Simulering av automatiserad sortering i Factory I/O
Linus Östlund 2021
Examensarbete, Grundnivå (yrkesexamen), 15 hp Elektronik
Automationsingenjör Handledare: Salim Reza
AKADEMIN FÖR TEKNIK OCH MILJÖ
Avdelningen för elektroteknik, matematik och naturvetenskap
Förord
Detta examensarbete är kulmen av 3 års sammantagna studier vars lärdomar kan ses som oersättliga. Denna tid ges flertalet jobbiga och tuffa perioder samlade med en av det roligaste och mest givande. Under båda dessa delar av utbildningen har stöd fun- nits i form av lärare och labbhandledare vars samlade bedömningar och teoretiska resonemang har lett till ökad kunskap och vidare detta arbete. Stort tack till dessa.
Vill även rikta ett särskilt tack till min hustru Lina som har gjort det möjligt att i största möjliga mån fokuserat på studierna, denna examen dedikeras henne. Även ett speciellt tack till min närmaste vän Linus Thorslund vars stöttning icke kan mätas i värde. Utan er hade detta inte varit möjligt.
Inom ramen för denna studie vill jag börja med att tacka Syntronic som med sin goda förståelse kring hur ett examensarbete fungerar gett mig möjlighet att studera ett ämne jag är djupt intresserad av. Vidare riktas även ett tack till Staffan Nygren på Högskolan I Gävles IT-avdelning vars hjälp med licenser kunde få arbetet att fort- skrida i kritiska ögonblick. Speciellt tack till Salim Reza vars handledning från högs- kolan givit goda insikter i rapportskrivning och akademiska tillvägagångssätt gällande detta. Sist men inte minst, speciellt tack till min handledare på Syntronic Simon Ah- lin Högfeldt vars insikter och ständiga tillgänglighet varit ovärderliga.
Älvkarleby den 27 maj 2021
Sammanfattning
Användning av Virtual Commissioning (VC) i samband med digitala modeller/tvil- lingar ges ett stort värde i framtidens industri. Inom konceptet industri 4.0 om- nämns Smart Factory (SF) som är en av de viktigare aspekterna inom industri 4.0, detta har för avsikt att adressera utveckling bestående av integration, digitalisering och användning av flexibla strukturer och smarta lösningar. Varav en del i detta ges av så kallad VC och Digital Twin (DT). På ett naturligt sätt medför detta att denna typer av studier gälande användningsområdena av VC ges vikt inför kommande ut- veckling.
Detta projekt har sitt fokus i att studera möjligheterna kring användning av VC och DT i de tidigare stadierna i ett projekt. En prototyp kommer att skapas. Projektet kommer att erkänna tillvägagångssättet när det gäller ökningen av mjukvarukvalitet och minskning av buggar inför driftsättningen av den fysiska processen. Detta kom- mer att göras genom en tillämpning i form av en automatiserad sorteringsprocess Sorteringsprocessen kommer att hantera och fördela enligt godkänd och icke god- känd produkt.
Sorteringsprocessen genomgick en validering av tredje part som anses godkänd.
Driften och säkerheten kommer att vara det centrala för att bedöma dugligheten av modellen. Därmed avgörs huruvida denna VC metod kan ges tillförlitlighet gällande industriell projekttillämpning.
Abstract
The use of virtual commissioning in connection with digital models / twins is given great value in the future industry. The concept of Industry 4.0 promotes Smart Fac- tory, which requires well-orchestrated developments in integration, digitalization and use of flexible structures and smart solutions. Part of this is provided by so- called Virtual Commissioning (VC) and Digital Twin (DT). Therefore, it is im- portant to study these for future development.
This study focuses on studying the possibilities of using VC and DT regarding the earlier stages in a project. The thesis will acknowledge this approach in terms of the increase regarding software quality and bug reduction comes the physical commis- sioning of the process. This will be done through an application in the form of an au- tomated sorting process.
In this process, two products will be tested and then sorted as either approved or non-approved.
Once the functional sorting process has been developed, it did undergo a validation test with an approved result. This validation test is be divided into two different sec- tions where the operation of the process and safety will be central for assessing the feasibility of the model and thus determining whether this VC method can be con- sidered as reliable for industrial project applications.
Förkortningar
SF Smart Factory
PLC Programmable Logic Controller HMI Human Machine Interface VC Virtual Commissioning DT Digital Twin
DM Digital Model VM Virtual Model HiL Hardware in Loop SiL Software in Loop
SCADA Supervisory Control And Data Acquisition.
CPS Cyber-Physical Systems IoT Internet Of Things
IIoT Industrial Internet Of Things AR Augmented Reality
VR Virtual Reality
AM Additive Manufacturing BDA Big Data Analytics
TiA-Portal Totally Integrated Automation Portal RFID Radio-frequency identification
CAD Computer-aided design
Förklaringar
TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol, är ett serie kommu- nikationsprotokoll som används för att sammankoppla nätverksenheter på internet. TCP/IP kan också användas som ett kommunikationsproto- koll i ett privat datornätverk (ett intranät eller extranät).
STEP 7 SIMATIC STEP 7 i TIA Portal är det omfattande tekniska verktyget för konfigurering och programmering av SIMATIC-styrenheter, både PLC- och PC-baserade.
Virtual Switch En virtuell switch är en programvara som tillåter kom- munikation mellan virtuella maskiner. En virtuell switch gör mer än bara vidarebefordra datapaket, den styr kom- munikationen på ett nätverk på ett intelligent sätt genom att kontrollera datapaketet innan de flyttas till en desti- nation.
Emulera Mjukvara avsett för att efterlikna funktionen av annan hårdvara eller mjukvara.
RFID En teknik som är till för att läsa av information på avstånd.
Innehållsförteckning
1 Introduktion ... 1
1.1 Bakgrund... 1
1.2 Syfte och målsättning ... 2
1.2.1 Mål 8 – ”Anständiga arbetsvillkor och ekonomisk tillväxt” ... 3
1.2.2 Mål 9 – ”Hållbar industri, innovationer och infrastruktur” ... 3
1.2.3 Mål 12 – ”Hållbar konsumtion och produktion” ... 4
1.3 Frågeställning ... 4
1.4 Praktiskt tillvägagångssätt ... 5
1.5 Avgränsningar ... 6
1.6 Litteraturstudie ... 6
2 Teori ... 9
2.1 Virtual Commissioning ... 9
2.1.1 PLC ... 9
2.1.2 Digital Twin/Model ... 11
2.1.3 Smart Factory ... 11
2.2 Automatiserad sortering ... 12
2.3 Programvaror till projektet ... 12
2.3.1 Factory I/O ... 12
2.3.2 S7-PLCsim Advanced 3.0 ... 13
2.3.3 TiA-Portal ... 14
3 Metod och Resultat ... 15
3.1 Framtagning av sorteringsprocess ... 15
3.1.1 Material som sorteras ... 15
3.1.2 Vision sensor ... 16
3.1.3 Transportband och Hjul-sorterare ... 16
3.1.4 Flödet ... 18
3.2 Utveckling av den digitala modellen ... 19
3.2.1 Förutsättningar ... 19
3.2.2 Den digitala modellen ... 19
3.2.3 Säkerhet ... 22
3.2.4 Resultat av sortering ... 24
3.3 Programmering och simulering ... 26
3.3.1 Emulering av PLC ... 26
3.3.2 Styrlogiken ... 29
3.3.3 HMI ... 32
3.4 Validering av simuleringen ... 34
3.4.1 Drift ... 35
3.4.2 Säkerhet ... 36
3.5 Den färdiga virtuella driftsättningen ... 37
4 Diskussion ... 38
4.1 Alternativa lösningar... 38
4.2 Factory I/O ... 39
4.3 HMI ... 40
4.4 Fortsatt arbete ... 40
5 Slutsats ... 41
Referenser ... 42
Bilaga A ... 1
Bilaga B ... 2
Bilaga C ... 4
1 Introduktion
1.1 Bakgrund
Konceptet "Industry 4.0" myntades först i en artikel som publicerades av den tyska regeringen i november 2011, meningen med detta var att det skulle ligga till grund för en högteknologisk strategi inför 2020 [1]. Sedan industrialiseringens början har denna drabbats av flera paradigmskiften, dessa har sedan kommit att framställas som industriella revolutioner. Den första industriella revolutionen inträffade när vatten, ångkraft och mekanik började standardiseras i slutet av 1700-talet i England. Varpå andra industriella revolutionen uppstod då användningen av el gavs en central roll inom industrin. Detta teknologiska framsteg möjliggjorde tillkomsten av begreppet massproduktion i början av 1900-talet. Omkring 1970-talet tillkom digitaltekniken, och som följd av detta även datorer. Det här var en utlösande faktor gällande över- gången till den tredje industriella eran, som fortgår i skrivande stund då övergången till den fjärde industriella revolutionen ännu inte kan ses som färdig [1][2].
Under senare år har "Industry 4.0" varit högaktuellt och blivit en klar målbild för de flesta globala industrier, exempelvis informationsindustrin. Industri 4.0 kommer att bli en ny industriell revolution som kommer att ha ett stort inflytande inom den glo- bala industrin under nästkommande århundrade[1]. Industri 4.0-konceptet kan där- för ses som ett helt nytt tillvägagångssätt som kommer att sammanföra den digitala och den fysiska världen. Men vad exakt Industri 4.0-konceptet och dess visioner in- nebär har dock inte i sin helhet nåt konsensus av företag och forskare. Men enighet finns kring de viktigaste aspekterna som tar upp den framtida visionen gällande in- dustriell tillverkning. Industri 4.0 som koncept syftar till att integrera de fysiska de- larna av tillverkningsprocessen (dvs. komplexa maskiner, olika enheter och senso- rer) och cyberdelar (dvs. avancerad programvara), via nätverk och drivs av Industri 4.0 teknologier. Dessa teknologier används för förutsägelser, kontroll, underhåll och integration av tillverkningsprocesser. Industri 4.0 teknologikategorier är bland annat: Cyber-fysiska system (CPS), big data analytics (BDA), förstärkt- och virtuell verklighet (AR/VR), robotik, cybersäkerhet och additiv tillverkning (AM) och In- ternet of things (IoT) [3]. Vidare kommer saker som maskinseende, VR, AR och DT att generera en stor mängd data som kräver hög överföringshastighet. Men även samarbete mellan människa och maskin, mekaniskt maskinsamarbete och fjärrkon- troll kräver en extremt låg överföringsfördröjning.
Produktionslinjens komplexa miljö kräver också en mycket hög täckningsegenskap vid ett omfattande fysiskt omfång och över farliga operationer. 5G-tekniken som är ett genombrott inom ny nätverksteknik tilldelas den faktiska implementeringen, så kan en 5G baserade trådlösa kommunikationsteknik är en garant för att dessa krav på hastighet, fördröjning och täckning uppfylls inom ramen för IIoT [4].
Utöver de specifika teknologierna så finns även viktiga aspekter inom konceptet in- dustri 4.0. En av dessa aspekter är Smart Factory (SF) som har för avsikt att adres- sera utveckling bestående i integration, digitalisering och användning av flexibla strukturer och smarta lösningar [5]. Varav en del i detta ges av så kallad Virtual Commissioning (VC) och Digital Twin (DT).
1.2 Syfte och målsättning
Flertalet fördelar kan ges vid användning av virtuell driftsättning för automatise- ringsprojekt. Farliga testscenarier kan genomföras ekonomiskt och utan risk för att utrustningen skadas. Hårdvaruorienterade testning kan därför reduceras till ett mini- mum, vilket bidrar till ökad livslängd. Själva strukturen för processen samt sensorer- nas position kan ändras snabbt och enkelt för att optimera funktionen av processen.
Med VC ges även en högre mjukvarukvalitet på grund av intensiv testning i den vir- tuella miljön, samt en minskning av den faktiska idrifttagningstiden. En studie med fokus på jämförelsen mellan användning av virtuell- och traditionell driftsättning vi- sade att den virtuella driftsättningen i form av en DT gav en statistiskt signifikant minskning av idrifttagningstiden tillsammans med en ökning av kvaliteten på styr- logiken. I genomsnitt observerades en minskning med 73% för felsökningstiden och en ökning med 31% gällande kvalitén [6][7]. Under kapitel 3 kommer metoden för detta projekt att framföras. Avsikten med projektet är att simulera en sorteringspro- cess där en produkt utifrån dess åtskiljande attribut sorteras i godkänd/icke-god- känd.
Detta examensarbete kommer ha sitt fokus i att studera möjligheterna kring använd- ning av VC och DT. Detta kommer att göras genom en tillämpning i form av en sor- teringsautomatisering. Detta projekt kommer att utföras i samarbete med företaget Syntronic vars huvudkontor finns i Gävle. Syntronic kan ses som ett Research & De- velopment (R&D) företag som jobbar inom flertalet branscher. Telekom, Försvar och industri är några av dessa. Inom ramen för vad uppdraget är från deras håll kom- mer en produkt testas för att sedan fördela denna enligt godkänd/icke-godkänd.
Projektet kan ses som originellt då VC med hjälp av en digital modell ännu ej kan anses vara vida använda som tillämpning i de flesta företag. Då VC och DT ej tilläm- pas i hög grad innebär att påbyggnad gällande studier i ämnet är fördelaktigt då denna teknik ges stort användningsområde inom aspekterna i industri 4.0 [5][7][8].
I september 2015 antog världens stats- och regeringschefer en ny utvecklingsagenda vilket innebar globala mål för hållbar utveckling. Denna agenda ges namnet ”Agenda 2030” och består av 17 globala mål för hållbar utveckling som syftar till att utrota fattigdom, stoppa klimatförändringar och skapa fredliga och trygga samhällen. Samt mer hållbar industri och infrastruktur [10].
1.2.1 Mål 8 – ”Anständiga arbetsvillkor och ekonomisk tillväxt”
Mål 8 hänvisar till att…
” Verka för en varaktig, inkluderande och hållbar ekonomisk tillväxt, full och produktiv syssel- sättning med anständiga arbetsvillkor för alla [11].”
Inom detta mål ges att detta projekt avser att verka för delmål 8.2 som lyder
” Uppnå högre ekonomisk produktivitet genom diversifiering, teknisk uppgradering och inno- vation, bland annat genom att fokusera på sektorer med högt förädlingsvärde och hög arbetsin-
tensitet [11].”
Detta mål främjas genom att vid användning av VC reduceras idriftagningstiden kraf- tigt då en substantiell minskning av felsökningstiden och en ökning gällande kvalitén har påvisats i tidigare studier. Då tiden minskar för idrifttagningen, minskar även kostnaderna. Kostnaderna minskar även då hårdvaruförslitningar hålls till ett mini- mum när testning görs virtuellt [6][7].
1.2.2 Mål 9 – ”Hållbar industri, innovationer och infrastruktur”
Mål 9 hänvisar till att…
”Bygga motståndskraftig infrastruktur, verka för en inkluderande och hållbar industrialisering samt främja innovation [12].”
Inom detta ges delmål 9.4 vars syfte lyder…
”Till 2030 rusta upp infrastrukturen och anpassa industrin för att göra dem hållbara, med ef- fektivare resursanvändningen och fler rena och miljövänliga tekniker och industriprocesser.
Alla länder vidtar åtgärder i enlighet med sina respektive förutsättningar [12]. ” Att använda sig av VC och DT kan ses som en renare och miljövänligare teknik, detta då en större del av testningen utförs virtuellt. Detta leder alltså till mindre energianvändning då merparten gångtiden ges till produktion och inte testning inför produktion. En dator använder mindre energi än en hel industriprocess. Vilket leder till en effektivare resursanvändning. Exempelvis om processen ska ändras för att passa till nya produkter så kan ändringar göras i den digitala modellen. Detta leder till att omstruktureringen av en befintlig process enkelt kan testas och designas med redan befintliga sensorer och aktuatorer. Vi har alltså här en dimension av flexibilitet i processen som inte ges med samma enkelhet då en digital modell ej existerar. De fördelar som är tidigare nämnda ger alltså en påtagligt mera klimatneutral lösning, vilket i sin tur leder till en hållbar industri inom ramen för framtida mål i enlighet med Agenda 2013.
1.2.3 Mål 12 – ”Hållbar konsumtion och produktion”
Mål 12 avser att…
”Säkerställa hållbara konsumtions- och produktionsmönster [13]. ” Inom ramen för mål 12 ges delmål 12.1 som lyder…
”Genomföra det tioåriga ramverket för hållbara konsumtions- och produktionsmönster. Alla länder vidtar åtgärder, med det utvecklade länderna i täten och med hänsyn tagen till utveckl-
ingsländernas utveckling och förutsättning [13]. ”
Då Sverige kan ses som ett ”Utvecklat land” ges att förutsättningar för moderna tekni- ker som värnar detta delmål. VC och DT tekniker är exempel på tekniker som ger förutsättningar för hållbarhet inom produktionsmönster, samt för återanvändning av processernas komponenter. Detta ligger även in om ramen för delmål 12.5 som ly- der…
”Till 2030 väsentligt minska mängden avfall genom åtgärder för att förebygga, minska, åter- använda och återvinna avfall [13].”
1.3 Frågeställning
Rapporten för detta projekt har för avsikt att besvara följande frågor:
– Hur skapas en digital modell som har för avsikt att sortera råämnen utifrån avskiljande attribut, i detta fall färg?
– Är Virtual Commissioning en effektiv metod i ett projekt vid skapande av en automatiserad sorteringsprocess?
– Vilken typ av Virtual Commissioning är passande för uppgiften?
Dessa frågor är relevanta även då projektet är färdigställt. Då dessa tekniker anses vara originella ur industriell synpunkt så ges att svaren på frågorna ovan är relevanta.
Detta då ett ställningstagande huruvida VC i form av en DM ska användas i kom- mande projekt kan tas.
Vidare ges att om intresset finns gällande VC men den förslagna metoden för denna studie inte är passande, så kan litteraturstudien nedan läsas för att bredda kunskapen kring ämnet.
1.4 Praktiskt tillvägagångssätt
Detta projekt kommer att inledas med att designa tillämpningen som kommer att visa på möjligheterna vid användning av VC och DM, denna tillämpning kommer att vara en sorteringsprocess varav ett råmaterial kommer att sorteras utifrån vilken färg det har. Vidare ska dessa sorteras i ”godkänd” och ”icke-godkänd”, varpå de icke- godkända ska förflyttas åt sidan och därmed ta en annan väg i processen. Denna pro- cess kommer ur det mekaniska perspektivet skapas i programmet Factory I/O.
Då den mekaniska processen är designad så kommer kommunikation upprättas mel- lan Factory I/O och Totally Integrated Automation Portal (TiA-portal) där styrlogi- ken kommer att skrivas, denna kommunikation kommer att ske lokalt varpå
PLCsim-Advanced 3.0 emulerar PLC:n. Detta ger att en Software-in-Loop(SiL) upprättats för simuleringen. Då Factory I/O är uppkopplat mot PLCsim, som emu- lerar en PLC av typen S7-1500 kan en sådan väljas i Factory I/O. Detta gör att kopplingarna till in-/utgångarna kan upprättas i denna miljö på ett grafiskt sätt, i och med detta skapas en tag-lista automatiskt som sedermera förs över till Tia-portalen.
Sedan skapas ett flödesschema över processen för att använda som underlag inför PLC-programmeringen. Under programmeringens gång kommer delprocesser tes- tas kontinuerlig då resultatet av denna kan ses i realtid i Factory I/O, varpå fel kan detekteras i ett tidigt skede och åtgärdas direkt. Då styrlogiken är gjord och proces- sen fungerar enligt specifikation kommer ett HMI skapas. Ett HMI skapas genom att först designa det visuella i form av knappar, staplar, räknare osv. Efter önskad visuell design är gjord skapas en HMI-taglista som agerar koppling mellan den ordinarie tag-listan och de visuella funktionerna.
När processen nått önskad funktion, kommer den variabel som är av betydelse vara i vilken grad processen klarar av att sortera utan att fel produkt blir sorterad till fel ställe. Detta är dock svårt att mäta då denna simulering ej har för avsikt att fysiskt konstrueras. Denna studie har snarare för avsikt att visa på möjligheterna vid an- vändning VC och DM som del i det tidiga skedet av ett projekt. Därför ges ingen di- rekt variabel att analysera för att avgöra huruvida projektet är lyckat. Då detta kan ses som ett projekt som studeras under tidens gång, så ges att den forskningsmeto- diska valet naturligt hamnar under realtids fallstudie som även i detta fall betyder att analysenheten som är simuleringsmöjligheten är starkt länkad till syftet i projektet.
Vilket är att simulera en process i detta fall, varpå det som analyseras är simule- ringen och sorteringen är en tillämpning [9]. Då den digitala modellen är färdigställd so kommer denna att valideras i form av att en tredje part ska köra processen. Detta kommer att ses som direkt feedback gällande funktionaliteten av den färdiga mo- dellen.
1.5 Avgränsningar
För att ge kärnfrågorna maximalt utrymme kommer tillämpningen i sig att avgrän- sas. Delar som dokumentering av testresultat, hur produkten tar sig in i testmiljö samt vad som görs med de godkänd/icke-godkända efter resultat är inte centrala och kommer därför bli förenklade. Fokus ligger på att simuleringen samt styrlogiken har rätt grundfunktion vad gäller särskiljningen av råämnena, samt att utvärdera VC som metod. Enklare säkerhetsfunktion kommer även att användas tillsammans med ett Human Machine Interface (HMI) som förenklar styrningen och ger en god över- blick. Användning av analoga signaler kommer heller inte användas, det kommer endast vara digitala vilket kommer förenkla styrlogiken då valen kommer att be- handlas som binära. Detta kommer ej vara industriell standard. Det som kommer göras i avseendet kommer att vara grundläggande.
1.6 Litteraturstudie
Virtual Commissioning är ett begrepp som i och med industri 4.0 blir allt vanligare, detta begrepp kan ges definitionen att det är den tidiga utvecklingen och valide- ringen gällande PLC koden genom att använda sig av simulerade modeller. Det som sker är att PLC-koden styr en virtuell modell, även kallad beteendemodell, som be- ter sig som den verkliga maskinen [14]. Det som denna teknik har för avsikt att göra är att korta av idrifttagningstiden av en ny automatiserad process i förhållande till det traditionella sättet som innebär att mjukvaruutvecklingen påbörjas i ett senare skede [7]. Oavsett om det görs med eller utan VC så inleds projektet med att pro- duktionssystemet modelleras rent mekaniskt, om VC ska användas så är det mest önskvärt att simuleringsmodellen bör starta så tidigt som möjligt under konstrukt- ionsprocessen. Vilket gör det möjligt att genom användning av modellen upptäcka problem i konstruktionen [14][15]. Då VC kan göras parallellt med produktions- och monteringsprocessen kan värdefull tid i den pågående idrifttagningsprocessen sparas. I Fig. 1 nedan så kan vi se skillnaderna mot konventionell idrifttagning i för- hållande till om VC används. Vi kan se att system- och PLC förbättringar görs i ett tidigare skeda i projektet, vilket leder till att själva idriftagningsstadiet förkortas ur det tidsmässiga perspektivet.
Figur 1: Skillnad vid användning av VC och inte [14].
Vidare möjliggör VC även säkrare idrifttagning eftersom tidigare upptäckta fel löses direkt i den simulerade modellen, alltså före den verkliga driftsättningen [14].
Den grundläggande aspekten av VC är digitaliseringen av alla enheter från anlägg- ningen så att den virtuella modellen fungerar precis som den verkliga. Olika konfi- gurationer för implementering av VC kan användas beroende på grundförutsättning- arna. Dessa är:
• Manual VC innebär att det verkliga systemet emuleras genom att manipulera processingångarna via en PLC-simulator eller ett övervakande kontroll- och datainsamlingsverktyg som exempelvis Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA). Genom att övervaka den resulterande effekten på ut- gångarna kan styrlogiken verifieras. Detta tillvägagångssätt kräver stor kän- nedom om det som ska simuleras för att kunna göras på ett bra sätt [7].
• Model-Based VC, här skrivs programkod för att efterlikna beteendet hos det verkliga systemet. Koden manipulerar processingångarna i enlighet med ut- gångarnas status. Fysiska egenskaper beaktas inte vid denna konfiguration.
Detta tillvägagångssätt ger heller inte visuell feedback för programmeraren [7].
• Virtual Twin/Model VC handlar om att CAD-geometrin utökas med kinema- tik, funktionalitet och elektriska egenskaper. Typiska egenskaper är gräns- snittsalternativ med verkliga industriella styrenheter, införlivande av typisk världsfysik och dynamik byggd kring en fysikmotor och 3D-visualisering [7][6]. Även inom denna teknik ges flera alternativ, en DT innebär en mo- dell, där dataflödet mellan det digitala och det fysiska objektet är helt inte- grerat i båda riktningarna. En förändring i tillståndet för ett av objekten le- der alltså till en förändring av tillståndet för de andra objekten. Detta är inte fallet för en Digital Model (DM) som kommer att användas i denna studie, det är alltså digital representation av ett befintligt eller planerat fysiskt ob- jekt, som fullt ut kan spegla dess egenskaper och funktioner. Det finns inget automatiserat datautbyte mellan det fysiska och det digitala objektet [6], vil- ket kommer vara fallet i denna studie då det fysiska systemet ej existerar.
Då VC konfigurationen är vald ges sedermera valet kring huruvida detta ska simuleras med Hardware-in-loop (HiL) eller Software-in-loop (SiL), där HiL menas att simulera verkligheten så nära som möjligt är genom att använda verkliga styrsystemet anslutet till den virtuella modellen via de verkliga komponenterna [16]. SiL är alltså den raka motsatsen, här simuleras även styrsystemet och des komponenter [7][14]. Detta är tekniken som kommer att användas till vilket PLC kommer att simuleras med hjälp av PLCsim-Ad- vanced 3.0 [17]. Det existerar flertalet program där en VM kan designas, inom detta spektrum existerar olika komplexitet och svårighet. Program som exempelvis NX MCD har hög komplexitet och därmed även en stor fri- het kring designdelen av processen, detta medför även att tiden för VM ut- vecklingen blir längre då alla rörelser och kollisioner måste rent fysiskt defi- nieras i rummet i förhållande till omgivningen [18][19].
Genom att använda sig av programmet Factory I/O som är i andra änden av spektret så kommer mera tid kunna läggas på mjukvarudelen då i detta pro- gram existerar färdiga maskindelar till vilket man själva länkar ihop den slut- liga processen och tilldelar styrlogik för önskad rörelse, här behövs ej fysik och kollisioner tilldelas [20]. Detta medför dock att friheten i design av pro- cess blir lidande, Factory I/O kan därför inte ses vara ett användbart verktyg inom den bredda massan vad gällande processtillverkning. Men för denna studie är detta tillräckligt då vikten ligger på mjukvarulösningarna och funkt- ionerna runt omkring, samt att påvisa för- och nackdelar med VM.
2 Teori
2.1 Virtual Commissioning
Begreppet VC innefattar flera sammanflätade delområden som syftar till att skapa, modifiera och utöka system och systemkomponenter i en produktionslinje. Praktiskt taget testa dem för att sedan optimera processen. Denna procedur hjälper till att upptäcka och eliminera fel i ett tidigt utvecklingsstadium innan den verkliga anlägg- ningen tas i drift. Detta koncept möjliggör en parallellisering av den mekaniska och elektriska designen samt skapandet av styrprogramvaran. Denna parallellisering på- skyndar idrifttagningen av den verkliga anläggningen och sänker möjliga kostnader för fel efter leverans. Detta eftersom dessa fel idealiskt sett redan har korrigerats un- der utvecklingen.
Simuleringsmodeller tas fram under utvecklingsfasen vid framtagning av automatise- ringslösningar. Dessa simuleringsmodeller stöder konstruktionsprocessen genom att hjälpa till att lösa en mängd olika problem inom industriella applikationer. I avance- rade tillverkningsfält används simuleringsmodeller till exempel för virtuell driftsätt- ning av industriella styrsystem. Maskinmodellen är en simuleringsmodell med flera domäner som beskriver det övergripande beteendet hos det mekaniska systemet.
Maskinbeteendet simuleras så likt det verkliga systemet som möjligt, det kallas mo- dellbaserade digital tvilling eller digital modell [19].
2.1.1 PLC
PLC är en speciell form av mikroprocessorbaserad styrenhet. Den inkluderar pro- grammerbart minne för att lagra instruktioner och implementera funktioner som lo- gik, sekvensering, timing, räkning och aritmetik. Rent konceptuellt så fungerar den genom att en input tas emot varpå instruktioner utförs beroende på inputen. Med denna information exekveras en godtyckligt output som visas i Fig.2 nedan. För att enkelt kunna styra maskiner och processer är PLC utformad för att fungera även med begränsad kunskap om datorer och datorspråk [21].
Figur 2: PLC [21].
PLC kan alltså betraktas som speciella datorer för industriell användning. PLC:n i sig påverkas inte av vibrationer, temperatur, luftfuktighet och ljud. Detta ger att den kan ses som en slags regulator för öppet område. Dessa är lätta att programmera då man använder ett enklare programmeringsspråk som huvudsakligen berör logik och omkopplingsfunktioner. PLC:n innehåller hård- och mjukvarusystem som används för enskilda ingångar/utgångar eller moduler med flera ingångar/utgångar. Använd- ningen inkludera både analoga och digitala styrsignaler [21].
I början gjordes PLC med logiska komponentväxlingsreläer för styr operationer.
Emellertid har teknikutvecklingen gjort det möjligt att skapa en mer avancerade PLC som kan göra mer komplexa operationer. PLC har flertalet olika språk för pro- grammering som definieras av den internationella standarden IEC 61131-3 [22].
Denna standard består av tre grafiska och två textbaserade programmeringsspråk [23].
Standarden består av följande programmeringsspråk:
• Ladder diagram (LAD) - Grafiskt programmeringsspråk
• Functional Block (FBD) - Grafiskt programmeringsspråk
• Sequential Function Chart (SFC) – Grafiskt programmeringsspråk
• Instruction List (IL) - Textbaserat programmeringsspråk
• Structured Text (ST) - Textbaserat programmeringsspråk
I projektet kommer en PLC av Siemens användas. Denna kommer att vara av modell S7-1500. Denna kommer som tidigare nämnts ej användas gällande hårdvara, utan emuleras. Just av denna anledning så ges det specifika valet av CPU till 1513-1 PN då denna modell kan emuleras.
2.1.2 Digital Twin/Model
En digital tvilling är en virtuell modell av en fysisk produkt, tjänst eller process.
Man kan säga att en CAD-geometri utökas med kinematik, funktionalitet och elekt- riska egenskaper. Typiska egenskaper är gränssnittsalternativ med verkliga industri- ella styrenheter, införlivande av typisk världsfysik och dynamik byggd kring en fysik- motor och 3D-visualisering [6][7]. Fördelen med en digital tvilling är möjligheten att testa ett koncept i en virtuell miljö. Simuleringen ger data för analys, och data kom- mer att ge informationen för att se problemen innan de uppstår. Detta kommer att minimera stillestånd och ger möjlighet att utveckla den konventionella projektmeto- diken och planera inför framtiden. Digitala tvillingen har vuxit på kort tid och nuför- tiden är det möjligt att inkludera större föremål som människokroppen, byggnader, fabriker och till och med städer [23].
2.1.3 Smart Factory
En smart fabrik är en tillverkningslösning som tillhandahåller flexibla och anpass- ningsbara produktions processer. Den smarta fabriken löser problem som uppstår på en produktionsanläggning på ett dynamiskt och snabbt vad gällande föränderliga gränsförhållanden i en värld av ökande komplexitet. Denna speciella lösning som koncept vara relaterad till automatisering. Detta som kombination av programvara, hårdvara och/eller mekanik. Vilket borde leda till optimering av tillverkningen, vil- ket resulterar i minskning av onödigt arbete och slöseri med resurser.
Å andra sidan kan det ses i ett perspektiv av samarbete mellan olika industriella och icke-industriella partners, där smartheten kommer ifrån bildandet en dynamisk or- ganisation. Med den snabba utvecklingen av Internet-teknik och nätverkssystem är det möjligt att tänka sig en utveckling av intelligenta maskiner som inom en tid kommer att ha förmåga att tänka, lära sig, komma ihåg och i ett givet ögonblick dela den kunskapen, eller reagera i vissa situationer. Oavsett om detta låter abstrakt för- väntas de smarta maskinerna inom detta koncept i nära framtid komma att forma jobb, tillverkningsprocesser och produktionssystem [24][25].
2.2 Automatiserad sortering
Att automatisera är inom alla branscher ett viktigt steg mot att öka effektiviteten, sänka kostnaderna och undvika mänskliga fel. Automatiserade processer kan utföra repetitiva uppgifter på ett konsekvent sätt och samtidigt minimera chansen för ska- dor och olyckor. Därmed kan högre kostnader i form av reparationer undvikas, sam- tidigt som högre operatörssäkerhet uppnås. Genom att erbjuda snabbare genom- strömningshastigheter kan besparingar göras i form av bland annat lönesänkningar.
Den ökade hastigheten på genomströmning resulterar i en omedelbar effektivitet som leder till en snabbare avkastning på denna investering. Sortering är alltså en så- dan process där övergången från mänsklig ofullkomlighet till automatiserade maski- ner i tillverkningen tilldelas dessa fördelar.
Dessa sorteringssystem kan ses som en bro mellan produktions- och förpackningssy- stemet som främst används inom tillverkningsindustrier där produkter särskiljs och separeras på grundval utifrån en godtycklig parameter som t.ex. bredd, höjd och färg. I detta fall ska råämnen vars kvadratiska form är densamma men är åtskiljande i färg sorteras. Processen ska alltså testa råämnets färg för att sedan sortera detta un- der godkänt eller icke-godkänt. Detta gör att den automatiserade sorteringsmaski- nen är ett mycket praktiskt exempel på en automatisering inom tillverkningsindu- strin som är värd att utföra [26].
2.3 Programvaror till projektet 2.3.1 Factory I/O
Factory I/O är en 3D-fabrikssimulering för lärande av automatiseringsteknik. Detta program är designat för att vara enkelt att använda, vilket gör det möjligt att snabbt bygga en virtuell fabrik med ett urval av vanligt förekommande industriella delar.
Factory I/O inkluderar för de flesta delar digitala och analoga in-/utgångar. Detta gör det möjligt att använda ett digitalt värde för att starta eller stoppa en transportör samt ett analogt värde för att väga föremål eller kontrollera vätskenivåer. Factory I/O arbetar med simulatorer av PLC-styrenheter från ledande automationstillver- kare som Siemens, Allen-Bradley bland andra. Factory I/O innehåller också många scener med typisk industri installationer, allt ifrån nybörjarvänliga till avancerade.
Exempel på en sådan installation kan ses nedan i Fig. 3.
Figur 3: Exempel färdig installation som erhålls vid användning av Factory I/O [27].
Den simulerade maskinparken kompletteras även med en uppsättning olika senso- rer, vilket gör det möjligt att bygga och ställa in ett sensoriskt system för de egen designade produktionsprocesserna. Factory I/O-miljön fungerar därför mycket bra som en träningsplattform för PLC [28]. Men även för att på enkelt sätt visa på förde- larna med att använda en digital modell för att skapa välskriven och optimerad styr- logik, samt kunna testa denna i realtid utan risker.
I syfte att skapa en multifunktionell testmiljö har ställdon och sensorer tre olika ar- betstillstånd. Det första är när in-/utgångar fungerar helt utan problem. Det andra arbetstillståndet är när in-/utgångar har ett ”On-failure”, vilket betyder att exempel- vis den valda sensorn ger ett kontinuerligt utslag, alltså en ”1”. Det tredje arbetstill- ståndet innebär motsatsen eftersom det gör att sensorn inte fungerar alls. Detta ger möjligheten att öva på felsökningsrutiner. Genom att injicera fel på delar där det kan vara användbart att utforma strategier mot misslyckanden, eller för att leta efter al- ternativa sätt att programmera för att nå en optimerad styrlogik [29][30].
2.3.2 S7-PLCsim Advanced 3.0
S7-PLCSIM Advanced är en simuleringsprogramvara som kan efterlikna beteendet av en SIMATIC 1500- PLC för att testa att de fungerar korrekt. Programvaran er- bjuder två huvudkommunikationsgränssnitt. Dessa är:
• PLCSIM (Local) är en lokal kommunikation som vidare är uppdelad i: Lokal kommunikation via Softbus och lokal kommunikation via TCP/IP. I båda av fallen är det dock en förutsättning att PLCSIM Advanced-instansen finns på samma dator eller på samma virtualiseringsplattform som STEP 7 TiA-portal eller någon annan kommunikationspartner. Softbus är dock av säkerhetsskäl standardkonfigurationen vid lokal kommunikation.
• PLCSIM Virtual Ethernet Adapter är ett virtuellt nätverksgränssnitt som be- ter sig som ett riktigt nätverksgränssnitt. Denna kommunikationsform avser köra virtualiseringsplattformen på en dator och S7-PLCSIM Advanced på en annan dator för vilken en distribuerad kommunikation via TCP/IP ska an- vändas. En distribuerad kommunikation (multidator) via TCP/IP innebär att S7-PLCSIM Advanced-instanser kommunicerar med de andra enheterna via en Virtual Switch.
Program som exempelvis innehåller styrlogik skapats alltså i STEP 7 TIA-portalen för att sedan laddas ner till den virtuella styrenheten och sedan köras med hjälp av den emulerade PLC:n [31].
2.3.3 TiA-Portal
TiA-Portal ger en teknisk ram för implementering av automatiseringslösningar. Allt ifrån design, driftsättning, drift och underhåll till uppgradering av automatiserings- system kan utföras i TiA-portal. SIMATIC STEP 7 i TIA Portal är programvaran för konfigurering, programmering, testning och diagnosticering av alla modulära och PC-baserade SIMATIC-styrenheter [32].
För att kort sammanfatta de viktigaste delarna inom TiA-Portal ges förklaringarna nedan.
• PLC-programmering med SIMATIC STEP 7: Programpaket som används för att skriva PLC-kod. Detta paket innehåller fem olika programmeringsspråk(se sekt- ion 2.1.1 ovan) [22].
• Visualisering med SIMATIC WinCC: Detta paket som läggs till i TIA Portal tillåter användaren att skapa kontrollskärmar där programkoden kan visualiseras och visas i form av t.ex. grafer och animationer även kallad SCADA. Med detta kan ex- empelvis en manual VC utföras [23].
• Rörelsestyrning: Detta paket ger möjligheten att definiera driftsparametrarna för ställdon som motorer och ventiler för att få dem att fungera som önskat. Några av de parametrar som kan justeras är t.ex. motorbelastning och driftläge (linjär eller roterande), maxhastighet, acceleration, och retardation bara för att nämna några [23].
3 Metod och Resultat
3.1 Framtagning av sorteringsprocess
3.1.1 Material som sorteras
Det som rent faktiskt ska sorteras av den digitala modellen är specifika råämnen som finns i Factory I/O. Dessa kommer att sorteras utifrån dess färg. Varav de godkända råämnet kommer att ha färgen grön. Denna kan ses nedan i Fig. 4.
Figur 4: Råämne som är grönt och kommer att sorteras som godkänd [33].
Vidare för att testa att sorteringsfunktionen så ges att ett råämne med en färg om blå kommer att introduceras med jämna mellanrum. Detta råämne representerar ett icke godkänt resultat se Fig. 5.
Figur 5: Råämne som är blått och kommer att sorteras som icke godkänd [33].
För att ytterligare bredda processen så kommer även andra typer av lock, råämnen och baser att introduceras. Detta görs för att testa huruvida processen klarar av en introduktion av en artikel som ej hör hemma i processen. Dessa ska vidare klassas som icke godkända. Utseendet på dessa icke tillhörande artiklar kan ses nedan i Fig.
6.
Var och en av dessa produkter har en Radio-frequency identification(RFID) kod som är kopplad till dess färg och form. Exempelvis ges att råämnena har olika RFID bero- ende på dess färg, men samma färg av en annan artikel ger ett annat RFID. Alltså ges att resultatet godkänt kan tilldelas de gröna råämnet då dess RFID är unikt i förhål- lande till de övriga artiklarna [33].
3.1.2 Vision sensor
För att läsa av artiklarnas RFID-kod så används en i Factory I/O tillgänglig vision sensor. Denna ställs in så att den är en digitalt värde som ges. Exempelvis om det gröna råämnet känns av så ges utslaget ”hög” eller ”1”, men om den ej känns av så ges ”låg” eller ”0”. Att ha denna inställning förenklar den framtida styrlogiken då va- let blir binärt. Vi får alltså rent logiskt att alla artiklar förutom den gröna godkända ger en låg signal. Denna sensor kan ses nedan i Fig. 7.
Figur 7: Vision sensor I Factory I/O [34].
Denna vision sensor kan användas som analog, detta betyder att ett unikt värde till- delas en viss artikel. Anledningen till att detta inte används är att valet för processen är binärt, varpå en binära signal räcker för att utföra denna sortering. Detta val lig- ger även inom de valda avgränsningarna.
3.1.3 Transportband och Hjul-sorterare
För att transportera artiklarna som ska sorteras genom processen som kommer transportband att användas. Dessa kan användas som både analoga och digitala. Det betyder att den digitala användningen av den ger en konstant hastighet i en riktning, varpå den analoga signalen har en varierande hastighet åt båda hållen. Denna signal antar värdena -10[V] till +10[V] varpå -10[V] är max hastighet bakåt och +10[V]
maxhastighet framåt. Exempelvis ger +10[V] en hastighet om 3[m/s] .Vad som är framåt och bakåt kan ses visuellt på bandet i form av pilar.
Dessa finns i längderna 2, 4 och 6 meter, även ett 90 gradigt vinkel transportband kommer att användas där funktionerna är densamma. Exempel på hur detta kan se ut ges i Fig. 8.
Figur 8: Transportband I Factory I/O med pil som visar plus riktningen [34].
För att de artiklar som genomgår testning ska kunna skiljas åt så behövs en mekanisk struktur som ger att två olika riktningar kan tas utifrån testresultatet. Detta särskilj- ning kommer att göras med hjälp av en så kallad hjul-sorterare som finns tillgänglig i Factory I/O. Denna kan vi se i Fig. 9 nedan.
Figur 9: Hjul-sorterare i Factory I/O [34].
Denna sorterar som presenterades i Fig. 9 ovan sorterar i en 45 gradig vinkel åt vänster och en 45 gradig vinkel till höger i förhållande till mitten som är utgångs- punkten. Denna styrs med hjälp av tre digitala signaler. Den första påbörjar rotat- ionen på hjulen varav de andra två bestämmer om hjulen ska riktas till vänster eller höger. En tabell för detta ses nedan i Tab. 1.
Tabell 1: Styrsignaler för hjulsorterare.
Tag Data typ Förklaring
Output_1 Bool Startar rotation på hjul Output_2 Bool Vinklar 45 grader vänster Output_3 Bool Vinklar 45 grader höger
3.1.4 Flödet
Rent mekaniskt så kommer råämnena förflyttas via ett transportband fram till vision sensorerna. Varav dessa kommer att avgöra huruvida produkten är godkänd eller inte. Utifrån sensorernas utslag så kommer produkten ta en av två möjliga vägar, re- gistrerad godkänd kommer alltså att ta en annan väg ut ur processen än den som re- gistreras som icke-godkänd.
De som registreras som godkänd och icke-godkänd kommer att räknas för att se i vilken utsträckning godkända/icke-godkända produkter kommer in i processen.
Men för att säkerställa att korrekt statistik upprätthålls i processen så räknas inte de produkter som kommer in i cellen och ej hör till det som ska testas. Allt annat än de gröna och blåa råämnena räknas ej, dessa ger heller inte utslag. Ett flödesschema för denna process kan ses nedan i Fig. 10.
Figur 10: Flödesschema över sorteringsprocessen.
3.2 Utveckling av den digitala modellen 3.2.1 Förutsättningar
Via högskolan i Gävle finns flertalet alternativ gällande programvara för att under- söka VC. Vad gällande design av den digitala modellen så ges tre olika alternativ.
Dessa är NX MCD, SIMIT och Factory I/O. Detta projekt använder som tidigare nämnt Factory I/O för mekanisk design av den digitala modellen. En Siemens licens i Factory I/O erhålls av högskolan i Gävle, detta för att kunna emulera PLC:n via Si- emens PLCsim Advanced 3.0 samt skriva styrlogiken i Siemens TiA-portal. Även dessa licenser erhålls av högskolan i Gävle.
Den mekaniska designen finns ej som färdigt exempel i Factory I/O, denna tas fram i samråd med handledaren på Syntronic för att möta deras krav och förväntningar.
Detta innebär att det finns goda förutsättningar för att detta projekt ska lyckas i de två viktigaste avseendena. Det första är att ur en akademisk synvinkel studera VC som metod, det andra att leverera en väl fungerande digital modell med implemen- terad styrlogik.
3.2.2 Den digitala modellen
Initialt vid framtagningen så gjordes en bedömning kring processens in och utgångar i förhållande till varandra. Med detta menas att om råämnet ska färdas rakt igenom i förhållande till hur den kom in eller om exempelvis icke-godkända råämnen ska tas ur processen med en 90 gradig vinkel förhållande till ingång, varav godkänd fortsät- ter rakt fram. Exempel på detta kan ses i Fig. 11 nedan.
Figur 11: Två olika utgångsriktningar.
Efter vidare diskussion med handledare och andra parter med relevant erfarenhet så togs ett andra alternativ fram. Detta går ut på att hela processen ska agera i endast en riktning, detta då processen kommer att ta mindre plats. Men även en enklare inte- grering av processer både före och efter kan ges. Alltså har vi att de godkända och icke-godkända kommer ut ur sorteringsprocessen i samma riktning men på olika band. En grundläggande skiss på detta kan ses nedan i Fig. 12.
Figur 12: Enklare processkiss med samma utgångsriktning.
När flödesriktningen för processen som helhet är bestämd så påbörjas själva byggan- det i Factory I/O. Detta görs genom att helt enkelt placera ut de önskade delarna på rätt ställe i förhållande till varandra. Det första som placeras ut är alla transportband som ska användas. I detta skedde måste man vara noggrann med att titta på vilken färdriktning banden har och att dessa är korrekt i förhållande till varandra, samt ställa in att dessa ska styras med digitala signaler som tidigare nämnt. Då alla trans- portband är på plats så ges resultatet i form av Fig. 13 nedan.
Figur 13: Transportbanden I den digitala modellen i Factory I/O.
Godkänd
Icke-godkänd
Efter att dessa är implementerade i modellen som önskat och i rätt format vad gäl- lande styrning av digitala signaler så ska sensorerna placeras ut. Vidare hade en an- nan typ av sorteringslösning kunnat ske i form av exempelvis en robot som utför sorteringen utefter sensorernas resultat. Denna lösning förkastades dock då en hjul- sorterare medför en konstant rörelse i samma riktning, varpå en robotförflyttning introducerar en z-axial rörelse och tar därmed längre tid. Dock hade denna lösning varit mera mångsidig, men det är ej relevant i detta fall.
De båda sensorerna placeras vidare innan hjulsorteraren då det är dessa sensorers ut- slag som avgör hjulriktningen på sorteraren. Anledningen till att ha två sensorer är för att den ena är till för att detektera de blåa råämnet, och den andra för att detek- tera de gröna råämnet. Dessa sensorers utslag används även för att räkna antalet god- kända/icke-godkända. Denna lösning minskar även komplexiteten rent styrlogiskt då sensorerna ger binära utslag. Detta ger en enkelhet då exempelvis de styrlogiska räknarna ska aktiveras. Om en felaktigt artikel introduceras till cellen så ges ej något utslag varav denna inte kommer att tas med i statistiken. Men en sådan artikel kom- mer att fortsätta genom den icke-godkända sidan av processen då detta är utgångslä- get för hjulsorteraren.
Hur dessa sensorer placeras i modellen kan ses nedan i Fig. 14 tillsammans med de tidigare placerade transportbanden.
Icke-godkänd
Godkänd
Efter att sensorerna är utplacerade så ställs även dessa in till att vara digitala. Sedan väljs för vilken typ av Factory I/O:s artiklar som denna ska reagera på och därmed ge ett utslag som kan nyttjas i det styrlogiska sammanhanget.
Den gröna pilen i början av processen är en emitter ur vilken råämnena randomise- rat kommer in i processen. Råämnena kommer att placeras på bandet randomiserat och inte helt rakt i mitten av transportbandet, detta är anledningen till att justerarna finns på transportbanden. Dessa medför även förenkling för eventuella processer både innan och efter denna sorteringsprocess. De röda pilarna tar bort produkterna från processen så att de ej staplas på golvet framför. Man kan ej räkna antal med dessa, därför används utslagen på sensorerna till detta. För att kunna påvisa att god- kända funktioner gällande processen uppnåtts kommer även en validering utföras av en tredje part som kommer att styra modellen.
3.2.3 Säkerhet
Vad gällande säkerhetsaspekten så ges att sorteringsprocessen kommer att vara inbu- rad med två dörrar som ända möjlighet att ta sig in. Dessa behövs för att kunna ut- rätta underhåll och undersöka möjliga fel och problem. Båda dessa säkerhetsdörrar har magnetsensorer som ger utslag om dörren öppnas. Dessa signaler används seder- mera för att initiera ett nödstopp varav processen stannar. Denna process kan inte starta igen fören dörren åter är stängd och larmet återställs utanför buren. Då dessa är uppfyllda kan operatör starta processen igen. Det finns vid det skedet ett val att göra. Nämligen om processen ska fortsätta från det läge där nödstopp anropades, el- ler om processen ska återställas innan start. Den bur som omringar processen med tillhörande dörrar kan ses nedan i Fig. 15.
Figur 15: Sorteringsprocess med omringande säkerhetsgaller och två säkerhetsdörrar för åtkomst.
Styrningsmöjlighet för processen har skapats rent fysiskt i den digitala modellen i form av ett HMI som kan lokaliseras vid säkerhetsdörr 2. I denna kan exempelvis start och stopp av process genomföras tillsammans med en processåterställning. På denna panel finns även en av tre nödstopp knappar. Denna panel kan ses nedan i Fig.
16.
Figur 16: Styrpanel med start, stop och nödstopp 1 av 3.
Dessa nödstoppknappar fungerar enligt samma princip som säkerhetsdörrarna. Om en av dessa blir intryckta så stannar processen. För att kunna starta processen igen så måste larmaknappen först ”dras ut” till normalläget den hade då denna inte var in- tryckt. Innan detta är gjort så kan larmet ej återställas vilket leder till att processen ej kan starta igen. Men då detta är gjort så måste larmet som tidigare nämnt återstäl- las i HMI:t. Då larmet är återställt så kan processen fortsätta alternativt även denna återställas för att sedan starta från början. Nödstoppknapp 2 och 3 kan ses på vardera sida om ställningen där vision sensorerna sitter inne i cellen. Denna placering har valts utifall en operatör startar processen ovetandes om att underhåll eller annan undersökning pågår innanför avgränsningen. För att se vilken säkerhetsfunktion som har aktiverats och på så sätt stoppat processen så har lampor kopplade till de tre nödstoppen och de två säkerhetsdörrarna skapats i HMI för att påvisa detta med tyd- lighet. Det är även på denna sida som larmet i sig kan återställas. Denna HMI sida kan ses nedan i Fig. 17.
Figur 17: HMI för att se vilket säkerhetsstopp som aktiverats. Samt en ”Reset” knapp som återställer larmet och möjliggör en process start efter larm.
Sidan för larmen fungerar på så sätt att lampan bredvid respektive nödstopp tänds då de tillhörande säkerhetsstoppet initieras. Efter det att exempelvis säkerhetsdörren är stängd eller en larmknap återställs så kan larmet återställas. Varav processen återigen kan startas av operatör. Även dessa delar kommer att valideras, detta i en specifik validering endast gällande säkerhetsfunktionerna som modellen innehar.
3.2.4 Resultat av sortering
Som tidigare nämnt så används två sensorer för att detektera vilka produkter som är godkänd och icke-godkänd. De signaler som sensorerna avger används sedermera för att trigga en räknare i styrlogiken för vardera testutslag. Dessa räknare gör det möj- ligt att se hur många godkända/icke-godkända som kommer in i processen. För att göra denna räkning så visuell som möjligt så har även här en HMI sida skapats för att se detta i realtid. Detta HMI kan ses nedan i Fig. 18.
Figur 18: HMI sida som visar på antalet godkänd och icke-godkända produkter. Även en återställning till vardera räknare finns.
Genom Fig. 18 ovan så kan vi även se tre knappar. De första två knapparna som är under ”Antalet Godkända” och ”Antalet Icke-godkända” är till för att nollställa räk- narna. Detta om exempelvis en ny omgång ska testas. Men även här finns en säker- hetsimplementering. Denna går ut på att om exempelvis 10 icke-godkända resultat ges på rad så stannar processen och lampan i Fig. 18 vid namn ”Test Failure” tänds.
För att återställa detta så ges en ”Process Reset” knapp som nollställer räknaren samt processen, detta tillåter operatör att återigen starta processen.
Anledningen till att denna funktion finns är för att ett problem i exempelvis tidigare process kan ha uppstått som ger detta utslag. Vi kan även få scenarier där operatör exempelvis har laddat en omgång fel, om processen då startar och fortgår en hel natt så kommer processen stanna efter 10 testade råämnen i stället för att fortgå och ge ett möjligt felresultat för hela omgången råämnen. Styrlogiskt så återställs denna räknare varje gång en godkänd detekteras, samt att en återställning av detta larm även återställer hela processen.
3.3 Programmering och simulering
3.3.1 Emulering av PLC
För att utföra en emulering av en PLC så används ett tidigare nämnt program som heter PLCsim Advanced 3.0. Detta program simulerar inte bara en PLC vad gäl- lande in och utgångar, denna försöker efterlikna ett mera komplett beteende av en PLC. De PLC:er som avser emuleras är S7-1500 serien.
Det första som måste göras är att tillåta simulering via TiA-portal i projektets säker- hetsinställningar. Efter detta är gjort så öppnas PLCsim Advanced. Här väljs först vilken typ av kommunikation som avser användas vid anslutning till TiA-portal och Factory I/O. I detta projekt används en lokal anslutning och inte virtual Ethernet.
Detta medför att alla programvaror som ska användas måste finnas på samma dator för att detta ska fungera. Om virtual Ethernet hade använts så hade detta ej behövt vara fallet.
Efter att kommunikationen har valts så ska typen av PLC väljas samt tilldelas ett namn. I detta projekt tilldelas PLC:n namnet ”PLC”. Detta kan ses nedan i Fig. 19.
Figur 19: PLCsim Advanced vy med PLC av ospecificerad S7-1500 typ vid namn “PLC” initierad.
Då namnet och kommunikationen har valts så kan PLC emuleringen starta. Då detta har gjorts och är fungerande så ges att under ”1 Active PLC” i Fig. 19 ovan att den har startat och blivit tilldelad en IP-adress. Vidare i samma figur så ges att en av tre lampor är gröna, så kommer inte vara fallet vid första starten då ett program ej är nedladdat. Den kommer då att vara gul och redo att bli ansluten till TiA-portal och Factory I/O.
Via TiA-portalen så väljs då en önskad PLC modell som ska simuleras, i detta pro- jekt används CPU:n 1513-1 PN. Då denna är vald är det viktigt att denna har en IP- adress som överensstämmer med den som skapats i PLCsim Advanced. Alltså 192.168.0.1. Efter denna konfiguration är gjord så laddas det önskade PLC pro- grammet ned i den emulerade PLC:n. Om detta har lyckats så kommer den gula lampan i PLCsim Advanced att ändras till grön vilket kan ses i Fig. 19 ovan.
Då denna emulerade PLC ska anslutas till Factory I/O så måste initialt i detta pro- gram en driver väljas vid namn ”Siemens S7-PLCsim”. Denna driver måste sedan konfigureras till att använda sig av just PLCsim Advanced. Men en viktig del i vid upprättning av anslutning mellan dessa program är namnet som valts till PLC:n i PLCsim Advanced. Standard för Factory I/O ger att PLC:n måste döpas till
”factoryio”. Men då PLC:n i detta projekt ges namnet ”PLC” så behöver denna in- ställning ändras. Detta görs genom att öppna Factory I/O:s interna ”console” och skriva koden:
” drivers.siemens_s7plcsim.instance_name = 'newname' ”
Där newname ändras till ”PLC” för att överensstämma med det valda namnet i PLCsim Advanced [35]. Om inte detta görs så kan en anslutningen mellan Factory I/O och PLCsim Advanced ej upprättas, och därmed heller inte styras med hjälp av styrlogiken i TiA-portal.
Då detta är gjort i Factory I/O konfigureras sedan det önskade antalet in-/utgångar för PLC:n som i detta fall är 30. Sedan placeras de önskade sensorerna, aktua- torerna, knapparna och interna taggarna för styrning av simuleringen till önskad in- /utgång vars adresser överensstämmer med tag-listan i TiA-portal som kan ses i Bi- laga B. Dessa I/O placeringar i Factory I/O kan ses nedan i Fig. 20.
Figur 20: I/O i Factory I/O.
Denna konfiguration kan sedermera anslutas till PLCsim Advanced.
Efter att dessa steg är gjorda så har en anslutning upprättats mellan TiA-portal och Factory I/O med hjälp av en emulerad PLC i PLCsim Advanced. Styrning av den di- gitala modellen kan nu upprättas i form av styrlogik som kan laddas ned till den emulerade PLC:n och i sin tur styra den digitala modellen i Factory I/O.
3.3.2 Styrlogiken
Rent styrlogiskt så ges att saker som start/stopp av process, larm och rörelse av ban- den görs på ett relativt standardiserat sätt. Detta innebär att dessa delar ej kommer att gås igen om i detalj men ladder-programmeringen för dessa kan ses i Bilaga C ne- dan.
Start och stop görs genom att set/reseta ett minne som vidare används i koden för att initiera två andra minnen som representerar de två olika delarna i processen.
Dessa är ”part 1” och ”part 2”, där den första delen avser allt innan själva testet ut- förs. Varpå den andra delen avser styrningen efter testet. Denna uppdelning kan ses med tydlighet i Fig. 21 nedan.
Figur 21: Ett autominne som startas vid process start. Detta initierar vidare de olika delarna av processen.
Då dessa delar av processen har startat så ges att själva testet ska utföras. Som tidi- gare nämnt så används två sensorer för detta. Som nämnt ovan i stycke 3.2.2 så ges att inget förutom de två artiklar som ska testas ska ge utslag på sensorerna, saker som inte hör hemma i processen ska alltså inte tas med i statistiken. Men dessa ska sorteras till den icke-godkända sidan av processen efter testet.
För att få denna funktion att fungera rent styrlogiskt så ges att initialläget på senso- rerna, alltså inget utslag ger att hjulsorteraren sorterar mot icke-godkänt. Detta är alltså en form av utgångsläge för sorteringen i sig. Ladder logiken för detta kan ses nedan i Fig. 22.
Figur 22: Om ingen av sensorerna ger utslag sorteras detta till icke-godkänt.
I Fig. 22 ges att då två nollor ges från sensorerna så hålls hjulsorteraren mot icke- godkänd.
Vad gällande sorteringen av artiklar tillhörande processen så ges att kravet för att testningen ska påbörjas är ett internt minne som representerar att processen innan själva testningen faktiskt är i gång. Testet kan alltså inte genomföras utan att proces- sen innan fungerar korrekt. Vad själva testningsalgoritmen anbelangar så används set/reset utgångar som styr i vilket läge hjulsorteraren befinner sig. Exempelvis ges att om sensor 1 ger utslag så sätts utgången som styr artikeln mot godkänt, varpå ut- gången som styr hjulsorteraren återställs. Samma logik gäller för sensor 2. Vid utslag av sensorerna aktiveras även ett minne som används för att räkna antalet godkända och icke-godkända. Ladder logiken för denna sorteringsprocess visas nedan i Fig. 23.
Figur 23: Sorteringsalgoritm för att styra hjulsorteraren utifrån sensorernas utslag.
För att se statistik gällande antalet råämnen som blir godkända och inte så används en i TiA-portal befintlig styrlogisk räknare vid namn Counter Up(CTU). Denna ökar antalet genom att de tidigare nämnda minnena som kan ses ovan i Fig. 23 sätts.
Även dessa två olika minnen aktiveras beroende på vilken sensor som ger utslag. De styrlogiska räknarna kan ses nedan i Fig. 24 i form av ladder logik.
Figur 24: Räknare som ökar i värde då godkänd eller icke-godkänd detekteras.
Då utslag ges av sensorer så sätts ett minne som triggar räknaren. Värdet för räkna- ren samt den ökning som sker följs med hjälp av ett Counter Value(CV) som vi kan se till höger på räknarna i Fig. 24 ovan. Detta CV kopplas sedermera till digital dis- player på HMI panelen i den digitala modellen, varpå operatör kan följa antalen god- kända/icke-godkända i realtid. För att återställa dessa räknare finns på samma panel två knappar, en för vardera räknare. Dessa knappar kopplas till återställaren ”R” på respektive räknare via en switch i Fig. 24 ovan.
Den sista funktionen vad gällande styrlogiken är ett så kallat ”Test Failure”. Denna säkerhets funktion har nämnts i ett tidigare stycke 3.2.4 där resultatet av processen diskuteras. Denna går ut på att processen stannar om 10 icke-godkända detekteras i följd. Till detta används samma typ av räknare som i Fig. 24 ovan.
Denna räknare har dock ett så kallat Preset Value(PV) som är satt till 10. Det som sker är då räknaren når 10 så utförs en styrlogisk frekvens. I detta fall återställs det minne som är satt för att starta processen vilket leder till ett process stop och att ett larm ”Test Failure” startas. Larmet återställs genom att trycka på en knapp ”Process Restart” som återställer hela processen och därmed den pågående testcykeln. När denna återställning är gjord så kan processen återigen starta från början. Denna räk- nare samt ladder logik kan ses nedan i Fig. 25.
Figur 25: Räknare för “Test Failure” funktionen.
Vidare så ges ett annat sätt att för räknaren att återställas. Då denna räknare har för ändamål att räkna till 10 utan avbrott så ges att denna även återställs om en godkänd känns av. Detta möjliggör att denna funktion endast utnyttjas om utgångsscenariot för denna funktion faktiskt sker. Vidare ges logiken för återställning av räknaren i Fig. 25 ovan kan ses nedan i Fig.26.
Figur 26: Återställningslogik för “Test Failure” räknare.
I Fig. 26 ovan offentliggörs de två olika villkoren som kan återställa räknaren i Fig.
25 och därmed tillåta framtida process start.
Resterande styrlogik kan finnas nedan i Bilaga C.
3.3.3 HMI
HMI panelen som är framtagen som en del av den digitala modellen och kan delas in i två olika delar. På den första panelen så ges start och stop för processen, ett
nödstopp samt 5 larmlampor för att signalera vilket nödstopp som tryckts in alterna- tivt vilken säkerhetsdörr som öppnats. I Fig. 16 ovan ges en bild av start, stopp och nödstopp 1 varpå Fig. 17 visar larmlamporna samt en knapp för larm återställning.
Detta är på en och samma panel och kan i sin helhet ses nedan i Fig. 27.
Figur 27: HMI-panel för start/stop av process, samt larmhantering.
I Fig. 27 ovan se att lampan för Nödstopp 1 är intryckt, för att kunna fortsätta pro- cessen så måste först nödstoppsknappen ”dras ut” vilket gör denna inaktiv. Efter detta kan larmet återställas på knappen ”Larm Reset”, varpå lampan slocknar och processen är redo att starta igen. Om en omstart av hela processen önskas så kan detta ske via en knapp ”Process Reset” på den andra panelen som kan ses ovan i Fig.
18. Samma logik som exemplet ovan gäller för alla tre nödstoppsknappar och båda säkerhetsdörrarna.
För att operatör ska ha realtidsöversikt kring testresultatet så finns ytterligare en HMI-panel. På Denna kan vi se två digitala skärmar som visar antalet godkända och icke-godkända. Dessa skärmar är alltså kopplade till räknarna i Fig. 24 ovan. Under vardera skärm ges också en reset knapp som nollställer resultatet på den önskade skärmen.
En lampa för den tidigare nämnda ”Test Failure” funktionen existerar också. Denna tänds i samband med process stopp till följd av att 10 icke-godkända på rad har tes- tats. För att återställa detta larm samt räknaren så krävs en process återställning, den görs genom att trycka på knappen ”Process Reset” bredvid lampan. Då detta görs slocknar lampan, räknaren nollställs och operatören kan återigen starta processen genom att trycka på start-knappen.
För att från avstånd se huruvida processen är aktiv eller inte så ges även en lampa ovanpå styrningspanelen. Denna lampa lyser grönt då processen är i gång och startar i samband med att operatör trycker på start. Vidare ges även ett rött ljus om proces- sen är stilla. Denna lyser rött oavsett om ett nödstopp/säkerhetsdörr har aktiverats eller om operatör bara trycker på stop för att stanna processen. Den gula lampan an- vänds inte i processen. Denna kan ses nedan i Fig. 28.
Figur 28: HMI-panel för styrning, samt en lampa som visar huruvida processen är i gång eller ej.
3.4 Validering av simuleringen
Valideringen av denna simulering kommer att ske i form av ett acceptenstest. Detta kommer att fungera på så sätt att en antal scenarier ska klaras. Dessa scenarier kom- mer behandla de olika säkerhetsfunktionerna i form av nödstopp och säkerhetsdörrar samt funktionen kring dessa. Processen kommer även att testas i form av sorte- ringsavklarning. Fel typ av produkt kommer även att introduceras till processen för att se hur processen hanterar detta. 10 på rad icke-godkända råämnen kommer att skickas in för att se om funktionerna kring denna problematik fungerar. Dessa tester kommer att delas in i två olika kategorier. Dessa är säkerhet och drift. Dessa scena- rier kommer att presenteras i tabeller varav ett godkänt och icke-godkänt resultat kan tilldelas scenariot.
3.4.1 Drift
Tabell 2: Acceptanstest för driften gällande den digitala modellen.
Scenario Ok Ej ok
Kan processen sortera de processtillhörande artiklarna på ett korrekt sätt.
Grön till "Godkänd” och resterande till "Icke-godkänd"
Klarar processen att visa resultat gällande godkänd och icke-godkänd på ett tydligt sätt för operatör?
Klarar processen att visa resultat gällande godkänd och icke-godkänd vad gällande antal?
Klarar processen att ej räkna med icke processtillhörande artiklar, samt sor- tera dessa under icke-godkänd?
Kan processen startas och stoppas med hjälp HMI-panelen?
Kan processen återställas med hjälp av HMI-panelen?
Klarar processen att stoppa vid 10 antal icke-godkända på rad, samt är det tydligt att detta är anledningen för process stoppet?
Är processens olika delar tillgänglig för underhåll och felsökning?
Syns process status med tydlighet, alltså om den är i gång eller ej?
Är HMI-panelen lättförståelig och välplanerad för att minska misstag och missförstånd?
3.4.1.1 Validering av drift
Trots att funktionerna fungerade enligt önskad specifikation så framkom ett antal in- sikter gällande ”Test Failure” funktionen. Detta är ett driftstopp som genast inte är förståeligt utan förklaring. Testpersonen som inte haft insikt i projektet såg med tyd- lighet att det var ett ”Test Failure” fel, utan att ha vetskap om vad detta är. Detta in- nebär att funktionen kan anses vara godkänd. Men för att förstå detta så måste grundläggande kunskap finnas gällande processen. Därför kan inte denna punkt ges fullt godkänt. För övrigt ansåg testpersonen att processen hade godkänd funktion i enlighet med valideringspunkterna gällande driften.
