Automation utifrån ett styrtekniskt perspektiv
Automation härrör från det grekiska ordet automatos, som betyder ”något som handlar av sig själv”. En automatiserad funktion utför med andra ord ett uppdrag på ett självgående och självständigt sätt. Uppdraget realiseras i allmänhet genom att styra och påverka ett system så att ett önskat beteende erhålls.
Styrning förekommer i många sammanhang, exempelvis när bilföraren styr för att hålla rätt kurs, eller när riksbankschefen ändrar på styrräntan för att påverka inflationen (vissa system är svårare att styra än andra). Automatisk styrning innebär att styråtgärden baseras på återkoppling från processen i form av mätvärden, som upplyser om processens aktuella tillstånd (se figur 1). En av de enklaste formerna av automatisk styrning är termostaten, som slår ifrån när det blir för varmt och slår till när det blir för kallt.
Figur 1. Återkopplat system där styrfunktionen C påverkar processen P via styrsignalen u, baserat på mätinformationen y från processen. Målsättningen är att uppfylla specifikationen S för det totala återkopplade systemet.
Kontinuerliga, händelsediskreta och hybrida system
Automatiska styrfunktioner kan baseras på kontinuerliga mät- och styrsignaler, exempelvis hastighet, temperatur, moment, spänning etc, eller diskreta logiska signaler. De senare kan vara av typen öppen eller stängd ventil, ledig eller upptagen maskin, antalet produkter i en buffert etc (se figur 2). Styrfunktioner som baseras på
kontinuerliga signaler kallas normalt för reglersystem, medan system som baseras på diskreta, logiska signaler ibland benämns reaktiva system, exempelvis inom datorteknik och datavetenskap. Inom automation används i stället begreppet händelsediskreta system, eftersom förändringar av det diskreta tillståndet motsvaras av diskreta händelser, exempelvis att en produkt anländer till, eller lämnar en buffert (se figur 2).
I allmänhet appliceras det kontinuerliga betraktelsesättet på en lägre maskinnära nivå medan det händelsediskreta synsättet utnyttjas på en högre, mer abstrakt nivå. Som exempel kan nämnas robotar som utför kontinuerliga rörelser, men som på en högre nivå utför tjänster av typen hämta alternativt lämna produkt. Den klassiska reglertekniken omfattar i första hand det kontinuerliga signalperspektivet, medan ämnet automation fokuserar på det mer övergripande händelsediskreta applikationsområdet.
Figur 2. Händelsediskret system i form av en begränsad buffert, där det diskreta tillståndet är antalet produkter i bufferten, och de diskreta händelserna a och b motsvarar "produkt anländer till bufferten" respektive "produkt lämnar bufferten". Ett Petrinät och en motsvarande tänkbar tillstånds trajektoria illustrerar fallet tre buffertplatser.
En intressant situation inträffar då ett system innehåller både kontinuerliga signaler och diskreta händelser, något som under senare år har etablerats under begreppet hybrida system. Denna typ av system är användbart för att beskriva exempelvis kontinuerliga flöden som styrs av logiska styrfunktioner, och kontinuerliga reglerfunktioner som intar olika moder exempelvis uppstart, normal mod, alarm etc. Att modellera, analysera och designa hybrida system är idag ett spännande forskningsområde där Chalmers bidrar på ett aktivt sätt.
Automatisk framtagning av styrfunktioner
Målsättningen för ett kontinuerligt reglersystem är att erhålla så liten avvikelse som möjligt mellan önskat och verkligt beteende. Önskemålet kan vara en specifik hastighet för en bil eller en önskad position för en svetsrobot. När det gäller händelsediskreta system kan målet i stället vara att undvika förbjudna tillståndskombinationer, exempelvis att flera robotar samtidigt vistas i ett gemensamt område, ett krav som om det inte uppfylls innebär att robotarna löper risk att kollidera med varandra.
Regler- och styrteknikerns uppgift är att åstadkomma styrfunktioner som uppfyller de önskade kraven och målsättningarna. Man utgår då i allmänhet från en modell av processen, som i det händelsediskreta fallet skulle kunna vara ett Petrinät (se figur 2). Baserat på en sådan processmodell P (se figur 1) samt en specifikation av det önskade beteendet för det återkopplade systemet S, är det i allmänhet möjligt att automatiskt generera en styrfunktion C, i det kontinuerliga fallet ofta med hjälp av traditionella optimeringsrutiner och i det händelsediskreta fallet baserat på formella metoder för verifiering och heltalsoptimering. Vi ska nu illustrera hur denna typ av automatiskt genererad styrfunktion kan komma till användning inom ett viktigt tillämpningsområde nämligen flexibel produktion.
Flexibel produktion
Moderna produktionssystem byggs upp med ökande krav på flexibilitet både vad avser utrustning och tillverkade produkter. Dessa krav grundar sig på önskemål om kortare produktserier, specifika kundkrav, små lager, ”just in time” etc. Denna typ av flexibilitet kräver dock kraftfullare funktioner för koordinering och synkronisering av de ingående resurserna (utrustningen) och produkterna.
Erfarenheter från installationer av flexibla tillverkningssystem visar tyvärr att ju mer flexibel utrustningen är desto svårare är det att utnyttja den inbyggda flexibiliteten och att introducera nya detaljer för produktion. Detta beror bla på bristande funktionalitet i den ingående styrprogramvaran, som ofta blir ostrukturerad och skräddarsydd och därmed ej återanvändbar.
Figur 3. Systemarkitektur för ett flexibelt produktionssystem bestående av (a) ett antal samverkande funktioner som i (b) inkluderar en hierarki och ett livscykelperspektiv.
Generell arkitektur för systemprogramvara
För att råda bot på detta problem har det bl a vid Chalmers utvecklats en generell systemarkitektur för framtagning, drift och vidareutveckling av flexibla och automatiserade produktionssystem. Arkitekturen bygger på generella modeller för ingående resurser och produkter samt en
automatiskt genererad styrfunktion som synkroniserar de olika produkternas utnyttjande av resurserna. Den grundläggande idén är individuella självgående produkter som betjänas av intelligenta resurser, där en tydlig separation mellan resurser och produktvägar ger ökad flexibilitet och återanvändning, samt underlättar för operatörens interaktion med systemet (se figur 3a). Typiska applikationer är flexibel tillverkning inom verkstadsindustrin (se figur 4a) och satsvis produktion inom process- och läkemedelsindustrin (se figur 4b), men i mer generell mening finns tillämpningar även inom exempelvis telekommunikationsområdet. I figur 3b framgår att arkitekturen är skalbar i flera hierarkiska nivåer, från enskild utrustning upp till fabriksnivå. Dessutom indikeras ett livscykelperspektiv alltifrån utveckling, design och implementering till drift och vidareutveckling. Inte minst det sista steget underlättas då systemlösningen är strukturerad, flexibel och återanvändbar.
Interdisciplinär samverkan
Som avslutning noteras att automation är ett brett systemtekniskt ämne, där kunskaper från många områden flätas samman, alltifrån grundläggande matematik och fysik till modern givarteknik, signalbehandling, reglerteknik, datorteknik, informatik och programvaruteknik. Förutom dessa tekniska discipliner krävs också insikter kring människans roll och förmåga för att åstadkomma effektiva, flexibla och säkra systemlösningar, där människan deltar på ett aktivt och stimulerande sätt.
Figur 4. (a) Flexibel tillverkningscell med bearbetningsmaskiner och buffertar, (b) satsvis produktion av läkemedel.
(Texten publicerades 1999 i skriften Ny kunskap)