Mnohojádrové technologie pomáhají pokročilému řízení strojů

-- 12.03.20

Vzhledem k tomu, že stroje obsahují složitější komponenty a software, nabízejí mnohojádrová průmyslová PC (IPC) zpracování a izolaci jader umožňující realizaci konceptů chytrého závodu a Průmyslu 4.0. Kolik jader aplikace potřebují?

Když začala být pro průmyslové stroje k dispozici mnohojádrová (many-core) technologie, technici si kladli všemožné otázky. „Co se dá dělat se vším tím výpočetním výkonem?“ zajímali se někteří. „Kdy bychom to mohli potřebovat?“ ptali se další. V té době bylo pro běh programu programovatelného automatu (PLC) v automatizačním softwaru na bázi PC zapotřebí jedno jádro. I s rozhraním HMI a několika dalšími programy se průmyslové servery s duálními 16jádrovými procesory zdály naddimenzované. Pro budoucí programy byla připravena kapacita, ale technici si nebyli jisti, jak ji zaplnit. Nicméně výrobní stroje již nejsou tím, čím bývaly.

Neustálý pokrok v oblasti automatizačních technologií (AT) v kombinaci s větší konvergencí AT, provozních technologií (PT) a informačních technologií (IT) stvořil účinnější, spolehlivější a složitější stroje. Také sběr dat a rychlost reakce potřebná pro koncepty chytrých závodů a Průmyslu 4.0 vedly k významným změnám.

Systémy, které dříve používaly několik PLC, krokových motorů a základní fieldbus, byly například výrazně modernizovány polohováním s robotikou a mechatronickými lineárními transportními systémy (LTS), komunikací EtherCAT, systémy počítačového vidění, operátorskými rozhraními (OI) s hlasovým ovládáním, mobilními rozhraními HMI a strojovým učením (ML). Ty i nadále zaplňují připravenou kapacitu a ospravedlňují integraci mnohojádrové technologie.

PLC a programovatelné řídicí automaty (PAC) neudržely krok s masivním přílivem dat. Vícedodavatelské architektury distribuovaného řízení se ne vždy ukázaly jako efektivní kvůli nutnosti předávání informací o navazování spojení („handshaking“), které jsou potřebné pro to, aby systémy spolupracovaly. Pokročilé stroje vyžadují pokročilé ovládání. Řízení na bázi PC prokazuje své schopnosti již mnoho let, ale tyto schopnosti se ještě rozšířily zavedením mnohojádrových procesorů. Vícejádrová (multi-core) průmyslová PC (IPC) splňují většinu potřeb řízení strojů, ale rychlý nárůst požadavků a příležitostí k získání konkurenční výhody je přesvědčivým důvodem ke zkoumání možností mnohojádrových technologií pro upgrady a koncepce budoucích strojů.

Co jsou to mnohojádrová IPC?

Klíčový rozdíl mezi mnohojádrovým a vícejádrovým řízením nespočívá ani tak v počtu procesorových jader jako ve vlastní struktuře procesorů. Mnohojádrové technologie staví na principech vysoce výkonných výpočtů (High-Performance Computing – HPC) za využití vestavěných procesorů optimalizovaných pro větší paralelnost a propustnost. Paralelní zpracování datového proudu ve velkém měřítku znamená nižší spotřebu energie pro současné plnění úkolů díky prostorovému uspořádání. Mnohojádrová technologie se také opírá o vylepšenou synchronizaci vláken, aby byly vyřešeny problémy s datovými úzkými místy, která se vyskytují ve většině jednodušších procesorů.

Ve většině aplikací může vícejádrová technologie snadno současně spouštět řadu složitých úkolů, když je spárována s vhodným automatizačním softwarem pro standardní řídicí logiku stroje a pokročilé funkce. Mnohojádrové procesory jsou navrženy tak, aby tuto schopnost rozšířily na ty nejnáročnější aplikace se stejně vysokou škálovatelností a flexibilitou. V důsledku toho by se mohly principy mnohojádrového řízení rozšířit na celou řadu zařízení od zabudovaných počítačů na lištu DIN se čtyřjádrovými procesory stejně snadno jako na průmyslové servery s deskami s duálními 20jádrovými procesory Intel Xeon a na mnoho dalšího. Bez ohledu na velikost je klíčovou předností této technologie použití automatizačního softwaru na bázi PC pro izolaci jádra.

Pokročilé řízení: Kolik jader?

Software IPC s izolací jádra umožňuje technikům vyhradit specifické úkoly jednotlivým jádrům nebo klastrům v softwaru. Paměťová afinita procesoru přispívá k rychlejším časům zpracování s daty úloh uloženými v mezipaměti na konkrétních místech pro vyšší výkon. Náročné programy, jako je integrované strojové učení nebo simulace v reálném čase s aplikacemi Matlab/Simulink od společnosti MathWorks, mohou zabírat více jader umístěných blízko sebe a běžet souběžně s podobnými úkoly.

To platí pro pokročilé architektury polohování, jako jsou LTS a planární motorové systémy s levitujícími pohony, jež vyžadují vyhrazené neuronové sítě. Velký počet jader může být zapotřebí i pro sofistikovaný software analytiky a osciloskopů, zejména s ohledem na množství dat dostupných prostřednictvím gigabitového Ethernetu a komunikačních rychlostí 10 Gbit/s.

Výběr IPC závisí spíše na počtu podporovaných úkolů a systémů a na dostupných jádrech než na nejvyšším taktování. Ve výrobních prostředích hraje důležitou roli také životnost. Je proto důležité zvolit dodavatele, kteří poskytují škálovatelné produkty ve formátu odolném vůči nepříznivým vlivům prostředí.

Na jednodušším konci nabídkového spektra mnohojádrových řídicích prvků dodávají někteří výrobci řídicí prvky na bázi PC ve standardních formátech montovaných na lištu DIN. Některá vestavná PC nabízejí čtyři až dvanáct 2,2GHz procesorů, 8 až 64 GB DDR4 RAM a provozní teplotní rozsahy –25 až 500 °C. Na druhém konci nabídkového spektra má několik průmyslových serverů duální procesory se šesti až 20 jádry, přičemž jejich takt se liší podle počtu jader. Nabízejí kapacitu pevných disků od 240 GB SSD do 4 TB, 1024 GB DDR4 RAM a provozní teplotní rozsah 0 až 50 °C. Škálovatelnost je velmi důležitá – ne každá aplikace vyžaduje výpočetní výkon 40 jader, ale některé mohou potřebovat více než čtyři jádra.

S mnohojádrovými IPC jsou na dosah výhody centralizovaných řídicích systémů. Mnohojádrové řídicí prvky strojů vytvářejí multitaskingové zařízení tím, že konsolidují všechny úkoly a současně omezují rozsah hardwaru, minimalizují prostorové nároky a zvyšují celkový výkon. Jedná se o velké zlepšení oproti předchozím systémům, které dělily procesy mezi různé PLC, polohovací řídicí prvky a síťová PC, což způsobovalo komunikační zpoždění.

I když se IPC mohou také připojit ke cloudu, jejich úložná kapacita a schopnost spouštět četné programy na zařízení způsobují, že řídicí prvky jsou soběstačnější, což prospívá výrobcům a OEM výrobcům strojů v mnoha průmyslových odvětvích. Někteří výrobci OEM se mohou rozhodnout vyvinout vlastní koncepce řízení pro práci si pokročilým strojovým učením a umělou inteligencí (AI) a provozovat na mnohojádrovém zařízení svůj proprietární software. Výrobci také mohou být obezřetní, co se týče používání cloudu, pokud jejich stroje zpracovávají těkavé sloučeniny. I bez připojení k internetu mají technici přístup k efektivnější platformě pro implementaci konceptů Průmyslu 4.0 a chytrého závodu.

Software řídicího prvku má zásadní vliv na celkové zvýšení výkonu a schopností. Díky vícejádrovým a mnohojádrovým architekturám mohou výrobci OEM i ostatní výrobci čelit mnoha novým výzvám, protože řídicí prvky na bázi PC se postupem času vyvinuly a rozšířily své schopnosti. Měli by otestovat software, který je stejně pokročilý, a potvrdit, že se těmto výzvám přizpůsobí.

Výpočetní výkon, který současné architektury strojů potřebují, některé dodavatele zaskočil. Nicméně mnoho pokročilých strojů a systémů již ukazuje hodnotu mnohojádrové technologie.

Eric Reiner, specialista na produkty IPC společnosti Beckhoff Automation. Upravil Chris Vavra, zástupce šéfredaktora časopisu Control Engineering, CFE Media and Technology, cvavra@cfemedia.com.

Autor: Eric Reiner, Beckhoff Automation