Integreren van Vision in EduLab Xorter “Eindrapport”
Afstudeerder: Instuut: Opleiding: Locatie: Begeleiders: Gecommiteerde Periode: Versie:
Peter Minten Fontys technische hogescholen Venlo Internationale opleiding Mechatronica Actemium Veghel Peter van den Berg (Actemium) Frank van Gennip (Fontys) Dhr. Bruekers Van 11-02-2008 t/m 11-07-2008 1.0
Fontys Hogeschool Techniek en Bedrijfsmanagement Postbus 141, 5900 AC Venlo
Eindrapport Fontys Hogeschool Techniek en Bedrijfsmanagement
Student gegevens: Naam student:
P.W.H. Minten
Studentnummer:
2056986
Opleiding:
Int. Mechatronica
Afstudeerperiode:
februari 2008 t/m juli 2008
Bedrijfsgegevens: Naam bedrijf:
Actemium Veghel
Adres:
Costerweg 5 Bedrijfsnummer 3105, Industrieterrein "De Dubbelen"
Postcode + Plaats:
5466 AM, Veghel
Land:
Nederland
Telefoon:
+31 (0) 413 34 99 99
Contactgegevens: Bedrijfsbegeleider:
Dhr. P. van den Berg (
[email protected])
Docentbegeleider:
Dhr. F. van Gennip (
[email protected])
Gecommitteerde:
Dhr. Bruekers
Geheim (ja/nee):
Nee
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
I
Voorwoord Ik ben Peter Minten en dit rapport beschrijft mijn afstudeerstage aan de internationale opleiding Mechatronica aan de Fontys Technische Hogescholen te Venlo. Mechatronica is een vier jaar durende theoretische en praktische opleiding. Voor mijn afstudeerstage heb ik gekozen voor het bedrijf Actemium C&E in Veghel. Actemium Veghel is een bedrijf dat werkzaam is in de industriële automatisering en voornamelijk sofware schrijft voor industriële applicaties en processen. Mijn opdracht was om de EduLab-Xorter uit te breiden met een Visionsysteem dat producten kan gaan herkennen en goed-/ afkeuren. Kortom een zeer interessante en uitdagende afstudeeropdracht die enorm veel kennis oplevert van industriële automatisering en met name op het gebied van Vision, communicatie en programmeren van PLC’s en daardoor dus uitermate interessant is voor mijn toekomstige carrière. Inmiddels is de opdracht afgerond en heb ik op zowel persoonlijk als professioneel vak veel bijgeleerd. Als laatste wil ik nog een woord van dank doen aan: • • • • • • • • • •
Peter van de Berg Manuel Hundscheid Mike Lusthof Jan-Willem Lamers Walther Heijs Dick van Schenk Brill Pieter van Rees Frank Compen Dirk de Groot Johan van de Ven
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
II
Samenvatting Naam: Peter Minten Student nummer: 2056986 Begeleidende docent: Dhr. F. van Gennip Datum presentatie: 27-06-2008 Mijn naam is Peter Minten en ik ben een internationaal student Mechatronica aan de Fontys Hogescholen te Venlo. Voor mijn afstudeerstage ben ik terecht gekomen bij het bedrijf Actemium te Veghel. Het bedrijf Actemium in Veghel is werkzaam in de industriële automatisering. Actemium heeft speciaal voor studenten een ruimte ingericht in hun bedrijf zodat zij kennis kunnen maken met en kunnen werken aan technische installaties die normaal niet toegankelijk zijn. In deze ruimte, het Educatief Laboratorium (EduLab) genoemd, staan twee industrieel geautomatiseerde bedrijfsinstallaties de EduLab-Process installatie en de EduLab-Xorter installatie. De opdracht die ik heb gekregen is het integreren van een gesponsorde Visioncamera (Cognex 5000) in de EduLabXorter waarbij zekeringautomaten en DIN-rail wandcontactdozen 100% herkend moeten worden. Dit houdt in dat het systeem geen afkeur mag hebben. Voor het afwerken van de afstudeeropdracht is een User Requirement Specification opgesteld en een pakket van eisen. De EduLab-Xorter installatie bestaat fysiek gezien uit vijftien hoofdonderdelen; één puller, drie transfers, drie bewerkingsstations en acht transportbanden. Deze onderdelen zorgen ervoor dat een tote (kist) van het begin naar het eindpunt wordt verplaatst en onderweg bewerkt wordt. Hardwarematig gezien bestaat de installatie uit; sensoren, actuatoren, besturingshardware, veldbussen en besturingssoftware. De sensoren en actuatoren zijn via de veldbussen gekoppeld aan de besturingshardware. De besturingshardware is via ethernet gekoppeld aan de besturingssoftware. Het hart van de besturingshardware is de Siemens PLC, die de hele EduLab-Xorter installatie via veldbussen bestuurt. De gehele installatie is voorzien van een tracking en tracing systeem aan de hand van twee barcode scanners zodat de installatie precies weet welke tote waar is. Verder kan de installatie ook nog via een scada- en webapplicatie handmatig bestuurd worden. In-Sight 3.4.2 is een ontwikkelomgeving waarbij de camera eerst geconfigureerd en later geprogrammeerd kan worden. Het configureren is nodig zodat er door de camera met de PLC over ethernet gecommuniceerd kan worden. Het programmeren van de camera gebeurt in een spreadsheet met behulp van algoritmen. Algoritmen zijn een reeks instructies om vanuit een gegeven begintoestand het daarbij behorende doel te bereiken. Aan de hand van deze algoritmen worden de producten getraind en wordt de verwerkte informatie naar de PLC gestuurd. Siemens S7 is de programmeeromgeving van de PLC. Dit pakket dwingt de programmeur een vast ontwerpplan te volgen. Allereerst moet de koppeling tussen de hardware en de Siemens S7 PLC gerealiseerd worden. Dit moet aan de hand van een hardwareconfiguratie en I/O declaratie. Als deze koppeling gemaakt is volgt er een netwerkconfiguratie. In de netwerkconfiguratie worden alle netwerk modules via de bussystemen aan de PLC gekoppeld. Hier wordt dus ook de aanwezigheid van de camera bevestigd. Nu kan er begonnen worden met het programmeren van de installatie. De werking van de EduLab-Xorter met Vision integratie is als volgt; via de scada-applicatie wordt ingevoerd welke producten er in welke tote zitten. De tote wordt in het systeem geplaatst en de camera controleert of de gewenste producten in de tote aanwezig zijn. Aan de hand van dit resultaat kunnen er verschillende bewerkingsafhandelingen plaatsvinden tot de tote weer uit het systeem verwijdert kan worden. De afstudeeropdracht is succesvol beëindigt. In het begin van de opdracht ben ik lang bezig geweest met een onderzoek naar het Visionpakket en de communicatie tussen de camera en de PLC. De communicatie zou bijna niet mogelijk zijn volgens specialisten vanuit Siemens en Cognex maar uiteindelijk is het toch gelukt. De integratie is vervolgens goed verlopen en de afhandeling van de totes verloopt perfect maar door tijdgebrek heb ik me niet echt verder kunnen verdiepen in de verschillende algoritmes en de belichting. De begeleiding van Actemium en Fontys was perfect. Ik raadt iedereen aan een kijkje te nemen bij Actemium te Veghel. Ook ben ik van mening dat ik geen betere afstudeerstage had kunnen vinden. Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
III
Summary Name: Peter Minten Student number: 2056986 Accompanying teacher: Mr. F. van Gennip Date Presentation: 27-06-2008 My name is Peter Minten and I am an International student Mechatronics at the Fontys Colleges in Venlo. For my internship I ended up with the company Actemium in Veghel. Actemium Veghel is a company that creates software programs for the industrial automation and promotes technical studies. For this purpose a special educational laboratory was built in the past. This EduLab accommodates two educational installations, a process installation and a sorting system. The assignment that I have received is to integrate a sponsored Visioncamera (Cognex 5000) into the EduLab-Xorter. The camera has to recognize automated fuses and DIN-rail socket outlets for 100% which means the system may not make any wrong decisions. For finishing the project there is set up a User Requirement Specification and a list of customer demands. Physically the EduLab-Xorter installation consist of fifteen main parts: a puller, three transfers, three handling stations and eight belts. These components ensure that a tote will be transferred from the start to the end position. In hardware, the installation consists of; sensors, actuators, control hardware, field busses and control software. The sensors and actuators are linked to the control hardware by the field busses. The control hardware is linked to the control software by an Ethernet connection. The heart of the control hardware is the Siemens PLC, which controls the whole EduLab-Xorter installation through the field busses. The entire installation has a tracking and tracing system controlled by two barcode scanners so the installation knows exactly which tote where is into the installation. Furthermore, the installation can be controlled manually by a scada- and a web application. In-Sight 3.4.2 is a developing environment where the camera can be configured first and later can be programmed. The configuration of the camera is needed to communicate with the PLC by Ethernet. The camera can be programmed into the spreadsheet by using algorithms. Algorithms are a set of instructions which become their end condition from a start condition. The products are teached on the basis of these algorithms and the received information will be send to the PLC. Siemens S7 is the programming environment of the PLC. This packet forces a programmer to adopt a draft plan. First a link between the hardware and Siemens S7 PLC has to be created. This link must be based on the hardware and an I/O declaration. When this link has been made, the network configuration follows. Into the network configuration al the network modules are linked to the PLC by the bus systems. The camera is also present in the network configuration. Now there can be started with programming the installation. The operation of the EduLab-Xorter with Vision integration is as follows; through the scada application is told which products are in which totes. The tote will be placed into the system and the camera checks if the desired products are present. On the basis of this result there can be different kinds of handling till the tote can be removed out of the system. The project is successfully completed. At the begin of the assignment, I had some problems with the investigation of the Vision kit and the communication between the camera and the PLC. The communication would almost be impossible according to specialists from Siemens and Cognex but finally it is successful. The camera is successfully integrated and the handling of the totes is perfect but because of time constraints, I could not go deeply into the various algorithms and the exposure. The guiding by Actemium and Fontys was perfect. I encourage everyone to take a look at Actemium in Veghel. I think that I could not have a better internship than this one.
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
IV
Inhoudsopgave
VOORWOORD.................................................................................................................................................... II SAMENVATTING..............................................................................................................................................III SUMMARY ......................................................................................................................................................... IV INHOUDSOPGAVE.............................................................................................................................................V LIJST VAN TABELLEN/FIGUREN...............................................................................................................VII LIJST VAN LINKS ......................................................................................................................................... VIII 1
INLEIDING................................................................................................................................................... 1
2
AFSTUDEEROMGEVING ......................................................................................................................... 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6
3
ACTEMIUM ................................................................................................................................................ 2 EDULAB .................................................................................................................................................... 2 EDULAB-PROCESS ..................................................................................................................................... 2 EDULAB-XORTER ...................................................................................................................................... 4 SIMATIC STEP 7 ........................................................................................................................................ 5 COGNEX IN-SIGHT 3.4.2 ............................................................................................................................ 6
OPDRACHTOMSCHRIJVING .................................................................................................................. 8 3.1 AFSTUDEEROPDRACHT .............................................................................................................................. 8 3.2 PAKKET VAN EISEN .................................................................................................................................. 10 3.2.1 Functionele eisen .......................................................................................................................... 11 3.2.2 Technische eisen............................................................................................................................ 11 3.2.3 Usability eisen ............................................................................................................................... 11
4
OPBOUW VAN DE INSTALLATIE ........................................................................................................ 12 4.1 ALGEMENE SYSTEEM BESCHRIJVING ....................................................................................................... 12 4.2 MECHANISCH .......................................................................................................................................... 13 4.3 ELEKTRISCH ............................................................................................................................................ 15 4.4 SOFTWAREMATIG .................................................................................................................................... 16 4.5 NETWERKARCHITECTUUR ....................................................................................................................... 18 4.5.1 AS-Ibus .......................................................................................................................................... 18 4.5.2 Profibus......................................................................................................................................... 19 4.5.3 Profisafe ........................................................................................................................................ 20 4.6 I-FIX SCADA APPLICATIE......................................................................................................................... 21 4.7 WEBAPPLICATIE ...................................................................................................................................... 22
5
VISION ........................................................................................................................................................ 23 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5
CAMERA .................................................................................................................................................. 23 OBJECTIEVEN .......................................................................................................................................... 24 BELICHTING............................................................................................................................................. 26 ALGORITME ............................................................................................................................................. 27 PROTOTYPE ............................................................................................................................................. 29
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
V
6
SYSTEEM INTEGRATIE ......................................................................................................................... 30 6.1 ONTWERP KEUZE ..................................................................................................................................... 30 6.2 MECHANISCHE INTEGRATIE ..................................................................................................................... 30 6.3 ELEKTRISCHE INTEGRATIE ....................................................................................................................... 32 6.4 PROGRAMMA INTEGRATIE ....................................................................................................................... 33 6.4.1 Softwareprogramma camera......................................................................................................... 33 6.4.2 Softwareprogramma PLC ............................................................................................................. 34 6.4.3 Data communicatie ....................................................................................................................... 36 6.4.4 Werking EduLab-Xorter met Vision integratie.............................................................................. 37
CONCLUSIE/SLOTWOORD ........................................................................................................................... 39 Status functionele eisen ............................................................................................................................... 39 Status technische eisen................................................................................................................................. 39 EVALUATIE....................................................................................................................................................... 41 LITERATUURLIJST ......................................................................................................................................... 42
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
VI
Lijst van tabellen/figuren Lijst van Tabellen Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel
2-1 3-1 3-2 3-3 4-1 4-2 4-3 4-4 5-1 5-2 5-3 6-1 6-2 6-3
definitie totes ......................................................................................... 4 Functionele eisen ...................................................................................11 Technische eisen ....................................................................................11 Usability eisen .......................................................................................11 overzicht van elektronische onderdelen van het EduLab-Xorter systeem .......15 verschillende schakelkasten en hun functionaliteit ......................................15 overzicht Control Modules EduLab-Xorter ..................................................17 I/O failsafe PLC in EduLab-Xorter .............................................................21 hardware specificaties Cognex In-Sight 5000.............................................23 test resultaten verschillende objectieven ...................................................25 overzicht gebruikte algoritme ..................................................................28 overzicht ontwerp keuzes ........................................................................30 elektrische sturingen ..............................................................................32 realisatie softwareprogramma PLC............................................................35
Lijst van figuren Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur Figuur
2-1 EduLab-Process installatie ....................................................................... 3 2-2 EduLab-Xorter installatie......................................................................... 4 2-3 Programmering met STL ......................................................................... 5 2-4 Programmering met LAD......................................................................... 5 2-5 Programmering in FBD............................................................................ 5 3-1 Grafische weergave EduLab-Xorter met Vision integratie............................. 8 4-1 grafische weergave van bestaande situatie EduLab-Xorter .........................12 4-2 Puller ..................................................................................................13 4-3 grafische weergave werking transfers A ...................................................14 4-4 Boven- en zijaanzicht van de bufferband (EM08).......................................14 4-5 schematische werking van EduLab-Xorter zonder Vision.............................16 4-6 transportband met PPI...........................................................................18 4-7 pointer tracking ....................................................................................18 4-8 berichtopbouw van de AS-Ibus ...............................................................18 4-9 doorsnede AS-Ibus kabel .......................................................................19 4-10 Profibus kabel en connector ..................................................................19 4-11 kenmerk Profisafe ...............................................................................20 4-12 Simatic failsafe PLC .............................................................................20 4-13 hoofdpagina I-FIX applicatie .................................................................21 4-14 hoofdpagina van de webapplicatie .........................................................22 5-1 Cognex In-Sight 5000 ...........................................................................23 5-2 licht inval op condensator ......................................................................24 5-3 grafische weergave van CCD-chip tot object .............................................24 5-4 objectief Fujinon DF6HA-1B....................................................................25 5-5 verhouding lens CCD-chip ......................................................................25 5-6 diafragma ............................................................................................25 5-7 bepaling lichtinval totes .........................................................................26 5-8 belichting totes .....................................................................................27 5-9 prototype .............................................................................................29 6-1 Mechanische ontwerp (Inventor) .............................................................31 6-2 EduLab-Xorter met geïntegreerde Visioncamera........................................31 6-3 elektrisch schema Vision integratie..........................................................32 6-4 instellingen image .................................................................................33 6-5 inhoud van datastring............................................................................37 6-6 grafische weergave werking EduLab-Xorter met vision...............................38
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
VII
Lijst van Links Omdat gang van zaken op het gebied van de bijlagen anders is, is de lijst van links opgesteld om een overzichtelijk beeld van de links op de wiki-site van het EduLab (http://wiki.edu-lab.nl) te krijgen. Lijst: • •
• • • • • • • • •
pagina Algemene informatie met betrekking tot Actemium en Vinci: http://wiki.edu-lab.nl/Actemium.ashx?NoRedirect=1 Algemene informatie over EduLab-Xorter en Vision: http://wiki.edu-lab.nl/EduLabXorter.ashx http://wiki.edu-lab.nl/In-Sight%20Cognex.ashx http://wiki.edu-lab.nl/Vision%20In-Sight%20Explorer.ashx Datasheet van OP7 (link onder aan de pagina): http://wiki.edu-lab.nl/EduLabXorter.ashx?NoRedirect=1 Informatie over ISA-88: http://wiki.edu-lab.nl/ISA-88.ashx Algemene informatie over elektrische componenten uit EduLab-Xorter (links): http://wiki.edu-lab.nl/EduLabXorter.ashx?NoRedirect=1 Programmatechnische opbouw van de webapplicatie http://wiki.edu-lab.nl/EduLabXorter.ashx?NoRedirect=1 Datasheet Cognex 5000 camera http://wiki.edu-lab.nl/EduLabXorter.ashx?NoRedirect=1 Datasheet van het gebruikte objectie http://wiki.edu-lab.nl/EduLabXorter.ashx?NoRedirect=1 Constructieve tekeningen van Vision standaard http://wiki.edu-lab.nl/EduLabXorter.ashx?NoRedirect=1 Algemene informatie over de opbouw van het OSI-model http://wiki.edu-lab.nl/OSI-Model.ashx?NoRedirect=1 Informatie over GaMP-light http://wiki.edu-lab.nl/GaMP-light%20voor%20EduLab-Xorter.ashx
2 6 6 6 9 12 15 22 23 25 30 37 39
Verder is er nog veel meer informatie te vinden op de wiki-site van het EduLab.
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
VIII
1 Inleiding Het bedrijf Actemium in Veghel is werkzaam in de industriële automatisering. Naast hun werkzaamheden in de industriële automatisering neemt Actemium actief deel aan een aantal projecten die studenten motiveren voor techniek te kiezen. Actemium heeft speciaal voor studenten een ruimte ingericht in hun bedrijf. In deze ruimte, het EduLab genoemd, staan twee industrieel geautomatiseerde bedrijfsinstallaties. Deze installaties zijn speciaal voor studenten gesponsord geworden zodat zij kennis kunnen maken en kunnen werken aan technische installaties die normaal niet toegankelijk zijn. Een van deze installaties is de EduLab-Xorter installatie. De EduLab-Xorter installatie is een volledig geautomatiseerde installatie voor het controleren en sorteren van kisten, totes genoemd. De installatie wordt bestuurd door een Siemens PLC. Actemium wil de EduLab-Xorter installatie uitbreiden met een Visionsysteem om in de nabije toekomst producten in totes te kunnen herkennen en goed-/ afkeuren. Het Visionsysteem wat gebruik gaat worden is een systeem van Cognex (In-Sight 3.4.2) met een InSight 5000 camera. Door het integreren van nieuwe technieken zal het EduLab up-to-date blijven en zal het dus een duidelijk beeld scheppen van wat er allemaal mogelijk is in de automatiseringstechniek. Mijn afstudeeropdracht is het toevoegen van een gesponsord Visionsysteem in de EduLab-Xorter waarbij gestreefd wordt naar 100% herkenning van de producten in het systeem. Hierbij moet dus de communicatie tussen de camera en de Siemens PLC tot stand worden gebracht. Als deze communicatie goed functioneert zal de camera zekeringautomaten en DIN-rail wandcontactdozen, in totes, kunnen herkennen. Na herkenning zal er data naar de PLC gestuurd worden en zullen de bewerkingen verder kunnen worden uitgevoerd. Dit verslag behandelt mijn afstudeerperiode. Alle werkzaamheden, problemen, oplossingen, wijzigingen en verkregen informatie en onderdelen zullen worden beschreven. Dit verslag zal worden gebruikt om aan te tonen wat ik heb gedaan in mijn afstudeerperiode, maar zal ook worden gebruikt door Actemium en eventuele opvolgers als naslagwerk. De bijlagen zullen niet alleen worden gebruikt als opsomming van informatie en het beschrijven van de complicaties tijdens het werken aan te installatie, maar ook voor samenvattingen van documenten, werk- en ontwerpmethoden. Om alles in dit verslag te kunnen begrijpen moet er wel enige voorkennis zijn van PLC-programmeren, Vision en vooral op het gebied van industriële automatisering. Het verslag behandelt de doorlopen projectfasen synchroon aan de doorlopen planning. De behandelde projectfasen zijn; oriëntatie, analyse en realisatie. De oriëntatiefase beslaat twee hoofdstukken waarin Actemium, het EduLab en de afstudeeropdracht worden behandeld. De analysefase geeft een beeld van de installatie en de stand van zaken voor de start van de realisatie. Dit alles zal besproken worden in de hoofdstukken 4 en 5. De realisatiefase wordt in het laatste hoofdstuk besproken. Hierin zal duidelijke uitleg worden gegeven waarom bepaalde keuzes zijn gemaakt tijdens de realisatie. Het laatste deel van het verslag geeft een conclusie/slotwoord van de uitgevoerde verificatiefase waarin wordt vermeld dat de installatie voldoet aan de User Requirement Specification en aan het pakket van eisen dat is opgesteld in de oriëntatiefase. Een evaluatie waarin wordt verteld wat mijn persoonlijke beleving van de afstudeeropdracht, een literatuurlijst waarin alle bronvermeldingen staan van gebruikte literatuur en websites en tenslotte de bijlagen. De bijlagen van dit verslag zijn terug te vinden op de wiki-site van het EduLab http://wiki.edu-lab.nl dit omdat dit een eis is van de Web2Process projectgroep. De des betreffende pagina’s staan in het verslag vermeldt op de plaats van verwijzing en in de verwijzing “Lijst van links” voor in dit verslag. Deze keuze is bewust gemaakt omdat het lezen van dit verslag een stuk eenvoudiger wordt als de bijlagen waarna gerefereerd worden erbij genomen kunnen worden zonder dat er gebladerd hoeft te worden in dit verslag. Verder is dit tevens een aanvulling voor de wiki-site van het EduLab.
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
1
2 Afstudeeromgeving In dit hoofdstuk wordt de afstudeeromgeving behandeld. Het doel van dit hoofdstuk is het schetsen van een beeld van het bedrijf (paragraaf 2.1), de locatie binnen het bedrijf (paragraaf 2.2) en de opstellingen in de paragraven 2.3 en 2.4. Tevens wordt de motivatie van het bedrijf voor het aanbieden van de afstudeeropdracht behandeld. Als laatste zullen de programma’s waarmee gewerkt gaat worden, worden geïntroduceerd in paragraaf 2.5 en 2.6.
2.1
Actemium
Actemium is een bedrijf dat werkzaam is in de Industriële Automatisering. Bij Actemium komen geen massa projecten voor maar worden projecten op maat geleverd aan de klant. Actemium implementeert een compleet afgesloten project bij hun klanten. Een compleet project bestaat uit het ontwerp, engineering, bouw, montage en eventuele koppelingen naar kantoor. Actemium bestaat uit verschillende businessunits die elk een ander deel van de projecten voor hun rekening nemen. Zo schrijft Actemium Veghel voornamelijk software voor industriële applicaties en processen. Verder biedt Actemium mogelijkheden om van servicecontracten gebruik te maken, waardoor na oplevering van het project nazorg en service gegeven kan worden. Gedetailleerde informatie over de historie, opbouw en disciplines van Actemium staan op de site http://wiki.edu-lab.nl/Actemium.ashx?NoRedirect=1. Ook wordt hier het een en ander over Vinci-groep (het moederbedrijf van Actemium) verteld.
2.2
EduLab
Actemium is naast hun werk in de industriële automatisering ook actief bezig in een aantal projecten die de afstand tussen het onderwijs en het bedrijfsleven verkleinen. Door het delen van hun kennis en ervaring binnen het bedrijf met scholen wil Actemium studenten motiveren te kiezen voor een carrière in de techniek. Een onderdeel van deze projecten is het EduLab. Het EduLab is een afdeling binnen het bedrijf waar twee volledig geautomatiseerde installaties zijn gebouwd. Voor het realiseren van deze installaties is een samenwerking tussen leveranciers, klanten en scholen tot stand gebracht. Met behulp van het EduLab kan Actemium cursisten, scholen en studenten de mogelijkheid bieden om te werken volgens de laatste technische ontwikkelingen en opleidingsfaciliteiten. Het doel van het EduLab is voornamelijk de ervaring en kennis vergroten van MBO en HBO studenten, instromers en operators. Ook wordt het EduLab gebruikt voor kennismaking van niettechnici met techniek. Hieronder vallen basisscholen, studenten aan leraaropleidingen en het voortgezet onderwijs. Voor commerciële doeleinden is het EduLab tevens een demonstratie van de ervaring en kennis van Actemium in de industriële automatisering. Het grootste voordeel van het EduLab is dat het mensen toegang geeft tot installaties die normaal gesproken niet toegankelijk zijn. Er zal in het bedrijfsleven namelijk alleen toegang zijn tot dit soort installaties als hiervoor specifieke opleidingen, cursussen of trainingen zijn gevolgd.
2.3
EduLab-Process
Het EduLab bestaat uit twee systemen die als voorbeeld dienen voor veel voorkomende situaties in de industriële automatisering. Een van deze installaties is de EduLab-Process installatie. Deze is te zien in figuur 2-1. De EduLab-Process installatie is een compleet geautomatiseerde procesinstallatie. Een procesinstallatie is een installatie die verschillende componenten via voorgedefinieerde verhoudingen samenvoegt en voor, na of tijdens het samenvoegen kan voorzien van de nodige chemische reacties. De EduLab-Process installatie heeft de mogelijkheid de stoffen in de reactor te mengen en te voorzien van verwarming, koeling, overdruk en onderdruk. Het voordeel van deze voorzieningen in de reactor is dat vrijwel elk proces beïnvloed kan worden.
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
2
Figuur 2-1 EduLab-Process installatie
Zoals eerder vermeld is het grote voordeel van het EduLab dat het mensen toegang geeft tot installaties die normaal gesproken niet toegankelijk zijn. De EduLab-Process installatie is een perfect voorbeeld hiervan. Omdat in procesinstallaties vaak chemische reacties plaats vinden, heeft alleen gekwalificeerd personeel toegang tot deze installaties. In het EduLab is gekozen voor een simulatie van een procesinstallatie met alleen water als componenten. Het voordeel van het gebruik van water is dat er geen hoge veiligheidseisen worden gesteld en dat vrijwel iedereen onder begeleiding toegang heeft tot de procesinstallatie.
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
3
2.4
EduLab-Xorter
De tweede installatie in het EduLab is de EduLab-Xorter installatie De huidige EduLab-Xorter installatie is een transportsysteem dat door middel van lopende banden een beeld vormt van een sorteer- en controleeropstelling die veelvuldig wordt gebruikt in de industriële automatisering. De EduLab-Xorter installatie is volledig operationeel en wordt veel gebruikt voor cursussen en practica. De EduLab-Xorter installatie wordt bestuurd door middel van een Siemens PLC die is voorzien van een Simatic Step 7 programma. Voor een beter beeld van het proces is een grafische weergave gemaakt met het SCADA pakket IFIX (paragraaf 4.6). Via IFIX en de nieuw ontwikkelde webapplicatie (paragraaf 4.7) is de EduLab-Xorter ook handmatig te bedienen zodat het voor studenten/cursisten mogelijk is de installatie handmatig te besturen. De EduLab-Xorter installatie sorteert totes (bakken, definitie zie tabel 2-1) voorzien van een barcode van het begin- naar het eindpunt. Lengte Breedte Hoogte
600 mm 400 mm 200 mm Tabel 2-1 definitie totes
Om een correct verloop van het sorteren te garanderen zijn er sensoren aangebracht die de posities van de bakken detecteren. De installatie is voorzien van twee barcode lezers die de codes op de bakken kunnen lezen zodat de installatie door middel van tracking en tracing (werking verklaard in paragraaf 4.4) precies weet waar elke bak zich in de installatie bevindt. In figuur 2-2 is de EduLabXorter installatie te zien.
Figuur 2-2 EduLab-Xorter installatie
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
4
De werking van de EduLab-Xorter in de nieuwe- en de oude installatie zal verder op in dit verslag besproken worden.
2.5
Simatic Step 7
Simatic Step 7 is een programmeeromgeving voor PLC’s (Programmable Logic Controller) ontworpen door Siemens. PLC’s worden vooral gebruikt in de industriële automatisering voor het aansturen van actuatoren en uitlezen van sensoren. Binnen Step 7 is het mogelijk om met verschillende programmeertalen programma’s te schrijven die kunnen worden gebruikt bij het automatiseren van machines, fabriekshallen of processen. De verschillende programmeertalen zijn: • • •
Statement List Ladder Logic Function Block Diagram
(STL) (LAD) (FBD)
Om een indruk te krijgen van de verschillende programmeertalen zijn achtereenvolgens in figuur 2-3, 2-4, 2-5 de talen STL, LAD en FBD in een simpele uitvoering met twee ingangen en een uitgang te zien. Als de beide ingangen (I1.0 en I2.0) logische 1 zijn zal de uitgang (Q1.0) ook logisch 1 worden (AND-functie). Zoals te zien is zijn de verschillen tussen de verschillende stijlen best groot maar betekenen ze allemaal hetzelfde.
Figuur 2-3 Programmering met STL
Figuur 2-4 Programmering met LAD
Figuur 2-5 Programmering in FBD
Verder is het mogelijk om met Step 7 de hardware configuratie te downloaden en handmatig te configureren. Ook kunnen er verschillende soorten industriële bussystemen aan een systeem gekoppeld worden. Verder is het ook mogelijk om verschillende logische functiebouwstenen te maken en deze weer te gebruiken in een bovenliggende structuur. Hieronder worden de verschillende bouwstenen uitgelegd. OB: FC: FB:
Organisation Block, beschrijft de interface tussen het systeem en het programma. Function, is een blok dat men zelf kan programmeren. Een functie is een logisch blok zonder geheugen, opgeslagen informatie gaat verloren als de functie wordt beëindigd. Function Block, ook dit blok kan door de gebruiker zelf geprogrammeerd worden. Een FB is een blok met een geheugen status. De parameters die worden getransfereerd naar een FB en de statische variabelen worden opgeslagen in een “instance DB” . Tijdelijke variabelen worden opgeslagen in een lokale “data stack”.
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
5
Data Block, is een blok waarin bijvoorbeeld informatie over een machine of fabriek kan worden opgeslagen. In tegenstelling tot OB, FC en FB wordt er in een DB geen programma geschreven maar worden variabelen gedeclareerd en waarden opgeslagen. UDT: User Data Types, kunnen opgeslagen worden als blokken die worden gebruikt als standaard datatype of als “template” voor het genereren van blokken met dezelfde datastructuur.
DB:
Binnen Step 7 zijn er verschillende logische bouwstenen op te roepen die kunnen worden gebruikt bij het programmeren van een programma. Voorbeelden hiervan zijn onder andere AND-poorten, ORpoorten, Flip-Flops, Timers, Counters enz. Deze verschillende logische modules worden dus zoals eerder gezegd gekoppeld aan in- en uitgangen. Deze in- en uitgangen zitten op de PLC en worden gekoppeld aan sensoren en actuatoren. Zo kunnen bijvoorbeeld motoren worden aangestuurd als verschillende sensoren voldoen aan verschillende voorwaarden.
2.6
Cognex In-Sight 3.4.2
In-Sight 3.4.2 van Cognex is software die ontwikkeld is voor het managen van één of meerdere InSight camera’s vanaf een PC. Binnen de EduLab-Xorter gaat één camera stand-alone werken en communiceren met de Siemens PLC via de CP443-1 IT waarmee de PLC is uitgebreid, voor datasheets zie http://wiki.edu-lab.nl/EduLabXorter.ashx. In-Sight 3.4.2 bestaat uit drie verschillende programma’s. Om een idee te geven van wat het pakket allemaal kan staat hieronder een opsomming van de verschillende programma’s (te downloaden op www.cognex.com) in het pakket verder is er ook informatie over In-Sight terug te vinden op http://wiki.edu-lab.nl/In-Sight%20Cognex.ashx. Verder zijn er voorbeelden van Vision toepassingen terug te vinden op http://wiki.edu-lab.nl/Vision%20InSight%20Explorer.ashx. In-Sight Connection Manager Dit programma wordt gebruikt voor het aanmaken van een nieuwe configuratie van een camera en het herconfigureren van een al bestaande camera. Opties binnen dit programma zijn: • • • •
Verbinden van een camera direct aan de PC Het configureren van een camera in een bestaand netwerk Communiceren met een niet responderende camera in het netwerk Modificeren van netwerk instellingen van een camera die waarschijnlijk in het netwerk werkt
Binnen de EduLab-xorter wordt gebruik gemaakt van de functie die het mogelijk maakt een camera te configureren in een bestaand netwerk. Dit omdat er binnen Actemium een netwerk is en omdat er via TCP/IP gecommuniceerd gaat worden met de camera. Verder is het belangrijk om te weten dat, als er een hub wordt gebruikt, er één camera fysiek verbonden mag zijn omdat je anders niet in staat bent om te werken met een “direct connect proces”. Voor de precieze werking en het hoe uit te voeren van de bovengenoemde punten zie de helpfunctie in de In-Sight Connection Manager. In-Sight Function Reference Hierin worden alle functies beschreven die kunnen worden gebruikt in de spreadsheet cellen. Binnen In-Sight Explorer worden applicaties geconfigureerd door middel van het invoegen van formules in de spreadsheet cellen. Deze formules zijn geconstrueerd om functies binnen de “Insert Function” van de In-Sight Explorer te gebruiken. De In-Sight functies zijn onderverdeeld in de volgende categorieën: • • • • • • •
Vision Tools, deze “tools” analyseren data en geven data weer. Geometrie, met deze functie kunnen afstanden bepaald worden. Graphics, aanpassen van spreadsheet en beeldweergave met interactieve bediening en het grafisch weergeven van gegevens. Mathematics, met deze functie kun je wiskundige operatoren, logica, statistieken en driehoeksmetingen gebruiken voor het construeren van formules. Text, string formaat van alfanumerieke gegevens (alle letters en cijfers 0 t/m 9) voor weergave en communicatie. Coordinate Transforms, het omzetten van plaatsfuncties en afstanden in wereldcoördinaten. Input/Output, controleert hoe In-Sight communiceert met externe apparaten.
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
6
• • •
Clocked Data Storage, houdt bepaalde waardes draaiend op bepaalde gebeurtenissen in de tijd Vision Data Access, uittreksel van individuele waarden van data structuren. Structures, maakt graphics en inrichtingen die kunnen worden gebruikt door andere functies.
Voor de precieze werking van de functies en hun deelfuncties zie de helpfunctie van de In-Sight Explorer. In-Sight Communications Reference In dit programma wordt beschreven hoe de In-Sight sensoren communiceren met externe apparaten over ethernet of seriële poort verbindingen. In de helpfunctie van In-Sight Explorer wordt verwezen naar de protocollen die worden ondersteund door het programma. De camera zal dus via het programma moeten gaan communiceren met het SIMATIC Step 7 programma. Om de communicatie tot stand te krijgen zijn er twee opties mogelijk, namelijk via ethernet of via Profibus I/O. Dit houdt in dat de camera gaat controleren of de gewenste producten ook daadwerkelijk in de totes aanwezig zijn. Als dit het geval is zal er een “data-string” naar de PLC worden gestuurd. Hoe dit gebeurt en de inhoudt van deze data-string zal verder besproken worden in paragraaf 6.4.3.
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
7
3 Opdrachtomschrijving Ook dit hoofdstuk behoort tot de oriënterende fase. In dit hoofdstuk wordt de precieze afstudeeropdracht, de User Requirement Specification (paragraaf 3.1) en het daaraan gestelde pakket van eisen omschreven. Om een de indruk te krijgen van de zwaarte van de gestelde eisen zijn de eisen opgedeeld volgens het MoSCoW principe. Dit principe wordt in paragraaf 3.2 nader toegelicht.
3.1
Afstudeeropdracht
De opdracht zal inhouden: het herkennen/beoordelen van producten in kisten (totes), die zich in het logistieke systeem van EduLab-Xorter bevinden. Met behulp van een intelligente camera (Cognex 5000 type) moeten producten herkend en goed- of afgekeurd worden. Een intelligente camera heeft de intelligentie zitten in het verwerken van beelden met algoritmes en in plaats van programmeren zal deze camera geconfigureerd moeten worden vandaar “intelligente camera”. De camera moet geïntegreerd worden in het huidige besturingssysteem van de installatie, een Siemens S7-PLC (via Ethernet). In de opstelling kunnen zekeringautomaten en DIN-rail wandcontactdozen gesorteerd worden op aanwezigheid in de totes. De toepassing moet voldoende flexibel zijn om de verschillende facetten en cases van Vision te kunnen demonstreren, tevens dient er een mechanisch opstelling ontworpen te worden voor de licht en cameraopstelling. De uiteindelijk opdracht is dus een onderzoek (type-camera, belichting, objectief, PLC-programmeren) en het realiseren van een prototype dat is geïntegreerd in de EduLab-Xorter en dat zekeringautomaten en DIN-rail wandcontactdozen kan herkennen, goedkeuren, afkeuren. De uiteindelijke Vision installatie zal ter hoogte van bewerkingsstation 1 worden geïmplementeerd zoals te zien in figuur 3-1. Doelstelling: Het uitbreiden van de EduLab-Xorter met een Visionsysteem waarbij gestreefd wordt naar 100% herkenning van zekeringautomaten en DIN-rail wandcontactdozen met de gesponsorde Cognex 5000camera.
Figuur 3-1 Grafische weergave EduLab-Xorter met Vision integratie
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
8
Wat behoort tot het eindresultaat Het gewenste eindproduct is een goed werkend controlesysteem op de bestaande EduLabXorter. Gestreefd wordt naar 100% herkenning van producten die zijn gekozen aan de hand van de kwaliteit van de verkregen camera. Dit is niet de normale gang van zaken, normaal wordt een camera gekozen aan de hand van de producten. De doelstelling is dus dat er geen foute beslissingen worden genomen met het herkennen van de producten, vandaar 100% herkenning. Dit houd in dat het systeem, zekeringautomaten en DIN-rail wandcontactdozen moet gaan herkennen en goed- en afkeuren. Hierbij moet er een goed werkende communicatie met de Siemens S7 PLC zijn en evt. foutmeldingen zullen moeten worden weergegeven op het scherm van een van de al bestaande “bewerkingsstations” (Siemens OP7 voor informatie zie ook http://wiki.edulab.nl/EduLabXorter.ashx?NoRedirect=1). Tevens moet er case materiaal ontwikkeld worden voor studenten die in de toekomst aan de EduLab-Xorter gaan werken. Dit zal worden gedocumenteerd in de volgende documenten: • Plan van aanpak • Voortgangsrapporten: o Onderzoeksfase o Realisatiefase • Testrapporten • Eindverslag User Requirement Specification Als afbakening van het eindproduct zijn alle voorwaarden, waaraan het eindproduct moet voldoen, met de klant (Dhr. Peter van den Berg) vastgelegd. Deze voorwaarden worden hieronder beschreven: -
Peter Minten
Het systeem moet volledig geïntegreerd worden in het bestaande systeem denkende hierbij aan het PLC-programma en de weergave van de handelingen via de OP7’s. De herkenning word gemaakt aan de hand van een foto die wordt genomen via een externe trigger. De voorwerpen die het systeem moet gaan herkennen zijn zekeringautomaten en DIN-rail wandcontactdozen. Deze producten moet het systeem gaan herkennen op contouren. De producten hebben een vaste oriëntatie, dit houdt in dat ze altijd op dezelfde manier worden aangeleverd (herkenning van een zijde). De herkenning van de producten is onafhankelijk van de positie in de tote. Voorwerpen komen voorbij met een vaste snelheid van 13,4m per minuut snelheid transportband EM10. De maximum snelheid waarmee de totes achter elkaar kunnen komen is afhankelijk van de snelheid van de operators. Als de tote voorbij bewerkingsstation 2 is kan de volgende tote in het bewerkingssysteem komen. 2 De te detecteren oppervlakte is 2400cm (tote afmeting 400x600). De hoogte van de camera moet instelbaar zijn in verband met case materiaal. Maximale instelbare hoogte is 1,1m boven de transportband. 100% herkenning. Dit houdt in dat voor elke tote de juiste beslissing moet worden genomen. Bij juiste herkenning moet de tote naar bewerkingsstation 3. Als product A aanwezig moet zijn en het niet is moet de tote bij bewerkingsstation 1 stoppen en via de OP7 mededelen dat product A in de tote gedaan moet worden. Als product A niet aanwezig hoort te zijn en het wel is moet de tote bij bewerkingsstation 1 stoppen en via de OP7 mededelen dat product A uit de tote gehaald moet worden. Als product B aanwezig moet zijn en het niet is moet de tote bij bewerkingsstation 2 stoppen en via de OP7 mededelen dat product B in de tote gedaan moet worden. Als product B niet aanwezig hoort te zijn en het wel is moet de tote bij bewerkingsstation 2 stoppen en via de OP7 mededelen dat product B uit de tote gehaald moet worden. Als product A & B niet aanwezig zijn terwijl ze wel in de tote zouden horen te zitten zal de tote moeten stoppen bij achtereenvolgens bewerkingsstation 1&2. Ook in dit geval zal via de OP7 weergegeven moeten worden dat het product in de tote gelegd moet worden. Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
9
-
-
3.2
Als producten A & B wel aanwezig zijn terwijl ze niet in de tote zouden moeten zitten zal de tote moeten stoppen bij achtereenvolgens bewerkingsstation 1&2. Ook in dit geval zal via de OP7 weergegeven moet worden dat het product uit de tote gehaald moet worden. Als de camera geen response geeft moet er een error-melding via de OP7 van bewerkingsstation 1 worden weergegeven en zal de tote na bevestiging van de error terug het systeem in moeten. Het maximaal aantal totes dat per uur zouden kunnen komen, gerelateerd aan de cyclustijd (verwerkingssnelheid van puller), is 555 totes. De omstandigheden waarin de camera zal gaan functioneren zijn kantooromstandigheden. Denkend hierbij aan de temperatuur, de luchtvochtigheid en de licht inval.
Pakket van eisen
Aan de hand van de URS is er een pakket van eisen opgesteld. Een pakket van eisen is een lijst met eisen waaraan een applicatie moet voldoen. Elk item heeft een prioriteit waarmee wordt aangegeven hoe belangrijk het is dat deze functie in de applicatie zit. De prioriteiten van deze eisen en mogelijkheden worden bepaald en vastgelegd aan de hand van het MoSCoW principe. Hieronder zijn de verschillende prioriteiten te zien waar de eisen in onderverdeeld zijn. M - Must Have Dit is een kritisch onderdeel van de applicatie en moet in het eindresultaat aanwezig zijn. Zonder dit onderdeel kan de applicatie niet opgeleverd worden. S - Should Have Dit onderdeel is zeer gewenst en zou in de applicatie aanwezig kunnen zijn voor een optimale functionaliteit. C - Could Have Dit onderdeel heeft geen hoge prioriteit en kan uit de applicatie worden gelaten. Het is niet nodig voor een optimale functionaliteit van de applicatie, maar mag aan bod komen als er tijd over is. W - Would Have Deze eis zal nu niet aan bod komen, maar kan wellicht in de toekomst interessant zijn. Tevens worden deze eisen in drie groepen ingedeeld: Functionele eisen Functionele eisen hebben alleen betrekking op de functies van de applicatie, dat wil zeggen wat de applicatie moet kunnen. Er wordt hierbij niet ingegaan op hoe een bepaalde functie gaat werken. (Tabel 3.1) Technische eisen Technische eisen hebben betrekking tot de techniek achter de applicatie. (Tabel 3.2) Usability eisen Usability eisen hebben betrekking op het gebruik van de applicatie. Hier wordt beschreven hoe bepaalde functionaliteit moet werken, hoe deze bereikbaar moeten zijn en waar bepaalde knoppen moeten zitten. (Tabel 3.3) Wat uiteindelijk gerealiseerd is van deze eisen wordt later (conclusie) in dit verslag besproken.
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
10
3.2.1 Functionele eisen Nr. 1 2 3 4 5 6
Omschrijving 100% herkenning van zekeringautomaten en DIN-rail wandcontactdozen Elektrische schakeling via Ethernet Elektrische schakeling via I/O Integratie in Step 7 95% herkenning van onderdelen tbv leermiddelen Camera moet in hoogte te verstellen zijn
Prioriteit M M C M W M
Tabel 3-1 Functionele eisen
3.2.2 Nr. 1 2 3 4 5 6
Technische eisen Omschrijving Test modus camera Elektrische werking via Ethernet Elektrische werking via I/O Op stelling moet mechanische af zijn Triggering van de camera via I/O Triggering van de camera via Ethernet
Prioriteit S M M M M W
Tabel 3-2 Technische eisen
3.2.3 Usability eisen Nr. 1 2 3 4 5
Omschrijving Doorloopmodus tbv. Demo’s WIKI up-to-date houden Feedback via OP7 IFIX/Web applicatie uitbreiden Wincc pakket of Webfactory
Prioriteit C S S C W Tabel 3-3 Usability eisen
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
11
4 Opbouw van de installatie Hoofdstuk vier beschrijft hoe de bestaande installatie, voor de Vision integratie, zowel mechanisch en elektrotechnisch als softwarematig in elkaar zat. In paragraaf 4.2 wordt de mechanische werking uitgelegd om vervolgens in paragraaf 4.3 de elektrische werking van het systeem te verduidelijken. Paragraaf 4.4 gaat over hoe het systeem softwarematig is opgebouwd en in paragraaf 4.5 wordt de netwerkarchitectuur in de EduLab-Xorter beschreven. Als laatste zien is in paragraaf 4-6 als in paragraaf 4.7 de opbouw van de I-FIX scada- en de webapplicatie te zien.
4.1
Algemene systeem beschrijving
In deze paragraaf wordt een algemene beschrijving gegeven van de bestaande situatie van de EduLab-Xorter (figuur 4.1) Het doel van het systeem is lege totes rond te laten gaan die onderweg gevuld worden bij de werkstations. Een order kan bestaan uit meerdere totes. De totes worden opgezet bij het begin van EM01 (I-point). Daar zal de tote gescand worden door middel van een barcode scanner. Iedere tote heeft een uniek identificatielabel (barcode). Aan dit label is te zien wat er met de tote moet gebeuren. Dus welke bewerkingen hij nodig heeft en bij welke stations. Vanuit EM01 worden de totes door middel van een puller op transportband EM03 gepushed. Transportband EM03 kan gebruikt worden als bufferband maar moet ook kunnen doorlopen. Dan zullen de totes op transportband EM04 komen waar drie transfers op zitten. Transfer EM05 en EM07 zullen als bufferpositie gebruikt worden en EM06 niet. Bij EM05 komt een tweede scanner die de tote nogmaals inscand. Dit om het volgen van de totes te vereenvoudigen. Na EM05 moet gekozen worden of de tote naar de werkstations of naar bufferband EM08 gaat. Als de tote niet naar EM08 gaat zal hij alle stations afgaan en bij station 12 afgenomen worden mits de tote goed is. Is dit niet het geval zal de tote nogmaals rond gaan. Gaat de tote naar EM08, dan zal hij via EM09 weer ingevoerd worden op EM01 en begint het verhaal opnieuw.
Figuur 4-1 grafische weergave van bestaande situatie EduLab-Xorter
De gehele installatie kan worden ingedeeld via, de internationale standaard, ISA88 (zie ook http://wiki.edu-lab.nl/ISA-88.ashx) in equipmentmodules (EM) en controlmodules (CM).
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
12
4.2
Mechanisch
Mechanische gezien bestaat het systeem uit verschillende onderdelen. Het systeem bestaat mechanisch gezien uit: • • •
1 Puller 3 transfers 8 transportbanden
Om een indruk te krijgen van de verschillende mechanische onderdelen zal de werking van deze onderdelen hieronder beschreven worden. Puller In de EduLab Xorter zit een zogenaamde Puller opgenomen. Deze Puller, te zien in figuur 4-2, schuift de totes van EM01 op EM03 door middel van een pneumatische schuif. De Puller wordt aangestuurd vanaf de ProfiSafe-PLC (zie subparagraaf 4.5.3). De Puller heeft twee inputs en twee outputs. De outputs geven aan of de Puller “Open” of “Dicht” staat en met de inputs is de Puller aan te sturen. Als output 1 hoog wordt gemaakt gaat de Puller naar voren, en als output 2 hoog wordt gemaakt gaat de puller naar achter. Er moet altijd één van de 2 outputs aangestuurd worden, anders gaat de Puller “slaan”. Hiermee wordt bedoeld dat de Puller dan met grote snelheid naar voren of terug gaat. Dit komt dan omdat er geen tegendruk meer is.
Figuur 4-2 Puller
Verder bevat het systeem ook een sorterband (EM04). Deze sorterband bestaat uit vijf aangedreven riemen en sorteert de totes dit sorteren gebeurt met behulp van transfers.
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
13
Transfers In het systeem van de EduLab-Xorter zijn drie transfers opgenomen A, B en C. Transfers zijn rollen die door middel van luchtcilinders omhoog komen tussen de riemen van EM04 en de totes als het ware op transportband EM04 trekken of in geval van transfer B en C op transportband EM8 of EM10 neerzetten. In figuur 4-3 is de werking van de transfers A te zien.
Figuur 4-3 grafische weergave werking transfers A
Als gekeken wordt naar figuur 4-3 wordt de tote vanuit EM03 aangevoerd, op het moment dat deze tote gedetecteerd wordt door de sensor die gemonteerd is aan het einde van EM03 zal de transfer omhoog gaan (1). Direct na het omhoog gaan zal de motor aan gaan (2) om de bak op EM04 te trekken. Op het moment dat de tote tegen de railing is aangetrokken zal de motor uitgaan en de rollen weer omlaag gaan (3). Vanaf nu is het mogelijk de tote te gaan verplaatsen met transportband EM04. Transportbanden Bij de transportbanden is er een transportband die een complexere werking heeft dan een normale transportband die een tote ononderbroken van punt A naar punt B transfereert. Deze transportband is de bufferband en is te zien in figuur 4-4. Mechanisch gezien zit er op een normale transport band een rol waaraan de aandrijving gekoppeld zit en een rol waarmee de transportband op spanning wordt gebracht en recht wordt afgesteld. Bij de bufferband is er meer aan de hand.
Figuur 4-4 Boven- en zijaanzicht van de bufferband (EM08)
Deze bufferband buffert de totes indien er geen bewerkingen aan de totes worden meegegeven of als de bewerkingsstations bezet zijn. De bufferband bevat een pneumatisch systeem waarmee de totes afzonderlijk gebufferd kunnen worden. Wanneer er een gebufferde tote bij een sensor staat, dan zal de volgende tote bij de voorgaande sensor gebufferd worden. Als de voorste tote verder loopt dan zal de rest van de totes een plek opschuiven. Bijvoorbeeld als er een tote gebufferd staat bij sensor 1 dan zal de volgende tote bij sensor 2 gebufferd worden. Wanneer de tote bij sensor 1 doorloopt zal automatisch de tote bij sensor 2 opschuiven naar sensor 1. Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
14
4.3
Elektrisch
In deze paragraaf wordt de elektrische werking van de EduLab-Xorter beschreven. Omdat het systeem is uitgerust met moderne technieken zijn er niet zo veel elektrotechnische componenten. Onder moderne technieken vallen intelligente componenten die de EduLab-Xorter besturen via een bussysteem waardoor de componenten en bedrading van de schakelkast sterk vereenvoudigd is. Om een overzicht te krijgen van deze “intelligente componenten” welke in de schakelkast van het systeem gebruikt worden en wat deze doen is tabel 4.1 opgesteld. De datasheets en paginalinks van deze producten zijn te vinden onder de volgende link: http://wiki.edu-lab.nl/EduLabXorter.ashx?NoRedirect=1 Onderdeel Siemens S400 PLC Supply PS407 10A CPU 414-2 CP 443-1 IT ET 200B 16DI/16DO Siemens Profisafe PLC Supply op CPU F-CPU IM 151-7 Supply for I/O PM-E DC 24..48V AC24..230V Frequentieregelaars (2 stuks): SEW Movidrive Type: MCF41A0015-5A3-4-00
Data Logic MX 4000
Functionaliteit Het aansturen van actuatoren en het uitlezen van sensoren. Aan de hand hiervan wordt het geprogrammeerde programma doorlopen. De werking van dit programma wordt beschreven in subparagraaf 6.4.4. Verder staat de PLC via Profibus in verbinding met drie ET 200B modules waardoor met behulp van in-(16) en uitgangen(16) sensoren worden uitgelezen en actuatoren worden aangestuurd. Profisafe PLC zit in het huidige systeem verwerkt als beveiliging op de puller. Als het hek open gaat of de noodstop wordt bekrachtigd zullen er eerst een aantal handelingen gedaan moeten worden voordat het systeem weer in gebruik kan worden genomen. In paragraaf 4.5.3 wordt Profisafe en de werking ervan in het huidige systeem. De frequentieregelaars regelen de snelheid van de motor waaraan ze gekoppeld zijn. In dit geval zijn dit de motoren van de lange band met I-point (EM01) en transfer B (EM06). Het voordeel van een frequentieregelaar is dat spanning en dus de snelheid geregeld kan worden met behoudt van het koppel van de motor. De Data Logic is een multiplexer die het verkregen signaal van de Barcode scanner via Profibus (paragraaf 4.5.2) naar de PLC stuurt.
Tabel 4-1 overzicht van elektronische onderdelen uit de hoofdschakelkast
De werking en dus aansturing van deze onderdelen wordt bepaald door het in de PLC geprogrammeerde programma. De softwarematige werking van het systeem wordt in paragraaf 4.4 beschreven. Als het systeem elektrotechnisch bekeken wordt (zie hierboven genoemde link voor schema) dan is te zien dat het systeem bestaat uit verschillende schakelkasten met allen hun eigen functionaliteit. Om een beeld te vormen van de schakelkasten en hun functionaliteit binnen het systeem is tabel 4-2 opgesteld. Kast Central Control Cabinet (CCC) Local Motor Cabinet 01 (LMC01) Local Motor Cabinet 02 (LMC02) Local Input/Output Cabinet 01 (LIOC01) Local Input/Output Cabinet 02 (LIOC02) Local Input/Output Cabinet 01 (LIOC03) Human Machine Interface 01 Human Machine Interface 02 Human Machine Interface 03
Functionaliteit - Voedingsverdeling - Profibus netwerk regelen - Scanner netwerk Bekrachtigen van motoren uit de EduLab-Xorter installatie Bekrachtigen van motoren met ASi-bus Aansturen van de motoren, lampen, cilinders enz. via ET 200B Uitlezen/aansturen meet- en regelsignalen via ET 200B Uitlezen/aansturen Profisafe modules Besturingspaneel 1(OP7) aansturing Besturingspaneel 2(OP7) aansturing Besturingspaneel 3(OP7) aansturing
Tabel 4-2 verschillende schakelkasten en hun functionaliteit
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
15
Verder zitten er in het systeem nog twee verschillende noodstopcircuits. Het ene circuit schakelt bij een hardware matige noodstop alle voedingen uit en het ander circuit functioneert via het Profisafe bussysteem. De betekenis/werking van dit bussysteem wordt in subparagraaf 4.5.3 uitgelegd.
4.4
Softwarematig
In deze paragraaf wordt de softwarematige werking van het systeem van de EduLab-Xorter zonder Vision beschreven. Verder worden in deze paragraaf belangrijke datablokken uit het PLC programma beschreven. Om een duidelijk beeld van de werking van het systeem te scheppen is figuur 4-5 opgesteld. Hier staat schematisch de werking van het systeem uitgelegd.
Figuur 4-5 schematische werking van EduLab-Xorter zonder Vision
In dit systeem zitten een aantal logische bouwstenen die de werking van het programma vereenvoudigen omdat ze vaker op te roepen zijn. Deze logische bouwstenen heten “Control Modules”. Een overzicht van de meest belangrijke Control Modules, die binnen de EduLab-Xorter zijn, is terug te vinden in tabel 4-3 met hun werking.
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
16
Control Module FC 33 – FC_Ophalen status
FC 34 – FC_Wegschrijven status
FC 23 – FC_CM photocell
FC 22 – FC_CM motor FC 26 – FC_CM ventiel FC 27 – FC_CM puller
Functionaliteit Het ophalen van het statuswoord, alarmwoord, meldingswoord en de tellers van één van de hieronder genoemde onderdelen. Deze woorden worden in merkerwoorden getransfereerd en daarmee zal in het programma gewerkt worden. Process cell, unit, Equipment Module, Motor, photocell, PPI, scanner, ventiel en puller. Het wegschrijven van het statuswoord, alarmwoord, meldingswoord en de tellers van de hierboven genoemde onderdelen. Deze woorden worden weggeschreven op de goede plaats in de goede DB's. Hier wordt de status opgehaald van de gewenste photocell van de des betreffende equipement module. Deze wordt in een tijdelijke variabele gestopt om die weer te gebruiken tijdens het programma. Hierdoor wordt de gewenste motor aangestuurd. Hierdoor wordt het gewenste ventiel aangestuurd Hierdoor wordt de puller aangestuurd
Tabel 4-3 overzicht Control Modules EduLab-Xorter
FC 26 & FC 34 behoort tot het gedeelte tracking en tracing. Met deze FC’s worden gegevens weggeschreven die op andere plaatsen in het programma weer gebruikt kunnen worden. Er zijn verschillende mogelijke methoden om datatracking te programmeren. . Verschillende manieren van datatracking: DB shift Tracking Pointer Tracking Register Tracking Sorted list Tracking Elke methode heeft wel bepaalde voordelen. Maar voordat voor een bepaalde methode wordt gekozen moet wel eerst bekend zijn wat de eisen zijn aan die methode. Bovendien zijn de voor- en nadelen ook afhankelijk van de mechanische specificaties zoals snelheid van de transportband, Position Puls Indicator (PPI) resolutie en de lengte van de transportband. De PPI is een hulpmiddel voor datatracking. De werking is als volgt: een wieltje draait met de transportband mee, elke x-aantal centimeter dat dit wieltje draait geeft het een puls af. De resolutie is dan per hoeveel centimeter een puls wordt afgegeven. In de EduLab-Xorter zit een PPI met een resolutie van 2 cm, elke 2 centimeter dat een transportband draait wordt dan een puls afgegeven en dit gebeurt bij de transportbanden EM01 (merging) en EM04 (sorting). Oftewel het samenvoegen van producten van verschillende banden naar 1 band toe (EM01) of het uitsorteren van 1 band naar verschillende banden toe (EM04). Het aantal PPI pulsen in een lengte transportband is voor een aantal tracking methodes bepalend voor de lengte van de benodigde databouwstenen (DB’s) en de scantijd om de gegevens bij te houden. Hoe hoger de PPI resolutie en hoe sneller de band loopt hoe kleiner de maximale scantijd van de PLC mag zijn. De verschillen tussen deze methoden zitten in de volgende punten: De scantijd Lezen en schrijven van data in datablok Zoeken van data in datablok Scantijd is de tijd die de PLC nodig heeft om het gehele PLC programma uit te voeren. Elke PPI puls betekent dat de situatie verandert. Dit moet worden bijgewerkt in de databouwstenen. Hoe meer PPI pulsen en hoe meer totes er verplaatst worden, des te meer gegevens er zullen veranderen. Daarom mag de scantijd niet te groot worden, anders zullen de gegevens niet snel genoeg kunnen worden bijgewerkt. Bij datatracking worden er een aantal functies uitgevoerd: Bijhouden van producten bij elke PPI Zoeken naar een product binnen een gegeven gebied in datablok Lezen van gegevens uit datablok Schrijven van gegevens in datablok Aan de hand van een voorbeeld zal het pointer tracking principe dat binnen het systeem aanwezig is behandeld worden. Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
17
In figuur 4-6 staat een voorbeeld van een transportband die is uitgerust met PPI. De band bevat 2 totes en een fotocel. De kop van elke tote tot aan het nulpunt is de PPI positie.
Figuur 4-6 transportband met PPI
Pointer Tracking is vergelijkbaar met een schuifregister het verschil is dat de data blijft staan en dat de pointers aangeven waar wat staat. Er wordt gebruik gemaakt van een startpointer en deze schuift dan elke PPI puls op, een voorbeeld hiervan is te zien in figuur 4-7.
Figuur 4-7 pointer tracking
Het principe is als volgt voor te stellen. De datatrack DB is gelijk aan de transportband. De data blijft stilstaan, net zoals op de transportband de totes ten opzichte van elkaar stilstaan. Neem aan het begin van de band een fotocel als startpointer. Ten opzichte van de fotocel draait de transportband rond en verplaatsen alle Product Identification Code (PIC) nummers dus ook. In een PIC staan alle gegevens van een tote. De afstand van de startpointer tot aan een PIC nummer wordt elke PPI puls een PPI register groter. Net zoals vanuit de fotocel bekeken de afstand van een tote tot aan de fotocel steeds groter wordt. Het voordeel van pointer tracking is zeer groot. Alleen de startpointer verandert elke PPI-puls, dus de werking is erg snel. Dit houdt in dat er weinig CPU tijd nodig is om een bewerking te doen.
4.5
Netwerkarchitectuur
In deze paragraaf zullen de verschillende bussystemen die in de EduLab-Xorter zijn ingebouwd in het kort beschreven worden. Binnen de netwerkarchitectuur van de EduLab-Xorter zijn verschillende busstructuren terug te vinden. Om duidelijkheid over de werking van deze verschillende busstructuren te scheppen zijn deze in de volgende subparagrafen uitlegt. In de subparagrafen 4.5.1 tot en met 4.5.3 worden achtereenvolgens de principes van AS-Ibus, Profibus en Profisafe behandeld.
4.5.1 AS-Ibus AS-Ibus is de afkorting voor Actuatoren/Sensoren-Interfasebus. Op een AS-Ibus kunnen maximaal 31 sensoren en/of actuatoren worden aangesloten bij een lengte van 100 meter zonder repeater. Deze kunnen maximaal 4 bits data (4 bits input en 4 bits output) bevatten. Middels een speciaal protocol kunnen ook analoge in- en uitgangen aangesloten worden. AS-Ibus werkt volgens het master-slave principe en de kosten van het systeem zijn vrij laag. In figuur 4-8 is de bericht opbouw en –uitwisseling van AS-I te zien.
Figuur 4-8 berichtopbouw van de AS-Ibus
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
18
De afkortingen in figuur 4-8 hebben de volgende betekenissen: • ST Startbit en is ‘0’ • SB Stuurbit • Addr Slave-adres • Data de te versturen data • PB Pariteitsbit (even) • EB Eindbit en is ‘1’ De belangrijkste doelstellingen van AS-I zijn het verminderen van de bekabeling, het verbeteren van de mogelijkheden tot systeemintegratie en het verhogen van de flexibiliteit. Hierdoor nemen de kosten voor installatie en onderhoud af. De 'master' bevat de systeemprogrammatuur en vraagt binnen een cyclustijd van 5 ms achtereenvolgens alle 'slaves' af. Het systeem is eenvoudig: de master-software is universeel (geen programmeerwerk aan de 'master' of 'slave'). De opbouw van het net met 'slaves' is eenvoudig en sluit bedradingfouten vrijwel uit. Met een speciaal ontwikkelde gele kabel zijn de 'slaves' middels vampierklemmen rechtstreeks op de kabel te prikken zoals te zien in figuur 4-9.
Figuur 4-9 doorsnede AS-Ibus kabel
Het is mogelijk de 'slaves' later weer te verwijderen omdat de kabel zelfafdichtend is. Het netwerk voorziet ook in de energievoorziening van de sensoren en actuatoren, waardoor inzet van zeer compacte componenten mogelijk is. Alleen als deze componenten teveel energie vragen kan een aparte voeding en zwarte AS-I voedingskabel toegepast worden. AS-Ibus is als systeem opgezet, zodat kabels, connectoren, behuizingen en dergelijke gestandaardiseerd zijn, wat de opbouw van een netwerk vergemakkelijkt. De beschikbaarheid en de betrouwbaarheid van het systeem zijn hoog. Fouten in het net worden meteen herkend door continu bewaking van net en periferie. Intelligente sensoren en actuatoren kunnen zichzelf testen. Alle componenten kunnen onafhankelijk van fabricaat in een net met elkaar communiceren. Door toepassing van koppelingen of gateways is AS-Ibus ook te koppelen met netwerken van hogere orde, hetgeen wat in de EduLab-Xorter het geval is. Het AS-Ibus systeem kent een grote ongevoeligheid voor uitwendige elektrische stoorinvloeden in industriële omgevingen. Binnen de EduLab-Xorter opstelling worden de motoren van EM04, -05, -07 en -10 via AS-Ibus aangestuurd.
4.5.2 Profibus Profibus is in Europa het meest gebruikte veldbus systeem en is te herkennen als paarse kabel zoals te zien in figuur 4-10.
Figuur 4-10 Profibus kabel en connector
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
19
Profibus is gestandaardiseerd in de EN50170. Er zijn twee verschillende soorten Profibus namelijk: • •
Profibus/DP Profibus/PA
(Decentral Periphery) (Proces Automation)
In de EduLab-Xorter wordt gebruik gemaakt van Profibus/DP. De voordelen van Profibus/DP zijn de hoge snelheid en de geringe aansluitkosten. Profibus/DP wordt vooral gebruikt voor de communicatie tussen geautomatiseerde procesbesturingssystemen zoals PLC’s en heeft enorm veel applicaties op het gebied van remote I/O, frequentieregelaars, sensoren en actuatoren. Een DP master vraagt één voor één alle toegewezen slaves af door de outputs te schrijven en de inputs te lezen (cyclisch) hierdoor is de cyclus optimaal en altijd constant. De transmissiesnelheid ligt tussen de 9,6 kbit/s en 12 Mbit/s. Met behulp van een configuratietool wordt de netwerkconfiguratie samengesteld.
4.5.3 Profisafe Profisafe is een profiel om Profibus in veiligheidsapplicaties toe te passen. De veiligheidsfuncties zijn als softwarelaag in de apparatuur vastgelegd waardoor de standaard Profibus communicatie en koppelelementen hetzelfde blijven. Het kenmerk van een Profisafe module is te zien in figuur 4-11.
Figuur 4-11 kenmerk Profisafe
Profisafe verloopt bij Profibus-DP bussystemen parallel met het protocol voor de standaardbesturing. Profisafe is hierbij het aanvullende profiel voor het besturingsgedeelte dat de veiligheid omvat. Hierdoor hoeft men bij toepassingen met veiligheidsbesturingen geen aparte netwerken en bekabelingstructuren aan te leggen voor de veiligheidsfuncties. Bij de Simatic PLC’s (zie figuur 4-12) lopen het standaardprogramma en het failsafe programma gelijktijdig af in de failsafe-cpu. Men kan de veiligheidsfunctie voor de applicatie met dezelfde programmeertaal projecteren, programmeren en inbedrijfstellen. De veiligheidssoftware van Siemens omvat een bibliotheek van functieblokken en voorbeelden, die zijn gecertificeerd door de Duitse TÜV. Deze module moeten met het programmeren gebruikt worden anders wordt er geen garantie van veiligheid gegeven. Dit vereenvoudigt het maken van aanpassingen in het standaardprogramma. Bovendien helpen deze voorbeelden met functieblokken te voorkomen dat aanpassingen invloed hebben op de correcte afloop van de failsafe-programma gedeelten.
Figuur 4-12 Simatic failsafe PLC
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
20
Bij toepassing van Profsafe als profiel bij Profibus-DP en bij Profinet IO vervangt de failsafe communicatie de traditionele vaste bedrading, zoals die voorheen bij NOOD UIT-apparatuur en bij speciale veiligheidsnetwerken moest worden aangelegd. Binnen de EduLab-Xorter is de Siemens Profisafe-PLC gebruikt om de Puller te beveiligen. Een overzicht van de Digitale in- en outputs is te zien in tabel 4.4. Siemens I/O failsafe PLC in EduLab-Xorter Digitale Inputs - Deurschakelaar - Noodstop - Knop handbediening puller naar rechts - Knop handbediening puller naar links - Reset - Eindcontact 1&2 Digitale Outputs - Noodstop - lampje resetknop - Ventiel links - Ventiel rechts Tabel 4-4 I/O failsafe PLC in EduLab-Xorter
Tegenwoordig wordt Profisafe in steeds meer applicaties toegepast omdat de regels van beveiligingen steeds strenger worden, de veiligheid van de mens boven alles gaat en systemen complexere werkingen krijgen.
4.6
I-FIX scada applicatie
Om de EduLab-Xorter op afstand handmatig te kunnen bedienen is er een SCADA-applicatie gebouwd. SCADA staat voor Supervisory Control And Data Acquisition en betekend het verzamelen, doorsturen, verwerken en visualiseren van meet en regelsignalen van verschillende machines in industriële systemen. De EduLab-Xorter is te bedienen via het I-FIX SCADA-pakket. De communicatie tussen het systeem (PLC) en de SCADA-applicatie loopt via ethernet. Dit is mogelijk omdat de PLC van de EduLab-Xorter is uitgebreid met een CP443-1 IT kaart via deze kaart kan de PLC werken met gegevens die via het ethernet verkregen worden. De grafische weergave van de EduLab-Xorter in IFIX is weergegeven in figuur 4.13.
Figuur 4-13 hoofdpagina I-FIX applicatie
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
21
In figuur 4-13 is aan de rechterkant een aantal toetsen te zien deze toetsen hebben de volgende functies: Handmatig ; hiermee wordt het gehele systeem in handbediening gezet. Automatisch ; hiermee wordt het gehele systeem in automatische bediening gezet. Transport In ; hiermee wordt het systeem ingeschakeld. Status Totes ; hiermee kan de status van de totes worden ingesteld en bekeken. Standaard Totes ; hiermee worden de totes in “default” mode gezet. Verder zijn er ook verschillende mode-toetsen te zien. Als hier op geklikt wordt is het mogelijk om dat gedeelte van de EduLab-Xorter apart te besturen (motor aan/uit, puller open/dicht, pinnen voor buffering hoog/laag enz.) en een eventuele error te bevestigen/resetten.
4.7
Webapplicatie
Om de EduLab-Xorter op afstand handmatig te kunnen bedienen is er een webapplicatie. Dit is in het kort gezegd een website die hetzelfde functioneert als de I-FIX applicatie. Het is dus mogelijk om over de hele wereld de EduLab-Xorter te bedienen en via een plaatselijke webcam te bekijken wat het systeem doet. Het besturen van de EduLab-Xorter over internet is mogelijk omdat de CP443-1 IT kaart ook een interne webserver bevat. Met deze webserver is het mogelijk om een besturingswebsite te hosten. Zo is het mogelijk om met behulp van deze website de banden van de Xorter aan te sturen, of de status ervan uit te lezen. De hoofdpagina van de webapplicatie is te zien in figuur 4.14.
Figuur 4-14 hoofdpagina van de webapplicatie
Voor de precieze werking en de programma technische opbouw van de webapplicatie zie http://wiki.edu-lab.nl/EduLabXorter.ashx?NoRedirect=1
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
22
5 Vision In dit hoofdstuk zal het een en ander verteld worden over Vision. In dit hoofdstuk worden verschillende onderdelen bekeken, om te beginnen met de Vision camera in paragraaf 5.1. Een camera alleen kan niet veel waarnemen; om waar te kunnen nemen en een zo scherp mogelijk beeld te krijgen heeft de camera een objectief nodig, in paragraaf 5.2 wordt hier het een en ander over vertellen. Om een nog betere herkenning van de voorwerpen te krijgen wordt in paragraaf 5.3 over de belichting van de totes gesproken. Vervolgens wordt allerlei informatie uit het verkregen beeld gehaald met behulp van algoritmen (paragraaf 5.4). En als laatste zal in paragraaf 5.5 iets verteld worden over het prototype waarmee tot aan de integratie gewerkt is.
5.1
Camera
De camera die gesponsord is betreft de Cognex In-Sight 5000 (figuur 5-1).
Figuur 5-1 Cognex In-Sight 5000
Om een overzicht te creëren van de hardware specificaties is een tabel gemaakt (tabel 5-1) met de belangrijkste informatie van deze camera. Voor de gehele datasheet zie de link onderaan pagina: http://wiki.edu-lab.nl/EduLabXorter.ashx Memory Intern geheugen voor programma opslag 16 MB Intern geheugen voor het verwerken van beelden 64 MB Image Sensor ¼-inch CCD Elektronische sluiter snelheid 32 µs tot 1000 ms Kleur Nee Beeldopname Maximaal 30 frames per seconde Resolutie 640x480 pixel display I/O Trigger input Tussen 20 en 28 VDC (24 VDC nominaal) Tigger vertraging 250 µs vanaf opgaande flank van de trigger input Puls breedte Minimaal 1 ms Status LED’s Voeding, netwerk status, netwerk verkeer en twee vrij programmeerbare LED’s Communication Netwerk Ethernet poort (TCP/IP protocol) ondersteund DHCP en een Statisch IP-adres Serieel RS-232C poort Voeding Voedingsspanning 24 VDC ± 10%, 350 mA Milieu Bedrijfstemperatuur 0°C tot 45°C (32°F tot 113°F) Bedrijfsvochtigheid 95%, niet-condenserend Tabel 5-1 hardware specificaties Cognex In-Sight 5000
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
23
Zoals te zien in tabel 5-1 heeft de camera intern geheugen, vandaar ook intelligentie camera. In dit geheugen kan de geprogrammeerde spreadsheet (algoritme en bevelen) opgeslagen worden. Verder is het mogelijk om binnen de software van InSight de camera een “default” programma te geven wat met het opstarten van de camera wordt gestart. Dit houdt in dat de camera na inschakelen steeds hetzelfde programma opstart iets wat dus zeer aan te raden is bij installaties waar de voeding afgeschakeld kan worden. Het belangrijkste onderdeel van de camera is de CCD-chip. CCD staat voor Charge Coupled Device en zet elektromagnetische straling (opgevangen licht in gamma = γ, fotonen) om in elektrische lading.
Figuur 5-2 licht inval op condensator
Hierbij wordt gebruikgemaakt van door fotonen, via de siliciumlaag, gegenereerde elektronen die in de condensators verzameld worden zoals te zien in figuur 5-2. Door elektrische spanningen op een bepaalde manier aan te brengen kunnen er in sommige condensators elektronen verzameld worden en in sommige niet. De condensatoren die geen lading kunnen verzamelen dienen ervoor om condensatoren die wel lading kunnen verzamelen van elkaar elektrisch te scheiden (Potential Well). De condensators die aan licht blootgesteld worden verzamelen een bepaalde lading elektronen afhankelijk van de hoeveelheid licht die erop valt. Zij vormen beeldpunten of pixels en bepalen met het lenzenstelsel de resolutie (aantal beschikbare pixels) van de CCD. Als deze pixels vervolgens worden samengevoegd vormen zij het beeld dat wordt waargenomen door de camera. Verder is de grootte van de chip, ¼-inch, belangrijk in verband met de keuze van het objectief.
5.2
Objectieven
Zoals eerder gezegd is een objectief nodig om het op te nemen beeld scherp op de CCD-chip geprojecteerd te krijgen. De oppervlakte die waargenomen moet gaan worden is 40 x 60 cm op een hoogte van ± 1 meter boven de transportband. Om tot de keuze van het juiste objectief te komen zijn verschillende objectieven met verschillende brandpuntafstanden getest met het prototype (paragraaf 5.5). De brandpuntafstand (f in figuur 5-3) is de afstand tussen de CCD-chip en het brandpunt in het objectief wat te zien is in figuur 5-3.
Figuur 5-3 grafische weergave van CCD-chip tot object
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
24
Om het juiste objectief te vinden voor de opstelling in de EduLab-Xorter zijn verschillende objectieven getest met behulp van de testopstelling in tabel 5.2 is te zien welke objectieven welke eigenschappen hebben bij welk formaat CCD-chip. De objectieven die getest zijn waren allen Fujinon objectieven die geleend zijn van Fontys Eindhoven en de firma Methec, deze firma is ook onderdeel van de Vinci groep. CCD-grootte ⅔”
HF16HA-1B (f=16mm) 63cm x 47cm
HF12.5HA-1B HF9HA-1B (f=12.5mm) (f=9mm) 78cm x 58cm 108cm x 81cm
DF6HA-1B (f=6mm) nb
½”
46cm x 34cm
57cm x 42cm
79cm x 59cm 122cm x 92cm
⅓”
34cm x 26cm
42cm x 32cm
59cm x 44cm
92cm x 69cm
¼”
23cm x 17cm
28cm x 21cm
40cm x 30cm
69cm x 52cm
Tabel 5-2 test resultaten verschillende objectieven
De waardes voor de ¼” CCD-chip bij de eerste drie objectieven zijn geëxtrapoleerde waardes. Zoals uit de tabel uit te lezen is, voldoet alleen het DF6HA-1B objectief van Fujinon aan de eisen qua lengte en breedte (tote 60cm x 40cm). Dit objectief is te zien in figuur 5-4 en de gegevens zijn terug te vinden op http://wiki.edu-lab.nl/EduLabXorter.ashx.
Figuur 5-4 objectief Fujinon DF6HA-1B
Om een beeld van de verhouding lens ten opzicht van CCD-chip duidelijk weer te geven zijn in figuur 5-5 een aantal voorbeelden hiervan te zien.
Figuur 5-5 verhouding lens CCD-chip
Verder is met het objectief ook nog de lichtinval op de CCD-chip te regelen. Dit gebeurt met behulp van het diafragma. Het diafragma is een regelbare opening waardoor het licht naar binnen valt en dat vergroot of verkleind kan worden. Hoe groter de opening hoe meer licht er op de CCD-chip valt en omgekeerd. Het diafragma is te zien in figuur 5-6.
Figuur 5-6 diafragma
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
25
Zoals te zien is bestaat het diafragma uit verschillende metalen plaatjes (lamellen) die samen een cirkelvormige opening vormen. De werking van het diafragma is te vergelijken met de werking van het oog, als er veel licht is zal de iris zich sluiten en omgekeerd. Als er weinig licht is zal het diafragma dus ver geopend moeten worden om een beter beeld te krijgen van het te detecteren onderdeel/voorwerp.
5.3
Belichting
Zoals in de paragraaf hiervoor al besproken is de lichtinval erg belangrijk voor het goed waarnemen van het te detecteren onderdeel/voorwerp. Tijdens het testen van de applicatie is geconstateerd dat de waarneming van de camera erg afhangt van de frequentie van de TL-armaturen die boven de camera hangen in het EduLab. Als via de online-modus (live beeld) gekeken wordt, en de scherpte en diafragma zijn goed afgesteld, is de frequentie van de TL’s goed waar te nemen. Dit houdt in dat de herkenning van de voorwerpen niet altijd optimaal is omdat de camera op de sinus van de TL kijkt dit betekend dat er de ene keer meer of minder licht is dan de andere keer. Verder heeft de paal (schaduw) die ter hoogte van de camera staat ook invloed op de lichtinval. Daarom is besloten om een spot op te hangen met een constante lichtbron in ons geval een Philips halogeenspot van 230V en 50W. De gedachtegang is nu dat de lichtinval en dus de waarneming nu over de hele oppervlakte hetzelfde is, dit betekend automatisch betere herkenning en dus geen uitval meer en 100% productherkenning. Om dit te onderbouwen is aan de hand van de grafieken uit het figuur 5-7 en de grafische weergave van de lichtverdeling boven de transportband in figuur 5-8 het volgende te bepalen: De spot hangt op een hoogte van 1,05m. In grafiek 1 is te zien dat de straalhoek (γ) van de spot dan ± 28° is, dit wordt nogmaals bevestigd in grafiek 2 door te interpoleren. De verlichtingssterkte is dan ± 725 lx. Dit wil zeggen dat er een goede waarneming hebben van de des betreffende oppervlakte (100lx = matige waarneming en 1000lx = zeer goede waarneming). Als laatste is in grafiek 1 van figuur 5-6 te zien dat de spot tot een afstand van 400cm (4m) een gelijke verdeling van het licht geeft onder een hoek van ± 20° (bepaald met geodriehoek).
Figuur 5-7 bepaling lichtinval totes
Nu de hoek van uitstraling van de lichtbron bekend is kan de belichte oppervlakte bepaald worden van de camera tot de band en tot een hoogte van 20cm boven de band (hoogte tote). •
Diameter (1)
•
Diameter (2)
Peter Minten
= tan(γ)*h = tan(28)*1.05 = ± 112cm = tan(γ)*(h-h tote) = tan(28)*(1.05-0.2) = ± 90cm Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
26
Na berekening van deze twee diameters is figuur 5-8 opgesteld. Hierin is te zien dat volgens de grafieken en berekening de oppervlakte van zowel de bodem van de totes als op een hoogte van 20cm boven de band, en gelijke hoogte van de tote, een gelijke belichting van de tote plaatsvindt.
Figuur 5-8 belichting totes
Wat na testen echter blijkt is dat de lichtinval op een punt (het midden van de tote) te hard reflecteert. De gedachtegang is hier dus niet goed geweest de waarneming is zelfs slecht ook na afstemmen van het diafragma en de scherpte van de lens. Het zal een stuk beter zijn als er meerdere lichtbronnen onder een bepaalde verdeling boven de totes komen te hangen. Dit is echter niet meer getest in deze periode. Er is dus nog gewoon gewerkt onder de lichtomstandigheden zoals er vooraf waren. Ook is het een optie om een raster voor de spot te monteren. Gebleken is dat als er bijvoorbeeld een blanco blad voor de spot gehouden wordt, er geen sprake meer is van reflectie. Terwijl de lichtverdeling wel constant is. Dit is uiteindelijk de meest optimale omstandigheid voor het waarnemen van producten.
5.4
Algoritme
Een algoritme is een reeks instructies om vanuit een gegeven begintoestand het daarbij behorende doel te bereiken dit gebeurt meestal voor berekeningen of dataverwerkingen. Een algoritme is dus het beste te vergelijken met een complexe berekening waaruit gegevens komen die gebruikt kunnen worden bij het beoordelen en herkennen van onderdelen/voorwerpen. In het geval van een Visioncamera wordt er een shot van een object (image) genomen waarmee vervolgens handelingen gedaan kunnen worden met algoritmen. Met de uitkomsten van deze algoritmen kunnen verschillende voorwerpen bijvoorbeeld herkend worden. Het herkennen van producten kan op verschillende manieren gedaan worden. De producten die van te voren waren vastgesteld in de URS worden uiteindelijk herkend aan de contouren van een letter A en een letter B. Een aantal algoritmen die gebruikt kunnen worden voor herkennen van voorwerpen/onderdelen zijn: Blobs Met het blobs-algoritme gaat men herkennen op vormen van verbonden pixels. Wanneer de ExtractBlobs-functie in de spreadsheet wordt ingevoegd en de parameters zijn geconfigureerd, zal de functie beginnen met het uitvoeren van de analyse. Deze analyse vindt plaats in de segmenten van het Region Of Interest (ROI = Ingestelde gebied) en gaat dus patronen zoeken die met het getrainde patroon overeenkomen. Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
27
Edge Het Edge-algoritme zoekt naar “randen” in vorm van lijnen, cirkels, afstanden tussen lijnen zowel maximaal als minimaal, curven enz. Image De In-Sight Image tool verwerkt het input beeld en vergroot de gewenste eigenschappen tijdens het verwijderen of verkleinen van ongewenste eigenschappen. Het resultaat is een beeld dat voor de output beter geschikt is met extra accentueerde kenmerken. Pattern match Gaat geleerde patronen vergelijken met het verkregen beeld en geeft een percentage van vergelijk uit van 0 t/m 100% OCV/OCR Optical Character Verification and Optical Character Recognition zijn twee verschillende methoden van de inspectie van alfanumerieke tekst strings in een afbeelding. De methode die gebruikt moet worden, hangt af van de vraag of de tekens in de tekst string vooraf bekend zijn (verificatie), of onbekend zijn (herkenning). Binnen de EduLab-Xorter is gekozen om op contouren te gaan herkennen (Pattern Match). Dit houdt in dat producten voorzien worden van stickers A en B en hierop herkend gaan worden. Nu wordt een skelet van lijnen herkend door de camera. Grote nadelen van herkennen op contouren zijn: • • •
Er zijn veel bewerkingen door het algoritme nodig en dus vergt het enige tijd om de hele oppervlakte van de tote te scannen op de geleerde vormen. Het algoritme krijgt een vaste oriëntering aangeleerd dus als de voorwerpen anders aangeleverd worden zal de herkenning niet goed gaan. Ook papieren vormen worden herkend als een goed product.
Om een overzicht te creëren van de algoritmen die binnen In-Sight 3.4.2 gebruikt zijn, om het systeem werkende te krijgen, zijn deze algoritmen in tabel 5-3 opgesomd en hun functionaliteit beschreven. Algoritme FindPattern
InRange Multistatus WriteDevice TCPDevice
FormatString
Functie Met dit algoritme kan de camera patronen “teachen”. Verdere instellingen die gedaan moeten worden zijn: - Instellen in welk gebied er gezocht moet worden naar het geteachte patroon in ons geval over het hele beeld 640x480 pixels. - Instellen onder welke hoek er naar het patroon gezocht moet worden in dit geval onder een hoek van 180° links en rechts van het geteachte patroon. Dit algoritme geeft daarna na elke trigger een percentage ”hit” van 0 t/m 100% met het voorwerp uit en onder welke hoek dit is gebeurt. Dit algoritme geeft een één uit als er een waarde uit een cel binnen komt en deze waarde binnen de ingestelde range valt. Binnen het systeem laag ingesteld in verband met het “licht probleem”. Herkenning blijft zo optimaal. Dit algoritme geeft een lampje een bepaalde kleur bij een bepaalde waarde en kan gekoppeld zijn aan bijvoorbeeld een InRange algoritme. Het algoritme wordt dus alleen gebruikt voor visualisatie. Het WriteDevice-algoritme schrijft een waarde weg naar een ingesteld Device nadat de spreadsheet doorlopen is. Met een TCPDevice-algoritme wordt de camera gezegd met welk device er moet worden gecommuniceerd. In dit algoritme moet het volgende ingesteld worden: De Hostnaam of het IP-adres van het device als de camera de client is. Als de camera de server is hoeft dit niet ingevuld te worden. Over welke poort met het device gecommuniceerd moet worden Hoe er gecommuniceerd moet worden Het type pakket dat verstuurd moet worden Een FormatString algoritme zet de waardes van de cellen waarna wordt verwezen in een string zodat de waardes verzonden kunnen worden. Tabel 5-3 overzicht gebruikte algoritme
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
28
Verdere instellingen en de werking van de softwarematige afloop is terug te vinden in subparagraaf 6.4.1.
5.5
Prototype
Om het een en ander te testen met de camera zoals het configureren, het herkennen van voorwerpen, het testen van objectieven en het opzetten van de communicatie is gebruik gemaakt van een prototype. In eerste instantie was dit gewoon het testen met de camera los op het bureau en later was de standaard klaar en kon er op de goede hoogte getest worden. Het opstelling zoals die was met de standaard langs het bureau is te zien in figuur 5-9.
Figuur 5-9 prototype
Aan de hand van dit prototype zijn alle resultaten gerealiseerd van de uiteindelijke werking van de camera binnen de EduLab-Xorter op het gedeelte van de belichting na. De resultaten zijn: • • • • • • •
Goede camera configuratie Herkenning van voorwerpen Programmering van de LED’s op de camera (online mode en trigger signaal) Het wegschrijven van een FTP-bestand Het communiceren met de PLC via TCP/IP Het schrijven van data met de PLC in de spreadsheet van de camera Het geven van een hardware matige trigger
Hetgeen wat niet gerealiseerd kan worden (bevestigd door specialist van Cognex) is het koppelen van, de in de spreadsheet geschreven data met een softwarematige trigger. Dit wordt door de camera niet ondersteund.
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
29
6 Systeem integratie Voordat de camera in het bestaande systeem geïntegreerd kan worden zullen er ontwerp keuzes gemaakt moeten worden, deze ontwerp keuzes zijn terug te vinden in paragraaf 6.1. Aan de hand van de ontwerp keuzes en, op mechanisch-, elektrisch- en softwarematig gebied, de technische specificaties van de camera is de camera geïntegreerd in het bestaande systeem. Hoe dit is gedaan is terug te vinden in de paragraven 6.2 t/m 6.4.
6.1
Ontwerp keuze
Bij het maken van de ontwerp keuzes is allereerst rekening gehouden met de situatie zoals die er was. Dit in combinatie met de gesponsorde goederen en het gewenste functioneren zijn de volgende besluiten genomen (tabel 6.1). De genomen besluiten worden besproken in de paragrafen 6.2 t/m 6.4 Keuze Camera komt ter hoogte van bewerkingsstation 1
Camera moet in hoogte te verstellen zijn Camera moet in verschillende posities te monteren zijn Triggering via Photocell 43B4 Apart schakelkastje voor Vision Programma moet geprogrammeerd worden volgens de bestaande programmeerstijl
Reden Vlakke ondergrond, logische positie met betrekking tot de verdere afhandeling van de totes Om de te detecteren oppervlakte te kunnen instellen Dit in verband met breedte, hoogte waarneming (640 x 480 pixel display) Vanaf deze Photocell kan er via een timer een trigger gegeven worden Het kastje is nodig omdat de bestaande break out- en ethernet kabel niet lang genoeg zijn Om overzicht te houden in het bestaande programma. (programmatechnische keuzes zijn terug te lezen in paragraaf 6.4)
Tabel 6-1 overzicht ontwerp keuzes
6.2
Mechanische integratie
Het mechanisch ontwerp (figuur 6-1) is niet zo complex. De constructieve tekeningen van de afzonderlijke delen zijn terug te vinden op http://wiki.edu-lab.nl/EduLabXorter.ashx?NoRedirect=1 onder aan de pagina. Dit is omdat de camera zelf bijna niets weegt, ongeveer 300 gram zonder objectief, dus een zware constructie was niet van toepassing. Verder is ook gekozen om de standaard los van de installatie aan de vloer te monteren dit in verband met eventuele trillingen van de installatie als deze in bedrijf is. Het trillen van de camera verslechterd natuurlijk de waar te nemen oppervlak/voorwerpen waardoor dus de contouren van de voorwerpen minder duidelijk kunnen worden gedetecteerd. De positie waar de camera gaat detecteren is gekozen ter hoogte van bewerkingsstation 1 zodat de tote op het moment van triggeren op een vlakke ondergrond staat (band EM10). De positie (tote op band EM10) bevordert dus de kwaliteit van de image en dus het percentage herkenning van de voorwerpen, dit bevordert dus ook de optimalisatie van het systeem. Verder is deze positie gekozen vanwege het verloop van het programma dat in de PLC is geprogrammeerd. De waarnemingen van de camera worden via de OP7’s naar de operator weergegeven, waarom dit is en hoe dit gebeurt wordt verder verklaard in subparagraaf 6.4.2. De plaats van integratie blijkt qua lichtverdeling niet de beste dit komt omdat er een paal staat waarvan de schaduw deels over de totes valt. Dit houdt in dat er op de ene plaats in de tote meer lichtinval is dan op de andere. Dit probleem moet opgelost worden met het plaatsen van één- of meerder spot(s) aan de mechanische constructie.
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
30
Figuur 6-1 Mechanische ontwerp (Inventor)
Ook is gekozen voor een arm die in hoogte te verstellen is. Hierbij is rekening gehouden met eventueel een ander objectief of een kleiner te detecteren oppervlakte in tote waarbij een preciezere waarneming nodig is. De instelmogelijkheid van de camera hoogte ten opzichte van de lopende band is tot 1.10 meter. Deze hoogte is zo gekozen zodat de maximale hoogte vanaf de grond dan 2 meter is. Verder het bevestigingsplaatje zo gemaakt dat de camera op vier verschillende manieren is te monteren (om de 90° te verdraaien) en op de juiste positie boven de lopende band te plaatsen is. Voor een duidelijk beeld van EduLab-Xorter met de Visioncamera zie figuur 6-2
Figuur 6-2 EduLab-Xorter met geïntegreerde Visioncamera
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
31
6.3
Elektrische integratie
In deze paragraaf wordt het gedeelte van de elektrische integratie verklaard. Om een idee te krijgen van wat er nodig is om de camera elektrisch aan te sturen is hieronder een tabel opgesteld (tabel 7.2) Sturing Voeding camera Trigger input Trigger camera output Ethernet verbinding Voeding spot
Herkomst De camera wordt gevoed (24VDC) door de uitgangen 45 (+)en 77(-) van de ET200 module uit het schakelkastje LIOC02 Photocell 43B4 die binnen komt op input 25 van de ET200 module in schakelkastje LIOC02 geeft een puls dat er een tote aanwezig is. De camera wordt getriggerd door de uitgang 45 (24VDC) van de ET200 module in het schakelkastje LIOC02 De camera staat via het Visionschakelkastje in verbinding met de switch in de schakelkast die vervolgens weer in contact staat met het ethernet en de PLC De spot wordt via een relais (gestuurd door output 13 van de ET200 module in de schakelkast), in de schakelkast, voorzien van voeding (~230V) Tabel 6-2 elektrische sturingen
De precieze werking is als volgt: Zodra er een tote voorbij photocell 43B4 komt zal er een negatieve puls (input valt af) naar input 25 van de ET200 module gestuurd worden. Vervolgens komt het signaal via profibus in de PLC. Op het moment van binnenkomst zal er een timer in de PLC gestart worden en de spot ingeschakeld worden. Deze zal na x seconden een puls via Profibus en via de ET200 output 45 naar de trigger ingang van de camera sturen. Op het moment van binnenkomst zal de camera een beeld nemen. De informatie die nodig is uit dit beeld wordt vervolgens via algoritme in een data-string (reeks van bits) geschreven. Deze informatie wordt vervolgens via ethernet (TCP/IP) naar de PLC gestuurd die vervolgens met de ontvangen informatie het programma gaat doorlopen. De werking hiervan komt in paragraaf 6.4 ter sprake. De elektrische opbouw van de Vision integratie is in figuur 6-3 grafisch weergegeven.
Figuur 6-3 elektrisch schema Vision integratie
Voor de schema’s van de Vision integratie in EduLab-Xorter kunt u binnenkort ook op de wiki-site onder het kopje EduLab-Xorter terecht deze zijn namelijk nog “under construction”. Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
32
6.4
Programma integratie
Deze paragraaf is verdeeld in vier subparagrafen. De programma integratie wordt hier opgedeeld in een subparagraaf 6.4.1 waarin wordt beschreven hoe het softwareprogramma van de camera functioneert. In subparagraaf 6.4.2 wordt vervolgens de werking van het softwareprogramma van de PLC na Vision integratie uitgelegd. De werking van de communicatie tussen de camera en de PLC wordt in subparagraaf 6.4.3 beschreven. Als laatste wordt in subparagraaf 6.4.4 het toegevoegde programma en dus de functionaliteit van het nieuwe systeem bekijken.
6.4.1 Softwareprogramma camera Zoals eerder in dit verslag gezegd wordt de functionaliteit van de camera geprogrammeerd in de spreadsheet van In-Sight 3.4.2. De complexiteit van de software zit hem in de programmering van de algoritmes waar helaas geen toegang tot is. De werking van het software programma van de camera is als volgt: Op het moment van triggeren wordt er als het ware een foto van de ingestelde oppervlakte genomen. De camera gaat op dit moment zoeken naar patronen A & B die hem geleerd zijn. Als hij de patronen herkent gaat het erom om hoe groot dit percentage van herkenning is. Zit deze waarde binnen de ingestelde waarde die is ingesteld met het InRange algoritme dan zal het InRange algoritme een logische “1” uitgeven. Deze waarde wordt weggeschreven in een datastring. Door middel van het WriteDevice algoritme en het ingestelde Device weet de camera dat hij de datastring naar de PLC moet sturen. De snelheid van het doorlopen is sterk afhankelijk van het aantal producten dat geteached zijn. Verder is bekend dat herkennen op contouren veel tijd vergt. Om werking van de externe trigger en de communicatie te realiseren moeten er binnen de software nog een aantal instellingen gedaan worden. Als eerste moet er in de image (cel A0) van de camera ingesteld worden hoe de trigger gaat plaatsvinden. Om dit te kunnen doen moet er dubbelgeklikte worden op de image. Het scherm wat nu tevoorschijn komt is te zien in figuur 6-4.
Figuur 6-4 instellingen image
Onder het kopje moet ingesteld worden dat de trigger extern gaat plaatsvinden. Zoals te zien moet daarom hier camera ingesteld worden. Ook is het hier belangrijk dat de Buffer Mode op “single” staat. Dit omdat de data dan overschreven wordt bij elke trigger zoals ook gewenst. Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
33
Andere instellingen die binnen de software van In-Sight gedaan moeten worden zijn de instellingen van het communiceren. Om deze instellingen te doen selecteren we “Sensor” in de taakbalk van InSight 3.4.2 en vervolgens “Hosttable”. Hier moet het IP-adres van de PLC toegevoegd worden. Als dit is gebeurd moeten de netwerkinstellingen gedaan worden. Ook dit staat onder “Sensor” en dan “Netwerksettings” hier moet het IP-adres ingesteld worden, dit kan handmatig of via de DHCP-server (automatische IP selectie). Als laatste zijn er ook nog twee LED’s op de camera die handmatig ingesteld kunnen worden, één groene en één rode. De functionaliteit van deze LED’s binnen de EduLab-Xorter zijn: • •
Groene LED Rode LED
geeft aan of de camera in online mode staat. geeft aan als er een trigger heeft plaatsgevonden.
De programmering van de LED’s is zo gekozen omdat deze twee functies voor dit project erg belangrijk zijn. Voor meer informatie met betrekking tot het programmeren van de spreadsheet en de verschillende specifieke algoritmes kan het beste in de helpfunctie van de In-Sight explorer gezocht worden.
6.4.2 Softwareprogramma PLC Het softwareprogramma van de EduLab-Xorter is op verschillende plaatsen veranderd. Dit heeft er vooral mee te maken dat er een nieuwe manier van afhandelen van de totes gaat plaatsvinden ten opzichte van het oude programma. Als er terug gekeken wordt naar de URS eerder in het verslag is de werking van het nieuwe systeem grotendeels bekend. Aan de hand van tabel 6-4 (volgende blz.) wordt de manier van aanpak bij het ontwerpen/realiseren omschreven. Hier wordt verteld hoe de opbouw van het nieuwe programma van de EduLab-Xorter opgebouwd is. Zoals uit tabel 6-4 te lezen is zijn er verschillende OP7 schermen gemaakt. Dit maken van OP7 schermen kan met het softwareprogramma PROTOOL van Siemens. Nadat de schermen geprogrammeerd zijn kunnen deze rechtstreeks, via een kabel tussen de PC en OP7, gedownload worden in het geheugen van de OP7.
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
34
Stap 1
Onderdeel Netwerkconfiguratie
2
Communicatie
3
Trigger camera
4
Time Out Timer
5
Herkenning patronen IFIX
6
Afhandeling totes
7
Afhandeling camera error
8
OP7 programmering
9
Pinnen voor bufferen
Functionaliteit Om te communiceren met de camera moet de PLC weten dat de camera via TCP/IP met hem gaat communiceren. Daarom moet in de netwerkconfiguratie van de PLC de camera toegevoegd worden. Hierbij moet rekening gehouden worden moet met het IP-adres, de poort, MAC-adres. Om te communiceren moet er een standaard datablok van Siemens aangeroepen worden het betreft hier het AG_LRECV blok. Met dit blok is het mogelijk om via een ID, wat in de netwerkconfiguratie is aangemaakt, data binnen te halen wat door de camera wordt weggeschreven. De data die ontvangen wordt wordt weggeschreven in een DB. Aan de hand van deze data is de rest van het programma grotendeels geprogrammeerd. Op het moment dat EM07 een tote heeft en klaar is om te gaan verzenden (ReadyToSend) en EM10 is klaar om te ontvangen (ReadyToReceive) dan zal er een trigger signaal in FB64 geset worden. Vervolgens zal de motor van EM07 aan gaan en als de tote dan de sensor van EM07 voorbij is gaat er een timer van 2,35s lopen, dit omdat een softtrigger niet mogelijk is. Na deze tijd zal de camera getriggerd worden via de output van de ET200 module in schakelkast LOIC02. Deze timer is geprogrammeerd om de eventuele CameraNoResponce error aan te sturen. Parallel aan het triggeren van de camera wordt deze timer geset. Vanaf dit moment heeft de camera 2,5s de tijd om een de data naar de PLC te versturen na binnenkomst van de data uit de camera wordt in de PLC een bitje hoog gemaakt. Als er echter geen respons is binnen deze tijd dan springt de EduLab-Xorter in error en komt er een melding op de OP7 van bewerkingsstation 1 waar de tote dan ook stopt. Om te weten te komen welke producten er in welke tote volgens I-FIX horen te zitten moet de data uit dedb van I-FIX worden gehaald. Deze gegevens halen we eruit door middel van vergelijking. Eerst wordt de informatie van de barcode scanner uitgelezen. Op dit moment is het tote-nummer bekend en kan de data van deze tote opgehaald en vergeleken worden met de waardes uit de camera. Nadat de producten in de totes bekend zijn moeten deze afgehandeld worden zoals vermeld in de URS. Dit alles is geprogrammeerd in de FC’s van de desbetreffende EM’s. Hierin is ook de afhandeling na error melding verwerkt. Na bevestiging van de error melding moet de tote weer opnieuw in het systeem opgenomen worden om nogmaals gecontroleerd te worden. De nieuwe totes mogen nu pas in het systeem komen als de tote waarbij de error plaats vond de transportband EM12 heeft verlaten. Via de OP7 krijgt de operater per bewerkingsstation te zien of er een bewerking moet plaatsvinden en zo ja welke bewerking. Het kan zijn dat er een product in de tote gedaan moet worden of dat er een product uit de tote verwijderd moet worden. Ook komt er op de OP7 van bewerkingsstation 1 een melding van error met informatie van welke stappen er genomen moeten worden. Na elke bewerking moet er bevestigd worden en gaat de tote verder. Zodra er een tote voorbij EM06 is moeten de totes die hierna volgen gebufferd worden, dit gebeurd net zolang tot dat deze tote transportband EM11 heeft verlaten. Op dit moment mag er weer een nieuwe tote het bewerkingssysteem in komen.
Tabel 6-3 veranderingen softwareprogramma PLC
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
35
6.4.3 Data communicatie Om in het bestaande systeem van de EduLab-Xorter het Vision-systeem toe te kunnen voegen moet er datacommunicatie plaats vinden tussen het Visioncamera/-systeem en de huidige EduLab-Xorter installatie. Verder moet het systeem “stand-alone” gaat functioneren. Dit houdt in dat het systeem moet kunnen werken met de camera zonder dat er een computer aan moet staan om het algoritme te kunnen doorlopen en de data weg te schrijven. Het communiceren tussen beide systemen gaat via I/O (Input/Output) of via Ethernet gebeuren. Hardwarematig zal de EduLab-Xorter uit beide technieken gaan beschikken dit zodat er dan twee verschillende manieren van communiceren kunnen worden gepresenteerd. Om dit communiceren via I/O te gaan doen is de makkelijkere weg. Daarom is er voor gekozen om eerst de mogelijkheden te gaan onderzoeken om via Ethernet te gaan communiceren. Hiervoor zijn dus de specificaties van het huidige systeem en de camera nodig. Huidige systeem: De EduLab-Xorter bevat een CP443-1 IT kaart (CP = Communicatie Processor). Dit is een uitbreidingskaart voor de Siemens S7-400 PLC met de functionaliteit om te communiceren via Ethernet met de volgende protocollen: • FTP (File Transfer Protocol) • TCP/IP (Transmission Controll Protocol / InternetProtocol) • UDP (User Datagram Protocol) • ISO (International Standard Organisation) • S7 communication (Communicatieprotocol voor S7 PLC’s) • Web server (e-mail) (Communicatie via een webserver) • NTP (Network Time Protocol) Vision camera: Net zoals bij de Siemens CP-kaart bevat ook de camera een aantal communicatie mogelijkheden dit zijn de volgende: • FTP (File Transfer Protocol) • TCP/IP (Transmission Controll Protocol / InternetProtocol) • Modbus (Serieel communicatie protocol) • SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) • EIP (Ethernet IP) • Profinet (Profibus over Ethernet) Zoals te zien is hebben zowel de camera als de Siemens CP-kaart de protocollen FTP en TCP/IP. Het is dus mogelijk om met beide “Devices” FTP en TCP/IP te “praten” in het geval van FTP wordt er een bestand weggeschreven met een onbekende omvang. Na nader informeren bij Siemens is het heel moeilijk om een FTP-pakket te vertalen en dus de te gebruiken informatie eruit te halen en te verwerken zodat de herkenning gerealiseerd kan worden. Het wegschrijven van een FTP-bestand is echter geen probleem binnen de camera software(In-Sight 3.4.2). Daarom is besloten om via TCP/IP te gaan “praten” en dit is ook gelukt. Om met TCP/IP te kunnen communiceren wordt er een datastring vanuit de camera naar de PLC gezonden. De inhoud van deze datastring ziet eruit zoals te zien in figuur 6.5.
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
36
Figuur 6-5 inhoud van datastring
Zoals te zien is zijn de eerste vier bits (grootte is variabel, in het programma worden er maar twee gebruikt) de bits die aan de PLC vertellen of er een van de voorwerpen aanwezig is. Als laatste wordt een Carriage Return en een Line Feed meegestuurd. Dit wordt meegestuurd om het einde van het pakket aan te geven dat verzonden wordt. De CR en LF zijn achtereenvolgens als ASCII-code te herkennen als nr. 13 (hex 0x0D) en als nr.10 (0x0A). Voor meer informatie op het gebied van communiceren zie ook http://wiki.edu-lab.nl/OSI-Model.ashx?NoRedirect=1 over de opbouw van het OSI-model.
6.4.4 Werking EduLab-Xorter met Vision integratie Na de software van beide programma’s te hebben gezien wordt in deze paragraaf de werking van het nieuwe systeem (EduLab-Xorter met Vision) beschreven. Om een goed idee en een visuele voorstelling te krijgen van hoe de werking nu is, is figuur 6-6 gemaakt. In dit figuur is te zien hoe de afhandeling van de totes van het begin tot het einde in de EduLab-Xorter verloopt.
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
37
Figuur 6-6 grafische weergave werking EduLab-Xorter met vision
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
38
Conclusie/Slotwoord Het doel van de afstudeeropdracht was de EduLab-Xorter installatie te voorzien van een Vision systeem. Met dit systeem moesten zekering automaten en DIN-rail wandcontactdozen 100% herkend worden. Dit houdt in dat er 0% uitval mag zijn bij het herkennen van de producten. Dit is uiteindelijk ook gerealiseerd. Het grootste probleem van de opdracht was eigenlijk de communicatie tussen de camera en de PLC. Na met specialisten van Cognex en Siemens te hebben gesproken werd het duidelijk dat het communiceren van deze twee apparaten met elkaar het grootste probleem zou gaan worden. Vanuit Cognex werd gezegd dat het communiceren mogelijk maar niet gemakkelijk was en de specialist van Siemens wenste me zelfs succes op een manier van dat gaat je niet lukken. Uiteindelijk is het toch geluk en heb ik de opdracht kunnen realiseren. De wens om de trigger via ethernet te gaan doen is niet gelukt. Ik had het wel zover dat ik via de PLC iets in mijn spreadsheet kon schrijven maar het blijkt achteraf onmogelijk te zijn om aan deze informatie een softwarematige trigger te koppelen. Ondanks deze tegenslag is de afstudeeropdracht succesvol beëindigd. Als er gekeken wordt naar de eisen, waaraan het besturingssysteem moet voldoen, is te zien dat aan alle eisen is voldaan. Vijf van de wensen (should-, could- en would have) zijn, vanwege tijdsgebrek, (nog) niet voldaan. Hieronder vallen de test modus van de camera, triggering van de camera via ethernet, doorloopmodus tbv demo’s het uitbreiden van de I-FIX- & webapplicatie en het systeem updaten met een Wincc pakket of webfactory. De doorloopmodus tbv demo’s ga ik wel nog realiseren in de twee weken die na de presentatie nog volgen. Een ander onderdeel van de afstudeeropdracht is het opstellen van documentatie over de gerealiseerde opdracht volgens de GAMP-light (Good Automated Manufacturing Practice) richtlijnen. Op http://wiki.edu-lab.nl/GaMP-light%20voor%20EduLab-Xorter.ashx zijn de GAMP-light richtlijnen nader toegelicht. De GAMP-light richtlijnen vereisen drie uitgebreide testdocumenten die worden opgesteld tijdens het ontwikkelen van het besturingssysteem. Dit onderdeel is helaas, ook door tijdgebrek, niet gecomplementeerd maar zal ook de weken na de presentatie vervolgd worden. In de tabellen hieronder is te zien wat de status is van functionele, technische en usability eisen. Nr. 1 2 3 4 5 6
Omschrijving 100% herkenning van zekeringautomaten en DIN-rail wandcontactdozen Elektrische schakeling via Ethernet Elektrische schakeling via I/O Integratie in Step 7 95% herkenning van onderdelen tbv leermiddelen Camera moet in hoogte te verstellen zijn
Prioriteit M
Voldaan Ja
M C M W M
Ja Ja Ja Ja Ja
Prioriteit S M M M M W
Voldaan Nee Ja Ja Ja Ja Nee
Status functionele eisen
Nr. 1 2 3 4 5 6
Omschrijving Test modus camera Elektrische werking via Ethernet Elektrische werking via I/O Op stelling moet mechanische af zijn Triggering van de camera via I/O Triggering van de camera via Ethernet Status technische eisen
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
39
Nr. 1 2 3 4 5
Omschrijving Doorloopmodus tbv. Demo’s WIKI up-to-date houden Feedback via OP7 IFIX/Web applicatie uitbreiden Wincc pakket of Webfactory
Prioriteit C S S C W
Voldaan Nee Ja Ja Nee Nee
Status Usability eisen
Ook kan ik mededelen dat er aan alle specificaties van de URS is voldaan zoals deze staan op gesteld in paragraaf 3.1. Als doel van de Vision integratie had Actemium om het EduLab up-to-date te houden en nieuw case materiaal te ontwikkelen voor leerlingen te confronteren met de nieuwste technieken. Hiervoor heb ik de volgende adviezen: •
•
Vul een tote zoals gewenst is, in I-FIX in. Start vervolgens een stopwatch en laat de kinderen zien hoe snel de machine de tote rondstuurt. Laat vervolgens de kinderen dit ook doen en laat zien wat de verschillen in tijd zijn. Maak gebruik van de eigenlijke foute reflectie in de totes en laat de kinderen de spot onder verschillende hoeken positioneren.
Als laatste heb ik ook nog adviezen voor Actemium met betrekking tot eventuele vervolg opdrachten voor stagiaires: •
•
•
•
Het opnieuw programmeren van de EduLab-Xorter volgens ISA-88. Dit geeft namelijk een overzichtelijker programma en kan er dus makkelijker op voort geborduurd worden door nieuwe studenten. Het punt van belichting, algoritme en scherpstellen van de lens door middel van feedback op de OP7 is ook een eventuele opdracht. Hierbij kan ook de OP7 uitgebreid worden met functies met betrekking tot verschillende algoritme. Het herkenning van de producten op een andere manier dan op contouren. Met andere woorden het optimaliseren van de herkenning. Dit gebeurt nu aan de hand van de letters A en B op de onderdelen. Verder omdat de belichting niet in orde is, is het InRange algoritme ook lager ingesteld om het doel van deze opdracht te bewerkstelligen. Uitbreiden van de I-FIX- en webapplicatie met Vision integratie.
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
40
Evaluatie Vanaf het begin van de afstudeeropdracht was ik enorm enthousiast. Ik ben meteen begonnen met het analyseren van de installatie, de richtlijnen en ontwerpmethodiek van Actemium heb ik bestudeerd. De problemen kwamen echter bij het beginnen aan Siemens S7. In het Edulab is een miniatuur opstelling van de EduLab-Xorter installatie aanwezig, Desktop-Xorter genaamd, waarop met Siemens S7 geoefend kan worden. Aangezien ik bijna geen ervaring had met Siemens Step7 was dit redelijk zwaar. Na het oefenen in Siemens S7 ben ik begonnen met het verkennen van In-Sight 3.4.2. ik kwam er al snel genoeg achter dat ik niet ver zou komen zonder een cursus of workshop. Na de workshop over In-Sight ben ik enthousiast begonnen met het programmeren in de spreadsheet. Eerst heb ik verschillende dagen gewerkt om de producten te herkennen en daarna weken om de communicatie tussen de camera en de PLC op gang te krijgen. Hierbij ben ik heel veel te weten gekomen op het gebied van communicatie mogelijkheden en het OSI-model. Tussen het werken aan het Vision gedeelte door heb ik nog de ontwerpen voor de standaard getekend en heb ik de elektrische integratie voorbereid. Vanaf dat de camera in de EduLab-Xorter installatie is opgenomen ben ik aan het programmeren gegaan en heb ik het programma iets uitgebreider gemaakt dan dat ik van te voren had verwacht. De afhandeling van de tote loopt perfect en herkenning van de zekering automaten en DIN-rail wandcontactdozen is gerealiseerd dankzij het toekennen van stickers met een A en een B. Ik kan dus zeggen dat mijn opdracht met succes is afgerond. Verder wist ik vanaf het begin van de stage dat ik voor ongeveer 10% nevenwerkzaamheden zou gaan doen met betrekking tot het EduLab, denk daarbij aan het begeleiden van leerlingen. Ook dit is mij enorm goed bevallen, niet alleen op het gebied van werken met deze leerlingen maar ook op het gebied van presenteren van de EduLab-Xorter. In totaal zijn er 6 dagen geweest dat ik leerlingen heb begeleid binnen het EduLab. Van deze dagen zijn foto’s geknipt die terug zijn te vinden op de site http://www.edu-lab.nl. Terugkijkend op het verloop van de afstudeerperiode is het jammer dat ik niet meer de tijd heb gehad om wat dieper in de verschillende algoritmen te duiken. De opleiding Mechatronica combineert drie opleidingen; werktuigbouwkunde, elektrotechniek en computersturing. Door mijn afstudeeropdracht heb ik met alle drie de richtingen wat te maken gehad, iets wat mij overigens heel goed bevallen is. Het was een opdracht waarbij ik van nul tot het werkend eindresultaat met alle plezier aan heb gewerkt. De begeleiding tijdens de stage was nagenoeg perfect. We kregen alle ondersteuning van Actemium die we nodig hadden. Ik heb een workshop over In-Sight gehad, alle vrijheid om te werken aan de EduLab-Xorter installatie, ondersteuning van collega’s binnen Actemium en zelfs ondersteuning van een speciallist van Cognex zelf. Mijn stagebegeleider Peter van den Berg had mij niet beter kunnen begeleiden, hij liet mij vrij om te experimenteren en dingen op mijn eigen manier aan te pakken terwijl hij mij perfect heeft gestuurd tijdens problemen en onwetendheden. De begeleiding van Fontys Venlo was ook goed. Ik heb een aantal bijeenkomsten gehad met de schoolbegeleider Frank van Gennip waarin ik alle vragen en onzekerheden beantwoord kregen. Verder wil ik ook nog een aantal collega’s speciaal bedanken; Pieter van Rees, Frank Compen, Dirk de Groot en Johan van de Ven. Deze vier personen hebben mij geholpen om op een hoger niveau te komen en hebben mij uitstekend geholpen op momenten dat ik er zelf niet aan uit kwam. Al met al raad ik iedere student aan een kijkje te nemen bij Actemium. Mijn afstudeerperiode bij Actemium is voor ons zeer leerzaam geweest en ik heb mij goed geamuseerd. Ik ben geen enkele dag met tegenzin naar stage gegaan en ik ben van mening dat ik geen betere afstudeerstage hadden kunnen vinden als deze.
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
41
Literatuurlijst Boeken: -
GAMP4; Guide for Validation of Automated Systems. e Dr. Keith Powell en I. Richardson (2001),ISPE publicatie, 4 versie.
-
Veldbussen; Industriële netwerken en hun toepassingen. e Rob Hulsebos (1996), Kluwer Bedrijfsinformatie publicatie, 1 versie.
Cursus materiaal: -
Cursusmap Siemens S7 Programmeren voor gevorderden. Ehrbecker Schiefelbusch B.V. (2006)
-
Workshop In-Sight, Isotron b.v.
-
Workshop ISA-88, Peter van den Berg
Dictaten: -
Communiceren in groepen; Naslagwerk voor presenteren, rapporteren en vergaderen. e G.A.M. Aerts (2006), interne publicatie Fontys Technische Hogeschool Venlo, 6 versie.
-
Handleiding voor het afstuderen; Informatie en richtlijnen betreffende het afstuderen voor studenten. P.J.G. Hammer (2006), interne publicatie Fontys Hogeschool Venlo, e 1 versie.
Websites: -
http://wiki.edu-lab.nl
Verwerking van alle bijlagen
-
www.actemium.nl
Algemene informatie Actemium en Vinci
-
www.bustechnologie.nl
Informatie over AS-Ibus en Profibus
-
www.cognex.com
Software download en informatie camera
-
www.edu-lab.nl
Foto’s van begeleiden leerlingen
-
www.edulab.actemium.nl
Reserveringen EduLab-Xorter
-
www.fuijnon.com
Informatie van de Objectieven
-
www.siemens.nl
Informatie van de PLC’s en kaarten
-
www.wikipedia.nl
Algemene informatie
Peter Minten
Afstudeerverslag
Int. Mechatronica
42
