Zastosowanie procesów sterowania oraz metod komputerowej wizji przy podejmowaniu decyzji o zdatności regenerowanych olejów odpadowych

(1)

Streszczenie

W przedstawionym referacie omówiono nowy proces technologiczny umoĪliwia-jący automatyczną ocenĊ jakoĞci produktu. Zdecydowano siĊ na automatyzacjĊ weryfikacji barwy i lepkoĞci produktu z wykorzystaniem metod komputerowej wizji, co zapewni stabilnoĞü i powtarzalnoĞü parametrów produktu. Opisywany projekt rozbu-dowy systemu w juĪ istniejącym przedsiĊbiorstwie, działającym w branĪy zbiórki i przetwarzania odpadów przemysłowych rozbudowywany jest o moduły realizujące zdalny monitoring i zarządzanie procesami technologicznymi w Zakładzie Rafinacji, przyłączonym do istniejącej juĪ sieci przedsiĊbiorstw działających w systemie ERP. Słowa kluczowe: automatyka przemysłowa, ERP, przetwarzanie odpadów przemysłowych Wprowadzenie

Nowoczesne technologie teleinformatyczne w coraz szerszym stopniu umoĪliwiają integracjĊ i centralizacjĊ procesów zarządczych w przedsiĊbiorstwach o strukturze sieciowej. IntensyfikacjĊ tych działaĔ obserwujemy od ponad dziesiĊciu lat, w szczególnoĞci w branĪach usługowych takich jak bankowoĞü, łącznoĞü telekomunikacyjna i pocztowa, usługi transportowe. Koncerny, realizujące usługi w tych branĪach, integracjĊ i centralizacjĊ zarządzania opierają najczĊĞciej na własnych (lub dzierĪawionych), dedykowanym tym celom sieciach teleinformatycznych, obejmujących swym zasiĊgiem niejednokrotnie obszar wykraczający poza dany kraj, czy teĪ kontynent. Proces integracji i centralizacji zarządzania umoĪliwia tym koncernom poprawĊ, jakoĞci Ğwiadczonych usług i uzy-skanie znacznych oszczĊdnoĞci eksploatacyjnych.

Firma Eurobac Sp z o.o. z siedzibą w Paterku jest jedną z nielicznych firm, które realizują usta-wowy obowiązek odzysku i recyklingu olejów odpadowych (proces R9) w imieniu producentów i importerów olejów smarowych. Obowiązek ten nałoĪony został w związku z art. 3 Ustawy o obo-wiązkach przedsiĊbiorców w zakresie gospodarowania niektórymi odpadami oraz o opłacie produktowej i opłacie depozytowej. W oddziale firmy w Trzebini zbudowano nowoczesną instalacjĊ do regeneracji olejów odpadowych. Kompleks destylacji olejów odpadowych został oddany do uĪytku w 2008 roku. Moc przerobowa tej instalacji okreĞlona została na 6 600 ton rocznie. RóĪnorodnoĞü procesów przetwórczych i wytwórczych powoduje z kolei koniecznoĞü zindywidua-lizowanego doboru narzĊdzi realizujących w/w operacje i ich oprogramowania, co rzutuje na wzrost kosztów takiego przedsiĊwziĊcia. Nowoczesne narzĊdzia pomiarowe, teleinformatyczne oraz kom-puterowej wizji pozwalają obecnie efektywnie przełamaü barierĊ ekonomiczną takich działaĔ, nawet w przypadku sieci Ğrednich i małych przedsiĊbiorstw wytwórczych.

(2)

Rafał Boniecki, Mirosław Miciak

Zastosowanie procesów sterowania oraz metod komputerowej wizji przy podejmowaniu decyzji o zdatnoĞci regenerowanych olejów odpadowych

6

Głównym celem naszego artykułu jest zaprezentowanie moĪliwoĞci wykorzystania hybrydo-wego sytemu nadzorującego pracĊ instalacji do przetwarzania oleju przepracowanego, składającego siĊ z zintegrowanych modułów ERP, wizualizacji i sterowania umoĪliwiającego automatyczną ocenĊ jakoĞci produktu. W obecnym stanie decyzja o zakoĔczeniu procesu rafinacji podejmowana jest na podstawie okresowego próbkowania w laboratorium i wymaga prowadzenia instalacji w cyr-kulacji co zmniejsza wydajnoĞü, efektywnoĞü i ma negatywny wpływ na utrzymanie parametrów produktu. W celu poprawienia parametrów produktu zdecydowano siĊ na filtracjĊ oleju bazowego z odbieralników w mieszaninie ziem okrzemkowych. Zdecydowano siĊ na automatyzacjĊ weryfika-cji barwy i lepkoĞci produktu co zapewni stabilnoĞü i powtarzalnoĞü parametrów produktu. 2. Ogólne przedstawienie systemu

Gwałtowny rozwój technologii teleinformatycznych pozwala na optymalizacjĊ działalnoĞci za-kładów przetwarzających oleje przepracowane. Daje to szansĊ na poprawĊ jakoĞci realizowanych procesów i w dłuĪszej perspektywie wpłynie na skuteczną ochronĊ Ğrodowiska naturalnego. Bardzo waĪnym aspektem, odgrywającym ogromną rolĊ jest bezpieczeĔstwo procesu technologicznego. Zatem wprowadzenie systemu ciągłego monitoringu i kontroli instalacji jest z ekonomicznego punku widzenia jednym z najistotniejszych elementów pozwalających oceniü stan wykonywania zadaĔ w zakresie osiągania standardów jakoĞciowych i iloĞciowych. Zaprezentowane rozwiązanie składa siĊ z istniejących osiągniĊü w dziedzinie teleinformatyki, zarządzania przedsiĊbiorstwem i automatyki. Zaprojektowane rozwiązanie w szczególnoĞci pozwala na regularne przetwarzanie, odprowadzanie, składowanie oraz zbieranie olejów odpadowych w firmie zajmującej siĊ przetwa-rzaniem oleju przepracowanego. DziĊki połączeniu tych trzech elementów (ERP wizualizacji i sterowania) moĪliwe jest przeprowadzenie analizy na dowolnym etapie procesu technologicznego i wprowadzenia niezbĊdnych zmian w procesie przetwarzania oleju przepracowanego. Omawiane zagadnienie wykorzystania nowoczesnych narzĊdzi do monitorowania i zarządzania procesami technologicznymi dotyczy sieci przedsiĊbiorstw składających siĊ z:

1. Centralnej jednostki znajdującej siĊ w Paterku k/Nakła(woj. kujawsko-pomorskie), 2. Oddziału w Bydgoszczy,

3. Oddziału w Szczecinie (woj. zachodniopomorskie), 4. Zakładu Rafinacji w Trzebini (woj. małopolskie).

Rysunek 1 przedstawia ogólny schemat zakresu działalnoĞci rozpatrywanej sieci przedsiĊ-biorstw.

Wraz z rozwojem sieci tworzeniem kolejnych i przyłączaniem do centrali wyĪej wymienionych oddziałów zmieniały siĊ priorytety w zakresie informatyzowania procesów technologicznych. Początkowo, najwaĪniejszym problemem było informatyczne połączenie „on-line" wszystkich od-działów z centralą, oraz pełne zinformatyzowanie procesów transportowo logistycznych, co zostało opisane w artykułach [1,2,3,4]. Działania te umoĪliwiły uzyskanie wymiernych efektów ekonomicz-nych. Rozszerzenie sieci, w ramach pionowej integracji przedsiĊbiorstw zajmujących siĊ zbiórką i utylizacją odpadów przemysłowych, Zakładu Rafinacji w Trzebini wywołało koniecznoĞü przyłą-czenia, do istniejącego juĪ systemu ERP, przedsiĊbiorstwa o całkowicie odmiennej specyfice procesów technologicznych, to jest produkcji oleju bazowego o niskiej lepkoĞci oraz komponentów oleju opałowego.

(3)

Rys. 1. Ogólny schemat obszarów działania rozpatrywanego oddziału ħródło: opracowanie własne.

Ogólny schemat jednego z etapów procesu technologicznego przedstawia rysunek 2. Łatwo zauwaĪyü, Īe automatyzacja i informatyzacja procesu technologicznego wymaga zastosowania de-dykowanych rozwiązaĔ w zakresie stosowanych do tego celu narzĊdzi. WstĊpna analiza moĪliwoĞci wykorzystania istniejących juĪ w Zakładzie Rafinacji systemów monitoringu i sterowania proce-sami technologicznymi wykazała niezadawalającą przydatnoĞü do realizacji pełnego zintegrowania informatycznego Zakładu Rafinacji z Centralą[5].

W wyniku przeprowadzonej analizy podjĊto decyzjĊ o stworzeniu nowego systemu monito-ringu i sterowania procesami technologicznymi w Zakładzie Rafinacji w oparciu o wykorzystanie nowoczesnych sterowników firmy SAIA oraz rozbudowy infrastruktury teleinformatycznej, które umoĪliwiają w relatywnie łatwy i ekonomiczny sposób włączenie tego zakładu w system zintegro-wanego, zdalnego monitoringu i zarządzania juĪ istniejącym przedsiĊbiorstwem. W trakcie zautomatyzowania i zinformatyzowania procesów technologicznych wynikła moĪliwoĞü i potrzeba modyfikacji samych procesów w celu uzyskania poprawy, jakoĞci tych procesów oraz wyniku eko-nomicznego przedsiĊbiorstwa. Do podjĊcia decyzji o zdatnoĞci oleju stosuje siĊ metody komputerowej wizji. Zastosowanie modułu wideo-akwizycji pozwoli na ciągłe monitorowanie pa-rametrów oleju. W opracowywanej metodzie brane są pod uwagĊ szereg papa-rametrów pozwalających

(4)

8

na wizualną ocenĊ przetwarzanego produktu (np. przeĨroczystoĞü itp.). System automatycznej pa-rametryzacji produktu koĔcowego zawiera etap akwizycji, etap przetwarzania wstĊpnego zawierający filtracjĊ cyfrową, konwersjĊ obrazu do przestrzeni luminancji i chrominancji, etap se-lekcji cech oraz etap decyzyjny. Na etapie okreĞlającym przydatnoĞü produktu decyzja bĊdzie podejmowana w oparciu o parametry wizualne substancji spełniające kryteria oleju bazowego.

Rys. 2. Wizualizacja etapu „Odparowanie” w Zakładzie Rafinacji ħródło: opracowane przy uĪyciu SCADA.

Przeprowadzone wstĊpnie badania pozwoliły okreĞliü szacowaną oszczĊdnoĞü energetyczną na poziome 20% dla całego procesu, co w znaczącym stopniu ograniczy czas i koszt regeneracji oleju przepracowanego. Zagadnienia te wykraczają poza zakres tematyczny przedstawianego referatu i w związku z tym nie bĊdą tutaj omawiane. Rysunek 3 przedstawia schemat poglądowy działania systemu w Zakładzie Rafinacji.

(5)

3. NarzĊdzia zastosowane do monitoringu i zarządzania oddziałami przedsiĊbiorstwa

Jak wspomniano wyĪej w rozdziale drugim, po analizie szeregu ofert takich firm jak Siemens, Mitsubishi, Saia, do realizacji omawianego projektu zastosowano narzĊdzia firmy Saia-burgess ze wzglĊdu na wyróĪniające te narzĊdzia własnoĞci. NajwaĪniejsze cechy sterownika PLC firmy SAIA istotnie poprawiające integracjĊ z systemem ERP: Saia®S-Net to koncepcja elastycznej komunika-cji sieciowej opracowana przez firmĊ Saia-Burgess Controls, oparta o otwarte standardy sieci Profibus oraz Ethernet. W sterownikach implementowane są standardy i funkcjonalnoĞci ze Ğwiata IT (Internetu, stron www, e-maili). Saia®S-Web (patrz rysunek 4) jest unikalną funkcjonalnoĞcią zintegrowaną z platformą PLC SAIA serii PCD i PCS, pozwalającą na kontrolĊ oraz monitoring procesu, prezentowanego w postaci stron HTML. Saia proponuje rozwiązanie niewymagające ja-kichkolwiek licencji runtime, kluczy lub dodatkowych, dedykowanych modułów. Połączenie z Webserver-em, zaimplementowanym w firmware podstawowego modelu sterownika, odbywa siĊ poprzez róĪnorodne kanały komunikacyjne (standardowe porty szeregowe RS232 i RS485, Profi- S-Net, Ethernet, modem, USB) .

Rys. 3. Schemat poglądowy działania systemu ERP w Zakładzie Rafinacji na wszystkich szczeblach i obszarach zarządzania

(6)

10

Technologia Saia®S-Web stanowi alternatywĊ dla SCADA (Supervisory control and data acquisition), optymalizując system pod wzglĊdem zarządzania, bezpieczeĔstwa jak równieĪ kosz-tów wdroĪenia i eksploatacji. Jest to szczególnie zauwaĪalne w przypadku prostych systemów diagnostyki, kontroli i monitoringu, gdzie SCADA jest narzĊdziem zbyt drogim. S-Web nie wymaga dedykowanego oprogramowania. Wykorzystuje ogólnie dostĊpne przeglądarki internetowe jak Windows Internet Explorer, a wiĊc uĪytkownik koĔcowy nie potrzebuje dodatkowej licencji czy klucza sprzĊtowego. Technologia Saia®S-Web umoĪliwia łatwą integracjĊ z eksploatowanym w centrali systemem ERP (patrz rysunek 5), co pozwoli na efektywne zarządzanie magazynami a tym samym uzyskanie poprawy parametrów ekonomicznych przedsiĊbiorstwa.

Zastosowane rozwiązanie pozwala na bezpoĞrednie wykorzystanie informacji pozyskiwanej z obiektu przy pomocy sterowników PLC w procesach ksiĊgowania działalnoĞci przedsiĊbiorstwa. Połączenie z Webserwerem moĪe odbywaü siĊ z wykorzystaniem kanałów komunikacyjnych (RS232, RS485, Profi-S-Net, Ethernet, modem, USB). Do projektowania stron HTML zastosowano Ğrodowisko Web Editor umoĪliwiające tworzenie stron do podglądu zmiennych procesowych i sta-tusu pracy sterownika. Interfejs komunikacyjny podzielony jest na dwa obszary: system plików umieszczony jest w sterowniku natomiast czĊĞü obsługująca protokół TCP/IP w komputerze PC.

Rys. 4. Przykładowa strona wizualizacji i kontroli procesów technologicznych ħródło: opracowane własne.

(7)

Rozkazy z przeglądarki dekodowane są na protokół powiązany z PCD i wysyłane do sterow-nika. OdpowiedĨ z PCD konwertowana jest na protokół TCP/IP i przekazywana do przeglądarki. DziĊki temu czas przesyłu danych jest zdecydowanie krótszy i moĪliwe jest zachowanie cyklu pracy sterownika w reĪimie czasu rzeczywistego. Dane procesowe ze sterownika identyfikowane są na podstawie klucza PDP (PCD data point) powiązując klucz z odpowiednim elementem w pamiĊci sterownika (rejestr, flaga, wejĞcie, wyjĞcie, timer, licznik, Data Bock, tekst, status pracy PCD). Istnieje moĪliwoĞü magazynowania elementów aplikacji (obraz, klasy Java) bezpoĞrednio na dysku komputera PC, co usprawnia komunikacjĊ ze sterownikiem. NajczĊĞciej wykorzystywanym kana-łem komunikacyjnym jest połączenie bezpoĞrednie przez tzw. Gateway, połączenie TCP/IP oraz połączenie modemowe. Odczyt i generowanie stron internetowych znajdujących siĊ w pamiĊci ste-rowników odbywa siĊ w czterech głównych etapach. W pierwszej kolejnoĞci odczytywane są strony wygenerowane za pomocą narzĊdzia WebEditor, nastĊpnie za pomocą modułu WebBuilder two-rzony jest kod Ĩródłowy, który w póĨniejszym etapie przetwarzany jest przez PG5 do postaci skompilowanej i w koĔcowej fazie realizacji wgrywany jest do sterownika. S-web nie wymaga de-dykowanego oprogramowania, co za tym idzie uĪytkownik koĔcowy nie potrzebuje dodatkowych licencji i nie jest uzaleĪniony od systemu operacyjnego czy przeglądarki internetowej. Ma to istotne znaczenie przy opomiarowaniu najwaĪniejszych parametrów instalacji w warunkach funkcjonowa-nia składu podatkowego na terenie Zakładu Rafinacji.

4. Zastosowanie metod komputerowej wizji w procesie podejmowania decyzji o zdatnoĞci produktu w procesie regeneracji olejów odpadowych

Proces przetwarzania obrazu w celu okreĞlenia zdatnoĞci produktu obejmuje operacje szeregu metod przetwarzania obrazu produktu, w tym algorytmów konwersji przestrzeni kolorów, filtracji cyfrowej, normalizacji oraz obliczania cech charakterystycznych obrazu, na podstawie, których bĊ-dzie podejmowana ostateczna decyzja. Cały proces jest pobĊ-dzielony na etap przetwarzania wstĊpnego, do którego naleĪą operacje akwizycji obrazu, filtracji i konwersji przestrzeni barw, oraz etap wydzielania cech gdzie podstawie współczynników chrominacji Cr oraz Cb formowany jest wektor cech dla obrazu produktu. Ostatnim elementem drugiego etapu jest podjĊcie decyzji o przy-datnoĞci produktu, gdzie na kryterium stanowi odległoĞü wektora cech z wartoĞciami granicznymi okreĞlonymi na podstawie normy PN-80/C-04034. Schemat procesu przetwarzania obrazu został przedstawiony na rysunku 5. Akwizycja obrazu Transformacja przestrzeni barw Filtracja cyfrowa Budowa

Wektora cech Klasyfikacja

Rys. 5. Schemat kolejnych kroków przetwarzania obrazu ħródło: opracowane własne.

(8)

12

4.1. Transformacja obrazu

Obraz kolorowy 24 bitowy reprezentowany przez trzy współczynniki formatu RGB jest zamie-niany na postaü YCrCb. Obraz moĪe byü reprezentowany w trójwymiarowym układzie współrzĊdnych lub za pomocą trzech macierzy. W przypadku reprezentacji macierzowej składowa Y przedstawia obraz w skali szaroĞci, pozostałe dwie macierze to składowe chrominancji. DziĊki zastosowaniu modelu YCrCb moĪliwe jest wyeliminowanie wpływu zmian oĞwietlenia na składowe koloru. Konwersja przestrzeni kolorów realizowana jest za pomocą nastĊpującego przekształcenia:

) B' * 18.214 – G' * 93.786 – R' * (112.0 + 128 = Cr ) B' * 112.0 + G' * 74.203 – R' * (-37.797 + 128 = Cb ) B' * 24.966 + G' * 128.553 + R' * 65.481 ( + 16 = Y' (1)

4.2. Filtracja cyfrowa obrazu

NastĊpnym krokiem przetwarzania jest filtracja cyfrowa, która stosowana jest w celu poprawy jakoĞci i uwypuklenia szczegółów, a ponadto ułatwia jego dalszą obróbkĊ. W czĊĞci przetwarzania wstĊpnego zastosowano nieliniową filtracjĊ cyfrową. Stosując filtr do całego obrazu moĪna wyeli-minowaü znaczną czĊĞü szumu. Zaletą tego filtru jest brak efektu rozmywania oraz mała złoĪonoĞü obliczeniowa. Opcjonalne etapy przetwarzania to operacje wykonywane na histogramie obrazu. W tej grupie przekształceĔ wykonywane są operacje: wyrównania histogramu oraz modyfikacja za-kresu jaskrawoĞci.

4.3. Tworzenie wektora cech

W kolejnym kroku formowany jest wektor cech, który bazuje na współczynnikach CrCb:

}

,

{

Cr

Cb

FV

₌

(2)

4.4. Klasyfikacja

Ostatnim etapem jest ocena przydatnoĞci produktu na podstawie odległoĞci od wartoĞci nomi-nalnych. W zaproponowanej metodzie działanie klasyfikatora sprowadza siĊ na porównaniu wektorów otrzymanych w procesie uczenia z wektorem reprezentującym nieznany znak. W tym celu dokonano analizy kliku powszechnie stosowanych klasyfikatorów bazujących na pojĊciach sąsiedz-twa i odległoĞci. Planuje siĊ badanie algorytmów wykorzystujące miĊdzy innymi nastĊpujące miary odległoĞci:

¦

−

=

N j r i

C

R

j

A

j

C

D

1 2

)

(

)

(

)

,

(

(3)

Na podstawie oceny skutecznoĞci rozpoznawania zaproponowanej metody bĊdzie moĪna okre-Ğliü przydatnoĞü metod odległoĞciowych.

(9)

5. Podsumowanie

Przedstawiany projekt aktualnie (styczeĔ 2014) jest w fazie realizacji.

Planuje siĊ, Īe całoĞü prac wdroĪeniowych zakoĔczy siĊ w pierwszej połowie bieĪącego roku. W przedstawionym referacie omówiono wdraĪany projekt rozbudowy systemu ERP w juĪ istnieją-cej sieci przedsiĊbiorstw, działających w branĪy zbiórki i przetwarzania odpadów przemysłowych, o moduły realizujące zdalny monitoring i zarządzanie procesami technologicznymi w Zakładzie Ra-finacji, przyłączonym do istniejącej juĪ sieci przedsiĊbiorstw działających w systemie ERP.

Rys. 6. Zintegrowane technologie wchodzące w skład systemu ERP ħródło: opracowanie własne.

W dalszej kolejnoĞci planuje siĊ, wykorzystując duĪą elastycznoĞü stworzonego systemu mo-nitoringu i zarządzania, rozszerzenie funkcjonalnoĞci o kolejne moduły rozszerzające zakres integracji pionowej realizowanych procesów.

Bibliografia

1. Boniecki R, Rawłuszko J., Perspektywy rozwoju narzĊdzi teleinformatycznych do obsługi małych firm transportowych, Ekonomiczne problemy usług nr 67 Zeszyty naukowe Tom I, Drogi dochodzenia do społeczeĔstwa informacyjnego, str.661–668, Szczecin 2011 r. 2. Boniecki R., Using spline interpolation for the purpose of quality improvement of service

carried out by the courier company, International Postal and e-Communications Conference, str 235–240, Pardubice 2010 r.

3. Boniecki R., The use of the periodic cubic spline interpolant to control the logistic task, 7 th European conference of young research and science workers in transport and telecommunications, ĩylina 2007 r.

(10)

14

4. Boniecki R., Use of java 2 enterprise edition technology in the development of the enterprise resource planning and the customer-relationship management, Polish Academy of Sciences, System Research Institute, Warszawa 2006 r.

5. Boniecki R., Rawłuszko J., Miciak M., Bz 12/2011-Projekt rozbudowy infrastruktury teleinformatycznej dla wdroĪenia systemu ERP w firmie z wieloma oddziałami, UTP Bydgoszcz 2011r.

6. Strona producenta http://www.saia-support.com/.

7. Tora B., Kurzac M., CzerwiĔski J., Utylizacja olejów przepracowanych. Czysta energia, czyste Ğrodowisko, ISBN 978-83-88316-83-8. – s. 457–464, 2008.

8. Haluch W., KiciĔski K., Romanek J., Uregulowania prawne w gospodarce odpadami. Recykling, nr 1(49), 2005.

9. Magiera J., Rerefinacja olejów przepracowanych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2006.

APPLICATION PROCESS CONTROL COMPUTER VISION AND METHODS OF MAKING A DECISION ABOUT SUITABILITY REGENERATION OF WASTE OIL

Summary

The paper describes a new technological process enabling automatic evaluation of the quality of waste oil. The evaluation concerning the color and viscosity of the product is conducted with the use of computer vision methods, which ensures the sta-bility and recurrence of the parameters of the product. The described system, already applied in an company dealing with collection and treatment of industrial waste, is being expanded to incorporate remote monitoring and management of technological processes in an oil refinery

Keywords: industrial automation, ERP, industrial waste treatment, computer vision, image processing

Rafał Boniecki

Institute of Telecommunications

University of Technology and Life Sciences in Bydgoszcz Al. S. Kaliskiego 7, 85-791 Bydgoszcz