Všechno to začalo jedním zdánlivě jednoduchým požadavkem renomovaného výrobce textilií Mileta – nahradit starou disketovou mechaniku u žakárských stavů Stäubli CX860 / JC3, které firma používá už od roku 1991.
Žakárské stroje jsou elektronicky řízené tkalcovské stavy na výrobu látek s plastickým vzorem (brokát, damašek). Využívají soustavu tisíců elektromagnetů, které přesně nastavují polohu jednotlivých osnovních nití v každém kroku tkaní. Tento systém tak dokáže vytvářet i velmi složité vzory, protože umožňuje nezávislé ovládání každé nitě podle naprogramovaného designu.
V době, kdy se na nás obrátili, měli ještě všechny vzory uložené na disketách, které se musely ručně vyměňovat. S postupem času se diskety staly Achillovou patou celého procesu:
- obtížně se sháněly
- načítaly se nepříjemně pomalu
- jejich spolehlivost se rapidně zhoršovala
To vše brzdilo výrobu a proto se firma rozhodla pro jejich náhradu naším emulátorem.
Náhrada disketové mechaniky byl první krok
Emulátor UDM-100, který používáme, umožní zaznamenat na jednu USB FLASH paměť až 100 “disket”, navíc je pro nás náhrada disketové mechaniky rutinní záležitost. Máme ji vyzkoušenou na CNC strojích (Siemens), robotech (ABB), záznamových automatech a hudebních nástrojích (Yamaha), takže jsme věděli, že i v tomto případě to nebude problém.
Ze začátku se zdálo, že pouhá výměna disketové mechaniky bude u strojů Stäubli stačit. Jenže brzy se ukázalo, že problém je hlubší. Každému je jasné, že po letech má i řídicí elektronika strojů svá nejlepší léta dávno za sebou.
I když bychom disketovou mechaniku nahradili, zůstalo by mnoho dalších slabých míst. Jedna oprava by jen oddálila nevyhnutelné – stroj by dříve či později selhal úplně, náhradní díly už nejsou dostupné.
Řešením takové situace by samozřejmě bylo koupit úplně nové žakárské stavy. To by ale znamenalo investici v desítkách milionů, se kterou klient v danou chvíli nepočítal. Navíc mechanika stroje byla stále plně funkční. Navrhli jsme proto mnohem levnější a efektivnější řešení – vývoj nového řídicího systému.
Nabízelo se několik řešení: nahradit jen problematické části řídicího systému, nebo vyrobit celé řízení nové. Proto jsme stávající řízení podrobně prozkoumali, změřili a dekódovali některé datové komunikace a nakonec zpracovali studii proveditelnosti s několika variantami řešení: pracovali jsme s návrhy od prosté náhrady disket a harddisku nebo jeho řadiče, po náhradu všeho. Jak to dopadlo?
Vytvořili jsme řídicí systém pro 13 000 nití
Původní elektroinstalace musela jít celá pryč. Zůstaly pouze kovové skříně a elektronika jednotlivých cartridgí s elektromagnety, kterých jsou na stroji stovky: ukázalo se, že jsou v dobrém stavu a opravitelné – používají součástky, které jsou a budou dlouhodobě dostupné, nemělo by smysl je předělávat.
Navrhovaný emulátor jsme nakonec také nepoužili, protože vše vyřešil úplně nový řídicí systém. Kromě jeho vývoje jsme se postarali i o převod všech vzorů z disket na nový formát.
A jak to funguje uvnitř?
První část systému tvoří ovládací panel s dotykovým LCD displejem. Na displeji se zobrazuje zpracovávaný vzor, stav zařízení, a umožňuje spouštět celou škálu diagnostických funkcí. Z panelu také obsluha vybírá, jaký vzor se bude tkát. Vzory si zařízení načte ze síťového disku nebo z USB flash disku.
Pro vývoj této části, která tvoří de facto pouze uživatelské rozhraní, byl jasnou volbou embedded Linux. Použili jsme jednu z našich standardních jednotek panelového mikropočítače (s mikroprocesorem od TI) a aplikaci v Pythonu. Aplikace mimochodem běží i na počítači, ovládací panel je jen pro pohodlí obsluhy.
Druhou částí systému je samotná řídicí jednotka. Ta si přes Ethernet převezme z ovládacího panelu požadovaný vzor a do panelu zpět posílá stavové informace: po načtení vzoru tedy již panel nepotřebuje, a případný výpadek panelu nebo komunikace nezpůsobí poruchu funkce.
Jednotka sleduje pomocí snímačů chod stavu a vystavuje data do cartridgí elektromagnetů. Jde o relativně rychlý proces, na nastavení stavu tisíců elektromagnetů do posuvných registrů cartridgí nestandardním historickým rozhraním máme milisekundy v okamžiku, kdy je hřídel stavu ve správné poloze.
Čas od času také může vypadnout proud a musíme si správně zapamatovat, kde jsme s tkaním skončili, abychom mohli navázat práci na správném místě: proto máme v jednotce nonvolatilní paměť FRAM s neomezeným počtem zápisů.
Řídicí jednotka nemá žádné uživatelské rozhraní s výjimkou malého servisního displeje pro nastavení IP adresy a kontrolu stavu vstupů a výstupů.
Jednotku jsme postavili na mikrokontroléru řady STM32H7 s operačním systémem FreeRTOS.
Celý systém je typickou kombinací mikrokontroléru pro realtime úlohy citlivé na časování, kde využijeme rychlost a přímočarost jednoduchého operačního systému, a embedded Linuxu pro (před)zpracování dat, vizualizaci, uživatelské rozhraní a složitější síťovou komunikaci, kde plně využijeme vybavení “dospělého” operačního systému, což nám umožní rychle vyvinout i poměrně složitou a bezpečnou aplikaci.
Proč jsme nepoužili integrovaný dual-core procesor?
V některých aplikacích se nabízí i využití procesorů s výkonným jádrem pro Linux a dalším jádrem pro realtime úlohy v jednom pouzdře, jako například STM32MP1, kde typicky na výkonném jádře běží Linux a na druhém jádře FreeRTOS.
Toto řešení přináší výhody v podobě jednodušší komunikace mezi oběma systémy, nižší ceny a menších rozměrů finálního zařízení.
V naší aplikaci však toto řešení nebylo možné použít, protože Linux a FreeRTOS část jsou fyzicky odděleny vzdáleností několika metrů. Tento přístup s integrovaným dual-core procesorem však úspěšně využíváme v jiných aplikacích, například pro ovládání robotů s integrovaným HMI panelem, kde jsou oba systémy umístěny v těsné blízkosti.
Po úspěšném testu prvního stroje jsme nakonec výměnu řídicího systému zajistili u 9 dalších žakárských strojů.
Tento projekt ukazuje, že i zdánlivě jednoduchý požadavek na náhradu zastaralé součástky může vést k mnohem komplexnějšímu řešení, které ale v konečném důsledku přinese výrazně větší hodnotu.
Místo pouhé náhrady disketové mechaniky jsme vytvořili moderní řídicí systém, který nejen prodloužil životnost strojů o mnoho let, ale také významně zjednodušil jejich obsluhu a údržbu. Ukázalo se, že správně navržená modernizace může být velmi efektivní alternativou ke kompletní výměně zařízení. Pro firmu tak naše spolupráce přinesla dvojí užitek – modernizaci výroby a úsporu mnoha milionů korun.
