IT-converged industrail automation ES lab 1 Sung, Minyoung 1 IT-융합 산업 자동화 IT-Converged Industrial Automation Dec. 12, 2011 한국기계산업진흥회 상명대학교 성민영 Sung, Minyoung 2 IT 융합 산업 자동화: PLC 소개
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IT-융합 산업 자동화IT-Converged Industrial Automation
Dec. 12, 2011
한국기계산업진흥회상명대학교 성민영
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IT 융합 산업 자동화:PLC 소개
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A PLC Application¢ Programmable Logic Controller¢ 윤활유 공급 제어기
§ 두 개의 센서 (high-level, low-level)와 하나의 모터(fill motor)§ 센서는 오일에 담겨있지 않을 때 ON 됨
Inputs Address Output Address Internal Utility RelayLow 0000 Motor 0500 1000High 0001
low high utility relay
fill motorutility relay
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A PLC Application
¢ 윤활유 공급 제어기§ 동작 시연
low high utility relay
fill motorutility relay
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PLC Problems and Trends¢ 종래 PLC 시스템
§ 솔루션 제조사가 제공하는 라이브러리를 사용
§ LD(Ladder Diagram), C 언어 등을 주로 사용
§ PLC 솔루션들의 비호환적 특성으로 인해 비효율성 존재
§ 아날로그 링크 사용: 복잡한 케이블링 à 관리, 확장성 제약
§ 외산 PLC 솔루션 의존성 심화
§ 프로그램 재사용성, 유지/보수, 호환성 등에서 많은 제약 지님
¢ PLC 기술 경향§ 값싼 microcontroller로 PLC 제어기 제작하는 것이 가격경쟁력 높음
§ 실시간 산업용 이더넷의 급속한 채용
¢ PLCOpen (IEC 61131) 이 대표적인 표준임§ CPU 에서 동작하는 SW 방식에는 종래의 기법이 부적합함. § IT의 프로그래밍 기법 및 환경을 PLC에 적용
§ PLC 솔루션 제조사 공통적인 라이브러리 표준 정의
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오픈 소스를 이용한 PLC 사례
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IT 융합 산업 자동화:기술 개발의 필요성
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산업 자동화 시스템
¢ 포장, 인쇄, 조립, 가공 등 매우 다양하며 광범위한 응용을 포함
¢ 산업 자동화 시스템은 콘트롤러, 모터, 센서, 기계 부품 등을포함하는 기계, 전자, 전기 기술의 대표적 융합 분야.
Packaging machine Printing machine
Assembly robot
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산업 자동화 기술 개발의 필요성
¢ 산업 자동화 관련 국내 기업은 많으나 정밀 모션 콘트롤러 등의 핵심부품의 대외 의존도가 매우 높음
¢ 관련 국내 기술 수준은 선진국 대비 크게 뒤쳐짐
¢ IT 융복합화 및 녹색 산업발전 전략의 추세에 힘입어 종래의 유압기반 설비를 전동력화하려는 요구가 커짐
¢ 산업 자동화 시스템은 종래의 아날로그 링크, 필드버스, 이더넷이혼재하던 방식에서 실시간 이더넷을 이용한 통합된 네트워크를이용하는 방식으로 진화하고 있음.
¢ 이러한 산업 자동화 시스템의 네트워킹 패러다임 쉬프트는 IT강점을 지닌 국내 기업들에게 산업 자동화 분야 기술 수준을향상시킬 새로운 기회를 제공하고 있음.
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산업용 네트워킹 기술의 변화
¢ 네트워킹 방식의 변화§ 아날로그 링크 혹은 저속의 디지털 버스 (CAN, SERCOS )를 쓰는
방식에서 최근 산업용 실시간 이더넷을 쓰는 방식으로 진화 중
§ 산업용 이더넷 방식은 높은 가격 경쟁력, 정밀도 개선, 대규모모터 연동, 관리의 용이성 등 많은 이점을 제공
¢ 산업용 실시간 이더넷§ IEC 61158, IEC 61784-1
표준으로 공개된 규격
§ 예: EPL(Ethernet Powerlink), EtherCAT, Profinet IRT
ETG(EtherCAT Tech. Group) 가입 회원수
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산업용 네트워킹 기술의 변화
¢ EtherCAT, EPL 중심으로 개편§ 2011년 4월 Hannover Messe. EtherCAT, EPL은 대형 부스를
준비하고 대대적인 시장 공략에 나섬
¢ 통합 산업용 컨트롤러 등장§ 2011년 11월. TI (Texas Instrument)에서는 마이크로 콘트롤러와 산업용
이더넷 콘트롤러를 통합한 one-chip 솔루션 (AM335X) 을 출시.
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산업용 모션 시스템 기술 경향
¢ 아날로그 링크를 이용한 중앙집중형 제어방식에서 실시간 이더넷필드버스를 이용한 분산 제어 방식으로 진화중
•각 모터 드라이브마다 전용아날로그링크 연결•명령/응답의 실시간 전송•복잡한 케이블링, 낮은 확장성,높은 관리 비용, 노이즈 간섭에의 취약성, 해상도 제한 등의단점을 지님.
•실시간 이더넷 디지털 버스를이용한 분산 제어 방식•이더넷을이용한 장치들의직렬 연결•높은 확장성, 낮은 관리 비용•정밀 동기 모션을 위해서는정교한 SW 제어 기술 필요.
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산업용 모션 시스템의 진화
¢ 실시간 고속 이더넷의 등장으로 드라이브의 기능 축소됨
¢ PC 기반 제어기의 사용 증가
§ PC SW 제어기는 CPU와 이더넷 기술의 급속한 향상 및 높은 가격경쟁력의 잇점을 가짐
Trend for drive control architecture [ROS10]
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국제 표준을 준수하는 산업 자동화
¢ 산업 자동차 솔루션의 비호환성§ 산업 자동화 시스템 시장은 독일, 일본, 미국의 몇몇 대형 업체의
제조사 의존적(proprietary) 솔루션에 의해 독점되어 옴
§ 이들 시스템들간의 비호환성은 많은 문제를 야기하고 있음.
¢ IEC 61131-3 (PLCopen) 표준§ 최근 유럽 및 일본 기업들을 중심으로 IEC 61131-3을 기반으로
하는 산업 자동화 표준이 점차 널리 채택되고 있음
§ IEC 61131은 XML을 이용한 시스템간 호환성, 고급 언어 지원, 실시간 OS 기반 멀티태스킹 등의 최신 IT 기술을 종래 산업자동화에 결합한 대표적 국제 표준임
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IT 기술과의 융합
¢ HMI (Human Machine Interface)§ 종래 RS485, Ethernet을 이용하는 유선 방식의 제조사의존적인 초보적
GUI에서 무선 방식의 국제 표준을 지원하는 UX HMI 방식으로 진화중
§ Rockwell 에서는 최근 ipad에서 구동되는 HMI를 선보인바 있음.
¢ 키워드§ 오픈 소스 SW, UX (User eXperience) 디자인, 멀티코어, 컴퓨터
비젼
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기술 개발 목표
¢ 국제 표준을 준수하고 최신 IT 기술을 접목한 차세대 산업 자동화시스템을 개발하고자 함
¢ 산업 자동화 시스템은 콘트롤러, 모터, 센서, 기계 부품 등을포함하는 기계, 전자, 전기 기술의 대표적 융합 분야.
¢ 산업용 이더넷으로의 전환 및 기계-IT 융합화 추세는 산업 자동화시스템 전반에 걸쳐 많은 변화를 가져올 것이며 국내 IT 기술과의접목을 통해 새로운 성장 동력을 만들어 낼 수 있음
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IT 융합 산업 자동화:기술 개발 대상
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개발 대상 기술
¢ 산업 자동화 분야 핵심 소재들을 개발함
§ 모션 콘트롤러, 모션 개발 환경, 동기형 모터 드라이브, 입출력 모듈, HMI 장치 등을 개발
¢ 부품 콤포넌트들간의 동적 자동 연결, 사용 및 개발 용이성 향상을위한 IT/기계 융복합적 기술 연구,개발
개방형모션개발 환경
동기형모터드라이브
센서
모션콘트롤러
HMI 장치
표준화된 HW/SW 콤포턴트 콤포넌트기반 모션응용
산업용실시간이더넷네트워크
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OPEN MOTION CONTROL PLATFORMMotor driveMotion control host
Motion application
Motion runtime
Realtime OS(Linux/Xenomai)EtherCAT driver
(EtherLab)Ethernet
Network port
LAN or WAN
RTE controller(EtherCAT Slave
Controller)
Processor(DSP or uC)
ASIC orFPGA
motorsignal
RTE(EtherCAT)
I/O slave
I/O slave
motor slave
... ...
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기술 개발 전략
¢ 표준화§ PLCopen, CANopen, 산업용 이더넷 등 관련 국제 표준 준수
§ HMI, 고급 자동화 제어 API 등 비표준화 분야에서는 신규 표준화아이템을 발굴하고 주도함
§ 네트워킹, 모션, HMI 등에서 모든 개방된 표준 규격을 사용
¢ 개방화 및 IT 융합§ 실시간 Linux, 실시간 이더넷 프로토콜, web browser/authoring
관련 오픈 소스 SW의 적극적 활용을 통해 관련 분야 최신 SW 기술을 단기에 획득함
§ 독일, 프랑스 등 자동화 분야 선진 기관과의 협력을 통해 핵심기술을 확보
§ 필요할 경우, 오픈 소스 프로젝트의 관리를 통해 최신 IT 기술이지속적으로 적용될 수 있는 국제적 협업 네트워크 구성
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분야별 개발 대상 기술
¢ 개방형 자동화 제어기§ 실시간 PC Linux, 실시간 이더넷을 바탕으로 한 산업용 제어기
§ 수십-수백의 대규모 다축 모터에 대한 동기화된 구동 지원
§ 멀티-코어를 활용할 수 있는 모션 커널 탑재를 통해 성능 대비높은 가격 경쟁력 확보
§ Linux 등의 오픈 소스 운영체제 및 관련 SW 활용을 통해 최신 IT 기술의 신속한 적용을 가능하게 함
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분야별 개발 대상 기술
¢ 개방형 개발 환경§ IEC 61131-3 표준을 따르는 산업 자동화 응용 개발 환경
§ MS 윈도, 리눅스 등 다양한 운용 환경 지원
§ 제어기와의 네트워킹을 통한 원격 빌드 / 디버깅 지원
§ IEC 61131-3 모션 제어 라이브러리를 비롯한 타겟 산업 응용지원 라이브러리의 제공
§ Web, UX 기술을 이용한 HMI (Human Machine Interface) 저작지원
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분야별 개발 대상 기술
¢ 웹/UX 융합형 HMI SW 라이브러리 및 기기 모듈§ 실시간 Ethernet, Wifi, Bluetooth 등을 지원하는 HMI.§ HTML, SVG, OpenGL 등의 최신 IT 기술을 접목한 차세대 HMI
§ 안드로이드 태블릿, ipad, 스마트폰 등과의 연동
§ 기기 내장 그래픽스 가속 하드웨어를 활용한 고성능애니메이션 지원
§ Wireless and/or UX 융합형 HMI API 표준화
§ 산업 자동화 소프트웨어와의 실시간/비실시간 유무선 통신지원
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분야별 개발 대상 기술
¢ 네트워크형 모터 드라이브 및 전동모터§ 실시간 Ethernet을 이용한 네트워킹
§ 멀티 모터 지원 고성능 처리 능력
§ 네트워크를 이용한 펌웨어 업데이트, 원격 관리 및 모니터링지원
§ 실시간 운영체제를 탑재한 멀티태스크형 SW 구조
§ 전동 모터
§ 응용 타겟에 맞는 사양의 모터 개발
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분야별 개발 대상 기술
¢ 실시간 이더넷 지원 입출력 모듈§ 다양한 아날로그/디지털 입출력을 지원하는 모듈
§ 실시간 이더넷을 통해 자동화 제어기와 연결됨
§ 응용 요구사항에 따라 확장 가능한 stackable 구조
¢ 응용 타겟 시스템§ 개발된 IT-융합형 산업자동화 시스템을 적용한 PLC 응용
§ 프레스, 사출성형, 패키징 등
§ 해당 타겟의 기계 컴포넌트 개발
§ SW 개발 (자동화 SW 및 편의 모션 라이브러리)
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IT-converged Industrial Automation¢ Components for IA and applications
Motor drives
Controller
Industrial real-time Ethernet
Target applications:
PLC application, press machine, platstic molding, packaging, motion simulator, etc.
HMI devices
SW development tool
I/O modules
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세부 사업 대상 및 내용 요약세부 사업 개발 내용 요약
모션 제어기개발 • IPC 및 embedded board• 실시간이더넷지원• Real-time linux 등 오픈 소스 활용• 성능지표: 제어 주기, 주기 명령 지터, 동기 구동 가능 모터 개수 등
산업자동화응용개발 환경
• IEC 61131-3 표준 지원 (TC2 part 1,2,and 4 라이브러리 포함)• 통합 개발 환경 (프로그래밍, 디버깅, 실행 통합)
웹/UX 융합형 HMI 개발 • 웹과 UX기술을접목한 HMI • HMI 저작도구, HMI 프로그래밍라이브러리, HMI 런타임개발• HMI HW 모듈 개발
네트워크형모터 드라이브 및 전동모터
• 실시간이더넷지원 네트워크형서보 드라이브개발• 타겟 시스템특성을고려한모터 개발
입출력모듈 • 실시간이더넷지원 네트워크형입출력모듈• 아날로그/디지털인터페이스
응용 시스템 • 개발된자동화 시스템을적용한 PLC 응용• 기계 장치 및 관련 SW (편의 모션라이브러리및 PLC 응용)
교육 프로그램 • IEC 61131-3 표준을이용한산업 자동화개발자 교육 프로그램개발• 교육 센터 사업
표준화사업 • 웹 기반 HMI, 응용 시스템라이브러리등의 분야에서표준화진행• 표준 (PLCOpen) 인증 사업
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참고 자료
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REFERENCES[WIK] Motion control – Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Motion_control.[ROS10] M. Rostan, et al., “EtherCAT-enabled Advanced Control Architecture,” ASMC, 2010.[PLC] PLCopen, http://www.plcopen.org/[ECT] EtherCAT, http://ethercat.org/[BER] Beremiz, http://beremiz.org/[JAS07] J. Jasperneite, M. Schumacher, and K. Weber, “Limits of Increasing the Performance of Industrial
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[ROB07] S. G. Robertz, R. Henriksson, K. Nilsson, A. Blomdell, and I. Tarasov, “Using Real-Time Java for Industrial Robot Control,” In Proc. of Java Technologies for Real-Time and Embedded System, pp. 104–110, Sep. 2007.
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Technologies and Factory Automation, pp. 408–415, Sep. 2008.[QI09] J. Qi and L. Wang, “Networked Motion Control System Design Based on EtherCAT,” In Proc. of
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REFERENCES[KJE09] J. Kjellsson, et al., “Integration of aWireless I/O Interface for PROFIBUS
and PROFINET for Factory Automation,” IEEE Trans. on Industrial Electronics, 2009.[SEN09] L. Seno, S. Vitturi, and C. Zunino, “Real Time Ethernet Networks Evaluation Using Performance
Indicators,” In Proc. of Emerging Technologies and Factory Automation, pp. 1–8, Sep. 2009.[SEN09b] L. Seno, S. Vitturi, and C. Zunino, “Analysis of Ethernet Powerlink Wireless Extensions Based
on the IEEE 802.11 WLAN,” IEEE Trans. Industrial Informatics, vol. 5, no. 2, pp. 86–98, May. 2009.[CEN10] G. Cena, I. C. Bertolotti, S. Scanzio, A. Valenzano, and C. Zunino, “On the Accuracy of the
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[SER10] M. Cereia, et al., “Performance Evaluation of an EtherCAT Master using Linux and the RT Patch,” ISIE, 2010.
[PRI10] G. Prytz, and J. Skaalvik, “Redundant and Synchronized EtherCAT Network,” 2010.[VIT11] S. Vitturi, et al., “Real-time Ethernet networks for motion control,” Computer Standards and
Interfaces, vol.33, 2011.[FEL05] M. Felser, “Real-Time Ethernet – Industry Prospective,” Proc. of the IEEE, vol. 93, no. 6, pp.
1118–1129, Jun. 2005.[BEN05] F. Benzi, G. S. Buja, and M. Felser, “Communication Architectures for Electrical Drives,” IEEE
Trans. Industrial Informatics, vol. 1, no. 1, pp. 47–53, Feb. 2005.[POT06] S. Potra and G. Sebestyen, “EtherCAT Protocol Implementation Issues on an Embedded Linux
Platform,” In Proc. of Automation, Quality and Testing, Robotics, pp. 420–425, May 2006.
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INDUSTRIAL RTES AND BENEFITS¢ Industrial Real-time Ethernets
§ Standardized by IEC 61784 and 61158-2 [IEC10a/b]§ Three approaches [FEL05]
§ “on top of TCP/IP”, “on top of Ethernet”, and “Modified Ethernet”
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• Able to communicate over routers• Nondeterministic delay• Their own protocol over Ethernet• Reasonable RT performance• Bus topology with switch in every node• Hard real-time services
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ETHERCAT TOPOLOGY AND TRANSFER¢ Bus Topology with HW-based Switch at Each Node
§ Master initiates the transmission of an EtherCAT frame.§ As the frame traverses the network, each slave reads/writes
process data in its designated area in the frame.
¢ Ethernet on the Fly§ Train (frame) does not stop.§ One can extract or insert persons (bits) as the train passes.§ Frame forwarded by every slave using HW-based switch.
§ Delay < OOO ns§ Feasible cycle time of less than 100 us
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ETHERCAT TOPOLOGY AND TRANSFER¢ Mailbox and Process Data
§ Mailbox for non real-time data§ Process data service for periodic real-time data.
¢ Support of CANopen§ PDO over process data service§ SDO over mailbox
¢ IP (Internet Protocol)§ IP packets can be transferred
over mailbox service.§ Useful for implementation
of value-added functions
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TCP UDPIP
Ethernet
HTTP,FTP, …
SDO PDO
Control task
Mailbox Process data
Datagram header Data Working
counter
10 bytes 0-1486 bytes 2 bytes
1st EtherCAT telegram 2nd … nth
Ethernet header Length 0001 EtherCAT telegrams FCS14 bytes 11 bits 4 bits 44-1498 bytes 4 bytes
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ETHERCAT ADDRESSING
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ESC ADDRESS SPACE & REGISTERS
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ETHERCAT STATE MACHINE
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• No comm. at app layer• Master can access DL registers
• Mailbox comm.• No process data
• Mailbox comm.• Input process data
• Mailbox comm.• Input & Output process data
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MAILBOX SERVICE¢ Ethernet over EtherCAT (EoE)
§ Tunnels standard Ethernet frames over EtherCAT
¢ CAN application protocol over EtherCAT (CoE) § Access of a CANopen object dictionary and its objects§ CANopen Emergency and optional event driven PDO messages
¢ File Access over EtherCAT (FoE)§ Download and upload firmware and other ‘files’
¢ Servo Drive over EtherCAT (SoE) § Access the servo profile identifier(IDN)
¢ Vendor specific Profile over EtherCAT (VoE)§ First DWORD contains the VendorID, the next WORD contains a
Vendor Type, the rest is vendor specific
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DISTRIBUTED CLOCK¢ Distributed Clock
§ The master calculates the clock offset at each node and periodically broadcasts it.
§ Slave nodes adjust local clocks to compensate the offset§ Typically, jitter is far less than 1 us
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DISTRIBUTED CLOCK¢ Propagation delay measurement support
§ Each slave controller measures the delay between the two directions of a frame
§ Master calculates the propagation delays between all slaves
¢ Offset compensation to Reference Clock§ Offset between local clock and Reference Clock§ Same system time in all devices
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IT-converged Industrial Automation¢ Precision motion control trend
Analog-link-based centralized control à Ethernet-based distributed control
¢ Ethernet-based control has many advantages¢ Improved scalability, e.g. 100 axis's,¢ Lower maintenance costs, ¢ Higher resolution & reliability
compared with the noise-susceptible analog link
¢ Challenges: large-scale synchronized actuation requires¢ Sophisticated analysis and control
schemes Organizations of motion control system. (a) Motion control with analog links. (b) Motion control with a fieldbus.
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IT-converged IA: Motor DrivesPrecision servo drive using real-time Ethernet
SW development tool
Controller
Industrial real-time Ethernet
HMI devices
I/O modules
Motor drives
¢ Major results§ Development of a lightweight real-time
kernel & multi-tasked drive software§ Design & analysis schemes for
distributed multi-axis motion
¢ Publications§ “Design and Implementation of a Delay-guaranteed Motor Drive for Precision Motion System,”
IEEE Trans. on Industrial Informatics, Oct. 2011.§ “실시간이더넷을이용한네트워크형모터 드라이브의 구현및 분석,” 정보과학회 논문지,
2011년 8월. § "An EtherCAT-based Motor Drive for High Precision Motion Systems," IEEE Conf. on Industrial
Informatics, Lisbon, Jul. 2011.
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IT-converged IA: Motor DrivesPrecision servo drive using real-time Ethernet
¢ Lightweight RT kernel & multi-tasked drive software ¢ For flexibility and better analyzability ¢ Lightweight real-time kernel with special features for the drive env.
¢ Optimized for the resource-constrained drive hardware, i.e., a TI DSP of 60 MIPS and 128 KB of memory.
¢ Having only 7KB of memory footprint and 3 us of interrupt latency.
Primitive functions provided by the real-time kernel. Measured interrupt latency
Timer interrupt
Start of control loop task
Interrupt latency. 3us
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IT-converged IA: Motor DrivesPrecision servo drive using real-time Ethernet
¢ Synchronized actuation using global clock§ Globally synchronized clock makes feasible synchronized actuation with a
jitter of less than 1 us. § The developed end-to-end delay analysis is essential for determining the
time for autonomous actuation event.
§ .
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¢ Software-based controller§ Integrated PC controllers are gaining
attraction with the advent of industrial Ethernet.
¢ A real-time controller using PC Linux§ Linux with Xenomai patch.§ EtherLab’s EtherCAT master, Beremiz§ figure
¢ Work in progress§ Analysis of message release jitter§ Multi-core-aware motion kernel design
IT-converged IA: Motion ControllerPC-based motion controller
SW development tool
Industrial real-time Ethernet
HMI devices
I/O modulesMotor drives
Controller
¢ Preparing a paper for possible publication on IEEE Trans. Industrial Info.
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¢ Analysis of message release jitter§ -10 us ~ +32 us of measured jitter at the slave§ Affected by other I/O activities such as video controller and flash I/O
¢ Two approaches to jitter analysis§ Bound on the maximum jitter§ Probability model for the jitter value in respect to task set and kernel
activityy
IT-converged IA: Motion ControllerPC-based motion controller
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¢ IEC 61131-3§ Offers modern programming and
execution model to industrial automation
¢ Open source Beremiz project§ Working together with the Beremiz
team in Grenoble, France§ Adding support for EtherCAT stack and
administrative functions
¢ Motion control library¢ IA education center project
§ PLCopen training § Promotion of the developed PLC
system
IT-converged IA: Integrated Develop Env.IEC 61131-3 compliant development tool
Controller
Industrial real-time Ethernet
HMI devices
I/O modulesMotor drives
SW development tool
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¢ HMI-controller communication§ Websocket?§ Needs standardization.
¢ Inkscape, Maqetta§ Authoring tool§ Exploit open-source SW
IT-converged IA: Human-Machine InterfaceWeb-based Human-Man Interface
Controller
Industrial real-time Ethernet
HMI devices
I/O modulesMotor drives
SW development tool