Jak budować maszyny modułowe?

W ostatnich latach wśród producentów maszyn przemysłowych dużym powodzeniem cieszy się pojęcie “maszyny modułowej”. Jest ono stosowane jako określenie różnego rodzaju maszyn, urządzeń i linii technologicznych, które tworzone są z wykorzystaniem elementów modułowych – zarówno rozwiązań z zakresu sterowania oraz napędów, jak również systemów elektronicznych i oprogramowania. Ponieważ ten sposób konstruowania maszyn będzie prawdopodobnie stawał się coraz popularniejszy, warto poznać bliżej koncepcję modułowości.

Uproszczenie konstrukcji, standaryzacja podzespołów, szybszy montaż kompletnej maszyny – to tylko niektóre z zalet modularyzacji jej konstrukcji. Dodatkowymi korzyściami, co jest szczególnie istotne dla producentów maszyn, są skrócenie czasu wytwarzania maszyn i zmniejszenie ich kosztów. Modularyzacja to jednak również wyzwania inżynierskie i konieczność nowego spojrzenia na konstrukcję maszyn, ich uruchamianie oraz użytkowanie.

Koncepcja maszyny modułowej

Marzeniem wielu producentów maszyn przemysłowych jest taka standaryzacja elementów składowych maszyn, aby tworzenie gotowych wyrobów mogło odbywać się poprzez ich budowę ze standardowych modułów, które mogą być łączone ze sobą na różne sposoby. Rozwiązanie takie jest dla producenta korzystniejsze, niż konstruowanie jednej dużej maszyny, której konfiguracja musi być zmieniana pod kątem każdego indywidualnego zamówienia. W idealnej sytuacji każdy moduł maszyny ma własny mechanizm sterujący, zaś pełna funkcjonalność urządzenia wynika ze wzajemnej współpracy tych elementów wszystkich modułów. Zastosowanie takiego rozwiązania wymaga również aby standaryzowane elementy, z których składa się maszyna, wyposażone były w kompatybilne ze sobą interfejsy, za pomocą których odbywać będzie się ich komunikacja. Zanim przedstawiona zostanie ta koncepcja, spójrzmy, jako przykład, na dwa warianty klasycznej maszyny foliującej (rys. 1).

W pierwszym z przypadków maszyny foliującej realizowane są procesy termicznego kształtowania folii bazowej, uszczelniania folii pokrywającej za pomocą zgrzewarki rolkowej oraz odcinania produktów końcowych. W wariancie drugim, z uwagi na właściwości folii pokrywającej, zamiast zgrzewarki rolkowej zastosowano zgrzewarkę płytową.

Można zauważyć, że w obydwu przypadku poszczególne etapy procesu mogą być realizowane w kolejnych, osobnych elementach maszyny: module termicznego kształtowania folii, zgrzewarce płytowej lub zgrzewarce rolkowej i module odcinającym. Można zatem wydzielić te elementy jako standardowe moduły (rys. 2), co podczas produkcji maszyny przynosi wymierne korzyści.

Poszczególne elementy składowe maszyny mogą być projektowane, wytwarzane i uruchamiane niezależnie, a zadanie zarządzania produkcją może zostać podzielone na podzadania i zlecone niezależnym, nawet zlokalizowanym w różnych miejscach świata zespołom. Standaryzacja i uruchomienie całego urządzenia powinno być wtedy prostsze, jeżeli standaryzowane będą jego poszczególne moduły. Maszynę foliującą złożoną z modułów przedstawiono na rys. 3.

Zalet konstrukcji modułowej, oprócz tych wymienionych powyżej, jest wiele więcej. Wprowadzenie do modułów interfejsów komunikacyjnych powinno przyczynić się do zredukowania ilości okablowania, co jest nie bez znaczenia dla późniejszego serwisowania urządzeń. Również w przypadku ewentualnych modyfikacji maszyny zmiany w poszczególnych jej modułach mogą zostać wprowadzone w czasie krótszym, niż miałoby to miejsce w przypadku maszyny zbudowanej klasycznie. Budowa maszyny modułowej to jednak również wyzwanie dla jej projektantów, którzy muszą uwzględnić fakt zastosowania sterowania rozproszonego i przewidzieć wszystkie możliwe konfiguracje maszyny. Implementacja omawianej koncepcji wymaga również odpowiedniego zastosowania napędów i innych elementów wykonawczych tak, aby nie determinowały one struktury maszyny, w której zostaną one użyte. Innymi słowy moduły powinny być tak opracowane, aby można je zaadoptować do dowolnej architektury budowanej maszyny.

Sterowanie modułami

Budowa maszyny według omawianej koncepcji narzuca istotne wymagania dotyczące m.in. sterowników. Pojedynczy sterownik zarządzający centralnie maszyną w takim przypadku jest zwykle nieodpowiedni, gdyż każdy moduł musi mieć własne sterowanie, które umożliwia kontrolowanie elementów wykonawczych danego modułu maszyny. Koncepcja modułowa narzuca przy tym odpowiednią wydajność oraz dokładność ich pracy. Poszczególne elementy elektryczne – moduły wejścia/wyjścia, napędy, moduły zasilające nie mogą być również od siebie zależne fizycznie, choć docelowo musi istnieć możliwość ich komunikowania się w obrębie gotowego systemu. Do komunikacji najkorzystniej jest stosować standaryzowane elementy połączeniowe i już na wstępnym etapie projektu określić sposób komunikowania się ze sobą modułów maszyny (np. wybierając protokół komunikacyjny). Ostatecznie wszystkie zadania, takie jak projektowanie, opracowywanie aplikacji sterujących, a także testy i diagnostyka także muszą być wykonane pod kątem sterowania rozproszonego.

Przykładem koncepcji sterownika maszyny modułowej jest system na rysunku 4. Moduł maszyny składa się z poszczególnych elementów sterowania napędami oraz elementów zewnętrznych. Z punktu widzenia opracowywania urządzenia należy traktować je jako pojedynczy moduł. Zawarty w nim sterownik musi sterować elementami wykonawczymi, w tym napędami, odbierać dane z czujników, jak też być wyposażony w interfejsy wejścia/wyjścia.

Integracja wszystkich elementów jako jeden moduł wiąże się z korzyściami podczas tworzenia gotowej maszyny z modułów. Do sterowania modułem korzysta się z jednego sterownika z jednorodnym interfejsem, natomiast do oprogramowania sterownika wystarczy jedno oprogramowanie inżynierskie wykorzystywane do konfigurowania maszyny, parametryzacji i programowania maszyny. Jednakowa metodyka programowania napędu, sterowania ruchem i funkcjonalności logiki sterującej pozwala na skorzystanie ze standaryzowanych języków programowania. Ostatecznie każdy moduł maszyny może być uruchamiany niezależnie. Ich wzajemne połączenia wykonane są za pomocą logicznie i fizycznie identycznych, szybkich interfejsów komunikacyjnych – zazwyczaj realizowanych w postaci sieci typu Fieldbus.

Oprogramowanie sterujące

Z wdrożeniem modułowej koncepcji konstrukcji maszyn wiążą się nie tylko zmiany w ich realizacji mechanicznej i sprzętowej, ale również te proceduralno-algorytmiczne dotyczące oprogramowania sterującego. Posługując się omawianym przykładem maszyny foliującej, optymalne podejście do tworzenia aplikacji sterującej maszyny modułowej może składać się z kilku kroków:

Utworzenie obiektów programowych zapewniających zdefiniowaną funkcjonalność. Przykładowo obiekt programowy o nazwie „naciągnij folię bazową” definiuje zachowanie się napędu mechanizmu pozycjonującego i zawiera informacje o sterowaniu, prędkości i pozycji. Obiekt „formowanie termiczne” zawiera inną funkcjonalność sterującą, a ponadto jest powiązany z obiektem „naciągnij folię bazową”.

Parametryzacja właściwości każdego z obiektów - należy zdefiniować poszczególne parametry, takie jak współczynniki wzmocnienia dla sterowników, parametry dynamiczne dla sterowania ruchem oraz wartości graniczne.

Utworzenie struktury funkcjonalnej oraz zdefiniowanie jej zachowanie. Powstała struktura powinna być podstawą do tworzenia programów dla poszczególnych maszyn, przy czym program powinien stanowić interfejs pomiędzy procesami realizowanymi w maszynie, a skonfigurowanymi obiektami. Musi on również opisywać sposób pracy poszczególnych modułów maszyny za pomocą graficznych lub tekstowych języków programowania. System wykonawczy modułu sterującego powinien ponadto umożliwiać obsługę programowania cyklicznego, sekwencyjnego oraz sterowanego zdarzeniowo.

W sposób opisany powyżej można stworzyć oprogramowanie dla poszczególnych modułów maszyny. Funkcje związane z zarządzaniem pracą całego urządzenia powinny zostać zapisane w postaci bibliotek, które można później łatwo wykorzystywać przy tworzeniu oprogramowania sterownika dla całej maszyny.

Ostatnim, czwartym etapem omawianego procesu jest połączenie poszczególnych obiektów programowych modułów maszyny. W każdym module funkcjonalnym powinien być przy tym zaimplementowany wspólny mechanizm komunikacji, co pozwoli, podczas opracowywania kompletnej maszyny, jedynie na skonfigurowanie zależności funkcjonalnych pomiędzy obiektami. Modułowość pozwala w tym przypadku uniknąć zbytniej złożoności oprogramowania, a przy okazji upraszcza konfigurację, parametryzację i programowanie urządzenia.

Grzegorz Wcisło