如何用一台电脑同时完成逻辑控制、运动控制、机器人控...

工业 4.0 智能自动化集成与应用新平台- KINGSTAR

「智能制造」是未来的重点。现今的机器手臂及自动化设备的各种不同系统架构上，长期以来企业习惯使用 PLC 或 PC-Based 的 PCI/PCIe 运动控制卡及高阶视觉卡（或称影像撷取卡，Frame Grabber）。当仔细研究这些硬卡设计时，就会发现运动控制及图像处理的逻辑，其实都是运行在这些板卡中芯片里的实时系统，而当下使用的每一台电脑都只是一般 Windows系统，而非自动化所需要的实时系统（Real-Time OS）。当我们重新检视这样的系统架构时，发现 Windows 往往只是被用来当作操作接口，仅使用到 10 - 20% CPU 的效能；另一方面，假设我们使用 4 张运动控制卡来连接 16 个驱动器与马达为例，4 张运动控制卡代表的是购买4 个实时系统。我们不禁要试问，在目前普遍使用板卡的架构下，从过去到现在，我们到底在一个控制器里购买了多少个实时系统但是只做一件事呢？



在此同时，新世代的制造业对自动化的需求若渴，市场竞争激烈的情形下，往往一条自动化生产线，包括机器手臂、PLC、机器视觉（Vision）外加传感器、数据连网等，需求功能越来越多，不同系统间的集成难度相对越来越高。再者，自动化的人才供应一直都是十分缺乏的，尤其是优秀的软件人才，以至于大量使用现成的硬件来组合。虽然使用电脑，但是却没有充分发挥电脑该有的效能及成果，所以，在思考「智能制造」的新系统架构与需求时，提供一个「极」智能自动化架构的系统来解决人才与成本的问题，同时又能够满足「智能制造」的要求，就是现在与未来的重要课题。感谢现今科技的不断演进，不但大幅提升电脑指令周期与性能，软、硬件的集成度也越来越高，渐渐使得整体系统的价格更加亲民。试想，若一个具实时性、纯软件的控制系统平台，加上工业标准的 EtherCAT 总线、软件 PLC、 软件运动控制、甚至视觉系统与物联网平台等，能够全部「多合一」集成在同一台多核心、 x64 的 Windows电脑中运行。藉由电脑 CPU 中每个不同核心来运行不同的功能，并藉此取代 IO 卡、运动控制轴卡、影像撷取卡、或其他 FPGA 功能的卡片，还能够控制一或多台机器人，或一条自动化生产线，相信它的效能与弹性是呈倍数的递增，但是总成本是相对的递减许多。这或许是一个我们所期待的高集成、省成本、高效能的新智能控制系统，最重要的是「不被绑系统、自主控制成本」！

真 64 位实时系统 “百分百”使用 CPU 的效能

公司总部位于美国新英格兰地区的麻萨诸塞州，IntervalZero 的 64 位实时操作系统(Real-Time Operating System, RTX64)，成功地将 Windows 转换成为一个完美在x64多核心硬件下运行的实时操作系统。它带来“实时性”的效能、多核心的对称多处理 (SMP ) 与内存共享环境下，并且以 Windows 作为人机接口的 64 位实时操作系统，藉由与 EtherCAT 总线、欧洲标准 PLCopen 的软件运动控制函数 (MotionControl APIs)、软件 PLC 等基本功能，正逐步将 PC-Based 的系统效能，发挥到极大化。RTX64 有一个硬件抽象层（HAL），不同于 Windows 的 HAL，它们是个别独立运作，而且没有修改 Windows 的必要。这两个系统是共存共荣。该 RTX64 HAL 最快能够达到 1 微秒 (µs) 的实时效能（通常取决于硬件配置）。在 RTX64 实时子系统（RTSS）里有独立于 Windows 的排程器（Scheduler），可以分配线程（Threads）到指定内核（CPU Core）来实现对称多处理，而不依赖于虚拟化 （Virtualization）或复杂的接口间通讯。极大的储存空间可用于所有内核，没有记忆分区，从此共同创造了一个绝佳的「实时控制系统」。

KINGSTAR 具自动设定功能、自主选择硬件品牌、控制成本

KINGSTAR，是以 RTX64 实时操作系统集成 EtherCAT 主站（以太网现场总线）为主轴，并加入机器手臂及自动化设备普遍都会用到的软件 PLC（SoftwarePLC）及软件运动控制函数 （Software Motion Control APIs）的全集成产品。软件运动控制取代运动控制卡已经逐渐形成市场的新趋势。藉由强大的 Windows 作为使用接口，将软件运动控制与 PLC 的逻辑直接运行在 RTX64 中，利用指定 CPU 的内核来达成一般运动控制卡甚至所有自动控制所可以完成的功能；同时，不需要学会 C 或 C++ 的程序语言，结合已集成完成的 RTX64 与 EtherCAT，可以让您的机器手臂、自动化机台、 AOI 检测机台、…，等，能够快速达到研发、测试、量产的 Time-to-Market 目标。而最终的目的除了希望在前期研发工作及日后维护上能达到简单、方便，最重要的是还要能够达成降低成本的目的。



图 1. KINGSTAR 软件平台具高度开放性特色，用户只需自行采购工业电脑，即可在软件上设计与运行精准运动控制、数控机床与 PLC

国际工业通讯标准之一的 EtherCAT，优点在于它改变联机方式从现今的「多线并联」到「一线串联」。 EtherCAT 总线功能强大（二个设备之间的距离可以到 100 公尺、一个区段的网络最多可以链接 65535 个设备，包含驱动器 / 马达及 IO）以及速度快（每个节点接收及传送数据的时间少于 1µs、读写一百个伺服轴的系统可以 10kHz 的速率更新）。对于系统的同步，EtherCAT 协议中有提供分布式时钟机制，即使通讯循环周期有抖动（jitter）， 时钟的抖动远小于 1µs；一千个分布式数字输入 / 输出的程序数据交换只需 30µs，相当于 在 100Mbit/s 的以太网传输 125 个字节的数据，更重要的是它的普遍性。全球支持 EtherCAT 从站设备与品牌每天都在增加，这是其他通讯协议，例如 ProfiNet、Sercos、 PowerLink、CCLink、Mechatrolink、…，等所缺乏的强大支持率。KINGSTAR 之所以支持 EtherCAT 通讯的原因就是因为全球有众多的品牌与设备可供选择，因此用户不会被绑系统，更重要的是可以自由选择品牌、自主控制硬件成本。

另外，KINGSTAR 设计一个非常贴心且与众不同的功能―自动扫描与设定，类似微软Windows 的驱动程序设定「Plug & Play」。所有 KINGSTAR 的客户都不用担心每个从站（slave）的繁杂设定，只需要将以太网络线从电脑网络孔连接上从站设备的网络孔，打开电脑并执行 KINGSTAR，就可以运行，非常方便。不需要会写程序是 KINGSTAR 的一大特色，但是它绝对不只如此。若用户有自己特殊用法的运动控制或者 PLC 的逻辑，例如机器人制造商， KINGSTAR 也提供自行编程的功能，透过将客制的运动控制功能加入到KINGSTAR 与 RTX64 结合，得以实现实时运动控制。再者，KINGSTAR 还有一些许多客户非常赞叹的优点，例如提供客户开发自己的使用接口（User Interface，UI），以及提供简易的方式，让用户能够简单的使用 PLC 来控制「任何」品牌的机器手臂，大大提升自动化系统集成的功能。

实际应用案例分享— 不被绑系统、多控制器集成与数据连网

谈到这里，别以为 KINGSTAR 只是一台单一控制器的控制平台，事实上它已经可以是一台智慧自动化生产线的控制平台。目前，PLC、机器手臂、高阶机器视觉甚至其他自动化设备都有各自的控制器。举例来说，若一条智慧产业线有 4 台机器人，或是刚好有 4 种不同设备，则会有 4 台独立的控制器，分别跑 4种不同系统，这对于系统集成会是个极大的考验。由于 KINGSTAR 里的 PLC、运动控制甚至外加机器视觉皆运行在集成的 RTX64，所有功能与系统可以在 RTX64 的实时操作系统（Real-time operating system, RTOS）里面百分之百集成在一起，大大减少不同控制器与系统间的集成难度。

去年有一个实际案例。这个客户在其新型半导体设备，过去习惯使用传统 PLC +人机来做为设备的控制器。因为工业 4.0 的趋势，终端客户也越来越重视数据连网的功能，因此，传统 PLC 必须旁边加上一台电脑来撷取数据并且上传云端，因此系统从一台增加为二台，成本也同步增加。权衡客户在工业 4.0 的联网、高度集成以及降低成本的考虑，决定导入 KINGSTAR 软件自动化平台做为其控制器的控制平台。透过 KINGSTAR 所提供的集成环境，不仅仅利用软件 PLC 来作为此设备控制的大脑，此设备也集成了 4 轴机器人以及透过 Windows 来做数据连网。若采用触控电脑作为控制器，也立即取代传统人机接口。各位可以试想，基于 KINGSTAR 平台，「一台多核心电脑」可以从事 PLC、机器人算法、传感器、机器视觉、人机接口以及 IoT 云端平台的数据连网及数据分析，轻松地将传统 3 - 5台控制器全部集成在一台电脑里，加上自主选择 / 控制 EtherCAT 从站，不仅不会被绑系统，还可以大大降低成本，一举数得！除此之外，因为是运行在 Windows 的环境， 电脑比传统 PLC 与 PAC 有更大的扩充性，第三方功能的软件取得与集成非常方便，例如机器视觉、数控机床、CAD/CAM、MES、IoT 平台等等，甚至也因为软件平台的共通性与弹性，设备商方便在共同的KINGSTAR 平台（底层是实时系统）上，开发每一个不同机型的应用程序，就好像手机里的 APP 一样，因此公司内部可以建立自己的App Store，对于新机种的开发可以大大降低开发时间，加速新产品 Time-to-Market 的时间，提升市场竞争力。



图 2. KINGSTAR 软件平台在最新客户的应用上，既可用软件 PLC 来控制设备，也「同时」可以操控机器人以及资料连网等，全软件且实时





图 3. 自动化产线的演进

达成「工业 4.0」的智慧自动化需求

「智能制造」的要件是―高集成度、节省成本并且要能快速量产，而且维护容易。透过功能强大的电脑，KINGSTAR 不但可轻松处理繁重的运算，最大优势是―极度的弹性与节省成本。使用 KINGSTAR 除了可以不需要编程人员，运行所需要的相关设备，完全不用担心系统绑定硬件的问题，只要任何一台 x64 架构的 Windows PC 就可以同时控制数台机器人甚至一条自动化生产线；在工业通讯标准 EtherCAT 的从站设备包含伺服驱动器 / 马达及 IO 的搭配上，KINGSTAR 会持续测试并加入新品牌，所以有非常多采购上的选择，自主控制成本。最重要的是，所有的工作都可以在一台电脑中完成，以最低的成本，达成并超越许多硬设备的效能；除了 RTX64 与 KINGSTAR 的实时性，能够帮您管理自动化产线外，透过同一台 Windows电脑，加上适合的物料及产销管理系统与联网系统，不但能轻易达到自动化需求，更可以比拟德国的「工业 4.0」，使您可以加速导入或提升自动化的效能，并且得以达到与欧美先进工业国的制造水平。