Applications des automates programmables Lingchen pour chariots de plafond électriques
Dans le domaine de la manutention logistique intelligente, les chariots aériens constituent un équipement essentiel, imposant des exigences extrêmement élevées en matière de performance en temps réel, de stabilité et de sécurité de leurs systèmes de commande. Un système de manutention par chariot aérien, développé par un client spécifique et dicté par les exigences du terminal, devait migrer de son architecture initiale « Windows + carte de contrôle » vers le système d'exploitation open source Linux, tout en tenant compte de la contrainte majeure d'un espace matériel disponible extrêmement limité.
Il est crucial de noter que, compte tenu du fait que la voie aérienne peut accueillir plusieurs chariots de transport, voire une intervention humaine, le système de contrôle doit présenter une vitesse de réponse exceptionnellement rapide afin de faciliter l'interaction entre ces éléments et ainsi prévenir les accidents et les collisions. L'architecture de l'équipement est donc divisée en deux composants distincts : une couche logique et une couche applicative. Le programme hôte gère la logique opérationnelle et l'intégration MES, tandis que le composant PLC est responsable de l'exécution des tâches de contrôle de bas niveau, telles que le mouvement des axes, l'interaction E/S et la transmission des rapports d'état, conformément aux instructions du système hôte.
Pour relever ce défi, Lingchen Technology a développé une solution complète de contrôleur à double domaine intégrant calcul et contrôle, basée sur ses automates programmables de la série LC2000. Cette solution a permis une interaction stable et rapide entre le système hôte et l'automate programmable sous environnement Linux.
1. Exigences du client et principaux défis
Indicateurs clés de performance : Le client a spécifié des exigences de performance claires pour le système de contrôle :
Vitesse de communication : La latence de communication entre le PC hôte et l'automate programmable doit être inférieure à 6 ms.
Réponse E/S : La vitesse à laquelle l'état du point d'E/S est acquis doit être inférieure à 15 ms.
Sécurité des données : les opérations de lecture et d’écriture des données doivent être séparées, et des sommes de contrôle CRC doivent être appliquées à toutes les données.
Architecture système : L’environnement Linux doit prendre en charge simultanément l’exécution du programme d’exécution de l’automate programmable et de l’application PC hôte, tout en facilitant l’échange de données entre eux.
Défis techniques liés à la mise en œuvre : parvenir à une collaboration efficace entre un automate programmable et un PC hôte dans un environnement Linux présente les défis techniques suivants :
① Interaction noyau en temps réel : Lorsque Linux exécute simultanément le noyau de l’automate programmable et l’application du PC hôte, ces deux entités doivent échanger des données tout en respectant des exigences strictes d’efficacité de communication. Garantir des performances en temps réel dans un environnement d’exploitation non temps réel constitue le principal défi technique.
② Séparation des opérations de lecture et d'écriture :** Les opérations de lecture et d'écriture de données ne doivent pas interférer l'une avec l'autre ; sinon, cela entraînera une corruption des données ou des anomalies du système.
③ Assurance de l'intégrité des données : Les données échangées (en lecture comme en écriture) entre l'ordinateur hôte et l'automate programmable doivent être totalement exemptes d'erreurs. Toute inexactitude compromettrait l'efficacité opérationnelle du chariot automatisé et pourrait même empêcher l'exécution des commandes.
④ Synchronisation de la mémoire partagée : Les zones de mémoire partagée utilisées par les deux parties doivent être parfaitement alignées en termes d’emplacement et standardisées en termes de taille. De plus, la synchronisation des échanges de signaux doit être contrôlée avec précision. Tout décalage d’emplacement ou de taille de la mémoire pourrait provoquer des débordements de mémoire ou un dysfonctionnement de l’automate programmable.
⑤ Gestion des fluctuations des données en temps réel : les données telles que la position et la vitesse actuelles du servomoteur sont sujettes à des fluctuations en temps réel. Si la synchronisation de la transmission des données est imprécise, les données de « position actuelle » envoyées peuvent refléter la valeur du cycle précédent, ce qui entraîne une incohérence avec les données de somme de contrôle CRC associées.
⑥ Compatibilité matérielle : Les modules d’E/S utilisés par le client sont des composants conçus sur mesure. Étant donné que certains automates programmables commerciaux ne prennent pas en charge nativement la communication avec ces modules spécifiques, des adaptations logicielles et matérielles ciblées sont nécessaires pour garantir la compatibilité.
2. Solutions Lingchen
Afin de garantir à la fois l'ouverture et les capacités de contrôle en temps réel de l'environnement Ubuntu, Lingchen Technology utilise une configuration Linux à double noyau – comprenant un noyau Linux standard pour ordinateur de bureau et un noyau temps réel – fonctionnant sur une plateforme matérielle à processeur unique. Cette architecture permet l'allocation dynamique des ressources matérielles entre les domaines temps réel et non temps réel en fonction des scénarios d'application spécifiques, garantissant ainsi les performances en temps réel du système. Contrairement aux configurations de produits traditionnelles – telles que la combinaison classique « automate programmable + PC industriel » – ce produit facilite l'échange de données à haut débit entre les deux domaines via une mémoire partagée. Cette méthode de communication permet un accès direct en lecture/écriture aux données, assurant une expérience WYSIWYG (tel affichage, tel résultat) en matière de visibilité des données. Plus important encore, une panne du noyau Linux pour ordinateur de bureau n'affecte pas le fonctionnement normal du noyau de l'automate programmable temps réel, assurant ainsi une sécurité optimale grâce à l'isolation du noyau.
Principaux avantages du contrôleur intégré à double domaine de calcul et de contrôle
◆ Mémoire partagée à double domaine : Permet un échange de données à haute vitesse entre les domaines temps réel et non temps réel via une mémoire partagée, garantissant une cohérence des données « ce que vous voyez est ce que vous obtenez ».
◆ Isolation du noyau : Un plantage du noyau Linux du poste de travail n'affecte pas le fonctionnement normal du cœur PLC en temps réel, préservant ainsi la sécurité opérationnelle de l'équipement.
◆ Allocation flexible des ressources : les ressources matérielles peuvent être allouées dynamiquement en fonction de scénarios d'application spécifiques sur site afin de garantir les performances en temps réel du système.
◆ Intégration profonde du calcul et du contrôle : assure une collaboration transparente entre le calcul de haut niveau et le contrôle de bas niveau, le tout sur une seule plateforme matérielle.
Schéma d'interaction de mémoire partagée
Ce système utilise un modèle de mémoire partagée pour l'interaction entre le logiciel C# côté hôte et l'automate programmable. Le flux d'interaction est le suivant : un utilisateur initie une opération (par exemple, une commande d'E/S ou de contrôle d'axe) via l'interface utilisateur C# → une classe d'interaction C# dédiée écrit la commande dans la mémoire partagée → l'interface de l'automate programmable lit la commande → l'automate programmable exécute la logique de contrôle correspondante → le matériel est actionné → l'automate programmable récupère les données d'état du matériel et autres informations pertinentes → l'automate programmable réécrit ces données dans la mémoire partagée → l'interface utilisateur C# récupère les résultats d'exécution de la commande, l'état des E/S et autres données. Durant ce processus, les deux parties utilisent des bits de signalisation spécifiques (flag1 et flag2) pour synchroniser leurs opérations de lecture/écriture en fonction de l'état de ces indicateurs. Par exemple, lorsque l'interface utilisateur côté hôte détecte que flag1 est à 0, elle procède à l'écriture des données. Une fois l'opération terminée, le drapeau 1 est mis à 1. Ce mécanisme garantit un échange de données ordonné et précis entre les deux systèmes.
Mise en œuvre technique clé
① Vérification CRC pour l'intégrité des données : en utilisant des blocs fonctionnels de vérification CRC publiés via la plateforme CODESYS — qui ont été testés en profondeur et intégrés par la suite dans le programme du projet — le système analyse et aligne les données CRC entrantes du contrôleur hôte, garantissant ainsi l'exactitude des données transmises et reçues.
② Optimisation des données Axis et des opérations PDO/SDO : Pour les données dont les exigences en temps réel sont moins strictes, des blocs fonctionnels propriétaires d’écriture PDO et de lecture SDO, développés en interne, sont utilisés et déclenchés par des signaux sur front montant. En revanche, pour les données nécessitant une réactivité en temps réel élevée, le système récupère directement les paramètres nécessaires en liant des variables EtherCAT à des adresses mémoire absolues, garantissant ainsi l’intégrité en temps réel des données critiques.
③ Adaptation pour les modules d'E/S personnalisés : Pour relever le défi où certains automates programmables commerciaux ne prennent pas en charge nativement la communication avec les modules d'E/S personnalisés du client, l'équipe R&D de Lingchen s'est engagée en étroite consultation avec le client pour concevoir une solution ciblée, garantissant une intégration et une compatibilité transparentes pour le système de la machine.
④ Assistance technique et formation : Reconnaissant que les ingénieurs du client n'étaient pas pleinement familiarisés avec le logiciel de programmation PLC, l'équipe Lingchen a fourni une formation complète sur l'utilisation du logiciel et a aidé au débogage sur site, facilitant ainsi avec succès le transfert du programme au client.
Vérification des indicateurs de performance : Validée par des tests sur site, cette solution répond pleinement aux exigences du client pour tous les indicateurs de performance :
Vitesse de communication : La latence de communication entre le PC hôte et l'automate programmable est inférieure à 6 ms, ce qui satisfait aux exigences du client.
Réponse E/S : Le taux d'acquisition des points d'E/S est inférieur à 15 ms, les performances réelles se situant entre 3 ms et 12 ms.
Cycle de bus : Un cycle de balayage de 1 ms garantit une réactivité en temps réel.
Stabilité du système : L’isolation du noyau a été mise en œuvre, garantissant qu’une panne du système d’exploitation du poste de travail n’affecte pas les fonctions de contrôle principales de l’automate programmable.
3. Points forts de la solution et valeur ajoutée pour le client
Innovation technique majeure : Architecture intégrée de contrôle et de calcul à double domaine** — Exécute un système Linux à double noyau sur une plateforme matérielle à processeur unique. Les ressources pour les domaines temps réel et non temps réel peuvent être allouées de manière flexible, préservant ainsi la nature ouverte d’Ubuntu tout en garantissant des performances de contrôle en temps réel optimales.
Interaction à haut débit via mémoire partagée — Les deux domaines établissent un espace mémoire partagé pour la lecture et l'écriture des données, permettant un échange de données à haut débit et garantissant la cohérence des données WYSIWYG (tel affichage, tel résultat). Cette approche améliore considérablement l'efficacité de l'interaction par rapport aux méthodes de communication traditionnelles « PLC + PC industriel ».
Mécanisme de sécurité d'isolation du noyau — Une panne du noyau Linux de l'environnement de bureau n'affecte pas le fonctionnement normal du noyau PLC en temps réel, préservant ainsi fondamentalement la sécurité opérationnelle du dispositif.
Stratégies de lecture/écriture PDO/SDO flexibles — Afin de répondre aux exigences variables en temps réel, deux méthodes distinctes sont employées : l’encapsulation par blocs fonctionnels et la liaison d’adresses absolues. Cette approche offre un équilibre optimal entre efficacité opérationnelle et réactivité en temps réel.
Vérification CRC pour l'intégrité des données — Toutes les données sont soumises à une vérification CRC afin de garantir l'exactitude et l'intégrité des données transmises et reçues, évitant ainsi les défaillances d'instructions ou les anomalies opérationnelles causées par des erreurs de données.
Création de valeur pour les clients – Résolution des défis de migration de systèmes : Nous avons aidé avec succès le client à migrer d’une solution de carte de contrôle sous Windows vers le système d’exploitation open source Linux, répondant ainsi aux exigences des terminaux tout en surmontant efficacement les contraintes matérielles liées à l’espace de stockage disponible limité.
Garantir la sécurité de fonctionnement des équipements : Dans des conditions d'exploitation complexes, telles que plusieurs chariots partageant une seule voie ou des scénarios impliquant une intervention manuelle, les capacités d'interaction à haute vitesse du noyau du système préviennent efficacement les accidents et les collisions.
Réduction des obstacles au développement : grâce à une formation technique et à une assistance sur site, nous avons permis aux ingénieurs du client de maîtriser rapidement la programmation PLC, facilitant ainsi un transfert de programme fluide et réussi.
Amélioration de la fiabilité du système : de multiples niveaux de protection, notamment la séparation des données en lecture et en écriture, la vérification CRC et l’isolation du noyau, garantissent la stabilité à long terme et le fonctionnement fiable du système.
4. Résumer
Dans le domaine de l'automatisation industrielle, sous l'impulsion des mutations du contexte mondial et de l'adoption généralisée des technologies open source, la demande de migration des systèmes Windows vers les systèmes Linux ne cesse de croître. S'appuyant sur sa gamme d'automates programmables industriels (API) LC2000, Lingchen Technology a développé une solution intégrée de contrôleur double domaine (calcul et contrôle) qui résout avec succès les défis techniques liés à l'interaction au niveau du noyau entre les API et les ordinateurs hôtes sous Linux. Grâce à une série d'innovations techniques – mémoire partagée double domaine, cycles de bus de 1 ms, vérification CRC et isolation du noyau – cette solution offre des performances exceptionnelles, avec une latence de communication hôte-API inférieure à 6 ms et un temps de réponse E/S inférieur à 15 ms, tout en garantissant la précision des données et la fiabilité du système. Bien plus qu'un simple remplacement de produit, il s'agit d'une solution intégrée et éprouvée sur le terrain, qui combine harmonieusement les capacités de calcul et de contrôle. De l'interaction au niveau du noyau à la synchronisation des données, et de l'adaptation matérielle à la formation technique, chaque facette de cette solution reflète la profonde compréhension qu'a Lingchen Technology de la convergence entre le contrôle industriel et les technologies open source.
À propos de nous
Fondée en 2006, Suzhou Lingchen Data Acquisition & Computer Co., Ltd. fonde son activité sur la création de valeur pour ses clients et le développement de partenariats mutuellement avantageux. L'entreprise fournit à ses clients des composants essentiels et des solutions système pour une large gamme d'équipements d'automatisation, notamment des ordinateurs industriels, des systèmes de contrôle de mouvement, des instruments de test et de mesure, des systèmes de vision industrielle et des robots. Lingchen supervise actuellement deux filiales à 100 % : Suzhou Xun'ya Automation Technology Co., Ltd., spécialisée dans la vente de systèmes robotiques, et TOK Robotics (Suzhou) Co., Ltd., spécialisée dans la R&D, la fabrication et la vente de produits de mouvement linéaire.
Réseau de systèmes de produits
Au sein de la structure hiérarchique des réseaux de contrôle automatisés, Lingchen Technology propose une gamme complète de produits couvrant les couches dispositifs, contrôle et information.
01 Ordinateurs industriels
Le châssis industriel Lingchen offre une protection physique complète aux cœurs informatiques critiques grâce à sa structure robuste de qualité industrielle, sa gestion thermique exceptionnelle et sa conception étanche à la poussière, garantissant un fonctionnement durable et stable même dans des environnements industriels difficiles caractérisés par des vibrations, de la poussière et des températures extrêmes.
02 PC industriel embarqué
Les PC industriels embarqués Lingchen se distinguent par leur conception industrielle compacte et robuste, intégrant des performances de calcul élevées, une connectivité étendue et une large tolérance aux variations de température et de tension. Spécialement conçus pour les applications embarquées – telles que la vision industrielle, l'informatique de périphérie et les équipements d'automatisation – ces systèmes offrent un cœur intelligent stable et fiable dans un espace réduit, favorisant ainsi le développement de l'industrie 4.0 et de l'Internet des objets (IoT).
Carte de contrôle de mouvement 03
La carte de commande de mouvement Lingchen est capable de contrôler jusqu'à 32 axes de mouvement et prend simultanément en charge le contrôle de jusqu'à 512 points d'entrée (DI) et 512 points de sortie (DO), avec un cycle de communication bus maximal de 250 µs. En termes de commande de mouvement, elle prend en charge des fonctions telles que le mouvement relatif mono-axe, le mouvement absolu, le déplacement manuel et le retour à l'origine par entraînement ; l'interpolation multi-axes ; le mouvement de table de points multi-axes ; et l'engrenage électronique.
Contrôleurs de mouvement série 04 LMC
Les contrôleurs de mouvement Lingchen série LMC sont conçus autour d'un noyau temps réel dur ouvert (avec une gigue
Contrôleurs de mouvement haute performance série 05 NAC
Au cœur du contrôleur Lingchen NAC se trouve une puissante capacité d'extension de bus, prenant en charge quatre maîtres EtherCAT pour un contrôle précis de 256 axes par station, soit un total de 4 096 canaux d'E/S. Ses fonctionnalités de contrôle de mouvement sont à la fois complètes et robustes : outre l'interpolation point à point, linéaire et circulaire standard, il intègre des fonctions avancées telles que l'interpolation 5 axes, le lissage de trajectoire par splines et les systèmes de coordonnées dynamiques. De plus, il intègre la suppression des vibrations, des fonctions d'atterrissage en douceur et des sorties de comparaison de position de haute précision. Grâce à ses huit groupes d'interpolation indépendants et à sa fonctionnalité d'interpolation continue, il répond efficacement aux exigences des trajectoires complexes et de la synchronisation à haute vitesse. L'environnement de développement est ouvert et flexible, compatible avec de nombreux langages de programmation, dont C++, C# et Python, et permet la programmation directe au sein du système d'exploitation temps réel, améliorant ainsi considérablement l'efficacité de l'intégration et du débogage.
06 Contrôleur de mouvement PLC
Les automates programmables Lingchen sont conformes aux spécifications PLCopen et à la norme internationale CEI 61131-3. Alliant hautes performances, compacité et conception modulaire, ils facilitent le développement et le déploiement. Largement utilisés dans les équipements d'automatisation et les systèmes de lignes de production de secteurs tels que l'électronique grand public, les batteries lithium-ion, l'emballage et l'imprimerie, ces automates peuvent également servir de nœuds de communication réseau au sein de lignes de production intégrées pour les secteurs de la logistique, de l'automobile et des biens de consommation. Répondant aux exigences d'isolation réseau interne/externe, de communication bus haut débit et de traitement des données en temps réel, ils constituent un cœur de contrôle stable et fiable pour une grande variété d'environnements industriels.
07 Cartes de réseau industrielles
Les cartes réseau industrielles Lingchen sont spécialement conçues pour les environnements industriels difficiles. Grâce à leurs capacités d'auto-négociation 10/100/1000 Mbps, elles offrent une connectivité réseau haut débit stable et fiable. Dotées d'une protection robuste contre les interférences et les surtensions, ainsi que d'une large plage de températures de fonctionnement, ces cartes sont largement utilisées dans des applications critiques telles que le contrôle de mouvement, la vision industrielle et les systèmes d'automatisation. Leur conception flexible permet une installation aisée, avec un support pleine hauteur standard et un support demi-hauteur en option, pour une intégration parfaite dans une vaste gamme d'équipements de production intelligents et de réseaux industriels.
Module d'E/S 08
Lingchen Technology propose une gamme complète de solutions de modules d'E/S, conçues pour répondre avec flexibilité aux diverses exigences de l'automatisation industrielle.
Modules d'E/S extensibles série LC/LD : compatibles avec de nombreux protocoles (EtherCAT, Profinet, Ethernet/IP et Modbus TCP), ces modules permettent d'étendre de manière flexible les capacités d'acquisition de données pour les signaux numériques et analogiques, la température, la pression et les impulsions. Ils sont largement utilisés dans des secteurs tels que l'électronique grand public, les batteries lithium-ion, les semi-conducteurs, l'automobile et le matériel médical.
Modules d'E/S série MINI : Caractérisée par sa taille compacte et ses hautes performances en temps réel, cette série comprend des modules d'E/S numériques, analogiques, de température et de communication. Ils sont parfaitement adaptés aux applications de contrôle et d'acquisition de données où l'espace est limité et la réactivité en temps réel est essentielle.
Modules d'E/S sans armoire de la série GWS : Bénéficiant d'une stabilité exceptionnelle et de capacités de câblage réseau pratiques, ces modules sont conçus pour les configurations de systèmes distribués, permettant des réductions significatives du temps et des coûts d'intégration du système.
L'ensemble de notre gamme de produits est conçu pour offrir aux utilisateurs une prise en charge des modules d'E/S fiables, faciles à intégrer et adaptables pour une grande variété de scénarios d'application.
