Zastosowanie sterowników B&R w automatyzacji linii ważenia kurczaków.

mgr inż. Marek Baczyński
mgr inż. Lech Ptaszyński

Zastosowanie sterowników B&R w automatyzacji linii ważenia kurczaków.

Wśród aplikacji powstających w firmie IP SYSTEMS jest kilka układów ważenia elementów w ruchu – tj. podczas pracy linii produkcyjnej. Takim przykładem jest linia ważenia kurczaków w firmie, zajmującej się ubojem i pakowaniem kurczaków dla dużych odbiorców hurtowych. Jako część mechaniczna wraz z sensorem wagowym został wykorzystany zespół wagi firmy LINCO, natomiast układ przetwarzania sygnałów z wagi wraz z automatyką i systemem analizy pomiarów wykonano od podstaw w IP SYSTEMS w oparciu o sterownik B&R.

Krótka charakterystyka linii ważenia.

Schemat linii ważenia przedstawia Rys.1. Kurczaki po uboju i oczyszczeniu zawieszane są na zawieszkach z rolką toczącą i poruszają się po szynie prowadzącej. Każdy element zestawu 150 zawieszek połączonych łańcuchem jest przemieszczany przez wagę. Linia stanowi zamkniętą pętlę o 150 zawieszkach, cyklicznie przejeżdżających przez wagę. Następnie, w zależności od wagi, zawieszki z kurczakiem, zważony element zostaje przypisany do jednego z 16-tu wyrzutników pneumatycznych. Linia posiada regulowaną prędkość obrotową, którą obsługa dopasowuje do aktualnych mocy przerobowych linii podającej świeżo obrobione sztuki.
Generalnie, system wagi przejazdowej polega na rejestracji sygnału z płytki ważącej, podczas gdy kurczak na zawieszce przejeżdża przez płytkę (a właściwie jest w określonym miejscu płytki ważącej). Sensor tensometryczny pracuje na rozciąganie, a zakres siły rozciągającej to 1 – 5kG. Zawieszki są wykonane w powtarzalny sposób – tj. ich waga jest powtarzalna (580g+/-5g).
Tak więc, zważenie kurczaka polega na pomiarze siły wynikającej z ciężaru zawieszki wraz z kurczakiem (co wymaga wyliczenia średniej z kilkudziesięciu pomiarów dla każdej sztuki) i odjęciu od wagi brutto ciężaru zawieszki. Zadana dokładność pomiaru wynosi +/- 5g.

Rozwiązanie automatyki systemu ważenia.

Do obróbki sygnałów z wagi (tensometr z przetwornikiem) zastosowano szybki sterownik B&R System 2003, z modułem wejść analogowych o rozdzielczości 16 bitów (B&R posiada w swojej ofercie również moduły wagowe do bezpośredniej współpracy z mostkami tensometrycznymi, dostępne w wykonaniu IP20 oraz IP67), oraz 2 moduły 16 wej./16 wyj. cyfrowych.
Ponieważ oprócz zważenia kurczaka od systemu wymagano wykonania dużej ilości szybkich obliczeń w celu klasyfikacji sztuk w zależności od ich wagi i wymogów użytkownika, oraz analiz statystycznych, alternatywą do rozważenia było zastosowanie sterownika PLC lub specjalizowanego procesora wagowego.
Systemowi postawiono wymóg pracy wsadowej (batch processing) – w tym przypadku – tworzenia wielu zestawów 16-tu paczek wagowych – tj. kompletowania sztuk do określonej zadanej wagi paczki – np. 15kg. Kurczak po zważeniu zostaje wyrzucony pneumatycznym wyrzutnikiem do sektora o zadanej wadze paczki. Operator, po zdjęciu gotowej paczki, wciska przycisk gotowości sektora do przyjęcia następnej paczki. W czasie rzeczywistym może być tworzone maksymalnie 16 paczek o różnych zadanych wagach, linia powinna być opróżniana na bieżąco i gotowa na przyjęcie nowych sztuk przychodzących z produkcji.
Typowe podejście ze sterownikiem pracującym z jednym cyklem skanowania nie wchodziło w grę (wymagany czas skanu dla zadań klasyfikacji 16 wag był rzędu mikrosekund), natomiast cały program obsługi linii ważenia był rozbudowany o wiele innych zadań. Praca z przerwaniami programu sterownika też nie wchodziła w grę, ze względu na dużą ilość zadań o wysokim priorytecie.
Idealnym rozwiązaniem okazało się zastosowanie sterownika B&R, który charakteryzuje się pracą wielozadaniową (multitasking), w czasie rzeczywistym (real-time), gdzie programista może zdefiniować wiele zadań o różnych czasach ich cyklu. W rozważanym projekcie wydzielono odrębne zadania o różnym czasie cyklu: obsługi sygnałów z wagi, sterowania 16 wyrzutnikami, obliczeń statystycznych ważonych sztuk, kompletacji 16 paczek o zadanych wagach, obsługi receptur wagowych itd. – w sumie w sterowniku B&R wykonywane jest łącznie 14 zadań (task).
Do tworzenie oprogramowania sterownika służy zintegrowane środowisko B&R Automation Studio, które posiada wiele zalet. Jedną z najważniejszych jest możliwość programowania w języku wysokiego poziomu, jakim jest Automation Basic. Między innymi dzięki tej własności sterownik B&R został wybrany do tego zadania, gdyż ważenie i standaryzacja (przydzielanie kurczaków do odpowiednich wybijaków według ich wag) jest zadaniem skomplikowanym i programowanie go w języku niskiego poziomu (np. drabinka) byłoby bardzo uciążliwe.
Drugą zaletą tego pakietu oprogramowania jest wielozadaniowość (multitasking). Cecha ta umożliwiła odpowiedni rozdział czasu pracy procesora pomiędzy poszczególne zadania. Sterownik wykonywał kilkanaście zadań, z których jedne zostały zakwalifikowane jako szybkie (np. pomiar sygnału z wagi) inne jako wolniejsze (klasyfikacja czy wybijanie kurczaków z linii). Przy takim podejściu zagwarantowane jest optymalne rozłożenie mocy obliczeniowej procesora na poszczególne zadania i jednocześnie zapewnienie stałego i powtarzalnego czasu ich wykonania.
Trzecią ważną zaletą pakietu są bardzo dobre narzędzia diagnostyczne, które umożliwiają dokładne śledzenie czasów wykonań poszczególnych procesów, rejestrację szybkich serii danych i następnie ich prezentację. Narzędzia te umożliwiły np. wypracowanie możliwie najdokładniejszej obróbki sygnału pochodzącego z wagi.
Do komunikacji z operatorem zastosowano system TELWIN, ze względu na jego otwartość na tworzenie własnych procedur oraz sterowników komunikacyjnych.
Komunikację pomiędzy sterownikiem a Systemem TELWIN oparto na protokole Modbus RTU.
Jednym z wymogów użytkownika była możliwość obsługi kilku drukarek etykiet i automatycznie drukowanie etykiet dla każdej gotowej paczki kurczaków.
Na potrzebę tego użytkownika twórcy programu TELWIN napisali sterownik komunikacyjny do zastosowanych drukarek etykiet firmy Zebra.
W linii ważącej zamontowano 3 drukarki etykiet, aby obsługa mogła na bieżąco naklejać drukowane etykiety na skompletowane pojemniki z kurczakami.
Kolejnym wymogiem dla systemu sterowania była możliwość stosowania gotowych programów kompletacji – tzw. receptur.
Program kompletacji polegał na zdefiniowaniu przedziałów wagowych kurczaka, z których mają być składane paczki. Minimalna wymagana liczba programów kompletacji to 16. Programy kompletacji powinny mieć możliwość modyfikacji w czasie ich trwania, co miało wpływ na złożoność obliczeń statystycznych.
System TELWIN umożliwił także zapisywanie danych historycznych do bazy SQL – w celu integracji z zakładowym systemem zarządzania produkcją.
Generalnie – system TELWIN dzięki możliwości tworzenia własnych procedur, umożliwił realizację specyficznych zadań, które zwykle wykonują dedykowane systemy ważenia. Sterownik B&R z kolei okazał się bardzo elastyczny do zastosowań z dużą ilością obliczeń matematycznych, wykonywanych w czasie rzeczywistym. Potężne narzędzia diagnostyczne, jakie oferuje pakiet B&R Automation Studio znakomicie ułatwiło proces uruchamiania systemu. Wdrożenie systemu nastąpiło w czasie 8 godzin, czyli jednej zmiany produkcyjnej.

IP SYSTEMS
Sterowanie – Automatyka - Pomiary
ul. Dziadoszańska 10
61-248 Poznań
tel./fax.: 061 876 84 09
www.ipsystems.com.pl