TwinCAT jako etap rozwoju sterowania PC-based control
W 1996 roku, wraz z przejściem od środowiska DOS do Windows, TwinCAT wprowadził do koncepcji PC-based control zintegrowane środowisko programowe oparte na separacji sprzętu i oprogramowania, umożliwiające uniezależnienie funkcji sterowania od własnościowego sprzętu urządzeniowego.
Beckhoff rozwijał tę koncepcję już od 1986 roku, odchodząc od sterowania ściśle powiązanego z konkretnym sprzętem na rzecz rozwiązań, w których funkcje sterujące realizuje oprogramowanie. Wprowadzenie TwinCAT, czyli The Windows Control and Automation Technology, uzupełniło ten kierunek o zintegrowaną platformę programową, która przeniosła standardy IT do automatyki i połączyła je z wymaganiami deterministycznego sterowania w czasie rzeczywistym.
Początkowo TwinCAT koncentrował się na systemie Windows i jego rozszerzeniach czasu rzeczywistego. Z czasem platforma objęła również inne systemy operacyjne, w tym TwinCAT/BSD oraz Linux. Istotną częścią koncepcji było także zebranie narzędzi inżynierskich w jednym środowisku programowym oraz wsparcie dla programowania PLC zgodnego z IEC 61131-3. Beckhoff wskazuje również na wykorzystanie standardów IT, takich jak C, C++, MATLAB i Simulink.
Wydajność i skalowalność w sterowaniu maszynami
Od początku TwinCAT był rozwijany jako platforma o wysokiej wydajności. Pozwolił na znaczące skrócenie cykli PLC, a jednocześnie udostępnił zasoby pamięci operacyjnej w skali, która w praktyce była znacznie większa niż w konwencjonalnych rozwiązaniach sterujących. Równolegle platforma zapewniała rozbudowane funkcje motion control.
Wraz z rozwojem systemu rosła liczba obsługiwanych osi napędowych w aplikacjach motion control - od 10, przez 50 i 100, do ponad 1000 osi obecnie. Jednocześnie spadał koszt przypadający na jedną oś sterowaną. Miało to znaczenie zarówno dla postępującej elektryfikacji maszyn, jak i dla możliwości wdrażania bardziej precyzyjnych, wydajnych oraz efektywnych rozwiązań napędowych.
Takie podejście przesuwa punkt ciężkości ze sprzętu na oprogramowanie, a ograniczenia typowe dla klasycznych sterowników zastępuje skalowalnością komputerów przemysłowych. Dla producentów maszyn oznaczało to możliwość projektowania systemów sterowania o większej elastyczności i z wyższą rezerwą wydajnościową.
Jedno środowisko dla wielu funkcji automatyki
Jedną z kluczowych cech architektury TwinCAT pozostaje otwartość. Platforma, która początkowo obejmowała przede wszystkim PLC, motion control oraz obsługę wejść i wyjść, została rozszerzona do ponad 100 wyspecjalizowanych funkcji. Obejmują one m.in. technikę pomiarową o wysokiej wydajności, regulację oraz komunikację przemysłową.
Wszystkie funkcje maszyny mogą być obliczane deterministycznie na centralnym komputerze przemysłowym. Następnie dane są przesyłane na poziom I/O z dokładnym taktowaniem za pośrednictwem szybkiej magistrali EtherCAT. Takie podejście pozwala dokładniej sterować i regulować przebiegi procesowe.
Z punktu widzenia praktycznej integracji Beckhoff wskazuje na ograniczenie nakładów instalacyjnych, zmniejszenie zapotrzebowania na miejsce w szafie sterowniczej oraz redukcję kosztów całego rozwiązania. Wysokowydajna architektura umożliwia również osiąganie bardzo krótkich czasów cyklu, takich jak 2 ms, 250 µs, a nawet 50 µs.
Systemy wizyjne, robotyka i AI w środowisku sterowania
Rozwój komputerów przemysłowych umożliwił włączenie do TwinCAT kolejnych technologii, które wcześniej często funkcjonowały jako oddzielne systemy. Przykładem jest TwinCAT Vision, czyli integracja przetwarzania obrazu bezpośrednio w środowisku sterowania. Podobnie systemowo zintegrowany kontroler robotów został osadzony w oprogramowaniu jako natywny moduł runtime.
Coraz większe znaczenie zyskuje również sztuczna inteligencja. Beckhoff wskazuje na TwinCAT Machine Learning Creator jako narzędzie umożliwiające generowanie modeli AI do analizy danych obrazowych, szeregów czasowych oraz danych procesowych. Według firmy rozwiązanie to może być używane bez wcześniejszego doświadczenia lub specjalistycznej wiedzy, a jego zastosowaniem są m.in. lokalne systemy monitorowania oraz detekcja anomalii bezpośrednio w środowisku sterowania.
Elementem rozwijającym funkcje wsparcia użytkownika jest także TwinCAT CoAgent. Narzędzie to ma wspierać użytkowników w całym cyklu życia systemu - od etapu inżynierii po pracę maszyny w trybie rzeczywistym.
Architektura przygotowana na dalszą integrację IT i OT
Po trzech dekadach od wprowadzenia na rynek TwinCAT pozostaje rozwijany zgodnie z założeniami skalowalności i konwergencji. Beckhoff podkreśla, że architektura platformy, oparta przede wszystkim na oprogramowaniu, pozwala dostosowywać TwinCAT do kolejnych wymagań rynku automatyki.
PC-based control stanowi podstawę dla głębszej integracji IT/OT oraz połączenia systemów sterowania z infrastrukturą cloud i edge. Modularna struktura TwinCAT umożliwia również adaptację do nowych obszarów, takich jak physical AI, nowe standardy komunikacyjne czy zaawansowane koncepcje cyberbezpieczeństwa.
Dla producentów maszyn znaczenie ma połączenie mocy obliczeniowej, dostępności oraz otwartości systemu. W takim modelu funkcje automatyki mogą być rozwijane w ramach jednej platformy, bez konieczności rozdzielania sterowania, pomiarów, komunikacji, robotyki, systemów wizyjnych i analizy danych na odrębne środowiska.
Źródło: Beckhoff Automation
Więcej na www.beckhoff.com
