Artikel ini membandingkan solusi sistem kontrol dari dua robot industri, manipulator dan robot bergerak, serta memperkenalkan karakteristiknya.
Klasifikasi di atas didasarkan pada objek aplikasi. Selain itu, terdapat pengontrol gerak yang lebih umum di pasaran, yaitu pengontrol yang mengontrol peralatan non-standar.
1 Solusi tingkat bawah pengontrol 1.1 Tipe manipulator Pengontrol tipe manipulator dikembangkan lebih awal dan relatif matang. Mari kita lihat solusi tingkat bawah sistem kontrol yang ada. 1.2 Tipe robot bergerak Pengontrol robot bergerak termasuk dalam arah yang relatif baru. Robot bergerak industri berbentuk AGV, mesin teknik tak berawak, dll. Solusi tingkat bawah dari sistem kendali adalah sebagai berikut:
1.3 Perbandingan
Manipulator memiliki persyaratan akurasi dan stabilitas gerak yang tinggi, sehingga jumlah perhitungannya besar dan siklusnya pendek, yang umumnya 1 hingga 2 kali lipat lebih tinggi dibandingkan robot bergerak. Robot seluler umumnya tidak memiliki persyaratan akurasi sinkronisasi yang tinggi, dan konfigurasinya relatif rendah.
Manipulator umumnya bekerja di area tetap, dan pengontrolnya biasanya ditempatkan di sasis, sehingga tingkat proteksinya tidak tinggi, umumnya IP20. Robot bergerak harus tahan air dan tahan debu karena harus sering bergerak, terutama mesin teknik luar ruangan, sehingga perlu mempertimbangkan sifat tahan air dan tahan debu. Tingkat perlindungannya lebih tinggi, umumnya IP67.
2 Pengantar CoDeSys 2.1 Komposisi CoDeSys
Anda akan menemukan banyak perangkat lunak kontrol robot yang diimplementasikan dengan bantuan CoDeSys, jadi apa itu CoDeSys?
CoDeSys adalah perangkat lunak pengembangan PLC lunak berbayar. Sederhananya, ini terdiri dari dua bagian: Sistem Pengembangan dan Sistem Runtime. Sistem Pengembangan adalah antarmuka perangkat lunak yang digunakan untuk pemrograman (seperti Visual Studio, Eclipse dan perangkat lunak lainnya, yang juga bisa disebut IDE). Desain, debugging, dan kompilasi program PLC semuanya dilakukan dalam IDE, yang merupakan bagian yang sering ditangani oleh pengguna;
Setelah program PLC ditulis, program tersebut harus ditransfer ke perangkat keras untuk pengoperasian. Namun program PLC yang dihasilkan tidak dapat berjalan dengan sendirinya saat ini. Itu harus bekerja di lingkungan perangkat lunak tertentu. Lingkungan ini adalah Runtime System, yang tidak terlihat oleh pengguna.
Lokasi pemasangan keduanya biasanya berbeda. IDE umumnya diinstal pada komputer pengembangan, dan Runtime System terletak pada perangkat keras yang memainkan peran kontrol. Keduanya umumnya dihubungkan dengan kabel jaringan, dan program diunduh ke Runtime melalui kabel jaringan untuk pengoperasian.
CoDeSys memang belum terkenal di Tiongkok, namun memiliki reputasi yang sudah lama ada di Eropa, khususnya di bidang pengendalian industri. Banyak perusahaan robot yang kami sebutkan di atas menggunakan produknya, seperti KEBA, Beckhoff, Googol, dan hampir semua produsen pengontrol robot seluler.
3S, perusahaan yang merancang CoDeSys, hanya menjual perangkat lunak, bukan perangkat keras. Sirkuit perangkat keras perlu dirancang oleh pengguna, dan 3S bertanggung jawab untuk mem-porting Sistem Runtime ke perangkat keras pelanggan. Runtime System dapat berjalan telanjang di perangkat keras, tetapi biasanya berjalan di sistem operasi, dan mengonfigurasi sistem operasi juga merupakan tugas pelanggan.
Jika pelanggan membutuhkannya, IDE CoDeSys dapat disesuaikan untuk mengubah logo dan tampilan pelanggan, itulah sebabnya Anda akan menemukan bahwa platform pengembangan dari produsen yang berbeda terlihat berbeda, namun gayanya relatif sama.
Tentu saja pengguna juga bisa menggunakan IDE lain. Misalnya, Beckhoff menggunakan Visual Studio Microsoft, sedangkan kernel dan pustaka fungsi di belakang kompiler masih menggunakan solusi CoDeSys.
Runtime CoDeSys memiliki kemampuan beradaptasi yang kuat dan mendukung sebagian besar sistem operasi dan arsitektur chip perangkat keras.
2.2 Prinsip Waktu Proses CoDeSys
Bagian IDE dari CoDeSys gratis, dan Anda dapat mengunduhnya dari situs resminya untuk merasakannya. Muatan sebenarnya adalah sistem runtime Runtime System.
Pada awal desainnya, CoDeSys membagi fungsi menjadi beberapa modul komponen, seperti tumpukan protokol bus, antarmuka visual, kontrol gerak, kontrol keselamatan, dll. Pengguna dapat memilih modul yang diperlukan untuk membangun sistem mereka sendiri seperti blok penyusun, dan terakhir membentuk platform perangkat lunak kontrol yang disesuaikan.
Beberapa pengguna yang baru mengenal soft PLC mungkin merasa asing dengan bagian ini, namun sebenarnya metode desain ini sangat umum. Misalnya, kotak alat waktu nyata (Real-Time) dari MATLAB Simulink bekerja dengan cara ini. Pengguna merancang program kontrol dengan menyeret dan melepas antarmuka grafis Simulink, lalu mengunduhnya ke perangkat keras sebenarnya untuk dijalankan. Anda dapat mempelajarinya di sini.
Ada juga cara penggunaan seperti Beckhoff. Pengguna memprogram dalam TwinCAT IDE dan kemudian mengunduhnya ke pengontrol Beckhoff. Faktanya, runtime sudah diinstal sebelumnya di pengontrol. Siemens STEP7 juga merupakan IDE, dan PLC-nya juga memiliki runtime yang cocok.
Program PLC yang ditulis oleh pengguna seperti aplikasi di komputer kita. Ini berjalan pada sistem runtime, dan sistem runtime berjalan pada sistem operasi.
Sistem runtime terletak di antara aplikasi dan sistem operasi. Jadi bisa disebut middleware. Pada software robot, ROS, OROCOS (Real-Time Toolkit), dll berada pada posisi yang sama.
Pengendalian robot, seperti halnya peralatan mesin CNC, memerlukan kinerja waktu nyata, sehingga sistem operasi yang kita pilih sebaiknya adalah sistem operasi waktu nyata (RTOS). Sayangnya sistem operasi yang sering kita gunakan tidak real-time seperti Windows dan Linux. Tapi untungnya, ada yang memodifikasinya, yaitu menambahkan patch real-time.
Sistem operasi real-time yang umum digunakan antara lain: VxWorks, QNX, Windows RTX, Xenomai, RT Linux, Linux RTAI, WinCE, μC/OS, SylixOs, dll. Mengingat banyaknya pengguna sistem operasi Windows dan Linux, CoDeSys telah diluncurkan patch real-time (RTE) yang sesuai untuk menyelamatkan pengguna dari kesulitan modifikasi.
Untuk informasi lebih lanjut tentang CoDeSys Runtime, Anda dapat membaca dokumen resmi [Math Processing Error] [1] [2] [1] [2].
2.3 Kekurangan CoDeSys
CoDeSys memberikan kemudahan pada pengembangan pengontrol kami dan menyelamatkan kami dari kesulitan memulai dari awal. Namun, ada banyak kelemahan dalam mengembangkan produk pengontrol kami sendiri berdasarkan perangkat lunak komersial seperti CoDeSys:
(1) Algoritme yang mendasarinya tidak terbuka
Komponen kontrol gerak dan tumpukan protokol bus yang terintegrasi oleh CoDeSys semuanya dienkapsulasi. Pengguna tidak dapat memahami detail internalnya, juga tidak dapat menyesuaikan dan mengoptimalkannya sesuai dengan kebutuhan spesifiknya. Mereka hanya dapat memanggil mereka secara sederhana. Pengguna hanya bisa mengandalkan platform CoDeSys dan kesulitan membentuk teknologi inti mereka sendiri.
(2) Fungsinya terbatas dan sulit untuk diperluas
Teknologi baru yang diwakili oleh visi mesin, kecerdasan buatan, dan penggerak otonom kini mengalami kemajuan pesat, sementara banyak teknologi dalam pengendalian industri masih berusia 20 tahun. Mengambil contoh adegan navigasi di robot seluler, metode navigasi berdasarkan penglihatan atau laser perlu mengumpulkan data dalam jumlah besar dan memprosesnya, yang melibatkan banyak perhitungan matriks.
Sekarang PLC hanya dapat melakukan perhitungan digital satu dimensi mundur, sehingga sulit untuk mengimplementasikan algoritma yang kompleks. Berbeda dengan komunitas kecerdasan buatan gaya open source, komunitas kontrol industri bersifat tertutup satu sama lain. Tidak ada yang mau membuka perpustakaan fungsinya sendiri. Ada sangat sedikit perpustakaan fungsi sumber terbuka (OSCAT). Bahkan algoritme pemfilteran dan penghitungan matriks paling dasar pun harus ditulis dari awal. Selain itu, fungsi dasar yang disediakan oleh standar internasional terlalu terbatas dan tidak dapat beradaptasi sama sekali dengan skenario baru. Mereka sangat membutuhkan perluasan.
(3) Sulit untuk diperbarui
Karena ketergantungan penuh pada CoDeSys, peningkatan perangkat keras produk milik pelanggan perlu disesuaikan dan ditransplantasikan, sehingga mengakibatkan peningkatan biaya.
3 Solusi sumber terbuka
Saat ini terdapat beberapa solusi sistem kendali open source, seperti Beremiz, Orocos, OpenPLC, OpenRTM, dan ORCA.
Mengembangkan pengontrol robot adalah tugas berat. Serangkaian persyaratan kinerja harus diklarifikasi, yang pertama adalah kinerja waktu nyata.
Performa real-time umumnya diperlukan untuk robot industri, namun tidak harus untuk robot layanan atau hiburan. Sangat mudah bagi orang awam untuk salah mengira "kinerja real-time" sebagai kecepatan pemrosesan atau respons yang cepat, namun sebenarnya "kinerja real-time" berarti "determinisme" dalam waktu. Misalnya, waktu tunda respons interupsi atau peralihan proses dalam sistem operasi waktu nyata (RTOS) harus berada dalam rentang waktu tertentu.
Sistem operasi yang biasa kita gunakan (Windows, Linux) bukanlah sistem operasi real-time, karena dirancang untuk throughput dan tidak dapat menjamin bahwa setiap kejadian diproses dalam rentang tertentu. Misalnya, kecepatan transmisi Ethernet standar jauh lebih cepat dibandingkan dengan Ethernet industri real-time, namun juga tidak real-time, karena juga tidak dapat menjamin bahwa data dikirimkan dalam waktu tertentu.
Tidak sulit untuk memahaminya secara real-time, tetapi tugas robot mana yang perlu dijalankan secara real-time? Bagaimana cara menentukan interval waktu untuk menjalankan program sesuai dengan persyaratan kinerja robot (1 ms atau 10 ms)? Apakah real-time bergantung pada perangkat keras atau perangkat lunak?
Bagaimana cara memilih perangkat keras dan perangkat lunak tertentu berdasarkan waktu nyata (ARM atau X86, Linux RTAI atau VxWorks)? Diskusi mendalam mengenai aspek ini di Internet masih kurang, dan produsen robot besar tidak akan mengungkapkan hasil pengujian dan eksperimen mereka. Nampaknya aspek ini terutama mengandalkan pengalaman dan trial and error.
Disini saya hanya dapat memberikan beberapa indikator saja. Saat ini, siklus kendali lengan robot industri adalah sekitar 1ms, dan siklus kendali loop posisi penggerak servo berkinerja tinggi dapat mencapai 125[Kesalahan Pemrosesan Matematika] mu sμs. PLCopen mendefinisikan beberapa standar untuk servo dan kontrol gerak, termasuk bahasa pemrograman, blok fungsi kontrol gerak dasar, parameter antarmuka input dan output, dll. [Kesalahan Pemrosesan Matematika] ^{[3]}
[3] Detail kode implementasi spesifik disediakan oleh berbagai produsen.
