Inteligentna pralka czyli czym jest mechatronika

Wstęp

Dzisiaj nie­co o czym innym, ale nie aż tak innym :). Po raz kolej­ny odkry­wam, że od lat pisze prozą ;). 

Nie raz publi­ko­wa­łem tu róż­ne rodza­je dia­gra­mów przy­pad­ków uży­cia, któ­re opi­su­ją opro­gra­mo­wa­nie, ale tym razem «akto­rem» nie jest ani czło­wiek ani inna apli­ka­cja, dzi­siaj akto­rem jest urzą­dze­nie elek­tro­me­cha­nicz­ne. Otóż od cza­su do cza­su mie­wam pro­jek­ty gdzie «akto­rem» jest żela­stwo”. Najczęściej są to pro­jek­ty zwią­za­ne z zaawan­so­wa­ny­mi sys­te­ma­mi ste­ro­wa­nia pro­duk­cją, jed­nak to nie jedy­ne takie miejsce. 

Coraz czę­ściej czy­ta­my o Internecie Rzeczy” (ang. IoT, Internet of Things) a to nic inne­go jak mecha­tro­ni­ka, a czym jest mecha­tro­ni­ka? Jedna z uczel­ni ame­ry­kań­skich (przy­pad­kiem wysko­czy­ła jako na począt­ku listy w google) poda­je na swo­jej stronie:

Mechatronics is a mul­ti­di­sci­pli­na­ry field that com­bi­nes seve­ral types of engineering?electrical, com­pu­ter, and mechanical?and refers to the skill sets needed in the con­tem­po­ra­ry, advan­ced auto­ma­ted manu­fac­tu­ring indu­stry. At the inter­sec­tion of mecha­nics, elec­tro­nics, and com­pu­ting, mecha­tro­nics spe­cia­li­sts cre­ate sim­pler, smar­ter sys­tems. Mechatronics is an essen­tial foun­da­tion for the expec­ted growth in auto­ma­tion and manufacturing.Mechatronics is an indu­stry buz­zword syno­ny­mo­us with robo­tics and elec­tro­me­cha­ni­cal engi­ne­ering. Robotics, con­trol sys­tems, and elec­tro-mecha­ni­cal sys­tems fall under mecha­tro­nics. (What is Mechatronics? | Michigan Technological University)

W uprosz­cze­niu jest to inter­dy­scy­pli­nar­na dzia­łal­ność, któ­ra łączy kil­ka rodza­jów inży­nie­rii: elek­trycz­nej, kom­pu­te­ro­wej i mecha­nicz­nej. W tym obsza­rze powsta­ją prost­sze, inte­li­gent­niej­sze sys­te­my, gdyż wie­le urzą­dzeń mecha­nicz­nych moż­na zastą­pić prost­szy­mi kon­struk­cyj­nie pod­sys­te­ma­mi kom­pu­te­ro­wy­mi (kom­pu­ter to pro­ce­sor, pamięć i pro­gram wraz z inter­fej­sa­mi, auto­rzy z obsza­ru filo­zo­fii infor­ma­ty­ki uży­wa­ją okre­śle­nia: kom­pu­ter jako uni­wer­sal­ny mecha­nizm ). Mechatronika to jed­nak ostat­nio głów­nie mod­ne hasło bran­żo­we (ang. buz­zword), będą­ce syno­ni­mem robo­ty­ki i inży­nie­rii elektromechanicznej.

(źr. What is Mechatronics? | Michigan Technological University)

Wielu auto­rów publi­ku­ją­cych w obsza­rze mecha­tro­ni­ki pisze we wstę­pach i stresz­cze­niach: Systemy mecha­tro­nicz­ne cha­rak­te­ry­zu­ją się syner­gicz­ną inte­rak­cją mię­dzy ich ele­men­ta­mi pocho­dzą­cy­mi z róż­nych dzie­dzin tech­no­lo­gii. Te inte­rak­cje umoż­li­wia­ją sys­te­mo­wi osią­gnię­cie więk­szej licz­by funk­cji niż suma funk­cji cechy jego skład­ni­ków roz­pa­try­wa­ne nie­za­leż­nie. Interdyscyplinarność mecha­tro­ni­ki moż­na przed­sta­wić tak:

Autor powyż­sze­go tak poka­zu­je róż­ni­cę pomię­dzy tra­dy­cyj­nym a mecha­tro­nicz­nym podej­ście do projektowania:

Tradycyjne meto­dy pro­jek­to­wa­nia są już nie­wy­star­cza­ją­ce. Dlatego coraz wię­cej inży­nie­rów korzy­sta z roz­sze­rze­nia języ­ka UML do celów sze­rzej rozu­mia­nej inży­nie­rii, jakim jest język SysML , .

Ogólnie cykl wytwa­rza­nia urzą­dzeń mecha­tro­nicz­nych jest opi­sy­wa­ny np. tak :

V‑Model – model wytwa­rza­nia systemu

Jak widać, cały cykl pro­jek­to­wy jest pro­ce­sem interdyscyplinarnym. 

Mechatronika i nota­cja SysML ma swo­je począt­ki w latach 90-tych. Modele w tej nota­cji powsta­wa­ły już w fir­mie Boeing . Od tam­tej pory powsta­ło wie­le publi­ka­cji na ten temat, w tym tak­że opi­sy dobrych prak­tyk jaki­mi są wzor­ce pro­jek­to­we . Można spo­tkać coraz czę­ściej publi­ka­cje na temat sto­so­wa­nia metod pro­jek­to­wa­nia opar­tych na SysML .

Moim celem było tu zwró­ce­nie uwa­gi na tę w sumie nową dzie­dzi­nę inży­nie­rii, waż­ne by nie utoż­sa­miać jej jedy­nie z robo­ty­ką, bo było by to ogrom­ne uprosz­cze­nie, co mam nadzie­ję poka­za­łem powyż­szy­mi przy­kła­da­mi. Po dru­gie rosną­ca zło­żo­ność pro­duk­tów zmu­sza do sto­so­wa­nia metod ogra­ni­cza­ją­cych licz­bę ana­li­zo­wa­nych deta­li na wcze­snych eta­pach opra­co­wa­nia pro­duk­tów i pro­jek­to­wa­nia .

Prosty przykład

Na zakoń­cze­nie, pro­sty dia­gram opi­su­ją­cy pralkę: 

Schemat blo­ko­wy pral­ki, nota­cja SysML.

Na powyż­szym dia­gra­mie poka­za­no sche­mat blo­ko­wy hipo­te­tycz­nej pral­ki, ze wska­za­niem, któ­re jej ele­men­ty będą reali­zo­wa­ne przez kom­po­nent będą­cy kom­pu­te­rem. Można sobie wyobra­zić, że pro­gra­ma­tor mecha­nicz­ny zastą­pio­no kom­pu­te­rem (jest to już dość powszech­ne). Ale moż­na też sobie wyobra­zić, że pral­ka sama komu­ni­ku­je nam stan pra­cy, kolej­ne fazy pra­nia i ewen­tu­al­nie pro­si o reak­cję w przy­pad­ku nie­stan­dar­do­wej sytu­acji. Schematy takie powsta­ją, by już na tym eta­pie pro­jek­to­wa­nia moż­li­we było okre­śle­nie wyma­gań na to opro­gra­mo­wa­nie. Zrozumienie dzia­ła­nia cało­ści tego sys­te­mu to klucz do sku­tecz­ne­go pro­jek­to­wa­nia i testo­wa­nia opro­gra­mo­wa­nia zanim jesz­cze powsta­nie samo urzą­dze­nie. Oczywiście pro­jek­to­wa­nie pral­ki jakie jako takie ma głę­bo­ki sens. 

Warto wie­dzieć i rozu­mieć jak są budo­wa­ne inter­fej­sy pomię­dzy kom­pu­te­rem a mecha­nicz­ny­mi ele­men­ta­mi takie­go sys­te­mu (np. ter­mo­stat): inter­fej­sy dostar­cza­ją pro­du­cen­ci pod­ze­spo­łów, kom­pu­ter widzi” inne urzą­dze­nia jako obsza­ry pamięci. 

SLIM (Systems LIfecycle Management)

Polecam też arty­kuł na temat inte­gra­cji opi­sa­nych wyżej metod i narzę­dzi do mode­lo­wa­nia takich jak nota­cja SysML i pakiet CASE (np. Visual Paradigm, któ­ry posłu­żył mi tu wyko­na­nia modeli):

SLIM (Systems LIfecycle Management) jest śro­do­wi­skiem dla zin­te­gro­wa­nej inży­nie­rii sys­te­mów opar­tej na mode­lach, nota­cji SysML (OMG Systems Modeling Language) i pro­duk­tach PLM (Product Lifecycle Management). Dzięki temu podej­ściu inży­nie­ro­wie zło­żo­nych sys­te­mów mogą opra­co­wy­wać i zarzą­dzać wyso­ko­po­zio­mo­wą archi­tek­tu­rą systemu/produktu w SysML i jed­no­cze­śnie łączyć się, komu­ni­ko­wać i syn­chro­ni­zo­wać ze szcze­gó­ło­wy­mi wyma­ga­nia­mi, czę­ścia­mi (zesta­wie­nia mate­ria­łów i CAD), mode­la­mi symu­la­cyj­ny­mi (MATLAB/Simulink, Mathematica, CAE) i zło­żo­ny­mi struk­tu­ra­mi danych, któ­re są wer­sjo­no­wa­ne i kon­tro­lo­wa­ne w sys­te­mach PLM kla­sy kor­po­ra­cyj­nej (takich jak Teamcenter i Windchill) oraz obiek­to­wych / rela­cyj­nych bazach danych (takich jak MySQL).

(źr.: Enabling MBSE by inte­gra­ting SysML with PLM, CAD/CAE, Databases)

Źródła

Van Noten, J., Gadeyne, K., & Witters, M. (2017). Model-based Systems Engineering of Discrete Production Lines Using SysML: An Experience Report. Procedia CIRP, 60, 157 – 162. https://​doi​.org/​1​0​.​1​0​1​6​/​j​.​p​r​o​c​i​r​.​2​0​1​7​.​0​1​.​018
Mhenni, F., Choley, J.-Y., Penas, O., Plateaux, R., & Hammadi, M. (2014). A SysML-based metho­do­lo­gy for mecha­tro­nic sys­tems archi­tec­tu­ral design. Advanced Engineering Informatics, 28(3), 218 – 231. https://​doi​.org/​1​0​.​1​0​1​6​/​j​.​a​e​i​.​2​0​1​4​.​0​3​.​006
OMG​.org. (2017, December 8). Systems Modeling Language (SysML). http://​www​.omg​sy​sml​.org/
Isermann, R. (2005). Mechatronic sys­tems: fun­da­men­tals. Springer.
Herrold, J. (2016). System Architecture using SysML – Despite the GAPS! 37.
Steimer, C., Fischer, J., & Aurich, J. C. (2017). Model-based Design Process for the Early Phases of Manufacturing System Planning using SysML. Procedia CIRP, 60, 163 – 168. https://​doi​.org/​1​0​.​1​0​1​6​/​j​.​p​r​o​c​i​r​.​2​0​1​7​.​0​1​.​036
Barbieri, G., Kernschmidt, K., Fantuzzi, C., & Vogel-Heuser, B. (2014). A SysML based design pat­tern for the high-level deve­lop­ment of mecha­tro­nic sys­tems to enhan­ce re-usa­bi­li­ty. IFAC Proceedings Volumes, 47(3), 3431 – 3437. https://​doi​.org/​1​0​.​3​1​8​2​/​2​0​1​4​0​824 – 6‑ZA-1003.00615

Inne artykuły na podobny temat

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany

Komentuj i zadawaj pytania autorowi.

Identyfikator *
E-mail *
Witryna internetowa

Witryna wykorzystuje Akismet, aby ograniczyć spam. Dowiedz się więcej jak przetwarzane są dane komentarzy.