Integrace Ethernetu

-- 14.04.11 18:34

Decentralizovaná řídicí síť, sladěná s celkovým pracovním tokem, podporuje mimořádně flexibilní konfigurační možnosti montážní linky v závodě společnosti General Motors na výrobu podvozků. V síti závodu GM běží řídicí prvky PLC, stroje CNC, rozhraní HMI, systém RFID a protokol Ethernetu na vysoké úrovni.

Linka na výrobu šestistupňové převodovky GF6 pro pohon přední nápravy v závodě General Motors Powertrain ve městě Toledo (stát Ohio) postupně najíždí na produkci, pomocí níž má dosáhnout svého počátečního cíle – 2 200 automobilových převodovek denně pro vůz Chevy Malibu a nový vůz Chevy Cruze. Co je na této události skutečně nové, jsou metody využívané pro programování linky, implementaci změn konfigurací, fázování toku pracovních dílů, provádění obráběcích a sekundárních operací a montáž dokončených převodovek. Pomocí těchto nových metod realizuje společnost GM zkrácení času potřebného pro změny výrobní linky z týdnů na hodiny a další přínosy. Když technici společnosti GM před několika lety tuto linku vyvíjeli, usilovali o rychlejší změny konfigurace výrobní linky a flexibilnější, ale přesto vysoce automatizovaný systém výroby převodovek.

Ke splnění tohoto cíle jim pomohly dovednosti techniků společnosti Siemens Industry, jejich dodavatele automatizace, a společnosti Elite Engineering z města Rochester Hilus (stát Michigan), dodavatele konfiguračního programového vybavení pro montážní linku. S pomocí střediska Siemens Automotive Center of Competence ve městě Troy (stát Michigan) dosáhla společnost GM toho, že v její síti běží řídicí prvky PLC, stroje CNC, rozhraní HMI, systém RFID a Profinet, protokol Ethernetu na vysoké úrovni. Společnost Elite Engineering dodala svůj systém FACS (Flexible Assembly Configuration System), který překrývá tuto topologii technického řešení a komunikaci. Reinhold Niesing, technik střediska Siemens Automotive Center of Competence, vysvětluje: „Společnost Elite poskytla konfigurační a monitorovací systém a my (Siemens) jsme dodali automatizační run-time systém.

Oba systémy musely běžet synchronně, aby GM poskytly konfigurovatelné  možnosti pro úpravy výroby.“ George Jewell, technik společnosti GM odpovědný za implementaci systému FACS v závodě v Toledu, uvedl, že namísto „sešitové“ správy životního cyklu produktu je systém FACS spíše nástrojem pro správu životního cyklu výrobní linky. Díky jeho přirozené přizpůsobitelnosti je možno běžné technické vybavení použít pro různé úkoly, s různým objemem výroby, se změnou konfigurace za chodu a za mnohem kratší dobu, než bylo možné dříve. Společnost GM v současnosti využívá systém FACS v různých závodech v Mexiku, Číně, Indii, Thajsku, Koreji a USA a brzy jej začne využívat v Kanadě a ve východní Evropě.

Strategie vývoje

„Hlavní myšlenkou při vývoji linky bylo dosáhnout konzistentních až identických logických bloků v každé stanici,“ říká Jewell. To by umožnilo, a je to i jedním z přínosů architektury FACS, provádění okamžitých následných změn obráběcích nebo montážních operací ve všech fázích výrobní linky. Bob Raven, manažer společnosti GM pro řídicí systémy, na to reagoval: „Tato přidaná hodnota směrem k větší flexibilitě našich výrobních postupů významně přispěla ke snahám závodu GM Powertrain standardizovat procesy a řídicí systémy a průběžně se zlepšovat.“ 

Standardizací použitého technického i programového vybavení a komunikačních protokolů bylo možné udržet náklady na technické zajištění na uzdě a údržba se tak stala mnohem efektivnější. Jewell tvrdí, že společnost Siemens se s náročným zadáním vyrovnala „díky přístupu typu plug-and-play a pochopení procesu, který uplatňujeme“. Dále poznamenal, že run-time složka systému by fungovala, i když by celá konfigurace systému nebyla napojena, což dále přispívá k decentralizaci architektury.

Řídicí technické řešení

Vytvořením decentralizované řídicí sítě, která však byla v naprostém souladu s celkovým pracovním tokem v závodě, realizovaly společnosti GM a Siemens optimálně modulární, a přesto flexibilní architekturu pro celý systém. Tato zcela integrovaná koncepce automatizace nejenže pokrývá mnoho různých použitých řad technického řešení, ale zároveň koordinuje veškerý vývoj programového kódu, bezpečnostní a komunikační funkce do vzájemně propojeného, a přesto vysoce flexibilního a adaptivního řídicího schématu. Tato integrace je nejvíce patrná u modulárních a otevřených sestav řídicího prvku a I/O v celém závodě. V těchto sestavách jsou nakonfigurovány a umístěny procesory Siemens Simatic S7, bezpečnostní integrovaná platforma pohonu Siemens a všechny I/O, včetně rádiových antén pro čtení značek RFID. Díky decentralizovanému a bezskříňovému provedení může společnost GM využívat vysoce integrované řízení RFID, které je však snadno přístupné.

Společnost Profinet poskytuje vysoce výkonnou, spolehlivou síť s minimálním dopadem na šířku přenosového pásma nebo na další zatížení sítě tohoto závodu. Společnost Profinet nevyžadovala žádné speciální technické řešení, což šetří náklady. Jeremy Bryant připomněl: „Jen pár komponent hovoří prostřednictvím systému Profibus. Všechny ostatní I/O a automatizační komponenty komunikují po síti Profinet.“ Všechny provozní, vizualizační diagnostické funkce jsou optimalizovány do konzistentního řídicího schématu označeného jako balík Transline HMI Lite CE. Tento balík poskytuje jednotná uživatelská rozhraní pro provozní a diagnostické funkce u většiny obráběcích nástrojů, přenosových linek, robotiky, montážních strojů, snímacích zařízení a systémů počítačového vidění v celém závodě. Lze jej také přizpůsobit pro splnění specifických potřeb a preferencí zákazníků. Balík Transline HMI Lite CE poskytujte systému SIFACS užitečné informace.

Informační hub

Ve spolupráci s odborníky společnosti GM na procesy a s firmou Elite Engineering vytvořili pracovníci společnosti Siemens systém SIFACS, řešení integrující hostitelský IT systém společnosti GM s veškerým řídicím technickým a programovým vybavením pro všechny montážní operace a testovací stanice. Systém SIFACS se do značné míry soustředí na integraci základních programových bloků PLC a funkcí stanic se značkami RFID na každé paletě s pracovními díly. Jde o hub systému správy informací pro výrobní linku, protože koordinuje veškeré poptávkové vstupy ze serveru GM a konfiguračních stanic FACS a poté je přenáší po síti Profinet. Systém SIFACS převádí všechny funkce správy životního cyklu výrobní linky FACS na všechny prvky PLC, HMI, motorové spouštěče, frekvenční měniče, pohony s integrovanou bezpečností a další řídicí prvky u obráběcích, montážních a testovacích stanic.

Obdobně je tomu u dat zpětné vazby ze všech značek RFID, inteligentních senzorů, rozhraní RS-232, ručních skenerů a dalších I/O zařízení, která jsou sledována a zachycována systémem SIFACS pro podrobnou analýzu vedoucími pracovníky výroby. Tímto způsobem je výrobní výstup systému podrobně kontrolován a stanice linky lze překonfigurovat pomocí paměťových mikrokazet umožňujících výměnu komponent, a to bez přenosného počítače. Na kartě je zabudována logika PLC, konfigurace technického vybavení a procesní data. Karta je napojena na jeden port sítě Profibus a tři porty sítě Ethernet pro okamžitou komunikaci. Všechna inteligentní zařízení mají také rozhraní k systému SIFACS, včetně systémů pro utahování, testování úniků a lisování, dále čteček čárových kódů, tiskáren čárových kódů, ovládání kloubů a manipulace robotů, systémů počítačového vidění a protokolových bran.

Pokud jde o tu nejpraktičtější úroveň – prostřednictvím systému SIFACS jsou přes rezidentní IT systém integrovány dokonce i datové struktury přenášené do informačních panelů typu Andon pro zobrazení v závodě. Nový systém je integrován s funkčností eFACS společnosti Elite Engineering, která ustanovuje a monitoruje spojení a stará se o výměnu konfiguračních, procesních a stavových dat a správu dat o konfiguraci modelů. „I v ostatních závodech společnosti GM na celém světě jsou zaváděna další vylepšení systémů FACS a SIFACS,“ upozorňuje Jewell. Integrace automatizace a informací vytváří udržitelné a flexibilní výrobní scénáře. Řídicí prvky a hardware stanic se pro každý nový model vozu nemusejí vytvářet znovu. Linka může být neustále vyladěna na aktuální situaci, a to bez přerušení.

Zaměstnanci mohou porozumět aktuálnímu chování výrobní linky v reálném čase a navrhovat vylepšení, která lze implementovat téměř okamžitě. Společnost GM v tomto závodě v Toledu (o rozloze 186 000 m2) investovala 872 milionů USD do výroby převodovek a tato investice se vyplácí. Linka na výrobu převodovky Hydra-matic 6L80 pro úsporný pohon zadní nápravy sdílí prostor s výrobou převodovek GF6 na novější lince s novými řídicími prvky. Když je nutno vyvážit objem výroby, když je zapotřebí objem zvýšit či snížit nebo když se na linku dostane nový model, změnu lze provést rychle. „Od naší první instalace v závodě Ramos Arizpe (Mexiko) až po tento závod v Toledu vždy zaznamenáváme skvělé výsledky. Činnosti, které trvaly měsíce, byly zkráceny na týdny a to, co trvalo týdny, nyní zabere jen hodiny. Náběh výroby je rychlejší a výhody změn konfigurace a vyrovnávání objemu výroby již dokazují, že tato investice byla přínosná,” připomněl Jewell.

Jim Remski je manažer pro průmysl v oblasti automobilových podvozků společností Siemens Industry a Siemens Industrial Automation.

Autor: Jim Remski, Siemens Industry