Qual è il modo migliore per costruire una macchina modulare?

Con la crescente domanda di prodotti personalizzati e il loro ciclo di vita che diventa sempre più breve, i controllori e le macchine devono essere modulari. 

Le macchine devono essere progettate per la modularità e i controllori devono essere in grado di supportare diverse versioni di una macchina, dalla fascia bassa a quella alta.

KINGSTAR è una piattaforma software per l'automazione delle macchine, che è stata costruita specificamente con la modularità in mente.

Elenchiamo qui di seguito le tipologie di modularità più rilevanti, la migliore architettura di macchina modulare e i suoi requisiti tecnici. Infine, spieghiamo le caratteristiche uniche di KINGSTAR e come KINGSTAR si adatta ai requisiti di modularità.

Tipi di modularità

Per descrivere al meglio i diversi tipi di modularità nelle macchine industriali, i seguenti esempi mostrano le tipologie più comuni che abbiamo incontrato presso i nostri clienti. Le macchine più recenti e complesse usano molti, se non tutti questi tipi di modularità per essere adatti a diversi casi d'applicazione.

Unità innestabili

Le unità innestabili sono tipi specifici di macchine che non funzionano da sole. In passato, queste macchine avrebbero avuto il proprio controllore e sarebbero state sincronizzate con un'altra macchina attraverso I/O. Per esempio, questi moduli potevano caricare un pezzo, girare una scheda PCB o etichettare un pezzo. Erano in grado di essere spostati da una macchina all'altra a seconda della produzione. Con la tecnologia più recente, ora possono essere collegati direttamente alla macchina principale come slave, utilizzando un bus di campo.

Hardware opzionale

La maggior parte delle macchine oggi ha delle caratteristiche opzionali, come l'incisione, i test di performance o le operazioni speciali. La maggior parte di queste caratteristiche richiedono hardware extra per funzionare, quindi le macchine sono costruite come un gruppo di stazioni indipendenti, ogni stazione che esegue un compito specifico. Il controllore della macchina deve essere in grado di identificare con precisione e controllare ogni stazione.

Versioni di hardware

Molte aziende hanno diverse versioni della loro macchina con diverse dimensioni di carico utile e livelli di precisione. Queste diverse versioni useranno diversi modelli di hardware per quanto riguarda gli azionamenti e gli attuatori, ma quasi identici. Quindi, un singolo tipo di controllore deve essere in grado di supportare tutte queste diverse versioni hardware.

Software opzionale

Le macchine di oggi hanno spesso componenti opzionali "solo software" come editor di attività, software CAD/CAM nei CNC, o analisi per ottimizzare la velocità di produzione e prevedere le esigenze di manutenzione.

Interfaccia macchina

Poiché le macchine raramente lavorano da sole, hanno bisogno di integrarsi con altre macchine e con lo SCADA e il MES della fabbrica. Il bus di campo e il formato dei dati usato per scambiare informazioni con altre macchine e con la fabbrica è deciso dal cliente finale (e non dal costruttore della macchina). Questo significa che all'interno della macchina, l'interfaccia usata dal cliente deve essere un modulo indipendente con diverse opzioni per essere compatibile con le fabbriche del cliente.

Interfaccia delle lavorazioni

Dal momento che una macchina molto probabilmente produrrà diversi prodotti lungo il suo ciclo di vita di utilizzo, ha bisogno di supportare diverse lavorazioni definite dall'operatore. Ogni industria e fabbrica può avere i propri strumenti e formati per definire queste lavorazioni, il che significa che anche l'interprete delle lavorazioni deve essere un modulo indipendente con versioni multiple, affinché la macchina sia utilizzabile in ambienti diversi.

Architettura della macchina modulare

In questa sezione descriveremo alcune delle migliori pratiche in termini di architettura hardware e software, che permettono alle macchine industriali di essere completamente modulari.

Controllore slave o hardware

La differenza tra un controller slave e un hardware è che nel controller slave è incluso un controller autonomo.

Come detto prima, per permettere ai clienti di selezionare le caratteristiche di cui hanno bisogno, le macchine industriali dovrebbero essere progettate con stazioni separate che eseguono processi individuali. Ognuna di queste stazioni è una cella hardware costruita per presentare una semplice interfaccia alla macchina principale, di solito un connettore IN e OUT per bus di campo e alimentazione. Questo permette di assemblare la macchina collegando insieme le diverse celle.

Alcune di queste celle possono essere utilizzate o meno, a seconda del compito da svolgere, il che significa che possono essere riutilizzate su macchine diverse. Se queste unità possono essere utilizzate solo da macchine specifiche del fornitore, o hanno una logica molto semplice, non hanno bisogno di includere un controllore, poiché il controllore della macchina in cui sono già inserite verrà utilizzato per contrattare.

Altre celle sono più complesse e possono essere utilizzate in una varietà di macchine, per esempio in un caricatore di robot, che in questo caso dovrebbe includere un controller slave. Un controller slave non esegue alcun compito o programma utente, invece riceve le istruzioni del compito dalla macchina principale.

Livello di astrazione hardware

La logica deve essere in grado di funzionare su diverse versioni dell'hardware. Questo permette allo stesso logica di essere usata su diverse lavorazioni e inoltre mantiene la logica indipendente dalle evoluzioni dell'hardware. Dal momento che una macchina sarà utilizzata per molti anni, molto probabilmente si verificherà qualche cambiamento nell'hardware. Mantenere la logica indipendente permette di applicare correzioni e aggiornamenti su macchine che sono state distribuite con hardware diverso.

Ciò è sempre più critico, poiché questi aggiornamenti molto probabilmente includeranno patch di sicurezza alla macchina e all'interfaccia di fabbrica. Dover creare un aggiornamento separato per ogni versione di hardware porterebbe a sforzi inutili e le macchine più vecchie molto probabilmente non sarebbero in grado di ricevere gli aggiornamenti di sicurezza senza il livello di astrazione.

Questo permette anche una maggiore sicurezza per i costruttori di macchine, in quanto possono scambiare le marche di hardware in caso di potenziali problemi di fornitura. Le recenti carenze nel mercato dei semiconduttori rendono questo un requisito importante per i costruttori di macchine.

Software modulare

Proprio come l'hardware, le caratteristiche del software devono essere sviluppate come moduli, la piattaforma software deve essere in grado di interconnettere il bus di campo interno e i diversi livelli di applicazione. All'interno della piattaforma, il livello di astrazione dell'hardware riguarda il bus di campo interno per poter esporre le celle hardware disponibili alle applicazioni.

Applicazioni diverse sono spesso sviluppate in diversi linguaggi di programmazione e possono richiedere il tempo reale, la piattaforma dovrebbe quindi funzionare in tempo reale. Allo stesso tempo, ha anche bisogno di esporre la sua interfaccia al maggior numero possibile di ambienti.

La piattaforma dovrebbe anche avere un collegamento flessibile con le diverse applicazioni per continuare a funzionare normalmente, anche se un'applicazione fallisce. Questo è un aspetto critico, dato che alcune delle applicazioni possono includere la sicurezza. Permettere ad un'applicazione di avere un impatto sull'intero sistema richiederebbe che ogni applicazione seguisse le regole di sviluppo della sicurezza.

La piattaforma software dovrebbe anche permettere la comunicazione tra le diverse applicazioni, poiché i moduli hanno spesso bisogno di condividere informazioni tra loro. Di solito viene mantenuto uno stato attuale di ogni pezzo che ogni modulo aggiornerà.

Affinché tutti i moduli lavorino insieme senza problemi, un'applicazione principale si avvierà, inizializzerà la piattaforma ed avvierà i diversi moduli in base ai file di configurazione e all'hardware attualmente collegato, gestendo la sequenza completa di avvio e spegnimento.

Interfaccia macchina

La comunicazione tra la macchina e il resto della fabbrica è ora una caratteristica molto importante di qualsiasi macchina industriale. Questo è vero per tutte le macchine, ma quando si costruisce un sistema complesso, può diventare confuso.

L'interfaccia della macchina deve fornire un accesso remoto all'hardware per la manutenzione e la diagnostica, all'informazione generale della macchina per la gestione delle pratiche e l'analisi, e alle diverse funzioni per poter cooperare con diverse macchine.

Per ridurre possibili attacchi contro la macchina ed evitare qualsiasi interferenza accidentale alla produzione, l'accesso all'hardware non dovrebbe essere diretto, l'accesso alla manutenzione e alla diagnostica dovrebbe passare attraverso il controllore della macchina. In questo modo può assicurarsi che la macchina sia in modalità manutenzione e che il collegamento tra il controller e l'hardware non sia interrotto. Questa interfaccia deve usare un protocollo ed un modulo software diverso dalle altre interfacce di macchina, poichè deve essere extra sicura e permette un controllo remoto invece di un accesso variabile e API.

L'interfaccia per la gestione e l'analisi delle lavorazioni è di solito molto semplice in quanto raccoglie periodicamente i dati. Ma poichè l'analitica e la gestione siano utili, deve essere possibile agire sui risultati e quindi modificare le priorità, la programmazione e la calibrazione della macchina. Oltre all'accesso periodico ai dati contestualizzati, questa interfaccia dovrebbe avere APls per aggiornare la macchina.

La complessità dell'interfaccia per la collaborazione tra macchine dipende ampiamente da quanto le macchine dipenderanno l'una dall'altra, il che ancora una volta dipende dallo scenario di implementazione. Invece di dover costruire un'interfaccia diversa per ogni progetto, gli standard recenti propongono di unire questa interfaccia con l'interfaccia di gestione e analisi e dare una descrizione completa delle caratteristiche della macchina, incluso lo stato, i parametri che possono essere modificati e le funzioni che possono essere chiamate. Per quanto questo sia sicuro, diverse caratteristiche e parametri possono avere diverse restrizioni di accesso. Ogni sistema nella fabbrica, per esempio SCADA, MES userà credenziali diverse e avrà accesso alle diverse caratteristiche di cui ha bisogno. L'integrazione non richiede più alcuna modifica all'interfaccia della macchina, solo la definizione delle diverse credenziali.

File delle lavorazioni

Dato che le macchine oggi posso eseguire lavorazioni differenti, possono anche eseguire diverse lavorazioni su diversi prodotti allo stesso tempo. Se sono su stazioni diverse, le lavorazioni non possono richiedere la definizione manuale da parte di un operatore. Similmente ai CNC con file di codice G/M, la definizione delle lavorazioni deve essere memorizzata in un file che può essere facilmente scambiato, modificato e scaricato dai server seguendo le istruzioni del sistema di programmazione della produzione. In alcuni casi, invece di avere uno scheduler che assegna dall’alto le lavorazioni ad ogni macchina, si ricava l’informazione sull’articolo da produrre usando un tag ID e la macchina scaricherà automaticamente il file di lavorazione dopo aver letto l'ID dall'articolo in arrivo.

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