Интелигентните машини – тенденции

Cвързването на машините и инструментите в работни условия посредством Интернет на нещата (Internet of Things) ще направи възможни приложения от нов тип, ще подобри производителността и ще повиши ефективността. Това, с което умните машини се отличават от конвенционалните, е, че те са свързани с други машини, инструменти и подсистеми в една работна или производствена среда.

Данните за работата и производството непрекъснато се събират чрез внедрени в машините датчици и се предават на една централна система за мониторинг, към производствена подсистема за автономна обработка или към оператор.

Тези машини се считат за интелигентни заради това, че събират данни в своята среда, взаимодействат и общуват с други машини и могат да вземат решения на децентрализирано ниво чрез вграден интелект при предварително дефинирани параметри. Подобно на компютрите, умните машини и инструменти могат да бъдат свързвани помежду си чрез интернет.

Пазарът на приложенията за интелигентни машини е много широк, като покрива почти всички индустрии. Умните машини са двигател на разпространението на глобални концепции като “големи данни” (big data) и Industry 4.0.

Те ще доведат до много промени в компаниите от всички индустрии: повишената гъвкавост на производството ще позволи по-лесно персонализиране на продукцията в масов мащаб; автоматизацията ще може да се внедрява по икономически ефективен начин в малки серийни производства; качественият контрол ще се подобри и грешките ще намаляват; продуктивността и ефективността ще се повишат; и чрез усъвършенствано събиране на данни ще станат достъпни редица нови приложения.

Характеристики на интелигентните машини
Инженерите и учените са натоварени със задачата да проектират машини, които трябва да са значително по-гъвкави. В основата на иновациите при умните машини е необходимостта от индивидуалност, сложност и по-високо качество на произвежданите стоки.

Машинните конструктори вече не проектират машини с едно единствено предназначение – те създават гъвкави, многоцелеви машини, съобразени с особеностите на съвременното производство, като по-малки размери на партидите, специални модификации на продуктите според изискванията на клиента и тенденцията към силно интегрирани продукти, които обединяват различни функционалности в едно-единствено устройство.

Съвременните машини работят по-автономно от когато и да било. Освен това, те предотвратяват грешки при производството, предизвикани от фактори като промени на условията при суровините, дрейф на топлинната работна точка и износване на механични компоненти. Благодарение на широката мрежа от внедрени датчици умните машини съдържат информация за процеса, за състоянието на самите съоръжения и на работната среда.

Това намалява до минимум времето на престой и повишава качеството. Нещо повече – тези системи могат да подобряват производителността си с времето и да се самообучават чрез анализи и създаване на симулационни модели. Освен това, тези машини изпращат информация за състоянието към системи за управление на по-високо ниво.

Това позволява изграждането на интелигентни промишлени предприятия и автоматизирани производствени линии, които могат да се приспособяват към променящи се условия, да балансират натоварването между машините и да информират обслужващия персонал преди дадена машина да се повреди.

Децентрализирано кооперативно управление
Съвременните машини са конструирани на модулен принцип. Те съдържат мрежа от интелигентни подсистеми, които съвместно изпълняват всички задачи, свързани с автоматизацията в рамките на машината, и осъществяват комуникация със системи за управление на ниво предприятие.

За да бъдат създадени системи, които да могат да се адаптират и разширяват, архитектурата им трябва да отразява и тяхната модулност. За свързване на подсистемите и поддържане на синхронизацията са нужни протоколи за индустриална комуникация.

Докато по-простите системи могат да са с класическата концепция – един централен контролер, свързан с децентрализиран вход/изход – модерните машини са с внедрена йерархична архитектура на контрол, при която системите за управление на по-високо ниво са свързани с подчинени контролери, които изпълняват ясно дефинирани, самостоятелни операции.

Традиционните програмируеми логически контролери все още играят важна роля в тази архитектура, особено за внедряване на функциите Logic or Safety (Логика или безопасност). Но модерните системи за управление на машини притежават много по-сложни и усъвършенствани системи за контрол и мониторинг, за осъществяване на контрол в затворен цикъл, машинно зрение и обработка на изображения, както и усъвършенстван аналогов вход/изход за задачи като мониторинг на състоянието на машините.

Освен че осъществяват връзка с главния контролер, интелигентните подсистеми взаимодействат и на същото йерархично ниво за задействане на задачи във връзка със синхронизацията, които позволяват изпълнението на операции като движение с висока производителност, управлявано чрез зрение, или задействане и събиране на данни въз основа на позицията.

Внедрено отчитане и обработка
Датчиците и технологията на измерване играят все по-важна роля, тъй като дават възможност на конструкторите на машини да създават системи, които могат да „усещат” своята среда, да извършват мониторинг на процеси в реално време, да гарантират изправността на механични компоненти с критична важност и да използват тази информация за адаптивен контрол.

Това изисква системи за управление, които могат да обединяват данни от сензори, да събират данни в реално време и да използват паралелно информация от множество сензори, изпълнявайки високоскоростни цикли за контрол. Вградените контролери с висока производителност, които са със здрави конструкции за промишлено приложение, предлагат директна връзка на сензорите чрез модулни входно-изходни устройства, възможност за обработка на данни и реакция на същите в реално време.

Водещи конструктори на машини адаптират хетерогенни компютърни архитектури, които обединяват процесор за обработка в реално време с програмируем хардуер, за решаване на най-тежки и отговорни задачи.

Хетерогенни архитектури за компютърна обработка
Тъй като приложенията за управление на машини са с все по-нарастваща сложност, хардуерните архитектури и вградените инструменти за дизайн на системи трябва да се развиват, за да отговорят на все по-големите изисквания и на необходимостта времето за проектиране да бъде сведено до минимум. Напоследък все повече дизайнери на системи преминават на компютърни архитектури, които имат множество отделни обработващи елементи, за осигуряване на по-оптимален баланс между пропускателна способност, латентност, гъвкавост, цена и други фактори.

Хетерогенните компютърни архитектури предлагат всички тези предимства и позволяват внедряването на системи с висока производителност за управление на сложни и усъвършенствани машини.

Програмируемите логически матрици (FPGA) са напълно подходящи за изпълнение на успоредни изчисления, като паралелни цикли за контрол, операции, свързани с обработка на сигнали от голям брой канали с данни, и изпълнение на независими задачи за автоматизация в рамките на една система. Освен това, тъй като програмируемите логически матрици извършват изчисления директно в хардуера, те осигуряват път с малко закъснение за изпълнение на някои задачи като специално задействане и високоскоростен контрол в затворен цикъл.

Вграждането на програмируеми логически матрици в компютърните архитектури подобрява гъвкавостта на внедрените системи, поради което те се надграждат по-лесно, отколкото системите с непроменлива логика, и могат да се адаптират спрямо променящите се изисквания за вход/изход. Сдвояването на централен процесор с програмируема логическа матрица в една и съща хетерогенна архитектура означава, че дизайнерите на системи няма нужда да правят избор между предимствата на FPGA и съответните характеристики на централния процесор.

Освен това, една хетерогенна архитектура може да е по-оптимален вариант в сравнение с опит за адаптиране на архитектура с един елемент за решаване на проблем, за който този елемент не е много подходящ.

Макар че архитектурите с вградени системи с много процесорни елементи имат ред предимства, те създават известни проблеми по отношение на разработката на софтуер. Специализираните архитектури на отделните процесорни елементи, фрагментираният набор от инструменти и експертният опит, който се изисква за тяхното програмиране, означават, че те често пъти изискват големи екипи от разработчици.

Въз основа на информацията за хардуера, който е в основата на архитектурата, инструментите за дизайн от високо ниво извличат както системната архитектура, така и входа/изхода по време на процеса на разработка. По този начин те подобряват продуктивността и спестяват на системните дизайнери необходимостта да управляват детайлите на процеса на внедряване на по-ниско ниво.

При разработката на внедрени системи, базирани на хетерогенни архитектури, системните дизайнери могат да използват инструменти за дизайн от високо ниво, които могат да извличат архитектури, състоящи се от отделни електронно-изчислителни компоненти, като програмируеми логически матрици, и предлагат унифициран модел за програмиране, който може да помогне на дизайнерите да използват предимствата на различните елементи.

Нещо повече, извлечението в софтуера за дизайн на високо ниво помага при краткото описание на функционалното поведение и подпомага повторното използване на кода, въпреки промените на хардуера или на комуникационните интерфейси.

Стимули и препятствия
Стимулите за разпространение на тенденцията за преход към интелигентни машини и инструменти включват: пестене на разходи; подобряване на продуктивността; и избягване на монотонния и опасен труд за работниците. Препятствията са: съпротива заради потенциалната загуба на работни места и високите капиталови разходи за разработка и комерсиализиране на умните машини.

Що се отнася до обслужващите роботи, предизвикателствата, свързани с внедряването им, са свързани предимно с проблеми около безопасността. Понастоящем компаниите, които продават обслужващи роботи, все още трябва да полагат значителни усилия, за упражняване на мониторинг или контрол, дали техните роботи наистина изпълняват задачите си както трябва и безопасно.

Поради тази причина, повечето обслужващи роботи все още не работят с пълния си капацитет и функционалност. Липсата на сертификация на роботите с много движещи се части (например манипулатори) би възпрепятствала внедряването им на пазара. Вече има сертификати за роботи за сглобяване, но за обслужващия сектор сертифицирането е ограничено.

Застраховката за инциденти, свързани с роботи, може да подпомогне внедряването им, но тя е доста скъпа. Безопасността е от критична важност, защото веднага след като се случат инциденти, свързани с роботи, общественото мнение бързо ще се настрои срещу тях.

Правенето на бизнес с нов играч изисква поемане на рискове откъм страната на клиента, тъй като такива винаги съществуват при внедряването на нова технология. Това е истина, особено като се имат предвид невероятно скъпите производствени линии на клиентите, в които трябва да бъде внедрена технологията (в тази област инвестиции от порядъка на 600 милиарда евро са нещо обичайно). Клиентите имат нужда от решения, които гарантират устойчиво високо качество, защото загубите от престой на производствените линии са огромни.

Технологичният прогрес в областта на наноелектрониката и фотониката намалява цените и размерите на умните машини и инструменти. Най-важните компоненти на повечето интелигентни машини са датчиците, микроконтролерите с ултраниска мощност, радиочестотните приемо-предаватели и поддържащият софтуер (т. е. протоколите от машина до машина).

С намаляването на размерите и цената на тези компоненти, внедряването на все повече и повече машини и инструменти става осъществимо както от техническа, така и от икономическа гледна точка.