Automatiseringskampioenen strijden tegen toonaangevend integratieprobleem in de VS

Projecten zijn bedoeld om de communicatie tussen robots en andere fabriekscomponenten te overbruggen

Net als de internationale afgevaardigden van de Verenigde Naties die tolken gebruiken om elkaar te begrijpen, spreken robots, machines en andere industriële componenten van verschillende leveranciers verschillende computertalen en hebben ze vertalers nodig om hen te helpen communiceren.

Grotendeels vanwege de economie gebruiken bedrijven die werktuigmachines, robots, transportbanden en dergelijke vervaardigen propriëtaire software voor hun werking en communicatie met elkaar en met componenten zoals sensoren, drivers en PLC's. Machinefabrikanten willen dat de inkoopafdelingen van de fabriek vasthouden aan hun merk van een totaaloplossing om meer inkomsten te genereren.

"De heersende gedachte was ooit dat als ik mijn geld ga investeren en oplossingen ga bieden, ik mijn verkoop wil beschermen", zegt Matthew Robinson, programmamanager, ROS-Industrial (ROS-I) Consortium Americas, Southwest Research Instituut. "Als ik werktuigmachines lever, zou ik willen dat klanten al mijn producten gebruiken ... mijn software, mijn hardware en onderling verbonden technologieën die ermee verbonden zijn."

Wanneer een fabriekseigenaar besluit over te stappen op een ander merk, ontstaan ​​er communicatieproblemen en belemmeren ze integratie, simulatie en analyse die de productie en kwaliteit kunnen verhogen.

Tot nu toe viel de taak om communicatie tussen alle technologie in een fabriek mogelijk te maken grotendeels neer bij systeemintegrators die de computercodevertalers of bruggen maken, van bijvoorbeeld een 3D-camera naar een robot of tussen twee robots gemaakt door verschillende leveranciers . Het is een proces dat veel tijd in beslag neemt en veel geld kost - zo veel dat de prijs van technische connectiviteit die van een machine zelf kan overtreffen.

"De engineering duurt zo lang en is zo kostbaar dat veel bedrijven de automatiseringsroute niet volgen", zegt Juan Aparicio, hoofd van de onderzoeksgroep voor Advanced Manufacturing Automation bij Siemens Technology. "Het is niet logisch voor hen omdat ze geen groot budget hebben dat automatisering kan rechtvaardigen."

Beweging naar een gemeenschappelijke standaard

Dit scenario heeft geleid tot een grootschalig probleem:de tijd en kosten die gepaard gaan met integratie belemmeren de adoptie van automatisering in veel winkels en belemmeren de vooruitgang in de Amerikaanse industrie.

Wat fabrikanten en hun hoopvolle oplossers van integratieproblemen zoals Robinson, Aparicio en anderen, nu ervaren, heeft een precedent in een ander productiegebied.

Ongeveer 30 jaar geleden konden in de halfgeleiderindustrie ook waferverwerkingsapparatuur zoals etslithografiemachines van verschillende leveranciers niet met elkaar praten. Om in dat geval dreigende atrofie tegen te gaan, vormden de halfgeleiderfabrikanten een consortium en vertelden de leveranciers dat ze een gemeenschappelijke standaard moesten creëren. Dat is precies wat er gebeurde.

"De vraag is:'Is de vraag van klanten krachtig genoeg om de creatie van een gemeenschappelijke standaard [nu] te stimuleren?" Dat zegt John Wen, hoofd elektrotechniek, computer- en systeemtechniek aan het Rensselaer Polytechnic Institute. "Het valt nog te bezien, maar er lijkt beweging in die richting te zijn."

Wen is ook een van degenen die werken aan de huidige inspanningen voor gemeenschappelijkheid en het creëren van bruggen die machinetalen vertalen, zodat de apparaten van een fabriek met elkaar kunnen praten.

Hun werk wordt gefinancierd door het Advanced Robotics for Manufacturing (ARM) Institute, dat deel uitmaakt van Manufacturing USA. De door het ARM Institute gefinancierde projecten omvatten de ontwikkeling van specifieke middleware - een van de academische wereld en een andere van de diepgewortelde ondernemer Scott Hassan - tot een hoger technisch gereedheidsniveau, zodat de middleware-opties klaar zijn voor algemeen industrieel gebruik en fabrieken kunnen helpen zoemen met bruikbare communicatie .

Eén plug-and-play-oplossing

Wen leidt een project met de titel "Robot Raconteur (RR):een interoperabele middleware voor robotica." RR verzamelt gegevens en roept ook functies op, zoals het bedienen van een camera.

"Robot Raconteur ... is een geavanceerde, verbeterde, objectgeoriënteerde middlewaretechnologie die speciaal is ontworpen om echte plug-and-play interoperabiliteitsmogelijkheden te bieden voor automatiserings-/robotsystemen", aldus het onderzoeksvoorstel van Wen.

RR is al veelzijdig:het is compatibel met de besturingssystemen Linux, Windows, OSX, iOS, Android, OpenBSD, QNX, Arduino en xPC Target. Het heeft bibliotheken voor C++, Python, C#, Java, MATLAB, LabView, browser JavaScript en xPC Target.

De Raconteur-middleware is ontwikkeld in het Rensselaer-lab van Wen door John Wason. Nadat Wason zijn doctoraat had behaald, spinde hij zijn eigen bedrijf, Wason Technology, af, gericht op middleware. Wason neemt deel aan het door het ARM Institute gefinancierde onderzoek met Rensselaer, net als het Southwest Research Institute en United Technology Corp.

Ondertussen vertrouwen gebruikers van industriële robots nog steeds op een leer-en-herhaalproces om ze aan het werk te zetten.

De sleutel om weg te komen van het leer-en-herhaal-paradigma is het gebruik van sensoren, of het nu gaat om zicht, 3D, laserscannen, nabijheid, tactiliteit of kracht, zei Wen.

Het integreren en programmeren van sensoren in een robot voegt echter complexiteit toe:ze brengen extra kosten met zich mee. En sensoren kunnen kapot gaan. Hoe meer dingen kapot kunnen gaan, hoe groter de kans dat een lijn uitvalt, wat een plant geld kost.

De oplossing van Wen is om RR te ontwikkelen tot een open-source, plug-and-play-systeem dat het programmeren en integreren van robots, sensoren, randapparatuur en simulatiesoftware van meerdere leveranciers en platforms eenvoudig, snel en veilig zou maken.

Het zou ook de deur openen naar het gebruik van een breder scala aan sensoren, waaronder goedkopere consumentenproducten, zoals Azure Kinect en Intel RealSense 3D-camera's, zei Wen.

'Programmeer in uw taal naar keuze'

Inherent aan Robinsons taak bij het Southwest Research Institute is het werken met en het promoten van ROS-I, een andere open-source middleware vergelijkbaar met RR in de zin dat je verschillende sets apparaten kunt aansluiten, maar ook een die visualisatie en simulatie vergemakkelijkt.

Hij kent het siloparadigma van een leverancier die één en slechts één oplossing promoot, waardoor de productie in de eerste plaats in de problemen kwam op het gebied van connectiviteit.

Robinson heeft dus de voor- en nadelen afgewogen en is openhartig over de negatieve kant van zijn basis, ROS (Robot Operating System), in het specifieke domein van het IoT.

"Een van de grote nadelen van ROS is dat het veel C++ is, wat een snel evoluerende en bijgewerkte computertaal is," zei hij. “Voor nieuwkomers kan het intimiderend zijn en vol met allerlei problemen. Er zijn dus veel entiteiten en tools om mensen uit de industrie te isoleren die gewoon hun systemen willen laten werken door allerlei diepgaande, hardcore C++ computerwetenschappelijke software te schrijven.

"RR probeert die toetredingsdrempel te verlagen."

Aparicio is een andere voorstander van computertaaldiversiteit.

"Ik denk dat het onrealistisch is om te zeggen dat er maar één taal zal zijn in de productie, maar als er meerdere zijn - allemaal met voor- en nadelen - dan hebben we een gateway nodig" in de vorm van software die als tolk fungeert, zei hij.

Aparicio is hoofdonderzoeker van een door het ARM Institute gefinancierd project om plug-and-play, open-source software te creëren voor interoperabiliteit en communicatie tussen automatiseringssystemen, simulatoren, cloudplatforms en een robot (die wordt bestuurd door ROS-I).

De gateway werkt met drie veelgebruikte standaarden en protocollen in de productie:OPC-UA, MTConnect en DDS.

Naast Siemens en het Southwest Research Institute in het project zijn het softwarebedrijf Real Time Innovations en de robotleveranciers Keba en Yaskawa.

"Uiteindelijk zal de geheime saus zijn hoe gemakkelijk je al deze machines in staat stelt om met elkaar te praten ... om samen te werken ... om al deze lage communicatie te abstraheren, zodat je in de taal van je keuze kunt programmeren," zei Aparicio.

Kunnen oudere machines ook praten?

Nieuwe werktuigmachines en fabrieksapparatuur zijn standaard uitgerust voor connectiviteit en interoperabiliteit, en hun eigenaren moeten krachtig kunnen profiteren van het werk dat Aparicio, Wen en Robinson doen.

Maar hoe zit het met oudere machines?

"In het algemeen, als het een netwerkkaart heeft, als het de verplaatsing van informatie via het traditionele internet kan ondersteunen, zijn we klaar om te gaan," zei Robinson.

Zelfs sommige legacy-robots die een decennium of zo oud zijn, kunnen misschien aan het werk worden gezet in plaats van stof te verzamelen in een fabrieksmagazijn.

"Als je een 10-jarige robot hebt, is het op dat moment in wezen een gratis bezit, dus je voegt gewoon wat sensoren toe en maakt gebruik van wat stukjes software", zei Robinson. "Misschien moet je met een contractpartner werken, tenzij je een goed intern team hebt, maar je kunt [tegen] veel lagere [kosten] aan de slag gaan dan wanneer je een heel nieuw systeem helemaal opnieuw moet kopen.

"Dat rendement op de investering wordt heel aantrekkelijk."

Het werk van een programmeur is nooit af

Zelfs met alle expertise en het harde werk in de door het ARM Institute gefinancierde projecten, samen met hun succesvolle resultaten, is er nog genoeg werk te doen om de Amerikaanse productie te helpen zijn volledige interoperabiliteits- en connectiviteitspotentieel te bereiken.

Er is ook ruimte voor meer deelnemers.

“Dit is het soort project dat hoe meer mensen er van weten, hoe beter. We willen steeds meer bedrijven aan boord krijgen”, aldus Aparicio. “Het is niet zo dat we het probleem helemaal oplossen. We lossen een kleine wegversperring op. Er zullen nog enkele projecten nodig zijn om het grotere probleem op te lossen.

Zoals Wen zei over de resultaten van de projecten:"Iedereen wil dit."

Wat is ROS?

Sommige van de technologieontwikkelingsprojecten die worden gefinancierd door het Advanced Robotics for Manufacturing (ARM) Institute maken gebruik van een groot deel van de inhoud van ROS-Industrial-software om de mogelijkheden ervan te vergroten en idealiter de modules te versterken die zijn ontwikkeld voor algemeen industrieel gebruik.

De geschiedenis van ROS, de fundamentele softwarecode van ROS-Industrial, is geworteld in Silicon Valley.

De ROS-code is ontwikkeld door een team dat werkte bij Willow Garage onder leiding van de oprichter van het bedrijf, Scott Hassan, een miljardair uit Silicon Valley die de belangrijkste software-architect voor Google was, volgens een bio op de website van zijn volgende bedrijf, Suitable Technologies. ROS, en nu ROS2, wordt momenteel ontwikkeld en onderhouden door de non-profit Open Robotics.

De veelgebruikte naam, ROS, is een acroniem voor 'robotbesturingssysteem', maar dat doet zijn mogelijkheden tekort.

“ROS is geen besturingssysteem in de traditionele zin van procesbeheer en planning; het biedt eerder een gestructureerde communicatielaag boven de besturingssystemen van de host … ”, volgens een overzicht van ROS op de Willow Garage-website.