US-Automatisierungsführer stehen vor Integrationsherausforderungen: Kommunikation über Fabriksysteme hinweg überbrücken

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

Wie die internationalen Delegierten der Vereinten Nationen, die Dolmetscher nutzen, um sich zu verstehen, sprechen Roboter, Maschinen und andere Industriekomponenten verschiedener Anbieter unterschiedliche Computersprachen und benötigen Übersetzer, um zu kommunizieren.

Vor allem aus wirtschaftlichen Gründen verwenden Unternehmen, die Werkzeugmaschinen, Roboter, Förderbänder usw. herstellen, proprietäre Software für ihren Betrieb und ihre Kommunikation untereinander und mit Komponenten wie Sensoren, Treibern und SPS. Maschinenbauer wollen, dass Fabrikeinkaufsabteilungen bei ihrer Marke einer Gesamtlösung bleiben, um mehr Umsatz zu generieren.

„Der vorherrschende Gedanke war einmal: Wenn ich meine Mittel investiere und Lösungen bereitstelle, will ich meinen Vertrieb schützen“, sagte Matthew Robinson, Program Manager, ROS-Industrial (ROS-I) Consortium Americas, Southwest Research Institute. „Wenn ich Werkzeugmaschinen bereitstelle, möchte ich, dass Kunden all meine Produkte nutzen … meine Software, meine Hardware und die damit verbundenen vernetzten Technologien.“

Wenn ein Anlagenbetreiber beschließt, auf eine andere Marke umzusteigen, entstehen Kommunikationsprobleme, die Integration, Simulation und Analyse behindern, die Produktion und Qualität steigern könnten.

Bisher fiel die Aufgabe, die Kommunikation zwischen aller Technologie in einer Anlage zu ermöglichen, weitgehend an Systemintegratoren, die die Computercode-Übersetzer oder Brücken erstellen – sagen wir, von einer 3D-Kamera zu einem Roboter oder zwischen zwei Robotern verschiedener Hersteller. Es ist ein Prozess, der lange dauert und viel Geld kostet – so viel, dass der Preis für die Engineering-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. „Es ergibt für sie keinen Sinn, weil sie kein großes Budget haben, das Automatisierung rechtfertigen könnte.“

Bewegung hin zu einem gemeinsamen Standard

Dieses Szenario hat zu einem groß angelegten Problem geführt: Der Zeit- und Kostenaufwand für Integration behindert die Einführung von Automatisierung in vielen Betrieben – und hemmt den Fortschritt in der amerikanischen Industrie.

Was Hersteller und ihre hoffnungsvollen Integrations-Problemlöser wie Robinson, Aparicio und andere jetzt erleben, hat Präzedenz in einem anderen Fertigungsbereich.

Vor etwa 30 Jahren in der Halbleiterindustrie konnten Wafer-Verarbeitungsanlagen wie Ätz-Lithografie-Maschinen verschiedener Anbieter auch nicht miteinander sprechen. Um drohende Atrophie zu bekämpfen, bildeten die Halbleiterhersteller ein Konsortium und sagten den Anbietern, sie müssten einen gemeinsamen Standard schaffen. Genau das passierte.

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

Wen ist auch unter denen, die an aktuellen Bemühungen um Gemeinsamkeit und dem Bau von Brücken arbeiten, die Maschinensprachen übersetzen, damit die Geräte einer Fabrik miteinander sprechen können.

Ihre Arbeit wird vom Advanced Robotics for Manufacturing (ARM) Institute finanziert, das Teil von Manufacturing USA ist. Die ARM-Institute-finanzierten Projekte umfassen die Entwicklung spezifischer Middleware – eine aus der Wissenschaft und eine vom tiefen Taschen Unternehmer Scott Hassan – auf einen höheren technischen Reifegrad, damit die Middleware-Optionen für den allgemeinen industriellen Einsatz bereit sind und Fabriken mit handlungsfähiger Kommunikation zum Summen bringen können.

Eine Plug-and-Play-Lösung

Wen leitet ein Projekt mit dem Titel „Robot Raconteur (RR): Eine interoperable Middleware für Robotik.“ RR sammelt Daten und ruft Funktionen auf, wie das Betreiben einer Kamera.

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

RR ist bereits vielseitig: Es ist kompatibel mit Linux, Windows, OSX, iOS, Android, OpenBSD, QNX, Arduino und xPC Target Betriebssystemen. 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. Nach seiner Promotion gründete er sein eigenes Unternehmen, Wason Technology, fokussiert auf die Middleware. Wason nimmt an der ARM-Institute-finanzierten Forschung mit Rensselaer teil, ebenso wie das Southwest Research Institute und United Technology Corp.

In der Zwischenzeit verlassen sich Nutzer von Industrierobotern immer noch auf einen Teach-and-Repeat-Prozess, um sie einzusetzen.

Der Schlüssel, um vom Teach-and-Repeat-Paradigma wegzukommen, ist der Einsatz von Sensoren – ob für Vision, 3D, Laserscanning, Nähe, Taktilität oder Kraft, sagt Wen.

Allerdings fügt die Integration und Programmierung von Sensoren in einen Roboter Komplexität hinzu: Sie sind ein zusätzlicher Kostenfaktor. Und Sensoren können kaputtgehen. Je mehr Dinge kaputtgehen können, desto höher die Wahrscheinlichkeit, dass eine Linie stillsteht und dem Werk Geld kostet.

Wens Lösung ist, RR zu einem Open-Source-Plug-and-Play-System zu entwickeln, das die Programmierung und Integration von Robotern, Sensoren, Peripheriegeräten und Simulationssoftware mehrerer Anbieter und Plattformen einfach, schnell und sicher machen würde.

Es würde auch die Tür öffnen für die Nutzung einer breiteren Palette von Sensoren, einschließlich kostengünstiger Consumer-Produkte wie Azure Kinect und Intel RealSense 3D-Kameras, sagt Wen.

„In deiner Sprache deiner Wahl programmieren“

In Robinson’s Job am Southwest Research Institute liegt es inherent, mit ROS-I zu arbeiten und es zu fördern, einer weiteren Open-Source-Middleware, die RR ähnlich ist, da man diverse Gerätesets verbinden kann, aber auch Visualisierung und Simulation erleichtert.

Er weiß, dass das siloartige Paradigma eines Anbieters, der nur eine einzige Lösung bewirbt, die Fertigung in der Konnektivitätsarena überhaupt erst in Schwierigkeiten gebracht hat.

Also hat Robinson Vor- und Nachteile abgewogen und ist offen über die negative Seite seiner Foundation, 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. „Es kann für Neulinge einschüchternd und mit allen möglichen Problemen behaftet sein. Also gibt es viele Entitäten und Tools, um Industrieleute, die nur wollen, dass ihre Systeme laufen, davor zu bewahren, alle möglichen tiefen, harten C++-Informatik-Softwareentwicklungen machen zu müssen.

„RR strebt an, diese Einstiegshürde zu senken.“

Aparicio ist ein weiterer Befürworter von Computersprachenvielfalt.

„Ich denke, es ist 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 Principal Investigator für ein ARM-Institute-finanziertes Projekt zur Erstellung einer Plug-and-Play-Open-Source-Software für 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 funktionieren: OPC-UA, MTConnect und DDS.

Siemens und das Southwest Research Institute sowie das Softwareunternehmen Real Time Innovations und die Roboteranbieter Keba und Yaskawa sind am Projekt beteiligt.

„Am Ende wird die geheime Sauce sein, wie einfach Sie all diese Maschinen miteinander sprechen lassen … interoperieren … all diese Low-Level-Kommunikation abstrahieren, damit Sie in Ihrer Sprache Ihrer Wahl programmieren können“, sagte Aparicio.

Können Bestandsmaschinen auch sprechen?

Neue Werkzeugmaschinen und Fabrikgeräte sind out-of-the-box für Konnektivität und Interoperabilität gerüstet, und ihre Besitzer sollten in der Lage sein, die Arbeit von Aparicio, Wen und Robinson robust zu nutzen.

Aber was ist mit Bestandsmaschinen?

„Im Allgemeinen, wenn es eine Netzwerkkarte hat, wenn es unterstützt, Informationen über das traditionelle Internet zu bewegen, sind wir startklar“, sagte Robinson.

Selbst einige Bestandsroboter, die ein Jahrzehnt oder so alt sind, könnten stattdessen, anstatt in einem Fabrikschuppen Staub zu sammeln, arbeiten.

„Wenn Sie einen 10 Jahre alten Roboter haben, ist er im Wesentlichen ein kostenloses Asset, also fügen Sie nur einige Sensoren hinzu, nutzen Sie einige Softwareteile“, sagte Robinson. „Sie müssen vielleicht mit einem Vertragspartner arbeiten, es sei denn, Sie haben ein gutes internes Team, aber Sie können zu [einem] Weg niedrigeren [Kosten] als beim Kauf eines ganz neuen Systems von Grund auf auf und laufen.

„Diese Rendite wird sehr überzeugend.“

Die Arbeit eines Coders ist nie getan

Selbst mit all der Expertise und harten Arbeit, die in die ARM-Institute-finanzierten Projekte gesteckt wurden, zusammen mit ihren erfolgreichen Ergebnissen, gibt es noch viel zu tun, um der US-Fertigung zu ihrem vollen Interoperabilitäts- und Konnektivitätspotenzial zu verhelfen.

Es gibt auch Raum für mehr Teilnehmer.

„Das ist die Art von Projekt, wo 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 ein kleines Hindernis. Es werden weitere Projekte nötig sein, um das größere Problem zu lösen.“

Wie Wen über die Projektergebnisse sagte: „Jeder will das.“

Was ist ROS?

Einige der Technologieentwicklungsprojekte, die vom Advanced Robotics for Manufacturing (ARM) Institute finanziert werden, nutzen viele Inhalte der ROS-Industrial-Software, um deren Fähigkeiten weiterzuentwickeln und idealerweise die für den allgemeinen industriellen Einsatz entwickelten Module zu härten.

Die Geschichte von ROS, dem grundlegenden Softwarecode von ROS-Industrial, ist im Silicon Valley verwurzelt.

Der ROS-Code wurde von einem Team entwickelt, das bei Willow Garage unter der Leitung von Unternehmensgründer Scott Hassan arbeitete, einem Silicon-Valley-Milliardär, der laut einer Biografie auf der Website seines nachfolgenden Unternehmens Suitable Technologies der Schlüssel-Softwarearchitekt für Google war. ROS, und jetzt ROS2, wird derzeit von der gemeinnützigen Open Robotics entwickelt und gewartet.

Der allgemein verwendete Name ROS ist ein Akronym für „Robot Operating System“, aber das verkauft seine Fähigkeiten kurz.

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