Selvitys tiedonsiirtomenetelmistä älykkäisiin tehdas- ja robotiikkajärjestelmiin
Älykkäät järjestelmät ovat osa lähitulevaisuuden teollisuutta. Älykkäiden järjestelmien toimimiseksi tarvitaan kuitenkin tehokkaita tiedonsiirtomenetelmiä, jotka tukevat reaaliaikaista ja täsmällistä tiedonsiirtoa. Jos järjestelmässä on mukana robotti, tarvitaan myös tiedonsiirtomenetelmälle yhteensopiva väliohjelmisto yhdistämään robottisolun sisäinen tiedonsiirto laajempaan järjestelmään. Opinnäytetyössä perehdyttiin yleisimpiin tietoliikenneratkaisuihin ja niiden ominaisuuksiin, sekä syvemmin ROS 2 -väliohjelmistoon sekä OPC UA -tiedonsiirtoprotokollaan. Käytännön osuudessa tutustuttiin ROS 2 -ohjelmiston käyttöön, sekä luotiin yksinkertainen kommunikaatio kahden virtualisointitietokoneen ROS 2 -ohjelmistojen välille.
Kenttäväyläjärjestelmien juuret ulottuvat 1970-luvun alkuun, mutta niiden suosio alkoi vasta 1980-luvun puolessa välissä. Tiedonsiirtoprotokollat voidaan karkeasti jakaa kenttäväyläratkaisuihin ja teollisuuden Ethernet-ratkaisuihin. Kenttäväyliin kuuluu muun muassa Profibus ja Modbus TCP/IP. Ethernet-pohjaisiin ratkaisuihin kuuluu muun muassa Profinet, EtherCAT, PowerLink ja Ethernet/IP. Nykyään kuitenkin Ethernet-pohjaiset ratkaisut ovat ohittaneet suosiossa kenttäväylät teollisuuden tiedonsiirron käyttökohteissa. Kaikilla tiedonsiirtoprotokollilla on omat vahvuutensa ja heikkoutensa, eikä tästä syystä oikean protokollan valitseminen ole helppoa. Työssä tutkittiin älykkään robottisolun tai laajemman kokonaisuuden tiedonsiirtoratkaisuja Turun ammattikorkeakoulun Future Interactive Technologies- eli FIT-tutkimusryhmälle.
Älykkäisiin järjestelmiin kuuluu yleensä robotti tai useampia robotteja. Robottien ja niiden lisälaitteiden väliseen kommunikaatioon ja hallinnointiin tarvitaan kuitenkin oma ohjelmisto ja tähän valikoitui Robot Operating Software eli ROS. ROS-väliohjelmistosta käytettiin toista versiota eli ROS 2:ta. ROS 2 on avoimen lähdekoodin ohjelmisto, joka on ilmainen, monipuolinen ja helppokäyttöinen, ja tästä syystä sopii hyvin akateemisiin, kaupallisiin sekä tutkimuksellisiin tarkoituksiin. ROS sisältää myös yhteisöön perustuvan kehitysmallin, eli kuka tahansa voi luoda sinne toiminnallisia paketteja, joita muut voivat käyttää omissa robotiikkasovelluksissaan. ROS sisältää tämän ansiosta suuren määrän valmiita eri käyttötarkoituksiin sopivia paketteja eri toiminnoilla. Tämä onkin yksi syy ROSin suosioon.
Robottisolun tiedonsiirron yhdistämiseen laajempaan kokonaisuuteen, esimerkiksi älykkääseen tehtaaseen tai tuotantosoluun kaavailtiin OPC UA-tiedonsiirtoprotokollaa. OPC UA on OPC Foundationin vanhan version, OPC Classicin, paranneltu versio. OPC UA:ta voidaan soveltaa tehtaan lattiatasolta aina yrityksen laajempiin tietojärjestelmiin asti. OPC UA on standardoitu protokolla, IEC-62541, ja se on helposti skaalattava, tuettu lähes kaikissa yleisimmissä laitteissa ja sitä voidaan käyttää monilla eri käyttöjärjestelmillä, kuten Linuxilla, Windowsilla, Applella sekä Androidilla. OPC UA:n etuihin kuuluu myös sen päivitetty ja ajan tasalla oleva tietoturva, sillä monissa vanhemmissa tiedonsiirtoprotokollissa tietoturva ei ole nykyvaatimuste tasolla.
Tulokset
Tuloksiksi saatiin, että OPC UA sopii hyvin älykkään tuotantolaitoksen laajempaan tiedonsiirtoon sen skaalattavuuden, tehokkuuden ja vahvan tietoturvan ansiosta. Lisäksi selvisi, että ROS 2 sopii hyvin robotin ja sen toimilaitteiden tiedonsiirtoon sekä hallintaan sen monipuolisuuden ja helppokäyttöisyyden ansiosta. Internet on myös täynnä ohjeita ROS 2:n käyttöön, joten on helppoa opetella sen käyttöä ilman aikaisempaa kokemustakin. Kirjallisessa osassa löydettiin myös tutkimus, jossa luotiin yksi menetelmä yhdistämään ROS-laitteet OPC UA -pohjaisen testialustan tiedonsiirtojärjestelmään, ja tästä menetelmästä voisi olla hyötyä FIT-tutkimusryhmällekin. Käytännön osassa saatiin luotua yksinkertainen kommunikaatioyhteys kahden virtuaalikoneen välille ROS-ohjelmiston kanssa, jossa toinen virtuaalikone julkaisi viestiä ja toinen vastaanotti sitä. Lisäksi työssä perehdyttiin hieman ROS 2:n Turtlesim-simulaattoriin, joka on ROS 2:n kevyin simulaattori. Turtlesim antaa kuvan siitä, miten ROS 2 toimii ja mitä ROS 2:lla voidaan tehdä perustasolla.
Lähde
Kiviranta, O. 2024. Selvitys tiedonsiirtomenetelmistä älykkäisiin tehdas- ja robotiikkajärjestelmiin – Theseus. Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyö.