Platforma Kingstar pro návrh řídicích aplikací modulárních strojů

Odborná konference, která se uskuteční 14. června 2022 v přednáškovém sále Národního technického muzea v Praze, představí novinku na českém trhu – otevřenou softwarovou platformu KINGSTAR pro tvorbu softwarových ovladačů řídicích aplikací modulárních strojů.

V současné době, kdy se průmysl celosvětově potýká s nedostatkem čipů a náhradních dílů a mnoho dodavatelů průmyslové elektroniky není schopno včas dostát svým závazkům, je nezávislost na jednom dodavateli často otázkou růstu či útlumu firmy na trhu. To platí i v oblasti řízení modulárních strojů. Novinkou, která aktuálně vstupuje na český trh, je plně otevřená softwarová platforma KINGSTAR, určená pro vytváření softwarových ovladačů řídicích systémů modulárních strojů. Poskytuje možnost volby hardwaru nezávisle na dodavateli, což umožňuje podnikům rychlou změnu výroby.

Modularita je dnes pravděpodobně jedním z největších požadavků výrobců strojů. Plně otevřená softwarová platforma Kingstar od americké společnosti IntervalZero umožňuje jednoduše vytvářet flexibilní řídicí systémy modulárních strojů, které pracují v reálném čase v počítači PC. Může to být např. průmyslový počítač (IPC) s operačním systémem MS Windows a s doplňkem RTX64 pro práci v reálném čase. Zároveň mohou vývojáři vkládat do ovladače optimální množství vlastní přidané hodnoty, aniž by museli kupovat softwarové komponenty, které jsou schopni vytvořit ve stejné nebo vyšší kvalitě sami. Současně díky otevřenosti a standardizaci nejsou odkázáni na určité konkrétní značky hardwarových komponent, ale mohou vybírat ze široké škály standardizovaných alternativ.

Situace na trhu

S rostoucí poptávkou po zakázkových výrobcích a s tím, jak se jejich životní cyklus stále zkracuje, rostou i požadavky na variabilitu výroby. Stroje musí být navrženy s ohledem na potřebu flexibility dosažené modularitou. Také řídicí jednotky by měly být schopné jednoduše podporovat různé verze strojů, od nižších po nejvyšší. Softwarová platforma, která se používá pro vývoj jádra řídicího systému, musí umožnit práci v reálném čase a technikům poskytnout možnost snadno přidávat funkce specifické pro daný stroj nebo zákazníka. Výrobci strojů musí umožnit přidávat nebo odebírat moduly nebo vybírat různé stupně výbavy hardwaru stroje. Také integrátorům systémů ve výrobním závodě se hodí modularita ovladače řídicí aplikace – ocení ji při změnách výroby a úpravách výrobních linek. Rovněž struktura řídicího systému stroje musí být navržena tak, aby ho bylo možné snadno integrovat do tovární sítě a operátor byl schopen načítat, vytvářet a zadávat různé úkoly, které mají být strojem provedeny.

Základní druhy modularity

První typ modulárního stroje je stroj se zásuvnými jednotkami. Zásuvné jednotky jsou např. moduly, které mohou načíst informace o výrobku, převrátit desku plošných spojů nebo výrobek označit. Tyto jednotky je možné řídit přímo z řídicího systému hlavního stroje jako podřízené jednotky připojené prostřednictvím vhodné průmyslové sběrnice.

Volitelné funkce stroje, jako gravírování nebo kontrola kvality, vyžadují ke své práci specifický hardware. Modulární stroje proto mohou být také sestaveny jako skupina nezávislých stanic, z nichž každá plní specifický úkol. Řídicí jednotka stroje musí být schopna správně identifikovat a ovládat každou jednotlivou stanici.

Výrobci často dodávají pro jeden stroj různé verze hardwaru, např. pro různé užitečné zatížení nebo různou přesnost. Verze stroje se liší použitými pohony a akčními členy, ale mají téměř identický program logického řízení. Proto musí být jeden typ řadiče schopen podporovat všechny verze hardwaru. Dnešní stroje rovněž mají často volitelné čistě softwarové komponenty, jako jsou editory úkolů, software CAD/
/CAM v CNC nebo aplikace pro analýzu dat, optimalizaci rychlosti výroby a předvídání potřeb údržby. Protože stroje zřídkakdy pracují samostatně, je třeba je integrovat s jinými stroji a s továrními systémy SCADA a MES. Přitom druh provozní sběrnice a formát dat určuje koncový zákazník, ne výrobce stroje. To znamená, že musí být k dispozici nezávislý výměnný modul rozhraní stroje používaný zákazníkem, který je kompatibilní se všemi řídicími systémy ve všech výrobních závodech zákazníka. A nakonec, protože stroj musí během svého životního cyklu vyrábět různé produkty, potřebuje podporovat různé způsoby zadávání úkolů. Každé odvětví a každý závod mohou mít své vlastní nástroje a formáty zadávání úkolů, což znamená, že „interpreter“ úloh musí být též nezávislým modulem s několika verzemi rozhraní, aby byl stroj použitelný v různých prostředích.

Technické požadavky pro zajištění modularity

Platforma Kingstar, navržená s ohledem na zajištění potřebné modularity, se skládá z pěti komponent (obr. 1):

• Kingstar Fieldbus (EtherCAT Master, pracující v reálném čase),
• Kingstar Motion (pro ovládání pohybu),
• Kingstar PLC (softwarové PLC),
• Kingstar Vision (modul pro systémy strojového vidění s komunikací GigE Vision, které pracují v reálném čase),
• Kingstar IoT (platforma pro podporu IoT).

Kingstar Fieldbus

Modul Kingstar Fieldbus implementuje síťové propojení komponent. Pro flexibilitu aplikací využívá sběrnici EtherCAT a výhody plynoucí z její funkce skenování. Tím dociluje automatické konfigurace, takže umožňuje automatické spuštění stejné aplikace s různými hardwarovými konfiguracemi. Podporuje všechny hlavní značky hardwaru servopohonů a I/O. Modul průmyslové sběrnice navíc poskytuje přímý přístup k proměnným, jako by byly lokální, a zcela tak skrývá sběrnici před aplikacemi.

Kingstar Motion

Kingstar Motion je softwarová komponenta pro řízení polohy a pohybu. Vyhovuje standardním specifikacím PLCopen Motion Control pro pohyby z bodu do bodu, synchronizované a skupinové pohyby s různou kinematiku. Aplikace mohou používat např. 20 os s dobou cyklu 125 µs nebo 60 os s dobou cyklu 500 µs. Každá osa může být realizována jinou značkou hardwaru a má svůj vlastní režim ovládání. Komunikace s měniči je založena na cyklických synchronních režimech, interpolace se provádí v řídicí jednotce a regulátor PID může být buď v řídicí jednotce, nebo v měniči. Algoritmy řízení pohybu umožňují profil pohybu modifikovat, i když se osa již pohybuje. Synchronizace podporuje koordinaci os pro elektronické vačky a skupinové pohyby s lineární, kruhovou a šroubovicovou kinematikou. Funkce Kingstar Motion jsou velmi flexibilní, hlavní osa může mít více podřízených a sama může být virtuální osou, nebo dokonce být podřízenou jiné osy.

Kingstar PLC

Kingstar PLC je plně vybavené softwarové PLC LogicLab, založené na RTOS-RTX64 od IntervalZero. Odpovídá standardu IEC 61131 a má stejné vývojové prostředí i programovací jazyky jako běžné hardwarové PLC.

Doplňkové komponenty pro řízení pohybu a strojové vidění mohou být rozvíjeny a doplňovány programy v C++, přičemž přístup k nim je možný z programu v soft PLC.

Kingstar Vision

Kingstar Vision je komponenta určená pro strojové vidění. Obsahuje utilitu GigE Vision pracující v reálném čase, která umožňuje zákazníkům vyvinout např. program pro řízení pohybu na základě výsledků zpracování obrazu v OpenCV. Kingstar Vision obsahuje ucelenou knihovnu softwarových nástrojů pro vývoj aplikací strojového vidění, analýzu obrazu a také mnoho kamerových rozhraní.

Kingstar IoT

Kingstar IoT přidává do řízení stroje funkce podporující začlenění do internetu věcí, IoT. Celou architekturu řídicího systému postaveného na platformě Kingstar ukazuje obr. 2. Na obr. 3 je schematicky znázorněna funkce autokonfigurace: platforma Kingstar automaticky zjišťuje, jaké hardwarové komponenty jsou k ní připojeny, a k nim z databáze vybírá správné softwarové ovladače.

Kam pro další informace

Podrobný článek s názvem Na český trh vstupuje softwarová platforma Kingstar vyšel v časopise Automa v roce 2020, v čísle 2-3 na str. 28 až 29 a v elektronické verzi je dostupný na https://bit.ly/3k0t0Ha. V něm zmíněná konference, které měla platformu Kingstar oficiálně uvést na český trh, se vzhledem k opatřením proti covidu nakonec nekonala. Odložená premiéra se proto uskuteční teprve letos – viz text v rámečku.

(dataPartner) 

Obr. 1. Komponenty platformy Kingstar

Obr. 2. Architektura platformy Kingstar

Obr. 3. Autokonfigurace systému prostřednictvím platformy Kingstar