NI CompactRIO-alapú, programozható automatizálásvezérlő

Robert Hoffman – Signal.X Technologies, LLC

A Signal.X nevű vállalat a CompactRIO-ra alapozva épített egy számos funkciót ellátó, programozható automatizálás­-vezérlőt (PAC), amelynek képességeit korábban csak több vezérlővel vagy PLC-vel lehetett volna megvalósítani.

A Signal.X tömeggyártásban alkalmazott, automatizált mérőrendszerének fejlesztése

A feladat egy erőátviteli egység gyártási folyamatának végén elhelyezkedő egyedi, funkcionális és működési jellemzőket egyaránt vizsgáló rendszer létrehozása volt. Az összeállítás két egymástól független mérőegységet tartalmaz, amelyeknek valamennyi alrendszert (az alkatrészek kezelését, a mozgásvezérléseket, az adatgyűjtést és -elemzést, valamint a programozható logikai vezérlővel (PLC-vel) folyatatott kommunikációt is) kézben kell tartaniuk. A megoldás során az NI CompactRIO-modulok (1. ábra A CompactRIO-rendszer a fő rendezőpanelen - lásd fent) segítségével elkészült egy teljesen önálló, naponta 1000 alkatrész tesztelésére képes és 2 GB adatmennyiséget előállító, gyári környezetben folyamatosan üzemelő, automatizált mérőrendszer.
    Egy első szintű vezérműalkatrész-be­szállító megbízható megoldást keresett egy összetett erőátviteli egység megfelelő összeszerelését és megmunkálását ellenőrző, a gyártási folyamat végén elhelyezkedő, funkcionális és működési jellemzőket egyaránt vizsgáló rendszerre. A megbízhatóság és a maximális áteresztőképesség kulcsfontosságú volt a tömeggyártási követelmények kielégítése szempontjából. A feladatot a Signal.X nevű vállalat a CompactRIO-ra alapozva megépített, számos funkciót ellátó programozható automatizálásvezérlővel (PAC) oldotta meg. A rendszer által nyújtott szolgáltatásokat korábban csak több vezérlővel vagy PLC-vel lehetett volna meg­valósítani.
    Egyetlen mérőcellán belül (2. ábra) két független CompactRIO-egység működtet egy mérőállomást. A CompactRIO-al­rend­szerektől származó adatok megjelenítését, illetve az alrendszerek konfigurálását egy Windowst futtató számítógép végzi, ami a tesztek elvégzéséhez már nem szükséges. Az adatok a begyűjtésüket követően átkerülnek a CompactRIO-modulokból a számítógépbe, amely továbbadja őket egy szervernek. Ez utóbbin a Signal.X által kifejlesztett, végső tárolást, archiválást és adatbázis-műveleteket végző DataManager nevű szoftver fut.

2. ábra A teljes mérőcella felülnézeti képe

Mozgásvezérlés

Többtengelyű, többsebességű mozgásvezérlő alrendszert fejlesztettünk ki, amely négy szabályozótengelyt irányít konfigurálható PID-szabályozási paraméterekkel, határértékekkel és reteszelő pontokkal. A National Instruments LabVIEW NI Softmotion-nevű szoftverének segítségével 8 ms-os valósidejű frissítési sebességgel működik az összeállítás, miközben a CompactRIO-ban található FPGA – a tengelyektől függően – 125 µs és 8 ms közötti felbontással spline-interpolálást végez.

Adatgyűjtés és -feldolgozás

Noha a vizsgálati ciklus rövid (kb. 25 s), közelítőleg 30-…40-féle jellemzőt kell az adatok alapján kiszámítani, és ezeknek

az adatoknak a feldolgozáshoz azonnal rendel­kezésre kell állniuk. A lehető legjobb hatékonyság elérése érdekében konkurens fájlolvasáson és -íráson alapuló feldolgozást valósítottunk meg, miközben az adatokhoz a tesztelés közben is hozzá lehet férni.
    Mivel a rendszer a pillanatnyilag futó vizsgálattal párhuzamosan dolgozza fel az adatokat, beállítható, hogy egy adott érték megsértésekor hamar álljon le a tesztelés, megnövelve ily módon az eredő áteresztőképességet és minimalizálva a hibás termékek vizsgálatával elvesztett időt. Egy egyedi határérték-szerkesztőt hoztunk létre a feldolgozási kritériumok beállítására, többek között szűrési, eseményindítási (triggerelési) és a nyomon követhetőséget elősegítő változatkövetési funkciókkal.

Alkatrészek diszkrét kezelése

CompactRIO-egységeket programozható automatizálás-vezérlőként (PAC) használva hagyományos, diszkrét szabályozóelrendezést fejlesztettünk ki, amelynek „lelke” egy felhasználó által konfigurálható, természetszerűleg rugalmas és hatékony, létradiagramos programot emuláló, véges állapotgép. Ezt elsősorban pneumatikus tálcák telepítésénél, továbbá PLC-k és robotok közötti kapcsolatok, illetve hibajelenségek kezelésére használtuk. Kifejlesztettünk egy egyszerű szerkesztőt, amellyel csúszótálcák mozgása, alkatrészek PLC-k által vezérelt továbbítása, reteszelések és biztonsági műveletsorok állíthatók be.
    A programmal létrehozhatók elágazások, hurkok, ugrások és a belső memóriában való tárolás, valamint állapotok is kikényszeríthetők. A különféle működési módokhoz – úgymint bekapcsolási ciklus, kézi- és automatikus üzemmód, hibakezelés – külön logikát hoztunk létre, hiba esetén pedig a rendszer bármely üzemmódban képes helyreállítani a normál működést. Ez azt jelenti, hogy a véges állapotgépben hagyományos, a PLC-fejlesztők körében ismert és bevált elveket valósítottunk meg. Ezzel a megközelítéssel megőriztük a klasszikus létraprogramozási technika összes előnyét és egyszerűségét, egyszersmind lehetővé tettük összetett lebegőpontos számítások és alfanumerikus műveletek elvégzését, képernyőn történő megjelenítését és a felhasz­nálói kezelőfelületen keresztül való beavatkozást is.

Kommunikáció

Ipari kommunikációs célokra az Allen-Bradley-gyártmányú, ControlLogix-típusú PLC-kel folyatott, köz­vetlen kommunikáció megvalósítására az NI laboratóriumaiból szár­mazó EtherNet/IP-meghajtót használtuk. A CompactRIO és a számítógép közötti adatfolyamok, illetve parancsok élő továbbításához egyszerű üzenettovábbító, könyvtáras („Simple Messaging Reference Library”) protokollt alkalmaztunk. A kommunikációt külső eszközökhöz való egyszerű, megbízható kapcsolódással könnyítettük meg.

Adatkezelés

Az egyes CompactRIO-alrendszerek által összegyűjtött adatok mennyisége komoly fejlesztői kihívást jelentett, a megbízhatóság és a hosszú idejű stabilitás gondos tervezést kívánt meg. Minden teszteléskor közelítőleg 12 csatorna adatait kell 25 s-ig eltárolni, ami kb. 1,5 MB mennyiségű műszaki adatkezelési (TDMS) állományt jelent. Teljes gyártási sebességnél minden CompactRIO-alrendszer hozzávetőlegesen 2 GB adatot hoz létre naponta. E nagy mennyiségű információ eltárolásához külső, USB-alapú háttértárat kellett a CompactRIO-hoz illeszteni. Számítógép csatlakoztatásakor a rendszer automatikusan feltölti az adatokat, de a számítógép vagy a hálózati kapcsolat meghibásodásának esetére a CompactRIO helyi pufferrel is rendelkezik. Hasonlóképpen a PC és a DataManager-nevű szoftver közötti adatátvitel a szerver kapcsolódásakor önműködően végbemegy. Gyors hozzáférést és tárolást a számítógép saját puffere révén is létrehoz, amennyiben a szerverrel megszűnne az összeköttetés.

A Signal.X által fejlesztett DataManager-szoftver

Ebben a projektben a Signal.X már meglévő szoftvertermékét használtuk fel a mérőállomások adatainak tárolására, lekérdezésére, archiválására és a jelentések összeállítására. A DataManager-nevű szoftver (3. és 4. ábra), amely általános lekérdező nyelvre épül, az összes konfigurált állomást előre beállított ütemezés szerint végigpásztázó, adatállo­mányokat betöltő és archiváló, továbbá a mérési eredményeket adatbázisba illesztő szerveren fut. A felhasználó a gyártási adatcsoportok részhalmazait kérdezheti le az adatbázisból, e kérelmek alapján jelentéseket állíthat össze, illetve automatizálhatja a jelentések készítését riasztások és tendenciák figyelésével. Mindezeken kívül a szerveren korábban rögzített adatokkal (új mérőszámok és esetek kipróbálására) új határértékek is tesztelhetők.

3. ábra A Signal.X által fejlesztett DataManager-szoftver képernyőfelvétele

4. ábra A Signal.X által fejlesztett DataManager-szoftver műkö­dé­sének vázlata

A teljes összeállítás

A CompactRIO-rendszer egy teljes, megbízható, gyors és újrakonfigurálható automatizált mérőrendszer-vezérlő. Rövid ciklusideje és hatékony adatkezelése révén maximalizálható vele a gyári áteresztőképesség, ami végső soron pénzügyi megtakarítást és hatékonyabb folyamatokat eredményez. Mindezt teljes körű adatkezelési megoldással kiegészítve a Signal.X pozitívan hatott a további folyamatokra, a garanciális cserék elkülönítése, szerelési hiányosságok azonosítása, továbbá a tesztelési folyamatok és határértékek további finomítása révén.

Az NI megoldásának előnyei

Korábban e folyamatok önálló vezérlők és PLC-k között oszlottak meg, ami fokozta egy rendszer összetettségét és költségeit is. A CompactRIO-platform egyetlen berendezésen belül egyesít minden funkciót, amelyeket egy folyamat kezel. A LabVIEW által nyújtott programozási rugalmasságnak köszönhetően pedig egyetlen forráskódon belül vagy konfigurációs képernyőn keresztül állítható be valamennyi folyamat működése.

A lényeg…

E projekt keretében (5. ábra) a gyártási folyamatokban számos kulcsfontosságú technológiai elem révén letisztult és kézzelfogható javulást, hatékonyságnövekedést sikerült elérni, amelyek a következők:

• a Windowst futtató számítógép eltá­volítása a kritikus gyártási útból, ami a CompactRIO-rendszerbe beágyazott, valósidejű operációs rendszer segítségével lecsökkenti a kiesési időt és fokozza a megbízhatóságot;

• mivel a rendszer a teszteléssel párhuzamosan dolgozza fel az adatokat, a teljes vizsgálatot végigfuttató megoldásokkal szemben a megfelelőségi döntéseket gyorsabban hozza meg, és hamarabb kidobja a hibás alkatrészeket;

• az alkatrészeknek a hiba észlelésekor történő azonnali kidobásával és újratesztelésével az áteresztőképességet átlagosan 5%-kal sikerült növelni;

• azáltal, hogy az automatikus jelentéskészítési funkcióval, készletfeldolgozással és -archiválással rendelkező DataManager-nevű szoftver segítségével dolgozunk fel minden adatot, sikerült kiküszöbölni a gyártásban a legtöbb feszültséget okozó tényezőket, és friss információkat szolgáltatni a mérnökök és vezetők számára a gyártási folyamatokról, illetve a korábban kézileg végrehajtott feladatokról.

5. ábra A főállomás rendezőpanelje

A megrendelő szavait idézve: „A gyártási környezetünk által támasztott elvárások és a napi 24 órás folyamatos termelés a legmagasabb minőségi jellemzők megtartása mellett a lehető legnagyobb hatékonyságot és megbízhatóságot követeli meg. Minderre képes a Signal.X Technologies által kifejlesztett berendezés, amely a gyártási folyamat végén elhelyezkedő tesztelő­rendszer részét képezi. A végeredmény: megnövekedett áteresztőképesség, kevesebb leállási idő, összességében pedig nagyobb megbízhatóság.”

National Instruments Hungary Kft.
1117 Budapest, Neumann J. u. 1/E 2. em.
(Infopark E ép.)
Tel.: +36 1 481 1400
Fax: +36 1 203 3490
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
http://hungary.ni.com

Szakmai tanácsadás: 06 80 204 704
Technikai kérdések: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.

Kapcsolódó cikk