Komputery wielordzeniowe w automatyce przemysłowej

Zgodnie z prawem Moore’a, wydajność najlepszych dostępnych na rynku procesorów podwaja się mniej więcej co dwa lata. Wszystko wskazuje na to, że trend ten utrzyma się także w przyszłości, przy czym wzrost wydajności układów będzie wynikał raczej ze zwielokrotnienia liczby rdzeni w procesorach, niż z podwyższenia częstotliwości ich taktowania.

Wiele rdzeni w automatyce

Aby wykorzystać w pełni moc nowoczesnych procesorów w automatyce, konieczne jest zaprojektowanie takich komputerów przemysłowych, które w wydajny, a jednocześnie adekwatny do industrialnych warunków sposób, będą pozwalały dzielić zadania pomiędzy wiele rdzeni. Spełnienie rygorów narzucanych przez przemysł wymaga, by w IPC (Industrial PC) stosować inną architekturę systemu niż w klasycznych PC. Podejście to zastosowano w komputerach Beckhoff C6670 – zamiast polegać na pojedynczym procesorze wielordzeniowym, wykorzystywano w nich dwa takie układy, które na dodatek pracują na oddzielonych od siebie blokach pamięci. Rozwiązanie wykorzystuje technologię NUMA (Non Uniform Memory Architecture), która pozwala przypisać każdemu procesorowi osobne jednostki pamięci, uniezależniając je od siebie. Obecnie Beckhoff oferuje w ramach serii C6670 modele z dwoma procesorami Intel Xeon, umieszczonymi na jednej płycie głównej, z których każdy ma 6, 12 lub 18 rdzeni. Mogą być one zamontowane w szafach sterowniczych, zapewniając bezproblemowe działanie, bez możliwości nieuprawnionej ingerencji z zewnątrz.

Czy komputery o tak dużej wydajności są w ogóle potrzebne w przemyśle? Niewątpliwie tak, gdyż jak pokazują lata doświadczeń, zapotrzebowanie na moc obliczeniową stale rośnie. Nowoczesne aplikacje są szybsze, dokładniejsze oraz nierzadko zawierają efektowne wizualizacje. Dodatkowo widoczna jest potrzeba integrowania w nich zaawansowanych algorytmów, np. pozwalających na ciągłe monitorowanie stanu maszyn. Trudnością może być natomiast efektywne wykorzystanie wielu rdzeni, które sprowadza się nie tylko do przydzielania im zadań, ale także zapewnienia bezpieczeństwa ich wykonania. Problem ten rozwiązuje oprogramowanie TwinCAT 3, umożliwiające odizolowanie od siebie rdzeni procesora, na których można bezpośrednio uruchamiać programy czasu rzeczywistego dla środowiska TwinCAT, bez pośrednictwa systemu Windows.

Przykład aplikacji

Przyjmijmy, że celem jest zbudowanie systemu automatyki, który dostępne dane wejściowe podda obróbce, a otrzymane wyniki przekaże np. na taśmociąg do dalszych etapów produkcji. Załóżmy też, że w celu podania materiału i przekazania dalej gotowego podzespołu konieczne jest zastosowanie robotów oraz pewnego systemu transportowego, natomiast do obróbki detalu wykorzystywane są m.in. dwie maszyny CNC oraz kilka innych jednostek. Zadanie każdej z jednostek (zarówno obrabiających, jak i transportujących) można zrealizować oddzielnie za pomocą niezależnych sterowników. System TwinCAT, bazując na komputerach Beckhoff, pozwala zrealizować zadania w ramach jednego IPC, rozdzielając prace na niezależnie pracujące rdzenie procesorów. W efekcie uzyskuje się korzyści płynące zarówno z modułowej konstrukcji aplikacji, jak i centralnego jej zarządzania. Brak zewnętrznych interfejsów komunikacyjnych między jednostkami nie tylko prowadzi do redukcji kosztów, ale też skraca opóźnienia w wymianie danych oraz ułatwia diagnostykę. Nie ma też potrzeby tworzenia złożonej konfiguracji oddzielnych urządzeń, by wymieniały ze sobą dane – wszystko to można łatwo zrealizować w ramach jednego, wspólnego środowiska.

Wydajny komputer umożliwi naturalnie realizować dodatkowo wizualizację, często nawet bez konieczności stosowania dodatkowych, samodzielnych komputerów panelowych, a jedynie z użyciem wyświetlaczy przemysłowych. Fakt, że komputery przemysłowe mogą być wyposażone w wydajne układy graficzne sprawia, że możliwe jest tworzenie zaawansowanych i ergonomicznych, wielodotykowych, a nawet trójwymiarowych interfejsów użytkownika.

Inne korzyści z wielu rdzeni

Oprócz możliwości realizacji algorytmów sterowania, jak na wielu sterownikach PLC zgodnych z IEC 61131 z obiektowymi rozszerzeniami, komputery wielordzeniowe pozwalają na łatwą implementację sterowania napędami, robotami, obrabiarkami cyfrowymi oraz systemami transportu. Technologia XFC (eXtreme Fast Control) firmy Beckhoff, zwiększająca wydajność pracy maszyn, również korzysta z dodatkowej mocy obliczeniowej. Podobnie jest z przetwarzaniem obrazów oraz zaawansowanymi symulacjami, których znaczenie w automatyce rośnie, a które dzięki integracji Matlab i Simulink w oprogramowaniu TwinCAT 3 znacznie łatwiej zastosować w realnych aplikacjach.

Liczne rdzenie pozwalają też skrócić czas cykli w systemach sterowania. O ile konwencjonalne PLC mogą osiągnąć cykle rzędu 5–10 ms, a sterowniki oparte na PC cykle długości 1 ms, można spodziewać się, że wielordzeniowe IPC pozwolą na uzyskanie ponad dziesięciokrotnie krótszych cykli. Aby było to możliwe, wszystkie komponenty systemu muszą oczywiście umożliwiać tak szybką pracę. Dobrym przykładem może być wykorzystanie elementów bazujących na technologii XFC, np. wielordzeniowego komputera C6670, sieci EtherCAT, oprogramowania TwinCAT oraz szybkich modułów wejść i wyjść do uzyskania czasu odpowiedzi na sygnały na poziomie 100 µs. To natomiast prowadzi do zwiększenia kontroli nad prowadzonymi procesami, poprawienia dokładności i polepszenia jakości uzyskiwanych produktów.

BECKHOFF AUTOMATION Sp. z o.o.

Żabieniec, ul. Ruczajowa 15
05-500 Piaseczno
tel. 22 750 47 00, fax 22 757 24 27
e-mail: info@beckhoff.pl
www.beckhoff.pl

źródło: Automatyka 6/2016