TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AUTOMATION DEPARTMENT SPECIFICATION OF STANDARD INTERFACES IN MODULAR FINAL ASSEMBLY SYSTEMS

Transkriptio

1 TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AUTOMATION DEPARTMENT NIKO SILTALA SPECIFICATION OF STANDARD INTERFACES IN MODULAR FINAL ASSEMBLY SYSTEMS MASTER OF SCIENCE THESIS The subject was approved in the meeting of the Automation Department Council on Examiners: Prof. Reijo Tuokko Prof. Tapio Virvalo

2 Preface This Master of Science thesis was carried out at Tampere University of Technology in the Institute of Production Engineering. The work was done within the SpecOpen project, funded by the National Technology Agency (TEKES) and the nine Finnish companies involved in the project. First of all I would like to express my gratitude to my supervisor, Prof. Reijo Tuokko, for his encouragement and support during the project, and the opportunity to work at the Tampere University of Technology. I would like to thank my colleagues Mr. José LM Lastra (M.Sc.), Mr. Henri Viinikainen and Mr. Jani Jokinen (M.Sc.) for very interesting discussions concerning the specification of interfaces and the construction of the SpecOpen Pilot Line. I would also like to thank all hardware suppliers, especially Flexlink Automation Oy, GWS Systems Oy and JOT Automation OYj for supplying the production modules for the SpecOpen Pilot Line. Further thanks to my colleagues Mr. Jani Jokinen (M.Sc.), Mr. Matti Aarnio, Mr. Andrei Lobov and Mr. Mika Lintunen for their effort of making the control programs of the Pilot Line. And finally, I would like to thank my parents for their continuous support and my girlfriend, for her support, patience and understanding during these few months. Tampere, on 1 st March, 2001 Niko Siltala Saarenvainionkatu 17 B Tampere FINLAND niko.siltala@tut.fi

3 Table of Contents ABSTRACT...6 TIIVISTELMÄ...7 NOTATIONS AND ABBREVIATION INTRODUCTION MODULAR FINAL ASSEMBLY SYSTEMS DEFINITIONS COMMON FEATURES Material Handling Systems Manual or Semiautomatic Workstations Automated Robotic Cells MODULARITY REQUIREMENTS STANDARDS: STATE OF THE ART COMMUNICATION NETWORKS OPEN SYSTEMS INTERCONNECTION MODEL - OSI MODEL Physical Layer Data Link Layer Network Layer Transport Layer Session Layer Presentation Layer Application Layer CONTROLLER NETWORKS Ethernet Cabling Ethernet Network Topologies Ethernet Protocols Components for Ethernet Network...34

4 3.3 SERIAL I/O NETWORKS Introduction Components used in serial I/O networks CONNECTIVITY TOOLS SECS / GEM SEMI Equipment Communication Standard - SECS-I High-Speed SECS Message Services Standard - HSMS SEMI Equipment Communication Standard - SECS-II Generic Equipment Model - GEM EXTENSIBLE MARKUP LANGUAGE - XML Origin of XML XML: Structured, Extensible and Text Formatted Relation between XML and HTML Other Advantages of XML XML is a Family of Technologies XML Example IPC - THE ASSOCIATION CONNECTING ELECTRONICS INDUSTRIES IPC-25XX Standards IPC-254X Standards IPC IPC IPC CASE STUDY: SPECOPEN PILOT LINE APPLICATION NEEDS OF THE PILOT LINE CONSTRUCTION OF THE PILOT LINE Automatic Assembly Cell - LCAC Other Modules CONTROL STRUCTURE OF THE PILOT LINE Selection of Control Components Control Components CONCLUSIONS OF THE CASE STUDY...75

5 5.4.1 Connection Problems Use of I/O Networks Communication Networks Controllers SPECIFICATION OF INTERFACES HARDWARE LAYER Mechanical Connections Module Relocation Cables and Connectors Escort Memory Upwards Connections PROTOCOL LAYER Structure SECS/GEM XML and IPC-25XX standards SECS/GEM versus IPC Based on XML DATA LAYER CONCLUSIONS SUMMARY REFERENCES...108

6 TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Automation Degree Program Institute of Hydraulics and Automation Siltala, Niko: Specification of Standard Interfaces in Modular Final Assembly Systems Master of Science thesis, 110 p. Examiners: Prof. Reijo Tuokko and Prof. Tapio Virvalo Funding: TEKES (the National Technology Agency), Deltatron Oy, Elcoteq Network Corp., FlexLink Automation Oy, GWS Systems Oy, JOT Automation Plc, Nokia Mobile Phones, Nokia Networks, PMJ automec Corp. and Salcomp Oy Automation Department March 2001 Abstract The main goal of the SpecOpen project was to make the requirements of new open control systems better known both to the end users and suppliers and technology development communities in field of light assembly production. A pallet-based production line was built during the project in our laboratory for studying and defining these requirements more closely and verifying the suitability of open control systems in practice. The line consists of nine functional modules manufactured by three different suppliers, and one robotic assembly cell developed by TUT/IPE. The production line was set up for a case product, a mobile phone charger. The control system of each functional module was modified to work using a serial I/O network and PC-based controller. The control systems were chosen from commercial components and the aim was to build as comprehensive and versatile a system as possible by selecting different control hardware and control software, fieldbuses, and I/O modules. The evaluations carried out during this work were mainly qualitative. The connectivity issues between production cells from different vendors were known in advance. These problems are related mostly to the end users and integrators because this usually means that a single supplier delivers the production line. If all functional modules fit together, the end users will be able to choose the best in class cells and modules for specific tasks. Also, reusability of modules is increased by the standard interfaces. The project has tried to overcome the lack of connectivity by producing a specification of interfaces between segments. This specification will be a proposal for a generic interface between final assembly cells. The specification aims to maintain, as far as possible the existing interfaces, select the best and necessary parts of them and make possible improvements to meet the future needs. An essential part of this Master of Science thesis was to define both the hardware and the information layer of the interface. Due to the close relation between the final assembly process and the SMD process, the standards used in SMD placement are also interesting. The two most promising sets of standards are under the scope: SECS/GEM and IPC/NEMI standards based on XML.

7 TAMPEREEN TEKNILLINEN KORKEAKOULU Automaatiotekniikan koulutusohjelma Hydrauliikan ja Automatiikan laitos Siltala, Niko: Standardirajapinnan määritteleminen modulaarisille loppukokoonpanojärjestelmille Diplomityö, 110 s. Tarkastajat: Prof. Reijo Tuokko ja Prof. Tapio Virvalo Rahoittaja: TEKES, Deltatron Oy, Elcoteq Network Oyj, FlexLink Automation Oy, GWS Systems Oy, JOT Automation Oyj, Nokia Mobile Phones, Nokia Networks, PMJ automec Oyj ja Salcomp Oy Automaatiotekniikan osasto Maaliskuu 2001 Tiivistelmä Tässä diplomityössä on keskitytty kevyen loppukokoonpanoautomaation sovelluksiin ja tämän päivän ongelmakohtiin kokoonpanojärjestelmän laitteissa. Toisena tavoitteena on ollut saada sekä loppukäyttäjät että laitevalmistajat tietoisiksi uuden avoimen ohjausjärjestelmän asettamista vaatimuksista. Myös erilaisiin teknologian kehitysyhteisöihin on pyritty vaikuttamaan kertomalla heille kevyen loppukokoonpanon tarpeista. Tämän SpecOpen -projektin aikana Tuotantotekniikan laitoksen laboratorioon rakennettiin pienimuotoinen tuotantolinja, jonka avulla on perehdytty tämän päivän teknisiin ratkaisuihin. Linjan avulla on pyritty myös määrittämään tarkemmin ne vaatimukset, joita tuotantosolut asettavat liityntärajapinnoille ja ohjausjärjestelmälle. Linjan kolmas tehtävä oli todistaa avoimen PC-pohjaisen ohjausjärjestelmän soveltuvuus tämän tyyppisiin sovelluksiin sekä sillä saavutettavat edut perinteisiin ohjausjärjestelmiin verrattuna. Paletteihin pohjautuva tuotantolinja muodostui kaksikerroksisesta modulaarisesta keskikuljettimesta, jonka ylemmällä radalla paletit kulkivat tuotantovirran suuntaan ja alemmalla radalla paletit palautettiin takaisin linjan alkuun. Keskilinjan solujen vierellä olivat modulaariset työpistesolut, joita on enimmillään yksi kummallakin puolella keskilinjaa. Kokoonpantavana case-tuotteena oli matkapuhelimen laturi. Linja koostui kaikkiaan yhdeksästä erillisestä moduulista, jotka saatiin projektin käyttöön kolmelta hankkeessa mukana olleelta laitetoimittajalta. Laitetoimittajilta saadut moduulit olivat

8 manuaaliseen kokoonpanoon soveltuvia työpisteitä tai työpisteiden välillä palettien siirron suorittavia kuljettimia. Linjassa oli lisäksi yksi automaattinen kokoonpanosolu, joka on rakennettu Tuotantotekniikan laitoksella. Projektin aikana automaattisolu rakennettiin uudelleen mekaanisesti vahvistettuna. Soluun lisättiin myös kaksi liikeakselia, tarrain ja konenäköjärjestelmä, ja solu yhdistettiin keskikuljetinmoduuliin. Jokaisen moduulin ohjausjärjestelmä korvattiin avoimella PC-pohjaisella ohjausjärjestelmällä. Käytännössä tämä tarkoitti logiikoiden korvaamista kenttäväyläterminaaleilla ja PC:n lisäämistä asennettuun kenttäväylään. Ohjausjärjestelmä rakennettiin kaupallisista komponenteista ja sen rakenne pyrittiin tekemään mahdollisimman monipuoliseksi ja kattavaksi valitsemalla järjestelmään erilaisia ohjauslaitteita sekä ohjelmistoja, kenttäväyliä ja I/O-moduuleita. Tutkimuksen aikana linjalla ei suoritettu määrällisiä mittauksia vaan kaikki tulokset perustuvat laadullisiin arvioihin. Jo ennalta oli tiedossa, että kokoonpanosoluissa käytetyt rajapinnat ovat varsin kirjavat. Lähes jokaisella valmistajalla on käytössään oma rajapintamäärittely, kuinka kaksi vierekkäistä solua liittyvät toisiinsa. Määrittelyiden vaihtelevuus on ongelma sekä loppukäyttäjille että järjestelmäintegraattoreille, koska käytännössä tämä tarkoittaa, että koko kokoonpanolinja joudutaan hankkimaan yhdeltä toimittajalta tai liittoutumalta. Jos tuotantosolut ja -moduulit olisivat liitynnöiltään yhdenmukaiset, loppukäyttäjät voisivat hankkia markkinoilta tiettyyn tehtävään parhaiten soveltuvat laitteet, voidessaan olla jo ennalta varmoja siitä, että laitteet voidaan vaivattomasti liittää toisiinsa. Samalla tuotantosolujen uudelleenkäytettävyys paranee. Tätä rajapintamäärittelyjen puutetta on pyritty korjaamaan SpecOpen -projektissa. Projektin aikana on tehty ehdotus yleiseksi rajapintamäärittelyksi loppukokoonpanosolujen välillä, joka esitellään tässä diplomityössä. Määrittely on pyritty pitämään mahdollisimman lähellä tänä päivänä käytettyjä valmistajakohtaisia määrittelyjä, valikoimalla niistä parhaat ja tarpeelliset ominaisuudet. Määrittelyyn on lisätty kohtia silmällä pitäen avoimen ohjausjärjestelmän ja tulevaisuuden tarpeita.

9 Tiedonsiirtorajapinnat ovat olennainen osa tätä diplomityötä. Koska loppukokoonpano on läheisessä suhteessa piirilevyjen kokoonpanon kanssa, ovat tällä alueella käytetyt ja kehityksen alla olevat standardit mielenkiinnon kohteena. Kaksi lupaavinta standardikokoelmaa ovat SECS/GEM sekä XML:ään pohjautuvat IPC:n ja NEMI:n standardit, joiden sisältöä on käsitelty työssä.