Beckhoff Applicaties:

'Just in time' met decentrale besturing over Ethernet


Vorig jaar nam Ford Genk een 7 km lang transportsysteem in gebruik dat onderdelen direct vanuit de fabrieken van toeleveranciers naar de assemblagehallen moet brengen. Om de 45 seconden wordt er een nieuw onderdeel op de juiste plek afgeleverd. Voor de automatisering van dit logistieke hoogstandje koos GTI Electro Thijs het concept van decentrale besturing. In een Ethernet-TCP/IP netwerk zorgen 130 Beckhoff BC9000 bus terminal controllers voor just-in-time ťn just-in-sequence leveranties.

De nieuwste modellen van de succesvolle Mondeo wordt gebouwd in de fabrieken van Ford Genk. Een hoge automatiseringsgraad en state-of-the-art productietechnieken zijn kenmerkend voor deze Belgische locatie. Meer dan 1650 auto's rollen hier dagelijks van de lopende band. De capaciteit van de drieploegendienst bedraagt dan ook zo'n 350.000 vierwielers per jaar. Bij deze hoeveelheden valt te begrijpen dat Ford enkele jaren geleden de belangrijkste toeleveranciers uitnodigde zich zo dicht mogelijk bij haar eigen fabriek te vestigen. Zo ontstond pal naast de locatie van Ford een 'suppliers park'. Om alle onderdelen naar assemblagehal C te krijgen heeft ASG (Automotive Service Genk) een speciaal transportsysteem aangelegd. Het transportsysteem, aangeduid als 'de tunnel', meet een totale lengte van ongeveer 7 km. Vanuit het suppliers park gaan de onderdelen via deze tunnel naar de verschillende stations aan de productieband, waarna het systeem via twee wegen weer terugvoert naar het begin. Qua investering gaat het hier om een totaalbedrag van rond de 30 miljoen euro, waarvan 7 miljoen euro nodig was voor het automatiseringsgedeelte. Het transportsysteem is een concept dat al eerder bij Ford Saarlouis zijn waarde bewezen heeft.




Optimale beschikbaarheid
Een bijzonder aspect van dit project is dat niet Ford, maar het consortium ASG eigenaar is van het transportsysteem. De verantwoordelijkheid voor een optimale beschikbaarheid en de financiŽle risico's die daarmee samenhangen, berusten dan ook bij dit consortium. Het consortium bestaat uit de toeleveranciers SML (complete aandrijfsystemen), Lear (stoelen en banken), Textron (dashboards en tanksystemen) en TDS Essers (uitlaten en kabelbomen) en GTI Electro Thijs. De leden van het consortium worden per geproduceerde auto uitbetaald. Zodoende wordt een directe relatie gelegd tussen uptime van het systeem en financieel resultaat. Elke deelnemer heeft dus het allergrootste belang bij een perfecte toelevering aan Ford. Het besluit om de tunnel aan te leggen werd in 1999 genomen. Ivan Guilliams, projectleider van GTI Electro Thijs licht toe: "Ford wil de toeleveranciers dichter bij de productielocatie hebben." In oktober van hetzelfde jaar werd begonnen met het ontwerp, waarna in december gestart kon worden met de eerste bouwmaatregelen. De onderdelen van het transportsysteem werden in dezelfde periode door Eisenmann uit het Duitse BŲblingen geleverd. Het tempo lag hoog want in de laatste week van april 2000 konden de eerste componenten al in werking worden gesteld. De eerste 8-uurse proefseries liepen vanaf 15 augustus 2000. Een week voor de officiŽle ingebruikname in september werd het transportsysteem gedurende 100 uur onafgebroken onderworpen aan een laatste test.
Inmiddels is men al weer bijna een jaar verder en is Ford druk doende haar productie van de Mondeo op te voeren. Vanzelfsprekend volgt de output van het transportsysteem dezelfde trend; de eisen voor het just-in-time en just-in-sequence leveren van componenten worden voortdurend opgeschroefd. Logisch dus dat de besturing van het transportsysteem in hetzelfde tempo verbeterd wordt.

Met de vestiging van suppliers dichtbij de productie en de fysieke koppeling van toelevering en montage wil Ford een reeks doelstellingen realiseren:


Hangbaan
Het transportsysteem bestaat uit een 7 km lange, elektrisch aangedreven hangbaan en is uitgerust met 110 wissels en 35 liften. De onderdelen of complete systemen worden in speciale carriers aangevoerd. Zodra een order bij de toeleverancier binnenkomt en de inhoud gecontroleerd is, brengt de lift het onderdeel omhoog waarna het via een stel wissels zijn weg vervolgt door de tunnel richting Ford. De lege carriers komen in omgekeerde volgorde weer terug in de hal van de toeleverancier. Lege carriers worden trouwens op een apart station gecontroleerd en indien nodig gerepareerd. De hangbaan heeft 450 carriers die in drieploegendienst ongeveer 45.000 onderdelen naar de verschillende werkplekken aan de montageband van de Mondeo brengen. De cyclustijd van de montageband bedraagt 45 seconden. Dit betekent dat om de 45 seconden bestelde onderdelen op afroep in de juiste variant op de inbouwlocatie worden afgeleverd. Zodra een body van de Mondeo wordt besteld en op de montageband wordt gezet, worden alle gegevens over de order, type, kleur, vermogen etc. via een netwerk doorgegeven naar de toeleveranciers. Precies 78 minuten later moeten de bestelde onderdelen en systemen bij de montageband zijn. De toeleveranciers hebben niet meer dan 34 minuten om de laatste assemblage uit te voeren plus nog enkele minuten voor controle en klaarzetten van bestellingen. Het transport duurt hoogstens 24 minuten; daarnaast zijn er nog 6 minuten gereserveerd als buffertijd. De planning is dus erg strak. Vandaar de hoge eisen aan het systeem.




Modulair transportsysteem en besturingstechniek
Vanaf de allereerste ontwerpfase heeft het concept van de modulaire opbouw gediend als uitgangspunt. Zo blijkt de modulariteit uit de inzet van de liftstations en de wissels in het transportsysteem. Wat betreft de besturingstechniek stonden de ontwerpers van Electro Thijs voor de keuze tussen een decentrale I/O-besturing vanuit centrale intelligentie of een oplossing met decentrale intelligentie. Na een vergelijking van verschillende systemen koos het ontwerpteam voor de oplossing met decentrale intelligentie. Projectleider bij Electro Thijs, Ivan Guilliams licht zijn keuze toe: "Modulariteit is in dit geval zonder meer voordeliger. Omdat verschillende onderdelen van de productie autonoom zijn, kunnen we ze ook onafhankelijk van elkaar laten draaien. Bovendien is de beschikbaarheid veel hoger omdat een storing in ťťn onderdeel niet meteen de complete productie plat legt." Maar ook de decentrale intelligentie heeft zijn voordelen. Bart Claes, project-engineer bij Electro Thijs en verantwoordelijk voor de implementatie van soft- en hardware, roemt de overzichtelijkheid van de deeloplossingen en het meervoudig gebruik van programmatuur. "Als je 110 wissels en 35 liften moet besturen, zijn er natuurlijk veel overeenkomsten in de locale besturingen. Deze zijn dan ook makkelijk aan te passen en te onderhouden.", aldus Bart Claes.

Ethernet TCP/IP
De fundamentele keuze voor decentrale intelligentie maakte ook de keuze ten gunste van het netwerk op basis van Ethernet TCP/IP makkelijker. Opnieuw Bart Claes: "Wat betreft datatransmissie lag het zwaartepunt bij de logistieke data en niet zozeer bij de I/O data." Daartoe diende een efficiŽnt communicatiesysteem te worden geÔmplementeerd en verder moesten de decentrale besturingsystemen met voldoende capaciteit onderhouden worden. Bovendien moest er een beslissing genomen worden voor het juiste besturingsconcept.
Uiteindelijk werd gekozen voor BC9000 bus terminal controllers van Beckhoff, uitgerust met intern Ethernet interface en TwinCAT software PLC als hoofdbesturingssysteem en link naar een visualiseringsysteem. Bart Claes: "We kiezen voor de technisch gezien meest overtuigende oplossing." Doorslaggevend voor de BC9000 waren volgens Claes de geÔntegreerde Ethernet-interfaces en het uitgebreide programma busklemmen, waaronder de seriŽle interfaces voor de koppeling van identificatie-leesstations, en tenslotte het programmeren volgens IEC 61131-3.

Redundante ring
Het complete tunnelproject maakt gebruik van 130 BC9000 bus terminal controllers. De besturing verloopt via een netwerk op basis van Fast-Ethernet TCP/IP (100 Mbaud). De Ethernet-verbinding van alle switches is uitgevoerd in de vorm van een redundante ring. In geval van breuk of storing in een van secties tussen de elf Fast-Ethernet-switches (Cisco Systems) blijft de 'onderbroken' switch dus toch bereikbaar, maar dan via de tegenoverliggende sectie. De verbinding met de aangesproken switches verloopt in full-duplexmode. Daardoor kan het netwerk praktisch real-time werken. De switches, die per stuk 24 poorten bezitten, zijn in een stervormige configuratie via afgeschermde kabels verbonden met de BC9000. Deze patch-kabels lopen van de stekerdoos in de besturingskast via een RJ45 steker naar de BC9000. Wat betreft besturing werkt elke aangesloten mini-PLC autonoom. Irrelevante I/O data worden niet via Ethernet gecommuniceerd, alleen data betreffende de order en de bestelde onderdelen. Mocht ondanks de redundante opbouw van het netwerk de Ethernetverbinding uitvallen, dan kan een BC9000 maximaal 500 orderbestanden opslaan. Pas wanneer die grens wordt overschreden, gaan er data verloren. Van belang is echter dat ook bij een uitval van het Ethernet, het complete transportsysteem niet wordt uitgeschakeld.

Overname decentrale besturingstaken door terminal controllers
De bus terminal controllers BC9000 zijn buskoppelstations met geÔntegreerde PLC-functionaliteit en Ethernet-aansluiting. In het tunnelproject worden de BC9000 controllers binnen het Ethernet-netwerk ingezet als decentrale intelligentie met de functies van een intelligente slave. De BC9000 is uitbreidbaar met maximaal 64 busklemmen die geschikt zijn voor twee- of vierkanaalsaanluitingen ten behoeve van digitale, analoge en speciale signalen zoals seriŽle interfaces, encoders of tellers. De mini-PLC wordt vanuit TwinCAT geprogrammeerd volgens IEC 61131-3. Voor het downloaden van het programma beschikt de BC9000 over een configuratie-interface. Maar bij wijze van alternatief kan, zoals dat in Genk is gedaan, het PLC-programma ook met TwinCAT PLC software via het Ethernet-netwerk worden geladen.
Wanneer daar behoefte aan is, kan elke busklem met KS2000 zo worden geconfigureerd dat deze direct alle data via de veldbus uitwisselt met een hoger gelegen apparaat. In het geval van het tunnelproject is dat de TwinCAT PLC. Een vergelijkbare uitwisseling van voorbewerkte data via de veldbus tussen de bus terminal controller en de hogere besturingen is eveneens mogelijk. Tijdens de opstartfase controleert het programma van de TwinCAT PLC met behulp van functieblokken (FB) de configuratie van de decentrale besturing van het complete transportsysteem. De TwinCAT PLC software kan desgewenst decentraal aangemaakte configuratiedata ophalen en centraal beheren en opslaan. Als een busklem wordt vervangen door een nieuw exemplaar hoeft dus niet alles opnieuw te worden ingesteld. Op het moment van inschakelen voert het programma van de TwinCAT PLC de instelling automatisch uit. De software van de TwinCAT PLC is 1 Mb groot en vereist niet meer dan 1,3 ms bewerkingstijd op een centrale PC (Pentium III, 500 MHz). Dat komt overeen met 17% van de capaciteit van de CPU van Windows NT.




Zekere besturing door snelle bewerkingstijden
Alle 130 BC9000's van het tunneltransportsysteem zijn autonoom. De mini-PLC's hebben normaal gesproken 40 tot 50 I/O's, bij de wissels en de liften zijn dat er meer dan 80. Bovendien heeft elke BC9000 een leeseenheid voor identificatie, aangesloten via een bus terminal met seriŽle interface. De liften zijn aangesloten op twee leeseenheden. Enkele besturingsstations zijn uitgerust met een tekstdisplay waarop de status van de applicatie of het station is af te lezen. Elke carrier heeft een identificatie-eenheid waarin data over de order en de bestemming worden opgeslagen. Al deze data bij elkaar bepalen de route die de carrier moet volgen langs de 110 wissels tot het overslagpunt in de montagehal van Ford. Aan de hand van deze data worden ook de wissels aangestuurd. Wanneer twee carriers tegelijk bij een wissel aankomen, bepaalt het first in-first out-principe wie voorrang heeft. Zodoende bestaan er binnen het stuurprogramma geen prioriteiten.
Hoewel het takenpakket van de BC9000's tamelijk complex is, zijn er geen problemen rond de cyclustijd. Tot nu toe zijn de volgende gegevens over de cyclustijd en interfacing opgetekend:


Aangezien de decentrale besturingen simultaan en bijna parallel werken, is in tegenstelling tot bij een systeem met centrale intelligentie, de cyclustijd geen Achilleshiel voor het gehele project.