智能机器人与智能制造的新平台— KingStar Motion

OPTION_5:HP

一、前言

中国政府已经在2015年3月，在人大会议中宣布「中国制造2025」的计划，正式宣示了中国制造业未来的蓝图，也因此点出了「智能制造」绝对是接下来的重点。而在现今的机器手臂及自动化设备的各种不同系统架构上，我们一般已经习惯使用PCI或PCIe的运动控制卡及高阶视觉卡(或称影像采集卡，Frame Grabber)。当我们仔细研究这些硬卡的设计时，就会发现其实这些运动控制及图像处理的逻辑都是运行在这些硬卡中的独立实时系统，而当下使用的每一台计算机都只是一般Windows系统，而非是自动化所需要的实时系统。当我们重新检视这样的系统架构时，发现到Windows只是被用来当作操作接口，并未完全使用到CPU及Windows的效能；另一方面，以使用4张运动控制卡连接16个驱动器与马达为例，4张运动控制卡代表4个实时系统。我们不禁要试问，在目前普遍使用硬卡的架构下，从过去到现在，我们到底已经购买了多少个实时系统呢？

在此同时，制造业对自动化的需求若渴，以及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)外加其他自动化设备，需求功能越来越多，不同系统间的整合难度相对也越来越高。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。虽然使用计算机，但是却没有充分发挥计算机该有的效能及成果。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。

由于科技不断演进，不但大幅提升计算机指令周期与性能，软、硬件的整合度也越来越高，渐渐使得整体系统的价格更加亲民。试想，若一个具实时性、纯软件的系统平台，加上工业标准的EtherCAT、软件PLC、软件的运动控制、甚至视觉系统(Vision)，能够全部「五合一」整合在同一台多核心、x64的Windows的计算机中运行。藉由计算机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、影像采集卡、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整合、省成本、高效能的新智能控制系统。

二、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、software Motion、 software Ladder PLC及GigE Vision的高度整合，正逐步将PC-Base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 (1μs)的实时性能（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（SMP），而不依赖于虚拟化(Virtualization)或复杂的接口间的通讯。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。

三、全实时自动化平台 具自动设定功能

〝它〞，KingStar Motion，是以RTX64实时操作系统整合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 (software Ladder PLC)及软件运动控制(software Motion)的全整合产品。软件运动控制取代运动控制硬卡已经逐渐形成未来的趋势。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及EtherCAT中，利用指定CPU中的某个核心来达成一般运动控制卡所可以完成的功能；同时，不需要学会C或C++的程序语言，结合已整合完成的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的目标。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，最重要的是还要能达成降低成本的目的。

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并联到串联。EtherCAT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。支持EtherCAT从站设备的厂家每天都在增加，这是其他通讯协议，例如ProfiNet、 Sercos、 PowerLink、…，等所缺乏的强大支持率。而采用EtherCAT的终端用户们是当然的最大赢家，因为有众多的品牌与设备可供选择。

尽管EtherCAT有许多优点，但是有一个为人诟病的缺点—启用设备(从站)前繁杂、困难的设定。每当要设定与测试每一个新的设备，或者欲调整同一EtherCAT在线所有联机设备的顺序时，所有的设定都要重新更改。KingStar Motion设计了一个非常贴心且与众不同的功能—自动设定，类似微软Windows的「Plug & Play」。所有KingStar Motion的客户都不用担心每个繁杂的从站设定，只需要将以太网络线从计算机网络孔连接上从站设备的网络孔，打开计算机并执行KingStar Motion就可以运行，非常方便。

不需要会编程是KingStar Motion的一大特色，但是它绝对不只如此。若终端客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 Motion也提供自行编程的功能，将客制的运动控制功能加入到KingStar Motion内与RTX64结合，得以运行实时运动控制。再者，KingStar Motion还有一个许多客户非常赞叹的优点，就是提供给客户开发自己的使用界面(User Interface，UI)。

四、与机器视觉合 具备自动化产线控制效能

近年来，数字视觉系统的应用范围越来越广，从生产线的检验、机器手臂的装配线到生物特征如指纹，DNA以及脸部分析，到医疗设备、汽车系统和机器人仓储系统。目前就机器视觉系统的性能要求上是越来越高，从速度，辨识率，图像处理的速度、深度与细到控制系统上的速度、精准度和复杂性。

GigE Vision采用一般共享低成本的快速影像数据传输标准的以太网线缆和连接器与跨越的能力长度达100米，或使用光纤电缆甚至5000米。因为GigE Vision使用以太网连接，它不依赖任何专门的硬件，如影像采集卡传送其像数据的应用程序。此外，它可支持多个相机，相同的网络与具有每个相机自身的IP地址。而随着RTX64的多核心的SMP特性、GigE视觉技术与运动控制的结合，这整个影像采集与处理，得以各自在不同的CPU核心内分工运作，不会受到互相干扰而影响整体效能，大大减少了额外对高成本的智能相机及影像采集卡的需求。除了能够呈现视觉数据显示，结合软件运动控制，也能一同处理它的生产在线的检验结果，达到「视觉结合运动控制」。

谈到这里，别以为KingStar Motion只是一台单一工控机的控制平台，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工控机。举例来说，若一条智慧产在线有4台机器人，或是刚好有4种不同设备，则会有4台 独立的工控机，分别跑4种不同系统，系统整合则会是个极大的考验。由于KingStar Motion里的PLC、运动控制甚至外加机器视觉皆运行在整合的RTX64与EtherCAT主站，所有功能与系统可以在RTX64的实时系统里面百分之百整合在一起，大大减少不同工控机与系统间的整合难度。

五、达成「中国制造2025」的智能自动化需求

「智能制造」的要件是—高整合度、节省成本并且要能快速量产，而且维护容易。透过功能强大的计算机 ，KingStar Motion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 Motion除了可以不需要编程人员外，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 Motion会持续测试并加入新品牌，所以有非常多采购上的选择；而在机器视觉上，只要是支持GigE Vision的相机，无论品牌完全没有适用性的问题。

最重要的是，所有的工作都可以在一台计算机中完成；以最低的成本，达成并超越许多硬设备的效能；除了RTX64与KingStar Motion的实时性，能够帮您管理自动化产线外，透过同一台Windows计算机，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「中国制造2025」的自动化需求，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。