Zarządzanie procesem technologicznym z wykorzystaniem aplikacji mobilnej

Autor:       inż.  Małgorzata Iwanowska

Promotor:    dr inż. Dominik Łuczak

Praca dyplomowa inżynierska. Studia stacjonarne. 

ZARZĄDZANIE PROCESEM TECHNOLOGICZNYM Z WYKORZYSTANIEM APLIKACJI MOBILNEJ

    Praca ma charakter programistyczny a jej głównym celem jest komunikacja telefonu, z systemem operacyjnym Android, z sterownikiem PLC za pomocą protokołu komunikacyjnego Modbus TCP/IP (ang. Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Zakres pracy obejmuje analizę literatury tematu zdalnego zarządzania procesem technologicznym oraz przegląd dostępnych protokołów komunikacyjnych, jak też oprogramowanie danego procesu technologicznego na sterowniku PLC i stworzeniu dedykowanej aplikacji mobilnej pozwalającej zarządzać tym procesem. Osiągnięcie celu wymagało wybrania protokołu Modbus TCP/IP, dostępu do procesu technologicznego sterowanego przez sterownik PLC marki SIEMENS S7-1200 oraz posiadanie telefonu komórkowego z systemem operacyjnym Android, który będzie sterować danym procesem. Wszystkie części użyte w pracy tj. stanowisko dydaktyczne, sterownik PLC, router, przewody, telefon komórkowy zostały przedstawione na rysunku 1.
 

Skorzystano ze stanowiska wykonanego jako praca inżynierska w ubiegłym roku, które wykorzystywane jest jako tester oświetlenia. Stanowisko podzielone jest na 4 stacje robocze: załadunek żarówki, test żarówki oraz wyładunek żarówek sprawnych oraz uszkodzonych. Całość zamocowana jest na stole obrotowym sterownym przez silnik krokowy i przeznaczona jest do sprawdzania czy żarówka, którą umieszcza się w odpowiednim miejscu jest sprawna czy też nie. Stanowisko to należało również zmodernizować, ponieważ z upływem czasu ramiona wypychające żarówki uległy zniszczeniu. Należało je ponownie przymocować i wyrównać, oraz ustawić w odpowiedniej pozycji czujnik indukcyjny, który znajdował się na tyle nisko, że nie wykrywał obecności żarówki.
Sterownik, który został użyty w pracy to SIEMENS S7-1200. Do programowania wybranego sterownika PLC wykorzystane zostało środowisko programistyczne TIA Portal, w którym zostało poprawnie skonfigurowane połączenie oraz podłączenie jego wejść i wyjść ze stanowiskiem dydaktycznym.
Program na sterowniku pozwala na test żarówek w trybie automatycznym, w trybie pracy ręcznej lub w trybie równoległym w zależności od tego co wybierze klient. Wszystkie tryby pozwalają użytkownikowi na obserwowanie liczby żarówek sprawnych i liczby żarówek uszkodzonych, oraz informują użytkownika, kiedy może włożyć żarówkę.
W trybie pracy ręcznej użytkownik - klient wysyła dzięki komórce żądania do sterownika, dzięki którym steruje procesem. Po wprowadzeniu żarówki sterownik wysyła odpowiednią informację na telefon komórkowy, dzięki której użytkownik wie, kiedy może rozpocząć testy. Przy każdym naciśnięciu przycisku na ekranie telefonu, zostaje wysłana odpowiednia informacja na sterownik PLC. Po naciśnięciu "dalej" stół obraca się do kolejnej stacji roboczej i czeka na kolejna informacje od użytkownika. Gdy ją dostanie wykonuje test żarówki i czeka na ostatnią informację czy wykonać wyładunek. Jeżeli tak to obraca się do odpowiedniej stacji i rozładowuje żarówkę. W trybie pracy automatycznej użytkownik ma wpływ tylko na rozpoczęcie testów. Po wprowadzeniu żarówki i naciśnięciu przycisku start, stół obrotowy obraca się do kolejne stacji, wykonuje test i w zależności od jego wyniku rozładowuje żarówkę w odpowiednim miejscu. W obu trybach po pozytywnym teście żarówki, na ekranie telefonu zapala się ona na żółto. Rysunek 2 i 3 przedstawiają oba tryby po stronie klienta.
 

W trybie pracy równoległej użytkownik ma możliwość obserwowania więcej niż jednej żarówki na stole. Użytkownik nie wysyła do sterownika żadnych informacji, jedynie sterownik wysyła odpowiednie informację do klienta.  Klient może obserwować stan jaki występuje na wszystkich 4 stacjach roboczych.  Oprócz informacji o możliwości włożenia żarówki każda ze stacji wyświetla jeden z 4 komunikatów w zależności od tego, w którym miejscu znajduje się żarówka. 1 komunikat to puste pole, które posiadają: druga stacja - za nim żarówka pojawi się na stole, trzecia i czwarta stacja - jeżeli sprawność żarówki nie jest określona. Kolejny komunikat to "Czeka na żarówkę": w momencie braku informacji z czujnika indukcyjnego wyświetla go pierwsza stacja, po pojawianiu się żarówki druga stacja lub w momencie określenia sprawności żarówki trzecia lub czwarta stacja w zależności czy żarówka działa czy nie. Dwa pozostałe komunikaty odnoszą się tylko do stacji drugiej tj. "Sprawdza" w memencie testowania żarówki i "Sprawna" lub "Zepsuta" po wykonaniu testu.
 

Żeby przeprowadzić testy funkcjonalne komunikacji tak by działała ona poprawnie, oba urządzenia: sterownik i telefon komórkowy muszą znajdować się w tej samej sieci lokalnej. W tym wypadku sterownik został podłączony do routera przez kabel Ethernetowy, natomiast komórka połączyła się z routerem przez sieć WiFi. Pierwszym etapem testów funkcjonalnych i integracji telefonu ze sterownikiem było napisanie prostej aplikacji, która sprawdzała połączenie, pobierała cyklicznie zmienne ze sterownika oraz wysyłała wpisaną przez użytkownika zmienną i wysyłając ją na sterownik zapalała jego wyjście. Po sprawdzeniu poprawności komunikacji na powyższym przykładzie przystąpiono do modernizacji stanowiska laboratoryjnego i naprawienia uszkodzonych części. Po napisaniu programu na sterownik PLC i sprawdzeniu czy stanowisko działa jak należy zaczęto testy komunikacji na procesie technologicznym. Znaczna część pracy poświęcona jest zagadnieniom programistycznym takim jak zaprogramowanie aplikacji mobilnej oraz napisaniu programu odpowiedzialnego za sterowanie procesem technologiczny. Program jest napisany w taki sposób by można go dalej rozwijać. Mogą być dodane kolejne stanowiska dydaktyczne z którymi użytkownik będzie mógł się połączyć przez podanie właściwego adresu IP w dialogu ustawień. Wtedy na ekranie wyboru stanowiska pojawią się dodatkowe pola oznaczające kolejne procesy. Program można też rozbudować by działał jak mobilny system SCADA tj. by oprócz możliwości zarządzania i wizualizacji procesu, który został w pracy stworzony, informacje, które zbiera zapisywał i archiwizował w bazie danych, do której użytkownik będzie miał dostęp.