AS-0.3200 Automaatio- ja systeemitekniikan projektityöt Kevät 2013 Loppuraportti Työ 3: Kahvinkeitimen PLC-ohjain (3 op) 17.5.2013 Ohjaaja Jukka Peltola Toteutus Antti Kangasrääsiö Joonas Kröger 1/12
Johdanto Projektityön tarkoituksena oli tutustua Beckhoffin uuteen TwinCat3 PLC alustaan ja toteuttaa sillä uusi automaatiojärjestelmä 1. kerroksen kahvihuoneen automaattiseen kahvinkeittimeen. Alustan markkinoituina ominaisuuksina oli muun muassa integroitu OPC UA serveri, joka mahdollistaisi esimerkiksi verkon yli erilaisilla päätelaitteilla (mm. PC, Android) toimivat etävalvomot. OPC UA serveri voisi mahdollistaa myös keittoprosessin lisätoiminnallisuuksien toteuttamisen hajautetusti lähiverkossa, sillä esimerkiksi nykyinen keittimeen integroitu IRC botti voisi sijaita missä päin tahansa lähiverkkoa, kunhan sille toteutettaisiin OPC UA standardin mukainen client rajapinta serveriin. Tämän lisäksi PLC:ssä oli myös mukana teollisuustietokone (Windows Embedded Standard), jossa voisi teoriassa olla mahdollista ajaa valvomo ohjelmistoa, mikä mahdollistaisi thin client tyyppisten valvomoiden käytön esimerkiksi normaalin www selaimen kautta. Tämän lisäksi pitäisi olla mahdollista integroida ulkoisia ohjelmia eritoten Simulink simulointimalleja toimimaan yhdessä PLC:ssä ajettavien IEC 61131 3 ohjelmien kanssa. Tämä voisi sallia muun muassa ohjausohjelmiston testaamisen Simulink mallia vasten ennen implementointia oikeaan toimintaympäristöön. Työssä tutustuttiin edellä mainittujen uusien ominaisuuksien toteutukseen, sekä myös yleisesti kyseisen PLC laitteen käyttöönottoon. Osa ominaisuuksista saatiin toimimaan, kun taas osan toimintaan saaminen ei onnistunut tämän projektin puitteissa. Työssä luotiin tekninen raportti (liite A), jossa kuvataan se, miten toimimaan saadut asiat saatiin toimimaan ja mitä kaikkea yritettiin muiden ominaisuuksien osalta. Tämän raportin on tarkoituksena olla apuna esimerkiksi seuraavalle projektiryhmälle, joka pääsee jatkamaan tätä työtä ehkä jo ensi syksynä. Tässä dokumentissa käydään ensin läpi työssä käytetty laitteisto. Tämän jälkeen käydään läpi työn toteutussuunnitelma siten kun se kehittyi projektin saatossa. Seuraavaksi käydään läpi työn kulku, jonka jälkeen kerrataan työssä saavutetut tulokset. Lopuksi on vielä pohdintaa projektista ylipäänsä sekä projektin mahdollisesta jatkosta. Tulokset Työssä saatiin konfiguroitua Beckhoffin CX5010 PLC sekä siihen liittyvä IO. PLC:lle ohjelmoitiin IEC 61131 3 logiikkaohjelma käyttäen hyväksi TwinCat3 ohjelmointiympäristöä. Logiikkaohjelma käynnistyy automaattisesti PLC:n uudelleenkäynnistyksen yhteydessä. PLC:llä oleva OPC UA serveri saatiin konfiguroitua siten, että se toimii yhdessä logiikkaohjelman kanssa. Serverille on mahdollista ottaa yhteys laboratorion lähiverkosta. PLC asennettiin laboratorion kahvinkeitinprosessin yhteyteen ja se on tällä hetkellä toiminnassa laboratorion kahvihuoneessa. Työssä tutkittiin mahdollisuutta OPC UA valvomon toteutukseen, mutta puuttuvan lisenssin takia 2/12
tätä ei voitu toteuttaa tämän projektin puitteissa. PLC:lle oli mahdollista asentaa valvomo ohjelma, joka mahdollistaisi thin client tyyppisten valvomoiden käytön, mutta ohjelma kaatui aina käynnistettäessä, eli sitä saatu toimimaan käytännössä. Laitteisto Työn päälaite on Beckhoffin TwinCat3 CX5010 PLC (Kuva 1), joka sisältää Windows Embedded Standard käyttöjärjestelmän sekä IEC61131 3 suoritusympäristön logiikkaohjelmia varten. Kuva 1: Beckhoff CX5010 PLC PLC:ssä on kiinni kolme IO korttia: 8 porttinen digitaalinen ulostulo (KL2408), 8 porttinen digitaalinen sisääntulo (KL1408) sekä 8 porttinen analoginen sisääntulo (KL3468). Tämän lisäksi pakassa on myös IO pakan lopputerminaali, jonka ainoa tarkoitus lienee terminoida pakan sisäiset väylät. Testaamista varten käytettiin myös laboratoriossa olevaa ABB:n PLC testisalkkua (Kuva 2), tarkemmin ottaen sen IO testitoimilaitteita (potentiometri ja kahdeksan kytkintä), sekä laboratorion linjastosta lainattua valomajakkaa. Näiden avulla voitiin todentaa ohjelman toimivuus IO tasolle asti. Testisalkun toimilaitteiden kytkemistä varten tehtiin lattakaapelista kytkentäjohto, koska testisalkun toimilaitteiden kaapelit eivät olleet riittävän pitkiä tarvittavien IO kytkentöjen tekemistä varten. 3/12
Kuva 2: ABB PLC testisalkun IO:t testikäytössä Itse keittoprosessissa on keittimenä akateemiseen teollisuuskäyttöön suunniteltu MoccaMaster prosessilaitteisto. Keittimen prosessisäiliöön voidaan annostella kahvijauhetta oheisesta kahvisiilosta käyttäen ruuvikuljetinta. Ruuvikuljettimen yhteydessä on tuuletin, jonka tehtäviin kuuluu sekä ruuvikuljettimen moottorin jäähdytys että riittävän ilmanvaihdon turvaaminen kahvipurun siirtoputkessa (estää purujen tarttumista vesihöyryn kostuttamaan putkeen, mikä voisi ajan saatossa johtaa tukkeumiin). Laitteistoon kuuluu myös summeri, jolla voidaan ilmaista käyttäjille keittoerän päättymisestä. Laitteiston hallinta tapahtuu pääsääntöisesti käyttöpaneelin avulla. Paneelissa on kolme nappia, joissa jokaisessa on myös valo. Keltaisesta napista voi testata laitteiston toimivuuden sekä poistaa vesisäiliöön mahdollisesti jääneen veden (pakottaa keittimen päälle). Vihreästä napista voidaan kuitata että suodatin on vaihdettu ja keitin on valmis aloittamaan seuraavan erän keiton. Sinisestä napista voidaan käynnistää keitto. Tämän lisäksi paneelissa on digitaalinen valitsin keittomäärälle sekä analoginen valitsin keittovahvuudelle. Prosessilaitteisto on esitetty edestä päin kuvassa 3. 4/12
Kuva 3: Prosessilaitteisto Ohjelmointia varten käytettiin laboratorion Dell Optiplex 780 työasemakonetta. Tärkeimmät käytetyt ohjelmistot olivat Beckhoffin TwinCat ohjelmointiympäristö (tehty Microsoft VisualStudio 2010 Shellin päälle), TwinCat konfigurointityökalu (TwinCat System Manager), TwinCat OPC UA konfigurointityökalu (TcOpcUaConfigurator.exe) sekä InduSoft Web Studio 7.1 (valvomo ohjelmisto, demo lisenssi). Tämän lisäksi 3. kerroksen laboratoriosta lainattiin Samsung Galaxy Tab 2 Android kosketustietokone, mutta sitä ei päästy käyttämään koska aika ei riittänyt Android sovelluksen tekoon. 5/12
Toteutussuunnitelma Toteuttajilla olevan toisen samanaikaisen projektin vuoksi toteutettiin projekti pääpainotteisesti kevään jälkimmäisen periodin aikana. Projektiin uskottiin olevan käytössä riittävästi aikaa ottaen huomioon että työn laajuus olisi 3op. Projektin suunniteltu toteutusarkkitehtuuri on esitetty kuvassa 4. Kuva 4: Projektin suunniteltu toteutusarkkitehtuuri. Toteutus suunniteltiin tehtäväksi pienemmissä työpaketeissa (sprinteissä). Suunnitelma hioutui alun jälkeen suurinpiirtein seuraavanlaiseksi. (Vastuu: A = Antti, J = Joonas, M = molemmat) Sprintti 1 (viikot 9 11) Laitteiston asentaminen paikalleen (M) Laitteistoon, sen käyttöönottoon ja ohjelmointiin tutustuminen (M) Sprintti 2 (viikot 12 13) Logiikkaohjelman suunnittelu ja toteutus (A) Ulkoisten ohjelmien integroinnin tutkiminen (J) Simulaattorin toteutus (J) 6/12
Sprintti 3 (viikot 14 15) OPC UA serverin konfigurointi (A) IO:n konfigurointi (A) Sprintti 4 (viikot 16 17) OPC UA valvomon toteutus (J) Thin client valvomon toteutus (A) Ohjelman viritys käyttäen hyväksi mittauksia oikeasta järjestelmästä (A) Ohjelman testaus käyttäen hyväksi IO:ta ja valvomoa (A) Sprintti 5 (viikot 18 19) Laitteiston asennus paikalleen prosessiin (M) Ohjelman testaus ja viimeiset säädöt paikan päällä (M) Dokumentointi (M) Extra sprintti (jos aika sallii) Android valvomo (A, J tai M) Suunnitelmassa pysyttiin melko hyvin, joskin toteuttajien muut kiireet wapun alla johtivat siihen, että sprintin 4 asioista osa jouduttiin siirtämään wapun jälkeen, mikä aiheutti hieman kiirettä loppua kohti. Työn kulku Projekti aloitettiin helmikuussa kun työn ääriviivat luonnosteltiin ja laitteistoon tutustuttiin nopeasti ohjaajan sekä Beckhoffin konsultin kanssa. Valitettavan huonon ajankohdan takia toteuttajat eivät kuitenkaan pystyneet olemaan laitteiston esittelytilaisuudessa kovin pitkään, jolloin suurin osa opastuksesta jäi kuulematta. Kokouksesta ei myöskään tehty muistiinpanoja, jotta nämä detailit olisi voinut opiskella jälkeenpäin. Maaliskuussa projekti lähti käyntiin sillä, että PLC ja työasema asennettiin käyttökuntoon laboratorion ensimmäisen kerroksen työhuoneeseen 1561. Työasemaan asennettiin TwinCat3 kehitysympäristö jolla PLC:n ohjelmointi ja konfigurointi hoituivat. Tässä vaiheessa kului paljon aikaa käsittämättömien yhteysongelmien ratkaisemiseen, sillä jostain syystä yhteys PLC:n ja työasemakoneen välillä katkesi aina välillä tuntemattomasta syystä. Asia saatiin lopulta korjattua riittävän monen boottauksen, uudelleenasennuksen ja uudelleenkonfiguroinnin jälkeen. Tämän lisäksi konfigurointivaiheessa paljon asioita meni pieleen sen takia, että PLC:ssä olikin käytössä väärä käyttöjärjestelmäversio. Kun saimme vihdoin hankittua oikean käyttöjärjestelmän, moni asia selvisi. Kun työasema oli käyttökunnossa, aloitettiin logiikkaohjelman ohjelmointi. Ohjelma tehtiin 7/12
pääpiirteittäin tilakonetyyppiseksi ohjaukseksi käyttäen ST ja FBD kieliä (IEC 61131 3). Ohjelma tehtiin sellaiseksi, että sen toiminta olisi mahdollisimman samanlaista kuin aikaisemmankin totetutuksen, joskin avoimen aikaohjatun ohjauksen sijaan päädyttiin mallipohjaiseen avoimeen ohjaukseen käyttäen hyväksi simulaattorista saatuja simuloituja mittauksia. Ohjelmaan tehtiin kaksi paikallista debug valvomoa, toinen muistuttamaan OPC UA valvomonäkymää ja toinen taasen puhtaasti debug valvomoksi, josta näkee esimerkiksi raa at IO signaalit. Ulkoisten ohjelmien ja logiikkaohjelman integroinnin testaamista varten toteutettiin yksinkertainen Simulink malli Matlabissa. Integrointi osoittautui kuitenkin erittäin ongelmalliseksi, sillä kävi ilmi, että Simulink mallista generoitua koodia ei mitenkään saanut kääntymään oikein, useista miestyötunneista ja ohjelmien asennuksista, poistoista ja jatkuvasta virheenmetsästyksestä huolimatta. Simulink simulaattori päätettiin lopulta korvata logiikkaohjelman sisäisellä simulaattorilla, joka oli toteutettu ST kielellä omaksi ohjelmakseen. OPC UA serveri konfiguroitiin toimimaan käyttäen hyväksi Beckhoffin manuaaleja. Tämä onnistui suhteellisen helposti ja kivuttomasti, joskin uudelleenkonfigurointi on vielä hieman kömpelöä ja vaatii erinäisiä manuaalisia toimenpiteitä. IO:n konfiguroinnissa meni paljon aikaa PLC:ssä alunperin olleen Profibus masterin toimimattomuuden selvittelyyn. Lopulta todettiin master moduulin olevan todennäköisesti rikki, ja IO pakka liitettiin suoraan PLC:n kylkeen. Tämän jälkeen IO:n konfigurointi oli yksinkertaista. Logiikkaohjelman ja simulaattorin parametrit viritettiin käyttäen hyväksi mittauksia oikeasta keittoprosessista. Tämä oli melko suoraviivaista, sillä prosessi ei ole loppujen lopuksi kovinkaan monimutkainen. IO testattiin käyttäen hyväksi erään toisen PLC:n IO toimilaitteita (Kuva 2). Ohjelma testattiin ja se vaikutti toimivan hyvin. Tämän jälkeen alettiin tutkia OPC UA valvomon toteuttamista käyttäen annettua InduSoft ohjelmistopakettia. Pian alkuselvittelyiden jälkeen kuitenkin selvisi, että kyseinen demo lisenssi ei esimerkiksi mahdollista omien valvomoiden toteuttamista. Korvaavaa tuotetta etsittiin, mutta ei valitettavasti löydetty. Yksi mahdollisuus olisi ollut toteuttaa täysin oma valvomo ohjelmisto käyttäen hyväksi esimerkiksi OPC UA:sta tehtyä Java SDK:ta, mutta tämä todettiin liian työlääksi tämän projektin puitteissa. Lopulta päätettiin käyttää OPC UA valvomon sijaan tavallista OPC UA asiakasohjelmaa (UaExpert). Thin client tyyppistä valvomoa testattiin myös, ja kaikki toimi hyvin siihen asti kunnes demo valvomon käynnistää PLC:llä. Jokin osa valvomosta kaatuu tuntemattomasta syystä, eikä syytä löydetty etsinnöistä huolimatta. Työssä oli optiona toteuttaa myös Android valvomo, mutta valitettavasti aikaa tähän ei ollut, johtuen siitä, että priorisoimme päätoimintojen toteutuksen (tai ainakin toteutuksen yrittämisen) lisätoimintojen edelle. 8/12
Lopuksi PLC asennettiin oikean prosessin yhteyteen (Kuva 5) ja sen toimintaa testattiin. Ennen demotilaisuutta ohjelmaan tehtiin vielä viimeisiä virityksiä oikean laitteiston toiminnan perusteella. Demotilaisuudessa esiteltiin PLC:n ominaisuuksia sekä itse järjestelmän toimintaa. Lisäksi osallistujille tarjottiin mahdollisuus maistaa uudella järjestelmällä keitettyä kahvia. Demon jälkeen PLC sijoitettiin vanhan Ethernet IO:n tilalle ja keitin asetettiin siististi takaisin alkuperäiselle paikalleen. PLC:n mahdollista konfigurointia varten siihen jätettiin kiinni näyttö, näppäimistö ja hiiri (Kuva 6). Projektin ajankäyttö on kuvattu taulukossa 1. Kummallakin toteuttajalla kului projektiin suurinpiirtein yhtä monta tuntia. Työn teknisistä yksityiskohdista voi lukea liitteenä olevasta raportista (liite A). Kuva 5: PLC kytkettynä prosessilaitteistoon 9/12
Taulukko 1: Ajankäyttö Kohde Ajankäyttö (miestyötuntia) Kurssin yhteiset tilaisuudet 8 Palaverit 8 Työaseman käyttöönotto 16 Logiikkaohjelman teko 19 Valvomoiden teko 6 OPC UA konfigurointi 12 IO:n konfigurointi 6 Simulink 14 Dokumentointi 12 Demo ja sen valmistelut 24 Yhteensä 123 Kuva 6: Loppuasennus 10/12
Pohdintaa Projektissa tuli vastaan useita ongelmia laitteiden ja toimintojen toimintaan saamisen kanssa. Tämä on tavallaan ymmärrettävää siitä syystä, että PLC edustaa uusinta uutta ja työkalut eivät ole vielä päässeet samanlaiseen kypsyyteen kuin ehkä vanhemmissa PLC:issä. Toisaalta tämä debuggaus vei paljon aikaa tuottavalta työnteolta, mikä taasen aiheutti sen, että aikaa ei jäänyt kaikkien projektin tavoitteiden saavuttamiseen. Jotkin osat olisi ehkä ollut nopeampi toteuttaa, jos toteuttajat olisivat päässeet osallistumaan Beckhoffin konsultin järjestämään demotilaisuuteen kokonaisuudessaan, tai jos siitä olisi jäänyt kunnollinen kokousmuistio. Debugaamiseen käytettiin pääsääntöisesti Beckhoffin manuaaleja sekä verkkosivuja. Niistä ei kuitenkaan löytynyt esimerkiksi kaikkia saamiamme erilaisia virhekoodeja tai troubleshootingia moniin ongelmiin joita vastaamme tuli. Olisimme voineet alkaa neuvottelemaan asiasta Beckhoffin asiakaspalvelun kanssa, mutta johtuen sen todennäköisestä hitaudesta jätimme sen väliin. Lisäksi tykkäämme haasteista. Itse PLC:n päätoimintojen toteutus oli hyvinkin yksinkertaista ja miellyttävää. Ohjelmointiympäristö oli toimiva ja esimerkiksi IO:n konfigurointi oli helppoa. Myös OPC UA:n toimintaan saaminen oli suhteellisen helppoa, joskin hieman työläämpää kuin voisi toivoa. Projektissa olisi voitu tehdä ehkä hieman enemmän taustatyötä valvomo ohjelmiston valinnan kanssa, sillä heti asennuksen jälkeen selvisi, ettei ilmaislisenssi ollut riittävä haluttujen toimintojen toteuttamiseksi. Olisi ollut hyvin aikaa tilata esimerkiksi oikea lisenssi, jos tilauksen olisi tehnyt projektin alkuvaiheessa. Valitettavasti emme myöskään tajunneet testata valvomoa heti alussa, vaan vasta projektin loppuvaiheessa kun tuli aika toteuttaa valvomo. Simulink mallien toiminnallisuutta tämänkaltaisessa ympäristössä kannattanee testata lisää myös tulevaisuudessa, mutta mielellään Beckhoffin teknisen tuen kanssa. Nyt ne jouduttiin hylkäämään kiireellisen aikataulun vuoksi, mutta toimiessaan ne voisivat olla erittäin toimiva tapa simulaattorien toteutukseen. Projektin lopuksi on helppo todeta, että kaikki järjestelmät, joiden käyttöä harkitsee on hyvä testata heti projektin alussa, jotta toteutus sujuu jouhevasti. Lisäksi olisi hyvä saada asiantuntija näyttämään paikan päällä miten kaikki uusimmat ja hienoimmat jutut pitää laittaa toimimaan. 11/12
Liitteet A Beckhoff TwinCat3 PLC:n (CX5010) asennus ja käyttöönotto 12/12