MPS modüler üretim sisteminin bilgisayar destekli gerçek zamanlı kontrolü ve teknik eğitime uygulanması


Thesis Type: Doctorate

Institution Of The Thesis: Marmara University, Institute for Graduate Studies in Pure and Applied Sciences, Turkey

Approval Date: 2007

Thesis Language: Turkish

Student: SEZAİ TAŞKIN

Principal Supervisor (For Co-Supervisor Theses): Koray Tunçalp

Co-Supervisor: Hasan Erdal

Abstract:

MPS MODÜLER ÜRETİM SİSTEMİNİN BİLGİSAYAR DESTEKLİ GERÇEK ZAMANLI KONTROLÜ VE TEKNİK EĞİTİME UYGULANMASI Mesleki ve Teknik Eğitim’in en önemli özelliklerinden birisi, yapılan deneysel çalışmaların başarılı ve bilgili teknik eleman eğitiminde son derece önem taşımasıdır. Teknik branşlarda eğitim gören öğrenciler, öğrenim hayatlarının büyük bir kısmını laboratuvarlarda deney yaparak geçirmektedirler. Laboratuvar deneyleri, öğrencilerin tecrübe kazandığı uygulamalı eğitimin önemli bir kısmını oluşturmakta ve teknik eğitim programlarının en önemli tamamlayıcı unsurları arasında yer almaktadır. Bu deneysel çalışmalar, öğrencilere pratik beceri kazandırır ve onların endüstri ortamına hazırlanmasına yardımcı olur. MPS Modüler Üretim Sistemi, gerçek bir üretim sisteminde yer alabilecek bir çok donanım ve teknolojiler ile mekanik, elektrik, elektronik, programlama ve kontrol bilgisi gibi disiplinler arası konuları kapsayan, endüstriyel otomasyon sistemlerinin bir örnek modeli olup, Festo Didaktik tarafından tasarlanmış teknik eğitim amaçlı bir deney setidir. Deneysel çalışmalarda kullandığımız Modüler Üretim Sistemi (MPS-Modular Production System); Dağıtım, Test, İşlem, Taşıma ve Ayırma olmak üzere 5 modüler istasyondan oluşmaktadır. Modüler Üretim Sistemi, Siemens S7-300 PLC kontrollü mevcut hali ve tez çalışmaları kapsamında eklenen donanım ve kontrol yapısıyla; pnömatik-elektropnömatik, temel düzeyde elektrik-elektronik, algılayıcı ve vakum teknolojisi, renk algılayıcısı kullanımı, mekanik manipülasyon ve elektriksel tahrik sistemleri, endüstriyel haberleşme, açık-kapalı döngü otomatik kontrol sistemleri tasarlama, program geliştirme, kullanıcı arayüzü oluşturma, OPC uygulamaları, basınç, sıcaklık, yer değişimi gibi fiziksel niceliklerin ölçülmesi, analog verilerin değerlendirilmesi, görüntü aktarma/işleme ve uzaktan erişimli kontrol konuları gibi disiplinler arası bir çok teknik konuyu kapsayacak hale gelmiştir. Bu çalışmada, Modüler Üretim Sistemi’nin kontrolü için grafiksel programlama ortamı sunan NI LabVIEW 7.1 programı kullanılmıştır. Modüler Üretim Sistemi’nin gerçek zamanlı kontrolü için LabVIEW 7.1 programında çeşitli yapılarda kullanıcı arayüzleri tasarlanmış ve bunlara ait kontrol programları yazılmıştır. Sistemde yer alan elamanların konum ve durum bilgilerini veren 22 adet sayısal, 3 adet analog giriş ve 29 adet sayısal çıkış bilgisi NI FieldPoint dağıtık giriş/çıkış modüllerine bağlanmıştır. Bu bilgiler LabVIEW 7.1 programında oluşturulan programın akışına göre FieldPoint cihazları aracılığıyla Modüler Üretim Sistemi ünitelerindeki çıkışlara gönderilmektedir. Sistemin ana basıncını okumak amacıyla, 0-10 bar basıncı doğrusal olarak 0-10 Volt analog gerilim bilgisine dönüştüren bir basınç transdüseri kullanılmıştır. Bu bilgi, basıncın belirlenen referans değerin altına düşmesi durumunda öncelikle kullanıcıya uyarı vermekte ve hatanın devamında ise sistemin işleyişini durdurmaktadır. Uzaktan erişimli kullanıcılar için laboratuvar ortam sıcaklığı bilgisi için de K tipi bir termokupl ayrıca sisteme ilave edilmiştir. Sistem hareketlerinin uzaktan erişimli kontrolde görüntülenebilmesi için iki farklı yöntem kullanılmıştır. İlk yöntemde, görüntü işleme kartına(NI IMAQ PCI-1407) bağlanan analog bir kamera ile LabVIEW ön paneline yerleştirilen ekrandan görüntüler aktarılmıştır. Bu uygulamanın çalışabilmesi için istemci taraf bilgisayarında LabVIEW programının ve NI-IMAQ yazılımının yüklü olması gerekmektedir. İkinci yöntem ise, bir WebCam aracılığıyla görüntünün aktarılması işlemidir. Bunun için ayrıca bir arayüz programı yazılmıştır. Bu uygulamada, görüntü kalitesi ve örnekleme zamanı düşmesine rağmen, istemci taraf bilgisayarında LabVIEW programının ve yukarıda adı geçen yazılımın yüklü olmasına gerek yoktur. Uzaktan erişimde, her iki yöntem de aktif olarak çalışmaktadır. Sistemdeki işleyiş mantığının öğretilmesinde kullanılmak üzere, her bir ünitenin otomatik ve manuel, ünitelerin kendi arasında otomatik ve sistemin bir bütün olarak otomatik ve manuel modlarda olmak üzere farklı kullanıcı arayüzleri ve programları tasarlanmıştır. Ayrıca, öğrencilerin bu yapıyı değişik uygulamalar için geliştirebilmelerine olanak sağlaması amacıyla yazılan programlar açık kodlu olarak oluşturulmuştur. MPS üzerindeki tüm durum bilgileri ve çıkış sinyalleri, bilgisayar ekranından takip edilebilecek şekilde düzenlenmiştir. Bir ürünün kalite kontrol testinden geçirilmesi ve özelliğine göre depolanması işlemi bu sistem ile adım adım gösterilmiştir. Çalışmada, üretim sistemlerindeki bu tip yapılar için gerekli olan tüm bilgilerin bir veri tabanına aktarılması da yapılmıştır. İşlenen malzeme sayısı, bir ürünün tüm işlemleri için harcanan toplam süre ve harcanan elektrik enerjisi gibi veriler kullanıcı ekranına taşınmıştır. Böylece üretim verileri ile ilgili tüm detayların kayıt altına alınması sağlanarak, üretim planlama ile ilgili işlemlerde kullanılabilecek bir veri havuzu oluşturulmasının nasıl yapılacağı ile ilgili bir yöntem sunulmuş olmaktadır. Öğrencilerin MPS üniteleri ile çalışmaya başlamadan önce sistem üzerindeki tüm elemanları tanımalarına yardımcı olmak ve istasyonların farklı çalışma şekillerini gösterebilmek amacıyla, Macromedia Flash Programı’nda oryantasyon eğitimi amaçlı interaktif yapıda ve internet sayfası şeklinde dokümanlar hazırlanmıştır. Hazırlanan bu sayfalarda ünitelere ait tüm ayrıntılar gösterilmiştir. Ayrıca tüm ünitelerin ayrı ayrı ve birlikte çalışmasını gösteren ve 3dsMAX programı ile yapılan animasyonlar da bu dosyalara eklenmiştir. Sistem için hazırlanan tüm bu dokümanlar bir Internet Explorer sayfasında toplanmıştır. Bu dosyaların yer alacağı bir internet bağlantı adresi daha sonra yapılacak çalışmalarda oluşturulacaktır. Böylece öğrencilerin MPS üniteleri ile çalışmaya başlamadan önce sistemi tüm ayrıntılarıyla tanımalarını sağlayacak bir ön hazırlık ile çok daha pratik ve kolay öğretilebilir verimli bir yapı sağlanmış olmaktadır. Yapılan çalışmanın öğrencilerin akademik başarılarına ve öğrenme kolaylığı sağlamasına olan etkisinin araştırılması amacıyla Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi(MÜTEF) Mekatronik Eğitimi Bölümü 2005-2006 öğretim yılı 3. sınıf öğrencilerinden karşılaştırma amaçlı deney ve kontrol grubu olmak üzere iki grup oluşturulmuştur. Bu gruplardan elde edilen tüm notlar değerlendirildiğinde; tez çalışmaları kapsamında geliştirilen model ile oluşturulan öğretim tekniğinin, sistemin mevcut haline göre, öğrencilerin başarılarını toplamda %33 daha fazla arttırıcı özellikte olduğu görülmüştür. Bu sistemin sadece laboratuvar saatlerinde değil talep edilen her zaman ve her yerden kullanılabilmesini sağlamak için internet üzerinden uzaktan erişimli kontrolü de gerçekleştirilmiştir. Tez çalışmaları kapsamında yapılan donanımsal değişikliklerde MPS’in mevcut yapısı bozulmamıştır. Bu sayede sistem, PLC ve Dağıtık I/O FieldPoint donanımları üzerinden iki farklı şekilde çalıştırılabilmektedir. ABSTRACT COMPUTER AIDED REAL TIME CONTROL of MPS MODULAR PRODUCTION SYSTEM AND TECHNICAL EDUCATION APPLICATION The most important specifications of vocational and technical education are success experimental works and training of technical person covered with lots of knowledge. The students, studying in a technical department, spend most of their time in the laboratories. The laboratory experiments are the most important part of their education for getting more experiences. The experiments improve their practice and help to prepare them to working environments. Modular Production System (MPS), includes all elements of a real production system, covers lots of majors such as mechanics, electric, electronics, computer programming and control techniques, and is designed as an experimental platform for technical education by Festo Didactic Company. MPS has 5 modular stations; distributing, testing, processing, handling and sorting. It covers multidisciplinary subjects with its existing model – controls with the Siemens S7-300 PLC – and new added hardware and control structure during this study. The system with its new hardware and control structure has pneumatic-electropneumatic, basic level electric-electronics, sensor and vacuum technology, colour sensors, mechanical manipulation, electric drive systems, industrial communication, open/closed loop control system design, development of control programs, designing of user interfaces, OPC applications, processing of analog data, remote control and measurement of physical characteristics such as pressure, temperature and position control. In this study, LabVIEW 7.1 which is used for controlling of MPS has a graphical programming interface. Various user interfaces have been designed for real time control of the system which has 22 digital, 3 analog inputs and 29 digital outputs and, get position and condition information from MPS units. These input and output data are connected to a NI FieldPoint system which has distributed I/O interface. These data transfer to output of MPS as executing of the LabVIEW programme. Inserted a pressure transducer converts 0-10 bar pressure into 0-10 volt analog voltage, is used in the system. If the pressure goes down under the set value, the process will be stopped and an alert will appear. In addition, a K type thermocouple is used in the system for the temperature of laboratory environment. Two different methods are used for monitoring of the system motions for remote access. First method is the pictures captured with a camera connected to analog image processing interface (NI IMAQ PCI-1407) and transferred via a window, on the graphical interface of LabVIEW. In this method, “NI-IMAQ Software” must be installed on the remote access side. Second method is the pictures are transferred via a WebCam. In this method, the quality of pictures and sample time goes down. Various user interfaces and programmes were designed automatic and manual mode for each units, automatic mode among units and automatic and manual mode for all units for the purpose of teaching the system. In addition, all programmes were written as open source for the students who want to improve the system for further applications. All data in the MPS are transferred to the graphical interfaces. Quality control of a product and storing as specifications are shown step by step with this interfaces. All data are transferred to a database, would be used for similar systems and applications. Some data are shown on the user interface such as the amount of processed materials, total spending time and electrical energy during the process. The database can be used for planning of production system. Some flash documents, prepared with Macromedia Flash, show all materials in the system and process step by step for each unit. In addition, some animations, prepared with 3dsMAX, show process for each unit and all units. All these documents are transferred to HTML interface. An internet address will be set for remote access to these documents. So before working with the system, it is possible to get lots of information about it, which makes easy to learn and to teach the system. Two groups were formed from junior students of Marmara University Faculty of Technical Education(MUFTE) Mechatronic Education in 2005-2006 spring semester for the purpose of researching effects of academic success and easily learn level for this study. According to the research, this study improved 33% students learning level and collecting their attention rather than the system’s existing model. A programme, created in LabVIEW, allows to access for remote control of the system on the internet not only during the laboratory times but also whenever you need. So it is possible to reach the system in any time and from anywhere. Now, the system can be controlled with two different ways, existing model and controlling with distributed I/O FieldPoint. The system’s visual quality and availability are improved as well.