Лидеры автоматизации в США сталкиваются с проблемами интеграции: преодоление коммуникации между фабричными системами

Проекты направлены на связь между роботами, другими фабричными компонентами

Как международные делегаты ООН, использующие переводчиков для понимания друг друга, роботы, станки и другие промышленные компоненты от разных вендоров говорят на разных компьютерных языках и нуждаются в переводчиках, чтобы помочь им коммуницировать.

В основном из-за экономики компании, производящие станки, роботов, конвейеры и подобное, используют проприетарное ПО для их работы и коммуникации друг с другом и с компонентами вроде датчиков, драйверов и ПЛК. Производители станков хотят, чтобы закупочные отделы заводов придерживались их бренда тотального решения для создания большего дохода.

«Преобладающая мысль некоторое время назад была: если я собираюсь инвестировать свои средства и предоставлять решения, я хочу защитить свои продажи», — сказал Мэттью Робинсон, менеджер программы, ROS-Industrial (ROS-I) Consortium Americas, Southwest Research Institute. «Если я предоставляю станки, я бы хотел, чтобы клиенты использовали все мои продукты... мое ПО, мое железо и взаимосвязанные технологии, ассоциированные с ними».

Когда владелец завода решает переключиться на другой бренд, возникают проблемы коммуникации и препятствуют интеграции, симуляции и анализу, которые могут увеличить производство и качество.

Доселе задача обеспечения коммуникации среди всей технологии на заводе в основном пала на системных интеграторов, которые создают компьютерные кодовые переводчики, или мосты, от, скажем, 3D-камеры к роботу или между двумя роботами, сделанными разными вендорами. Это процесс, который занимает много времени и стоит много денег — так много, что цена инженерии связности может превышать стоимость самого станка.

«Инженерия занимает так много времени и так дорога, что многие компании не пойдут по пути автоматизации», — сказал Хуан Апарисио, руководитель исследовательской группы по передовой производственной автоматизации в Siemens Technology. «Для них это не имеет смысла, потому что у них нет большого бюджета, который мог бы оправдать автоматизацию».

Движение к общему стандарту

Этот сценарий привел к масштабной проблеме: время и расходы, связанные с интеграцией, сдерживают внедрение автоматизации во многих цехах — и тормозят прогресс в американской промышленности.

Что испытывают производители и их решатели проблем интеграции вроде Робинсона, Апарисио и других сейчас, имеет прецедент в другой производственной сфере.

Примерно 30 лет назад в полупроводниковой промышленности оборудование для обработки пластин, как машины для фотоэпитаксии от разных вендоров, тоже не могли говорить друг с другом. Чтобы бороться с надвигающейся атрофией в том случае, производители полупроводников сформировали консорциум и сказали вендорам, что им нужно создать общий стандарт. Именно это и случилось.

«Вопрос в том: "Достаточно ли спрос от клиентов, чтобы драйвить создание общего стандарта [сейчас]?"» — это по словам Джона Уэна, руководителя кафедры электротехники, компьютерных и систем инженерии в Политехническом институте Ренсселера. «Остается увидеть, но кажется, есть движение в этом направлении».

Уэн также среди тех, кто работает над текущими усилиями к общим стандартам и созданию мостов, переводящих машинные языки, чтобы устройства завода могли говорить друг с другом.

Их работа финансируется Институтом передовых робототехник для производства (ARM), который является частью Manufacturing USA. ARM-финансируемые проекты включают разработку конкретного мидлвари — одного из академии и другого от зажиточного предпринимателя Скотта Хассана — до более высокого уровня технической готовности, так что варианты мидлвари готовы для общего промышленного использования и могут помочь завести заводы с действенной коммуникацией.

Одно решение plug-and-play

Уэн ведет проект под названием «Robot Raconteur (RR): Интероперабельный мидлвар для робототехники». RR собирает данные и вызывает функции, как управление камерой.

«Robot Raconteur ... является передовым, расширенным, объектно-ориентированным технологией мидлвари, специально разработанной для предоставления истинных возможностей plug-and-play интероперабельности для систем автоматизации/робототехники», — по исследовательскому предложению Уэна.

RR уже универсален: он совместим с Linux, Windows, OSX, iOS, Android, OpenBSD, QNX, Arduino и xPC Target. У него есть библиотеки для C++, Python, C#, Java, MATLAB, LabView, browser JavaScript и xPC Target.

Мидлвар Raconteur был разработан в лаборатории Уэна в Ренсселеере Джоном Уэсоном. После получения докторской Уэсон создал свою компанию Wason Technology, сфокусированную на мидлвари. Уэсон участвует в ARM-финансируемом исследовании с Ренсселером, как и Southwest Research Institute и United Technology Corp.

Пока это, пользователи промышленных роботов все еще полагаются на процесс teach-and-repeat (обучи и повторяй) для их работы.

Ключ к уходу от парадигмы teach-and-repeat — использование датчиков, будь то для зрения, 3D, лазерного сканирования, приближения, тактильности или силы, сказал Уэн.

Однако интеграция и программирование датчиков в роботе добавляет сложности: они — дополнительные затраты. И датчики могут ломаться. Чем больше вещей может сломаться, тем выше вероятность, что линия встанет, стоив заводу денег.

Решение Уэна — развить RR в открытую, plug-and-play систему, которая сделала бы программирование и интеграцию роботов, датчиков, периферии и симуляционного ПО от множественных вендоров и платформ легкой, быстрой и безопасной.

Это также откроет дверь к использованию более широкого спектра датчиков, включая дешевые потребительские продукты, такие как Azure Kinect и Intel RealSense 3D-камеры, сказал Уэн.

«Программируй на твоем языке выбора»

Вherent в работе Робинсона в Southwest Research Institute — работать с и продвигать ROS-I, другой открытый мидлвар, похожий на RR в том смысле, что можно подключать разнородные наборы устройств, но также облегчающий визуализацию и симуляцию.

Он знает, что силообразная парадигма вендора, продвигающего одно и только одно решение, заставила производство попасть в беду в арене связности в первую очередь.

Поэтому Робинсон взвесил плюсы и минусы и откровенен о негативной стороне его фундамента, ROS (Robot Operating System), в конкретной сфере IoT.

«Один из больших недостатков ROS — это много C++, который является быстро эволюционирующим и обновляемым языком программирования», — сказал он. «Это может быть, для новичков, пугающим и полным всех видов проблем. Так что есть много сущностей и инструментов для изоляции индустрийных людей, которые просто хотят завести свои системы, от необходимости делать все виды глубокой, хардкорной компьютерной науки написания ПО.

«RR ищет снизить этот барьер входа».

Апарисио — еще один сторонник разнообразия компьютерных языков.

«Я думаю, нереалистично говорить, что будет только один язык в производстве, но если есть несколько — все с плюсами и минусами — то нам нужен шлюз» в виде ПО, действующего как интерпретатор, сказал он.

Апарисио — главный исследователь ARM-финансируемого проекта по созданию plug-and-play, открытого ПО для интероперабельности и коммуникации среди систем автоматизации, симуляторов, облачных платформ и робота (который контролируется ROS-I).

Шлюз будет работать с тремя широко используемыми стандартами и протоколами в производстве: OPC-UA, MTConnect и DDS.

Присоединяются к Siemens и Southwest Research Institute в проекте программная фирма Real Time Innovations и вендоры роботов Keba и Yaskawa.

«В конце, секретный соус будет в том, насколько легко вы позволяете всем этим машинам говорить друг с другом... интероперировать... абстрагировать все эти низкоуровневые коммуникации, так что вы можете программировать на вашем языке выбора», — сказал Апарисио.

Могут ли legacy-станки тоже говорить?

Новые станки и фабричные устройства оснащены для связности и интероперабельности из коробки, и их владельцы должны иметь возможность надежно использовать работу Апарисио, Уэна и Робинсона.

Но что насчет legacy-станков?

«В общем, если у него есть сетевая карта, если он может поддерживать передачу информации через традиционный интернет, мы в порядке», — сказал Робинсон.

Даже некоторые legacy-роботы, которым десяток лет или около того, могут быть поставлены на работу вместо сбора пыли на складе завода.

«Если у вас есть 10-летний робот, он по сути бесплатный актив в этот момент, так что вы просто добавляете некоторые датчики, используете некоторые куски ПО», — сказал Робинсон. «Вам может понадобиться работать с контрактным партнером, если у вас нет хорошей внутренней команды, но вы можете быть в работе [за] гораздо меньшие [деньги] чем покупка всей новой системы с нуля.

«Такая окупаемость инвестиций становится очень убедительной».

Работа кодера никогда не заканчивается

Даже со всей экспертизой и тяжелым трудом, вложенными в ARM-финансируемые проекты, вместе с их успешными исходами, все еще много работы, чтобы помочь американскому производству достичь своего полного потенциала интероперабельности и связности.

Также есть место для большего числа участников.

«Это тот вид проекта, где чем больше людей знают о нем, тем лучше. Мы хотим завести на борт больше и больше компаний», — сказал Апарисио. «Это не то, что мы полностью решаем проблему. Мы решаем небольшую преграду. Потребуются дальнейшие проекты» для решения более крупной проблемы.

Как сказал Уэн о результатах проектов: «Все это хотят».

Что такое ROS?

Некоторые проекты разработки технологий, финансируемые Институтом передовых робототехник для производства (ARM), используют много контента внутри ПО ROS-Industrial для дальнейшего развития его возможностей и идеального закрепления модулей, разработанных для общего промышленного использования.

История ROS, фундаментального программного кода ROS-Industrial, уходит корнями в Кремниевую долину.

Код ROS был разработан командой, работавшей в Willow Garage под руководством основателя компании Скотта Хассана, миллиардера Кремниевой долины, который был ключевым программным архитектором Google, по био на сайте его последующей компании Suitable Technologies. ROS, и теперь ROS2, в настоящее время развивается и поддерживается некоммерческой Open Robotics.

Обычно используемое имя ROS — акроним для «robot operating system», но это продает его возможности дешево.

«ROS не является операционной системой в традиционном смысле управления процессами и планированием; скорее, он предоставляет структурированный коммуникационный слой выше хост-операционных систем...», — по обзору ROS на сайте Willow Garage.