jednou z nejdůležitějších, jelikož na základě jejích výsledků se bude odvíjet realizační fáze projektu. Charakter projektu vyžadoval provedení následujících úkonů - analýza stroje, určení relevantních dat, analýza toku dat a struktura aplikace pro interakci s operátorem. Určení dat, která mají být zpracovávána je potřeba provádět v úzké spolupráci s výrobním oddělením podniku tak, abychom zaznamenávali pouze to, co si zákazník skutečně přeje. Obecně můžeme rozdělit data do následujících kategorií: Nastavení stroje jedná se o hodnoty, které byly nastaveny obsluhou na operátorském panelu lisu. Archivací těchto hodnot je technologům umožněno sledovat správné pracovní postupy a jsou jim poskytnuty podklady pro další analýzu či doložení konkrétního pracovního postupu. Měřená data stroje v této kategorii jsou data, která byla změřena řídicím systémem lisu a informují o aktuálních hodnotách sledovaných parametrů. Ukládání těchto dat je plně automatizované a tedy vysoce odolné vůči zásahu lidského faktoru. Měřená data výrobku v této kategorii jsou data, která jsou přímo spojena s odlitkem. Například čas cyklu, tlaky jednotlivých tlakovacích fází apod. Poruchy stroje pro analýzu využití časového fondu lisu a jeho poruchovost je potřeba uchovávat informace o vzniklých poruchách (kritických i nekritických), které na stroji vznikly. Stavy stroje jedná se o základní pracovní módy lisu, ve kterých se v průběhu výrobního procesu může vyskytovat. Tyto stavy jsou důležité například pro analýzu využití časového fondu lisu. Prostoje na základě podkladů od výrobního oddělení jsou nízkotlakému lisu přiřazeny odpovídající typy prostojů. Pokud lis nevyrábí, automaticky se změní stav stroje a obsluha je vyzvána k uvedení informací, proč k zastavení výroby došlo. Výše zmíněné informace mají ve své podstatě dva zdroje dat. Prvním zdrojem je řídicí jednotka lisu, ze které se čtou veškeré informace o měřených a nastavovaných veličinách tak, aby nebyl možný zásah lidského faktoru. Druhým zdrojem je samotný operátor, který na lisu pracuje. Ten zadá do systému informace o typu výrobku, čísle průvodky a rozhodne, jestli je výrobek dobrý či zmetek. Pokud operátor nadefinuje nový typ výrobků či vloží číslo průvodky, bude tento záznam uložen do databáze (dále jen DB). V budoucnu již stačí zadat číslo výrobku a ten se nadefinovaný načte do aplikace. Obr. 1: Diagram datového toku Tento koncept počítá s tím, že se vytvoří operátorský panel, na kterém bude spuštěna aplikace. Ta bude mít za úkol komunikovat s řídicí jednotkou lisu, sloužit jako HMI (Human Machine Interface) pro interakci s operátorem a v neposlední řadě pracovat s DB systému MASA. Realizační fáze
Pro názornost rozdělíme tuto fázi do dvou částí, které spolu úzce souvisí a na jejichž vyřešení závisí úspěch celého projektu. Fyzická realizace v tomto úkolu je potřeba vybrat vhodný operátorský panel, jeho začlenění do stávajícího operátorského pracoviště a volba komunikačního rozhraní s řídicí jednotkou lisu. Vývoj aplikace mezi hlavní úkoly této části patří návrh GUI (Graphical User Interface) a s tím spojené názvosloví, implementace komunikačních protokolů pro čtení dat z řídicí jednotky lisu, komunikaci s DB systému MASA a zpracování některých dat. Nedílnou součástí je i úprava DB systému MASA pro začlenění nových strojů do systému. Důležitým bodem pro obě fáze je návrh správné ergonomie operátorského panelu tak, aby se co nejvíce zkrátil čas operátora vynaložený k obsluze systému. Tohoto dosáhneme zvolením dostatečně velké obrazovky, jejím vhodným umístěním na pracovišti operátora, přehledným rozmístěním ovládacích prvků aplikace a srozumitelným názvoslovím. Pokud bychom toto nedodrželi, stala by se obsluha systému pro operátora náročná a nepřívětivá. To by mělo v krajním případě za následek prodloužení doby mezi výrobními cykly a s tím spojené snížení produkce. Fyzická realizace: Klíčové aspekty pro výběr operátorského panelu byly převážně dva. První je výběr komunikačního rozhraní s řídicí jednotkou lisu. Jelikož se jedná o prostředí těžkého průmyslu, dalším důležitým faktorem je odolnost a velikost obrazovky, která musí splňovat požadavky na správnou ergonomii. Jako řídicí jednotka všech lisů je použito PLC S7-300. Bohužel u lisu 1 není k dispozici komunikační procesor CP 343-1 Lean, díky kterému by se dalo pro komunikaci použít ethernetové rozhraní. Z tohoto důvodu bylo nutné najít náhradní řešení. Prvotní předpoklady počítaly s doplněním chybějícího komunikačního procesoru k řídicí jednotce. To by ale vyžadovalo součinnost s dodavatelem lisu a celkové náklady na realizaci by se navýšily. Jelikož řídicí jednotka lisu 1 komunikovala s operátorským panelem lisu přes MPI, byla jednou z možností instalace aplikace Datacross vyvinuté ve firmě Elekt Labs s.r.o. pro účely snadného sběru dat z nejrůznějších zařízení. Ta by přes MPI rozhraní četla data z PLC a přes ethernetové rozhraní by tato data poskytovala aplikaci. Toto řešení mělo jednu hlavní nevýhodu. Aplikace by byla nainstalována na HW, který spadá pod správu jiné firmy. To by mohlo vést k výpadkům a jiným problémům, které jsou nepřípustné. Finální řešení spočívalo v použití Simatic S7 PC Adapter USB, který bude připojen na MPI přímo k PLC. Na základě těchto požadavků byl vybrán průmyslový počítač (dále jen IPC), který má dva ethernetové konektory (jeden bude použit pro technologickou síť a druhý pro oddělené připojení do lokální sítě lisu), USB rozhraní pro připojení S7 PC Adapteru a 15" dotykovou obrazovku. Posledním krokem před finální instalací je určení polohy operátorského panelu. Ta musí opět splňovat požadavky na správnou ergonomii pracoviště. Po konzultacích s výrobním oddělením společnosti bylo rozhodnuto, že se IPC zapraví do ocelového
rozvaděče, který se upevní na bok hlavního rozvaděče lisu, jak je znázorněno na obrázku 2. Obr. 2: Instalace operátorského panelu Vývoj aplikace: Z obrázku 1 je patrné, že uživatelská aplikace bude jádrem celého projektu. Ta totiž zpracovává všechna data a obstarává komunikaci mezi subsystémy a operátorem. V přípravné fázi projektu byly nastíněny funkcionality, které aplikace musí obsahovat. Podle toho jsme zvolili postup při jejím návrhu. Jelikož se jedná o aplikaci, kterou bude operátor obsluhovat pomocí dotykového panelu, je potřeba klást velký důraz na grafické rozhraní GUI. To musí být přehledné a intuitivní na ovládání. Akceptační test pro podobné aplikace je schopnost ovládání nezaškoleným operátorem. Vhodným způsobem, jak předejít možným problémům s nevyhovujícím GUI je poslat na schválení ukázky obrazovek aplikace. Tím je zákazník přijatelným způsobem zapojen do vývoje a případné nedostatky se mohou upravovat na přání zákazníka. Komunikaci mezi aplikací a řídicím PLC lisu obstarává přímo aplikace, a proto není potřeba jiného externího řešení (OPC server apod.). Ve spolupráci s vedením společnosti byl poskytnut PLC program na jehož základě byly lokalizovány databloky, ve kterých jsou uloženy potřebné parametry. Pro odladění aplikace nanečisto, byl vyvinut simulátor, který napodoboval výrobní proces. Díky tomu bylo možné celý systém ověřit předem a odstranit většinu chyb dříve, než se systém instaluje u zákazníka. Dokončení projektu Zprovoznění systému u zákazníka a následné předání do užívání vyžadovalo úspěšně dokončit tyto úkony: ověření všech vstupních dat aplikace doplnění chybějících dat do řídicí jednotky lisu kontrola vyhodnocení výrobního cyklu ověření funkce v systému MASA předání zákazníkovi a zaškolení personálu Již v přípravné fázi jsme se setkali s problémem, že některá data vyžadovaná zákazníkem nejsou k dispozici a není možné je v potřebné přesnosti nepřímo změřit. Proto jsme si museli potřebná data vyžádat od programátora dodavatele lisu. Ve spolupráci s ním byl upraven PLC program lisu. Po důsledné kontrole všech funkcionalit byl systém předán zákazníkovi spolu se zaškolením personálu v obsluze aplikace. Závěr Úkol připojit tři nízkotlaké lisy do systému MASA může být svým rozsahem řazen mezi poměrně nenáročné projekty, kdy se využil stávající informační systém, který zákazník používal k monitorování a vyhodnocování strojů, ke kterému se nově připojili tři nízkotlaké lisy. Po analýze projektu byl vybrán průmyslový počítač, na kterém je spuštěna aplikace, která čte data z řídicí jednotky lisu, slouží jako GUI pro operátory a následně ukládá data do databáze systému MASA. Počítač přímo komunikuje s PLC lisu přes ethernetové rozhraní (Simatic S7 PC Adapter USB v případě lisu 1), odkud si čte potřebná data. Při celém návrhu je kladem velký důraz na správnou ergonomii pracoviště i grafického rozhraní aplikace. Tím je minimalizován čas operátora na obsluhu aplikace. Zákazníkovi jsme tímto umožnili detailně pohlédnout na využití strojů, má k dispozici data pro doložení výrobních postupů při reklamacích nebo auditech a na základě produktivity může upravovat hodnocení operátorů. Zákazník si systém chválí a v současné době se pracuje na připojení nového vysokotlakého lisu do systému MASA.
Další informace můžete nalézt na webových stránkách firmy www.elektlabs.cz. Autor Matěj Kozák, Elekt Labs s.r.o.