Automaatio- ja systeemitekniikan projektityöt 2013 AS- 0.3200 Kahvinuuttoprosessin automaatiojärjestelmä Projektin suunnitelmadokumentti Antti Kangasrääsiö 68950W Joonas Kröger 78651M
1. Johdanto Tämän työn tarkoituksena on luoda uusi automaatiojärjestelmä ohjaamaan Sumppimontun instrumentoitua kahvinkeittoprosessia. Kahvin keitto on kriittinen osa paikallisen tieteellisen tutkimushenkilöstön motivaationsäätöjärjestelmää, ja kahvin taattu nopea saatavuus ja hyvä laatu mahdollistavat oivalliset tutkimustulokset ja laadukkaan opetuksen [1]. Kohdejärjestelmässä on ennen työn tekemistä ollut vanha automaatiojärjestelmä, mutta se on päätetty vaihtaa modernimpaan järjestelmään tutkimushenkilökunnan akateemisten mielenkiintojen tyydyttämiseksi. Työssä on tarkoituksena tutustua Beckhoffin uuteen TwinCat 3 järjestelmään ja sen erilaisiin toiminnallisuuksiin, kuten Simulink-mallien liittämismahdollisuuteen. Lisäksi tarkoituksena on tutustua OPC UA:n toiminnallisuuteen ja mahdollisesti myös Android-sovellusten toteuttamiseen automaatiojärjestelmiin liittyen. Nykyisellä järjestelmällä prosessia voi hallita joko fyysisestä paneelista tai etänä muun muassa IRC-botin välityksellä. Uuden järjestelmän tarkoituksena on korvata vanha rajapinta prosessin ohjausohjelmistoon OPC UA:lla. Tämä mahdollistaa uuttoprosessin tarkkailun ja hallinnan etänä erilaisista valvomoista OPC UA:n avulla. Tavoitteena on helpottaa lopputuotteen valmistusta, mahdollistaa prosessin etävalvonta ja tehdä säätöparametrien (prosessi-erän laatu ja koko) muuttamisesta helpompaa. Kaiken kaikkiaan työn tekemiseen menee noin 3op per henkilö. Määrä on kalibroitu luotettavalla ja tunnetulla Stetson-Harrison menetelmällä [2]. 2. Järjestelmän rakenne Tämänhetkinen järjeselmä koostuu uuttoprosessista (sisältäen vesitankin, ohjattavan kiehuttimen, höyryputken, uuttoaltaan ja lopputuotesäiliön tuotenimi MoccaMaster), materiaalivarastosta (sisältäen siilon, ohjattavan ruuvisiirtimen ja ohjattavan liitäntäventtiilin vesijohtojärjestelmään), fyysisestä ohjauspaneelista (sisältäen prosessin käynnistysnapin, uuttosäiliön puhdistuksen kuittausnapin, määrävalitsimen ja laatuvalitsimen), sekä vanhasta ohjausjärjestelmästä, josta emme juurikaan tiedä sen enempää. Uudessa järjestelmässä ohjausjärjestelmä korvataan Beckhoffin CX-5020 PLC:llä, jossa toimii myös prosessisimulaatio sekä OPC UA-serveri. Erilliselle PC:lle toteutetaan valvomosovellus, joka kommunikoi laboratorioverkon yli PLC:n kanssa. Tämän lisäksi toteutetaan mahdollisesti myös Android-pohjainen valvomosovellus. Rakenne on kuvattu tarkemmin kuvassa 1.
Kuva 1. Toteutettavan järjestelmän rakenne. Kuvassa Controller, Simulator ja OPC server ovat PLC:ssä pyöritettäviä sovelluksia. SCADA UI on PC:ltä käytetty valvomosovellus, Android UI on Android käyttöliittymä, Phys. Ctrl. Panel on olemassa oleva fyysinen käyttöpaneeli ja Actuators kuvastaa toimilaitteita. Controller on PLC:n ohjauslogiikka, Simulator Simulink-sovelluksella toteutettu simulaattorisovellus ja OPC server on PLC:n OPC serverirajapinta. Toimilaitteessa ei ole anturointia, joten prosessin säätö on avointa. Testaamiseen käytettyä simulaattorikomponenttia voidaan kuitenkin käyttää myös prosessin ohjaukseen: prosessia simuloimalla voidaan laskea sopivia säätöarvoja toimilaitteille. Projektissa käyttöönotetut komponentit ovat siis Controller (PLC), SCADA UI (valvomo), Android UI (Android sovellus) ja Simulator (Simulink-ohjelmalla toteutettu simulaattori), sekä OPCrajapinta.
3. Työn jaottelu ja ajankäyttö Työ koostuu järjestelmäkuvauksesta ja määrittelyistä, PLC-logiikan ohjelmoinnista, testaukseen ja ohjaukseen käytetyn simulaattorin luomisesta, SCADA-valvomon teosta ja mahdollisesti Android sovelluksen teosta. Järjestelmäkuvaus ja määrittelyt ovat työn ensimmäinen vaihe: järjestelmän tavoiteltu toiminta selvitetään, minkä pohjalta voidaan suunnitella PLC-logiikan, simulaattorin ja UI-komponenttien ohjelmakoodi. Osana määrittelyjä selvitetään myös Beckhoffin OPC UA-rajapinnan toimintamalli, jotta ohjelmakoodi voidaan suunnitella siihen sopivaksi. Tämän vaiheen oletetaan vievän yhteensä n. 8 tuntia työaikaa. PLC-logiikan ohjelmointiin käytetään IEC 61131-3 standardin mukaista ST-kieltä. Prosessi ei logiikan osalta ole kovin monimutkainen; jos järjestelmämäärittely on tehty tarpeeksi hyvin, aikaa ei pitäisi tähän työvaiheeseen kulua enempää kuin 16. tuntia. Simulaattori muodostetaan MATLAB:in Simulink ympäristöllä järjestelmämäärittelyyn ja muodostettuun PLC-ohjelmaan perustuen. Tämän työvaiheen oletetaan vievän n. 8 tuntia. SCADAvalvomo toteutetaan joko Indusoft-ohjelmistolla tai Beckhoffin omalla PLC runtime:n valvomosovelluksella, riippuen siitä saadaanko Indusoft ajoissa käyttöön. Valvomo toteutus vienee noin 16 tuntia. Toiseksi viimeisenä työvaiheena toteutetaan järjestelmän laaja simulointi, ja simuloinnin onnistuessa fyysinen käyttöönotto. Mikäli kaikki sujuu ongelmitta ja aikaa jää, toteutetaan myös Android-käyttöliittymä (valvomo) prosessin ohjaukselle, mikä vienee noin 24 tuntia. Olemme asettaneet tavoiteajoiksi eri vaiheille seuraavaa: Lopullinen järjestelmäkuvaus valmiina15.2. PLC-logiikka valmiina, simulaattori(simulink)lähes valmis 19.3. PC UI & simulaattori valmiina 29.3. Järjestelmä testattu ja käyttövalmiina 12.4. (Android UI valmiina 3.5.) 4. Riskinhallinta Merkittävin tähän projektiin liittyvä riski on fyysisen uutoprosessilaitteiston vaurioituminen joko virheellisen asennuksen, tai vahingollisen ohjauksen takia. Tämän riskin realisoitumisen todennäköisyys on kuitenkin erittäin pieni, sillä tunnemme järjestelmän tarpeeksi hyvin ja suunnittelemme toteutettavan järjestelmän riskit huomioon ottaen. Riskinä on myös, että ryhmän jäsenet murtuvat henkisesti valtavan paineen alla kamppaillessaan ahdistavia aikarajoja vastaan opintoaikojen rajauksen kummitellessa alitajunnassa alituiseen. Tämän riskin minimoimme juomalla riittävästi (paljon) kahvia ja pitämällä riittävästi (monta) sopivan mittaisia (pitkiä) taukoja työn ohessa.
Kolmantena riskinä voi olla myös saadun PLC:n ominaisuuksien riittämättömyys suhteessa asetettuihin toiminallisiin vaatimuksiin. Esimerkiksi Simulink-mallin yhdistämisessä ohjauslogiikkaan voi ilmetä yllättäviä ongelmia. Riskin minimoimme hahmottelemalla vaihtoehtoisia tapoja toteuttaa samat toiminnallisuudet. 5. Lähteet [1] Aalto-yliopiston strategia http://www.aalto.fi/fi/about/strategy/ [2] Stetson-Harrison menetelmä http://en.wikipedia.org/wiki/stetson%e2%80%93harrison_method