Контролери за роботи

Bисокотехнологичната автоматизация на редица производствени процеси днес е опосредствана от индустриални роботи. В основата на тяхната интелигентна функционалност са контролерите. В зависимост от приложението, те варират от миниатюрни чипове до цели компютърни работни станции и разполагат със съответния интегриран хардуер и софтуерни инструменти за оптимално ефективното изпълнение на производствените задачи.

За да отговорят на разнообразните изисквания на различните сектори в индустрията, производителите на контролни технологии разработват широка гама от решения за управление на роботи и роботизирани системи.

Чрез тях прецизно могат да бъдат управлявани движенията, точността, скоростта, времената за цикъл, интеграцията в производствени клетки, програмирането и синхронизацията с периферни устройства, детекцията на сблъсъци, колаборацията с хора, безопасността и др.

Най-разпространените решения за управление на индустриални роботи в съвременните промишлени предприятия са програмируемите логически контролери (PLC), PC-базираните системи и микроконтролерите. Сред използваните, макар и по-рядко, технологии за управление на роботи са и т. нар. изкуствени невронни мрежи (neural networks), системите за дистанционнo (off-board) управление и др.

PC-базирани контролери
Базираните на компютър контролери за роботи осигуряват изключителна свобода и гъвкавост по отношение на хардуерните и софтуерни компоненти на системата. PC-платформите могат да съхраняват много повече информация и да обработват много по-бързо големи обеми данни в сравнение с по-компактни решения като микроконтролерите например.

Значително предимство е познатият и лесен за използване графичен интерфейс. Сред най-често изтъкваните недостатъци на тази технология са рисковете от компрометиране сигурността на системата от хакерски атаки, вируси и др.

PC-базираните контролери за роботи обикновено работят под широко разпространените операционни системи за потребителски и офис компютри и позволяват дистанционно управление на робота в мрежа посредством отдалечен работен плот на ситуиран в която и да е точка на мрежата компютър. Контролната платформа може да бъде интегрирана и в таблет, свързан към шкафа на робота, чрез който системата да бъде управлявана на място.

Програмируеми логически контролери
PLC контролерите са малки процесорни блокове за управление на индустриално оборудване. Най-често те се помещават в компактни, устойчиви корпуси, проектирани да издържат на различни агресивни промишлени условия като високи и ниски температури, шум, вибрации, влага, запрашаване, корозивни среди и др.

Програмируемите логечески контролери функционират в реално време, изпълнявайки програма, която е записана в енергонезависима памет, и задействат изходни команди, най-често посредством релейни изходи. Самите програми могат да бъдат написани по различен начин, но традиционно се пишат посредством т. нар. релейна (ладер) логика (ladder logic).

Международният стандарт IEC 61131-3 (БДС EN 61131-3:2013 “Програмируеми контролери. Част 3: Програмни езици”) дефинира четирите езика, използвани за програмиране на PLC: Функционална блок диаграма (Function Block Diagram - FBD), Структуриран текст (Structured Text - ST), Списък с инструкции (Instruction List - IL) и най-разпространения Релеен език (Ladder Diagram - LD).

Обикновено програмата се пише на персонален компютър чрез съответния приложен софтуер, а след това се сваля на програмируемия контролер. С релейна логика програмата може да бъде създавана и променяна и в самия контролер. Основни предимства на PLC управлението са ниската цена и възможностите за лесно адаптиране към бъдещи системни промени.

Микроконтролери
Микроконтролерите на практика са едночипови микрокомпютри, проектирани за интегриране в компактни електронни управляващи устройства. Те разполагат с централен процесор (CPU), вградена памет за съхранение на управляващи програми (EEPROM), оперативна RAM памет, системен часовник за скоростта (тактовата честота) на процесора, както и входно-изходни блокове.

Микроконтролерите са монтирани на платки, наричани и модули. На платките са разположени спомагателната електроника и конектори за свързване на входни и изходни устройства (сензори, двигатели, други контролери и др.), както и към източници на захранване.

В повечето случаи създаването на програмата за управление на робота се извършва на външен компютър и в последствие се сваля и зарежда в паметта на микроконтролера.

Off-board контрол
Много от съвременните роботи се управляват от компютри или компютърни мрежи, които се помещават в отдалечени точки. Достъпът до програмите, съхранявани на компютъра, се осъществява посредством радиовръзка. Преди масовото налагане на безжичната комуникация в индустрията, този тип роботи са били свързвани към компютъра посредством снопове кабели, които значително са ограничавали движенията и обхвата им.

Днес това ограничение почти е отпаднало. Сред предимствата на off-board контрола са: възможността да се използва по-голяма компютърна мощ, по-малкото управляващо оборудване в/около робота, занижените енергийни потребности. Недостатък е ограничението на радиовръзката по отношение на максималния периметър на обхвата й.

Изкуствени невронни мрежи
Изкуствените невронни мрежи са построени по аналогия на естествените невронни мрежи и съдържат специални елементи, базирани на микропроцесори (невронни процесори). При тях изобщо не се използват компютри.

Този дял от роботиката е наречен BEAM (от английските думи за биология, електроника, естетика, механика) и е базиран на изграждането на т. нар. изкуствени невронни мрежи с конвенционални аналогови електронни компоненти (кондензатори, резистори, транзистори и интегрални схеми). Движенията на BEAM-роботите обикновено са изключително реалистични, подобни на тези при живите същества, които могат да бъдат наблюдавани в природата.

Други управляващи решения
Напоследък роботите се оборудват със специални контролери на мощност и скорост. Тези контролери се монтират в непосредствена близост до системата (до източника на захранване и задвижваното тяло/рамо на робота). Съществуват и приложения, в които контролерите за мощност и скорост не са на отделни платки, а са разположени на микроконтролерната платка.

Нови технологични тенденции в областта на контролерите
Контролерите разполагат със софтуер, който осигурява на роботите интелигентната функционалност да изпълняват комплексни задачи и способ да взаимодействат с физическата среда. Съвременните разработки в областта на контролерите улесняват колаборативната роботика и помагат на роботите по-безпроблемно, безопасно и ефективно да асистират на хората в споделени работни места.

Водеща тенденция при контролерите за индустриални роботизирани системи е и разширяването на обхвата им от управление на робота към управление на целия производствен процес. Благодарение на по-голямата им процесорна мощ днес много повече инструменти и функции могат да бъдат интегрирани в контролерите за роботи. Те са в състояние да изпълняват и повече от една програма наведнъж.

С технологичното развитие в областта на контролните решения интеграцията им в роботизирани клетки става все по-лесна. Благодарение на тази по-висока степен на интеграция, роботите се превръщат в равностойна алтернатива на традиционните фиксирани системи за индустриална автоматизация. Роботите се отличават с все по-голямата си гъвкавост, лесното програмиране и пускане в експлоатация, все по-достъпната си цена и богатата си функционална база.

Тази тенденция се регистрира особено отчетливо при софтуера за контрол на роботи, с който се работи все по-лесно и интуитивно, както и при нарастващите възможности на роботите да извършват редица дейности, изпълнявани досега от външни устройства.

Масово търсени от индустриалните предприятия са обучаемите роботи, които оптимизират ефективността и производителността си, за да станат по-бързи, по-точни и по-гъвкави в производството.

По-мощни контролери с по-малки размери
Размерите на контролерите за роботи непрекъснато намаляват. Подобно на другите електронни устройства, благодарение на възможностите за консолидиране на системата контролерите имат все по-малко компоненти. Така крайните потребители могат да монтират тези все по-компактни устройства върху или да ги интегрират в самия робот. Малките габарити разширяват и набора от възможности къде да бъде монтиран контролерът.

Все по-малките контролери за роботи са част от мащабната тенденция за роботизиране на индустриални предприятия и производствени съоръжения, високотехнологични цехове, научноизследователски центрове, лаборатории и т. н.

Настолните контролери с компактни корпуси бързо набират популярност в различни промишлени отрасли, включително електрониката, фармацевтичната и хранително-вкусовата индустрия и др.

При интегрираните контролери
са по-малки като размери както изчислителният блок, съдържащ процесора и паметта, така и силовата част. Вместването на силовата електроника и контролера в корпуса на робота елиминира нуждата от допълнителни шкафове.

Миниатюризацията подобрява и безопасността на роботите не само в индустриалните приложения, но и в други приложни области. Днес е възможно проектирането и производството на по-безопасни роботи за работа в неиндустриална среда без защитни прегради.

С намаляването на размерите на контролерите намалява и тяхната сложност. Така те могат да бъдат използвани от обикновен персонал без специални познания в областта на роботиката, машиностроенето или науката, което допълнително разширява приложната област на колаборативните роботи.

Нарастващата интеграция на контролерите в корпуса на роботите опосредства развитието и на една паралелна област – проектирането на мобилни и хуманоидни роботи.

Новости в колаборативната роботика
Технологичният напредък в сферата на решенията за управление на роботи подпомага разработването на нови управляващи платформи за колаборативни приложения. Тук роботът се разглежда като част от роботизирана клетка, в която работят както хора, така и други системи и устройства. За да бъде максимално оптимизирана колаборацията между роботи и хора, специален фокус се поставя върху контрола на безопасността.

Новите контролни дизайни разполагат с вградени функции за безопасност, чрез които се гарантира, че роботът ще изпълни дословно зададените му задачи и ще спре мигновено, ако е налице риск за хората, оборудването и самата роботизирана система.

Традиционните роботи за асемблиращи линии обикновено работят безпроблемно само при подходящото осветление и при правилна ориентация на обектите на транспортната лента.

Ако реалните условия се отклоняват прекалено много от програмираните, системата бързо се затруднява и производителността й рязко спада. Някои нови разработки в областта на контролерите за роботи са насочени именно в тази посока – към разчупване на стриктния структурен модел на производствената среда.

Контролери и роботизация
Технологичното развитие в областта на контролерите за роботи създава условия за възникването на нови приложения в роботиката. Роботите постепенно навлизат в нетрадиционни сфери, където операциите традиционно се извършват от хора или конвенционални машини.

Паралелно с това, традиционните приложения продължават да се развиват и разширяват с новите технологии при хващачите, непрекъснатите подобрения в производителността и т. н. Навлизането на роботите в по-гъвкави и динамични неиндустриални среди е логична следствие от интеграцията на различни входящи устройства и технологии в корпуса на контролера – сонари, лазерни скенери, системи за триизмерно машинно зрение и др.

С подобряването на мощността на контролерите за роботи, те могат да управляват и друго оборудване в роботизираните производствени клетки. За крайните потребители е важна все по-тясната интеграция с логическите платформи, вградената кинематика и способността на роботите да управляват и други аспекти на производствените съоръжения освен фактическото производство.

По-интелигентните контролери и усъвършенстваните вериги за безопасност позволяват на роботизираните системи да работят в по-голяма близост до хората и разкриват възможности за много нови приложения, например координирана работа на повече от един робот в роботизираната клетка.