Automatisierungs-Champions kämpfen gegen spektakuläres Integrationsproblem in den USA

Projekte zielen darauf ab, die Kommunikation zwischen Robotern und anderen Fabrikkomponenten zu überbrücken

Wie die internationalen Delegierten der Vereinten Nationen, die Dolmetscher einsetzen, um einander zu verstehen, sprechen Roboter, Maschinen und andere Industriekomponenten verschiedener Anbieter unterschiedliche Computersprachen und benötigen Übersetzer, die ihnen bei der Kommunikation helfen.

Vor allem aus wirtschaftlichen Gründen verwenden Unternehmen, die Werkzeugmaschinen, Roboter, Förderbänder und dergleichen herstellen, proprietäre Software für ihren Betrieb und die Kommunikation untereinander und mit Komponenten wie Sensoren, Treibern und SPS. Maschinenhersteller möchten, dass die Einkaufsabteilungen ihrer Fabrik an ihrer Marke einer Gesamtlösung festhalten, um mehr Umsatz zu erzielen.

„Der vorherrschende Gedanke war einmal, dass ich, wenn ich meine Mittel investiere und Lösungen anbiete, meine Verkäufe schützen möchte“, sagte Matthew Robinson, Programmmanager, ROS-Industrial (ROS-I) Consortium Americas, Southwest Research Institut. „Wenn ich Werkzeugmaschinen anbiete, möchte ich, dass Kunden alle meine Produkte nutzen … meine Software, meine Hardware und die damit verbundenen verbundenen Technologien.“

Wenn sich ein Anlagenbesitzer entscheidet, zu einer anderen Marke zu wechseln, treten Kommunikationsprobleme auf und behindern die Integration, Simulation und Analyse, die die Produktion und Qualität steigern können.

Bisher fiel die Aufgabe, die Kommunikation zwischen der gesamten Technologie in einer Anlage zu ermöglichen, weitgehend Systemintegratoren zu, die die Computercode-Übersetzer erstellen oder beispielsweise Brücken von einer 3D-Kamera zu einem Roboter oder zwischen zwei Robotern verschiedener Anbieter erstellen . Es ist ein Prozess, der lange dauert und viel Geld kostet – so viel, dass der Preis der technischen Konnektivität den einer Maschine selbst übersteigen kann.

„Das Engineering dauert so lange und ist so kostspielig, dass viele Unternehmen den Automatisierungsweg nicht gehen“, sagte Juan Aparicio, Leiter der Forschungsgruppe für Advanced Manufacturing Automation bei Siemens Technology. „Für sie macht es keinen Sinn, weil sie kein großes Budget haben, das eine Automatisierung rechtfertigen könnte.“

Bewegung hin zu einem gemeinsamen Standard

Dieses Szenario hat zu einem großen Problem geführt:Der mit der Integration verbundene Zeit- und Kostenaufwand behindert die Einführung der Automatisierung in vielen Geschäften – und behindert den Fortschritt in der amerikanischen Industrie.

Was Hersteller und ihre hoffnungsvollen Integrationsproblemlöser wie Robinson, Aparicio und andere erleben, hat jetzt Präzedenzfälle in einem anderen Fertigungsbereich.

Vor etwa 30 Jahren konnten in der Halbleiterindustrie auch Wafer-Verarbeitungsanlagen wie Ätz-Lithographie-Maschinen verschiedener Hersteller nicht miteinander kommunizieren. Um der drohenden Atrophie in diesem Fall entgegenzuwirken, bildeten die Halbleiterhersteller ein Konsortium und forderten die Anbieter auf, einen gemeinsamen Standard zu schaffen. Genau das ist passiert.

„Die Frage ist:Ist die Nachfrage der Kunden stark genug, um [jetzt] die Schaffung eines gemeinsamen Standards voranzutreiben?“ Das sagt John Wen, Leiter der Elektro-, Computer- und Systemtechnik am Rensselaer Polytechnic Institute. „Es bleibt abzuwarten, aber es scheint eine Bewegung in diese Richtung zu geben.“

Wen gehört auch zu denjenigen, die an aktuellen Bemühungen um Gemeinsamkeiten arbeiten und Brücken schaffen, die Maschinensprachen übersetzen, damit die Geräte einer Fabrik miteinander kommunizieren können.

Ihre Arbeit wird vom Advanced Robotics for Manufacturing (ARM) Institute finanziert, das Teil von Manufacturing USA ist. Die vom ARM Institute finanzierten Projekte umfassen die Entwicklung spezifischer Middleware – eine von der Wissenschaft und eine andere von dem finanzstarken Unternehmer Scott Hassan – bis hin zu einem höheren technischen Reifegrad, damit die Middleware-Optionen für den allgemeinen industriellen Einsatz bereit sind und dazu beitragen können, Fabriken mit umsetzbarer Kommunikation zum Laufen zu bringen .

Eine Plug-and-Play-Lösung

Wen leitet ein Projekt mit dem Titel „Robot Raconteur (RR):An interoperable middleware for robotics“. RR sammelt Daten und ruft Funktionen auf, wie zum Beispiel das Bedienen einer Kamera.

„Robot Raconteur … ist eine fortschrittliche, erweiterte, objektorientierte Middleware-Technologie, die speziell entwickelt wurde, um echte Plug-and-Play-Interoperabilitätsfähigkeiten für Automatisierungs-/Robotersysteme bereitzustellen“, so Wens Forschungsvorschlag.

RR ist bereits vielseitig:Es ist kompatibel mit den Betriebssystemen Linux, Windows, OSX, iOS, Android, OpenBSD, QNX, Arduino und xPC Target. Es hat Bibliotheken für C++, Python, C#, Java, MATLAB, LabView, Browser JavaScript und xPC Target.

Die Raconteur-Middleware wurde in Wens Rensselaer-Labor von John Wason entwickelt. Nachdem Wason promoviert hatte, gliederte er sein eigenes Unternehmen Wason Technology aus, das sich auf Middleware konzentrierte. Wason beteiligt sich zusammen mit Rensselaer an der vom ARM Institute finanzierten Forschung, ebenso wie das Southwest Research Institute und United Technology Corp.

In der Zwischenzeit verlassen sich Benutzer von Industrierobotern immer noch auf ein Teach-and-Repeat-Verfahren, um sie zum Laufen zu bringen.

Der Schlüssel zur Abkehr vom Teach-and-Repeat-Paradigma liegt in der Verwendung von Sensoren, sei es für Vision, 3D, Laserscanning, Näherung, Taktilität oder Kraft, sagte Wen.

Die Integration und Programmierung von Sensoren in einen Roboter erhöht jedoch die Komplexität:Sie verursachen zusätzliche Kosten. Und Sensoren können kaputt gehen. Je mehr Dinge kaputt gehen können, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine Leitung ausfällt, was eine Anlage Geld kostet.

Wens Lösung besteht darin, RR zu einem Open-Source-Plug-and-Play-System zu entwickeln, das die Programmierung und Integration von Robotern, Sensoren, Peripheriegeräten und Simulationssoftware von mehreren Anbietern und Plattformen einfach, schnell und sicher macht.

Es würde auch die Tür für die Verwendung einer breiteren Palette von Sensoren öffnen, einschließlich kostengünstigerer Verbraucherprodukte wie Azure Kinect und Intel RealSense 3D-Kameras, sagte Wen.

„Programm in der Sprache Ihrer Wahl“

Zu Robinsons Job am Southwest Research Institute gehört es, mit ROS-I zu arbeiten und es zu fördern, einer weiteren Open-Source-Middleware, die RR in dem Sinne ähnlich ist, dass Sie verschiedene Gerätesätze verbinden können, aber auch Visualisierung und Simulation erleichtern.

Er weiß, dass das Silo-Paradigma eines Anbieters, der nur eine einzige Lösung anbietet, die Herstellung in der Connectivity-Arena überhaupt erst in Schwierigkeiten gebracht hat.

Robinson hat also die Vor- und Nachteile abgewogen und ist offen über die negative Seite seiner Grundlage, ROS (Robot Operating System), im spezifischen Bereich des IoT.

„Einer der großen Nachteile von ROS ist, dass es viel C++ ist, eine sich schnell entwickelnde und aktualisierte Computersprache“, sagte er. „Für Neuankömmlinge kann es einschüchternd und voller Probleme sein. Es gibt also eine Menge Entitäten und Tools, um Industrieleute, die nur ihre Systeme zum Laufen bringen wollen, davon abzuhalten, alle Arten von tiefgründiger C++-Computerwissenschaftssoftware schreiben zu müssen.

„RR versucht, diese Eintrittsbarriere zu senken.“

Aparicio ist ein weiterer Befürworter der Computersprachenvielfalt.

„Ich halte es für unrealistisch zu sagen, dass es in der Fertigung nur eine Sprache geben wird, aber wenn es mehrere gibt – alle mit Vor- und Nachteilen – dann brauchen wir ein Gateway“ in Form von Software, die als Dolmetscher fungiert, sagte er.

Aparicio ist Hauptforscher für ein vom ARM-Institut finanziertes Projekt zur Entwicklung einer Plug-and-Play-Open-Source-Software für die Interoperabilität und Kommunikation zwischen Automatisierungssystemen, Simulatoren, Cloud-Plattformen und einem Roboter (der von ROS-I gesteuert wird).

Das Gateway wird mit drei weit verbreiteten Standards und Protokollen in der Fertigung arbeiten:OPC-UA, MTConnect und DDS.

Gemeinsam mit Siemens und dem Southwest Research Institute an dem Projekt sind die Softwarefirma Real Time Innovations und die Roboteranbieter Keba und Yaskawa.

„Am Ende wird das Geheimnis darin bestehen, wie einfach Sie es all diesen Maschinen ermöglichen, miteinander zu sprechen … zu interagieren … all diese Low-Level-Kommunikation zu abstrahieren, damit Sie in der Sprache Ihrer Wahl programmieren können“, sagte Aparicio. P>

Können ältere Maschinen auch sprechen?

Neue Werkzeugmaschinen und Fabrikgeräte sind sofort einsatzbereit für Konnektivität und Interoperabilität, und ihre Besitzer sollten in der Lage sein, die Arbeit von Aparicio, Wen und Robinson nachhaltig zu nutzen.

Aber was ist mit Legacy-Maschinen?

„Im Allgemeinen, wenn es eine Netzwerkkarte hat, wenn es das Verschieben von Informationen über das traditionelle Internet unterstützen kann, sind wir startklar“, sagte Robinson.

Sogar einige Legacy-Roboter, die etwa ein Jahrzehnt alt sind, können möglicherweise eingesetzt werden, anstatt in einem Fabriklagerraum Staub zu sammeln.

„Wenn Sie einen 10 Jahre alten Roboter haben, ist er zu diesem Zeitpunkt im Wesentlichen ein kostenloses Gut, also fügen Sie einfach einige Sensoren hinzu und nutzen einige Softwareteile“, sagte Robinson. „Möglicherweise müssen Sie mit einem Vertragspartner zusammenarbeiten, es sei denn, Sie haben ein gutes internes Team, aber Sie können [zu] viel geringeren [Kosten] einsatzbereit sein, als ein komplett neues System von Grund auf neu zu kaufen.

„Diese Kapitalrendite ist sehr überzeugend.“

Die Arbeit eines Programmierers ist nie getan

Trotz all des Fachwissens und der harten Arbeit, die in die vom ARM Institute finanzierten Projekte gesteckt wurden, sowie deren erfolgreichen Ergebnisse gibt es noch viel zu tun, um der US-Fertigung dabei zu helfen, ihr volles Interoperabilitäts- und Konnektivitätspotenzial auszuschöpfen.

Es ist auch Platz für mehr Teilnehmer.

„Das ist die Art von Projekt, je mehr Leute davon wissen, desto besser. Wir wollen immer mehr Unternehmen an Bord holen“, sagte Aparicio. „Es ist nicht so, dass wir das Problem vollständig lösen. Wir lösen eine kleine Straßensperre. Es werden einige weitere Projekte erforderlich sein, um das größere Problem zu lösen.

Wie Wen über die Ergebnisse der Projekte sagte:„Jeder will das.“

Was ist ROS?

Einige der vom Advanced Robotics for Manufacturing (ARM) Institute finanzierten Technologieentwicklungsprojekte nutzen einen Großteil des Inhalts der ROS-Industrial-Software, um deren Fähigkeiten zu erweitern und idealerweise die für den allgemeinen industriellen Einsatz entwickelten Module zu härten.

Die Geschichte von ROS, dem grundlegenden Softwarecode von ROS-Industrial, hat ihre Wurzeln im Silicon Valley.

Der ROS-Code wurde von einem Team entwickelt, das bei Willow Garage unter der Leitung von Firmengründer Scott Hassan arbeitet, einem Milliardär aus dem Silicon Valley, der der wichtigste Softwarearchitekt für Google war, wie aus einer Biografie hervorgeht, die auf der Website seines späteren Unternehmens, Applied Technologies, veröffentlicht wurde. ROS, und jetzt ROS2, wird derzeit von der gemeinnützigen Organisation Open Robotics entwickelt und gepflegt.

Der allgemein verwendete Name ROS ist ein Akronym für „Roboter-Betriebssystem“, aber das verkauft seine Fähigkeiten zu kurz.

„ROS ist kein Betriebssystem im herkömmlichen Sinne von Prozessmanagement und -planung; vielmehr bietet es eine strukturierte Kommunikationsschicht über den Host-Betriebssystemen … “, heißt es in einer Übersicht über ROS auf der Website von Willow Garage.