Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Bezdrátový systém kontroly pracovního výkonu

Tomáš Halabala, Milan Adámek
 
Pro kontrolu pracovního výkonu zaměstnanců a evidenci hotových výrobků lze využít bezdrátový kontrolní systém. Jeho hlavní výhodou je jeho mobilita. Příspěvek popisuje vývoj prototypu bezdrátového komunikačního systému a jeho použití v praxi. Jsou zmíněny požadavky kladené na monitorovací systém a popsána je hardwarová i softwarová část realizovaného monitorovacího systému. V závěru příspěvku je zmíněna implementace výrobku v reálném provozu.
 
For workers performance monitoring and records about finished products, a wireless control system can be used. Its main advantage is its mobility. The paper describes the development of a prototype of wireless communication system and its deployment in
practice. Outlines requirements for monitoring system, describes the hardware and software of the implemented monitoring system. In conclusion, the implementation of the product in a real plant is mentioned.
 

1. Úvod

 
Snahou každého výrobce je maximální produkce kvalitních výrobků při minimálních nákladech a za co nejkratší dobu. Většinu výrobních úkonů v moderní výrobě zastávají stroje, které by měly být plně vytíženy a jejich výpadky a poruchy co nejdříve odstraněny. Existují ovšem stále ještě činnosti, které nelze stroji nahradit nebo by jejich náhrada byla z technického hlediska velmi obtížná a neobyčejně nákladná. Proto se na těchto místech musí do výrobní linky zapojit člověk. Pracovní výkon člověka není stálý, je ovlivňován mnoha faktory. Do jisté míry lze pracovní výkon člověka považovat za konstantní v případě pásové výroby, avšak závisí-li produkce převážně na schopnosti pracovníků, kteří si mohou sami udávat pracovní tempo, protože nejsou závislí na jiných fázích výroby, bývá výkon u jednotlivých pracovníků značně kolísavý.
 
Předkládaný text popisuje jeden ze způsobů monitorování pracovního výkonu zaměstnanců ve společnosti, která vyrábí pryžové součásti zejména pro automobilový průmysl. Zařízení určené k monitorování pracovního výkonu bylo použito ve výrobní hale, v níž každý zaměstnanec na dílčím pracovišti vyrábí daný typ výrobku (hadice s různými tvary do motorů). Pracoviště jsou ve většině případů přemístitelná. Jde o zařízení, která působením tlaku a teploty tvarují z polotovaru hotový výrobek. Úkolem pracovníka je nasadit polotovar na přípravek, spustit mechanismus tvarování, následně vyjmout výrobek a umístit jej do krabice. Původně měl každý pracovník pro kontrolu pracovního výkonu k dispozici obyčejné počítadlo napojené na tlačítko, které stiskl po ukončení úkonu na jednom kusu výrobku. Tak měl přehled o počtu hotových výrobků v krabici. Požadavkem zadavatele byla úprava současného způsobu počítání výrobků tak, aby se data z těchto tlačítek přenášela bezdrátově do počítače připojeného do podnikové sítě s databází Oracle, kde je možné data vyhodnocovat a také vracet každému pracovníkovi zpět informaci o tom, zda plní nebo neplní pracovní normu.
 

2. Požadavky kladené na monitorovací systém

 
Navržený monitorovací systém je určen ke kontrole pracovního výkonu několika desítek pracovníků ve výrobní hale. Pro to, aby pracovní stanoviště byla přemístitelná, musí být vstupní jednotka s tlačítky monitorovacího systému navržena jako přenosná. Jednotka je napájena akumulátorovou baterií. Pro její dlouhou životnost je požadován minimální příkon elektroniky. U tlačítka je jednoduché elektronické počítadlo s LCD, na kterém je s každým stiskem tlačítka přičtena jednička. Pro možnost elektronického vyhodnocení stisků tlačítek je požadován přenos informace o stisknutí tlačítka bezdrátově do centrálního (sběrného) počítače, společného pro každou výrobní halu. Každé tlačítko je jednoznačně rozlišitelné, tj. musí mít svůj jedinečný identifikační kód. K vyhodnocování výkonu pracovníků jsou požadovány tyto údaje: identifikační kód tlačítka, čas stisku (hodina, minuta, sekunda) a datum stisku (den, měsíc, rok).
 
Komunikace mezi tlačítkovými moduly (vstupními jednotkami) a přijímačem musí zajistit spolehlivé doručení informace do přijímače – při neúspěchu doručení musí být tento stav výrazně indikován červenou LED umístěnou na předním panelu tlačítka. Z uvedeného důvodu není tedy možné vybavit tlačítka pouze vysílačem, ale součástí musí být i přijímač pro zajištění zpětné vazby, pomocí které může být detekována chyba přenosu. Na základě toho je potom možné vysílání kódu zopakovat a při nedoručení ani po několikátém pokusu musí být ohlášena porucha. Jednička na počítadle je přičtena teprve po úspěšném doručení kódu tlačítka do přijímače.
 
Další funkcí tlačítkového modulu je informovat pracovníka, zda plní či neplní pracovní normu. Tato informace je posílána na základě výpočtů z dat v podnikové databázi. Výsledek se posílá do přijímače, který tuto informaci vyšle zpět do modulu tlačítka, jenž zajistí zobrazení stavu plnění pracovní normy.
 
Bezpodmínečně nutné je, aby byl přijímač schopen pracovat nepřetržitě i při výpadku elektrického proudu. Musí tedy obsahovat záložní akumulátory a obvody automatického dobíjení. Ze záložní baterie musí být schopen pracovat minimálně po dobu 24 hodin. Přijímač zároveň musí být schopen pracovat i při výpadku hostitelského počítače. Z toho vyplývá, že musí obsahovat paměť minimálně pro data získaná z tlačítek za jednu směnu. Požadavkem zákazníka je kapacita paměti 8 000 záznamů (jde o halu s maximálně dvaceti pracovníky, z nichž každý je schopen za směnu vyprodukovat nejvíce 400 výrobků).
 
Tlačítkové moduly i přijímač musí obsahovat vlastní anténu. Pro případ, že by bylo třeba rozšířit přijímač o externí anténu s vyšším ziskem, je požadováno vybavení přijímače příslušným konektorem pro připojení antény.
 

3. Konstrukce bezdrátového systému

 

3.1 Realizace tlačítkového modulu

V monitorovacím systému může být až několik desítek tlačítkových modulů, proto by měly být výrobní náklady na tlačítkový modul (obr. 1) co nejmenší. Základ každého tlačítkového modulu tvoří řídicí mikrokontrolér PIC16F627A (Microchip), transceiver RTX-RTLP 434 (Aurel) a počítadlo N121.A (IVO; obr. 2).
 

3.2 Realizace přijímače

Úkolem přijímače (obr. 3) je zachycovat vysílané kódy a ty vždy uložit spolu s okamžitým časem a datem do paměti. Toto zařízení je sice označeno jako přijímač, ale je to zároveň i vysílač zpětné vazby do tlačítek. Základ přijímače tvoří mikrokontrolér PIC16F73 (Microchip), paměť CMOS SRAM o kapacitě 128 kB, paralelní rozhraní pro spojení s počítačem, hodiny reálného času, záložní akumulátory a obvody automatického dobíjení.
 

3.3 Rádiový modul pro bezdrátovou komunikaci

Pro bezdrátové spojení tlačítkových modulů s přijímačem byly využity rádiové hybridní moduly, které pracující ve volném průmyslovém pásmu 433,92 MHz. Jelikož komunikace musí být obousměrná, bylo nutné použít hybridní modul, který v sobě slučuje rádiový vysílač i přijímač. Rádiový modul v tlačítkách je shodný s modulem v přijímači, takže musí splňovat požadavky jak pro použití v tlačítkových modulech, tak pro použití v přijímači. Vzhledem k bateriovému provozu tlačítek musí být jeho příkon minimální a pro napájení musí stačit 3 V. Zároveň musí mít část vysílače dostatečný výkon a část přijímače dostatečnou citlivost. Pro dosah v rámci výrobní haly, tedy do 50 m v zarušeném průmyslovém prostředí, by se měl výkon vysílače blížit hodnotě +10 dBm a citlivost přijímače by měla být alespoň –90 dBm. Přijímací část modulu by měla být stavěna pro trvalý příjem a přepínání na vysílání by mělo být dostatečně rychlé, protože se při přenosu každého stisku tlačítka musí směr komunikace několikrát změnit. Vzhledem k tomu, že není třeba přenášet velké objemy dat, nýbrž pouze několik bajtů na každý stisk tlačítka a komunikuje se po běžné sériové lince se stejnosměrnou složkou signálu, stačí pomalý, jednoduchý a levnější modul s amplitudovou modulací on-off keying, např. transceiver RTX-RTLP-434 (Aurel).
 

4. Software pro komunikační systém

 

4.1 Tvorba firmwaru pro přijímač a tlačítkový modul

Program pro mikrokontrolér přijímače i tlačítkových modulů byl napsán v assembleru. Prostředí programu MPLAB IDE v.7.10 firmy Microchip bylo použito pro tvorbu firmwaru jak přijímače, tak i vysílače.
 

4.2 Downloader pro PC

Pro komunikaci s databázovým softwarem firmy byl vytvořen program pro PC s názvem Recomp 434 Driver (obr. 4). V klidovém režimu program nic nevykonává, pouze je na monitoru zobrazeno jeho stavové okno. Na základě příkazů od databázové aplikace jsou buď načteny záznamy stisků tlačítek z paměti přijímače, nebo jsou nastaveny příznaky plnění norem pro jednotlivá tlačítka. Tyto příkazy mohou být předávány pomocí systémových zpráv Windows nebo pomocí příkazové řádky. Z toho vyplývá i důvod, proč je program nazván driver (program lze chápat jako ovladač).
 
V rozšířené nabídce programu (obr. 5) lze ručně nastavovat příznaky plnění pracovní normy nebo ukládat data z paměti přijímače na disk počítače. Po stisknutí tlačítka „přečíst data“ se načtou všechny nové záznamy (od posledního čtení) a výsledek se uloží do souboru vybraného v poli „cílový soubor“.
 

5. Použití v praxi

 
Zařízení najde využití všude, kde je třeba bezdrátově zaznamenávat signály od spínačů (tlačítek). Kromě toho je lze využít např. pro dálkové měření, ovládání atd. Dosah rádiového signálu může být ve volném prostoru až 100 m. S každým signálem je zároveň zaznamenáván aktuální čas a datum.
 
Ing. Tomáš Halabala
doc. Mgr. Milan Adámek, Ph.D.
Fakulta aplikované informatiky,
Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
 
Ing. Tomáš Halabala pracuje u firmy Regulace.org jako vývojový pracovník. Jeho odborné zájmy jsou: elektronika, regulace, zakázkový vývoj hardwaru a softwaru. Doc. Mgr. Milan Adámek, Ph.D., pracuje v ústavu elektrotechniky a měření Fakulty aplikované informatiky Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně. Zabývá se měřením technologických veličin a elektronikou. Je proděkanem pro tvůrčí činnosti.
 
Obr. 1. Hotový modul bezdrátového tlačítka
Obr. 2. Digitální počítadlo použité při konstrukci tlačítkového modulu
Obr. 3. Přijímač pro bezdrátová tlačítka
Obr. 4. Stavové okno
Obr. 5. Rozšířená nabídka hlavního panelu
 
Tab. 1. Technické parametry realizovaného tlačítkového modulu
Tab. 2. Technické parametry realizovaného přijímače
 

Srovnání prototypu bezdrátového komunikačního systému s komerčně dostupnými produkty

Bezdrátový komunikační systém popsaný v tomto příspěvku (obr. 6) vznikl na zakázku podle požadavků zadavatele. Firma, která zařízení uplatnila ve výrobě, požadovala, aby se po stisku mobilního tlačítka doručil do paměti přijímače kód pracovníka spolu s datem a časem stisku tlačítka, a to i v případě rušení (tlačítek na stejné frekvenci je ve výrobní hale několik). Proto se vysílač s přijímačem snaží spojit opakovaně. Kdyby se ani tak nepodařilo stisk tlačítka v přijímači zaznamenat (např. kdyby byl pracovník úplně mimo dosah signálu nebo z jakéhokoliv jiného důvodu), nesmí se na displeji tlačítka nedoručené stisknutí připočítat a chyba komunikace musí být indikována akusticky a blikáním LED. Celý systém (přijímač + tlačítka) musí být autonomní a funkce nesmí být nijak narušena při výpadku elektrické sítě po dobu 24 hodin. Přijímač musí mít v sobě záložní akumulátor s automatickým dobíjením a musí mít vnitřní paměť pro ukládání záznamů v době, kdy nadřazený počítač s modulem nekomunikuje. Nebylo tedy možné použít žádný z komerčně nabízených produktů, protože uvedené požadavky žádný z nich nesplňoval.