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Richtig mit dem Roboter kommunizieren

Sicherheitsgerichtete Kommunikation

Richtig mit dem Roboter kommunizieren

Industrieroboter werden immer häufiger in Produktionsmaschinen und -linien integriert und sollen nach Möglichkeit auch bald mit Menschen Hand in Hand zusammenarbeiten. Sowohl bei der Integration als auch bei der Kooperation spielt das Kommunikationsprotokoll eine entscheidende Rolle. Powerlink und Opensafety bieten sich hier als Backbone für Robotikanwendungen an.

Bild: EPSG

Roboter unterstützen Menschen zunehmend bei schwierigen Arbeitsabläufen, zum Beispiel beim Heben von schweren Lasten oder auch in gefährlichen Umgebungen, etwa beim Einlegen eines Werkstückes in eine Fräse. Der Einsatz von Robotern bedingt im Wesentlichen drei Voraussetzungen:

Diese Voraussetzungen waren früher meist nur mit proprietären Systemen oder spezieller Hardware zu erreichen. „Heute sind offene Technikkonzepte ebenso wie Standardkomponenten auf dem Vormarsch“, sagt Stefan Schönegger, Geschäftsführer der Nutzerorganisation Ethernet Powerlink Standardization Group (EPSG). „Nur so ist die Investitionssicherheit von Maschinen und Anlagen gewährleistet.“

Übergreifende Sicherheit für Produktionslinien

Um Roboter künftig auch ohne Schutzzaun flexibel in der Produktionslinie platzieren zu können, sind intelligente Sicherheitslösungen gefragt. Zudem sind in Fabrikanlagen, die auf Maschinen unterschiedlicher Hersteller zurückgreifen, zwangsläufig Sicherheitsprotokolle nötig, die über die gesamte Linie hinweg kommunizieren können. „Nur so können alle Maschinen im Verbund auf ein sicherheitsrelevantes Ereignis reagieren“, sagt Schönegger. Als einziges Sicherheitsprotokoll bietet der offene Standard Opensafety die Möglichkeit, sicherheitsgerichtete Daten über beliebige Bus- und Netzwerkverbindungen zu transportieren.

Die Verwendung des Standards bringt weitere Vorteile mit sich: Schnelle Reaktionszeiten führen zu kleineren Sicherheitsabständen, was den Footprint der Maschine reduziert. Anlagenbetreiber können von den kurzen Inbetriebnahme- und Umrüstzeiten durch automatische Parametrier- und Konfigurationsservices profitieren. Das Protokoll unterstützt extrem kurze Reaktionszeiten und bietet weit über das reine Anhalten hinausgehende Möglichkeiten für sichere Reaktionen der Antriebstechnik. Zu diesen zählen nicht zuletzt auch sichere Funktionen für die Robotik, etwa die sichere, reduzierte Geschwindigkeit am Werkzeugmittelpunkt.

Komplexe Robotersysteme beherrschen

Gleichzeitig gilt es, einem weiteren Trend gerecht zu werden: Sind Roboter in die Automatisierung einer Maschine eingebunden, kommen in vielen Fällen weitere Achsen hinzu, mit denen die Bewegungen des Roboters synchronisiert ablaufen müssen. So wird zum Beispiel ein Roboter, der zur weiteren Bearbeitung des Werksstückes ein anderes Werkzeug benötigt, linear auf einer Achse zum Werkzeugmagazin verfahren, führt dort den Wechsel durch und wird zur weiteren Bearbeitung in die ursprüngliche Position gefahren. Alle Achsen müssen exakt synchronisiert sein, um eine präzise Fertigung sicherzustellen. Gleichzeitig wird die Geschwindigkeit des Gesamtsystems gesteigert. Auch hier war der Einsatz proprietärer Lösungen bislang gang und gäbe, wodurch Roboter und zusätzliche Achsen auf zwei unterschiedliche Steuerungssysteme zurückgriffen.

„Eine einheitliche Kommunikation über das Gesamtsystem war in der Regel nicht möglich“, sagt Schönegger. „Mit den Konsequenzen, nämlich dem Verlust an System-Performance und einem erheblichen Mehraufwand bei Inbetriebnahme und Wartung, mussten Anwender bisher leben.“ Wie kein anderes System auf dem Markt erfülle Powerlink die Anforderungen der Roboterintegration, unter anderem wegen seiner Fähigkeit, auch in sehr großen Netzwerken harte Echtzeit sicherzustellen. Die Verwendung von Opensafety ermöglicht die Umsetzung von sicheren Anwendungen gemäß KAT.4/SIL3/PLE. So ist es beispielsweise möglich, den Roboter in Gefährdungssituationen mit sicherer Geschwindigkeit am Werkzeugmittelpunkt zu fahren.

Mit Powerlink lassen sich Roboter vollständig in die Automatisierung integrieren, ebenso lassen sich mittels Opensafety Sicherheitsfunktionen umsetzen. Bild: EPSG

Schnelle Datenübertragung bei großen Netzen

Powerlink behält seine kurzen Reaktionszeiten auch in großen Netzwerken mit hoher Belastung. So verwendet der Echtzeit-Kommunikationsstandard individuelle Telegramme zur Datenübertragung, die ohne Verzögerungen direkt beim Empfänger ankommen. Durch die Fähigkeit zum Querverkehr gibt es zusätzlich die Möglichkeit, Feldgeräte miteinander kommunizieren zu lassen. Somit können intelligente Knoten ihre Informationen ohne Umweg über den Netzwerk-Master direkt miteinander austauschen. Dies ermöglicht den direkten Datenaustausch zwischen Roboter und weiteren Achsen der Maschine. Im Multiplexing werden Daten dann übertragen, wenn sie benötigt werden. Dadurch ist es möglich, zeitkritische Knoten zyklisch in jedem Takt zu bedienen und zeitunkritische Daten in jedem n-ten Netzwerktakt zu übertragen. Die Folienreckanlage der Firma Brückner zum Beispiel erfordert höchste Synchronität der 728 Achsen, die alle 400 Mikrosekunden ihre Positionswerte erhalten.

Gleichzeitig bietet das System eine zeitunkritische Temperaturregelung. Zudem bietet Powerlink dem Anwender Topologie-Unabhängigkeit: Stern-, Bus- und Ringverkabelung sowie alle Kombinationen daraus lassen sich betreiben. Ohne Verwendung von Spezial-Hardware werden mit dem offenen Protokoll ausfallsichere Netzwerke mit Leitungs- und Master-Redundanz aufgebaut. Dadurch bleibt bei Verbindungsunterbrechungen der Betrieb aufrecht erhalten. Nur durch diese Eigenschaften können Maschinenbauer bei der Konzeptionierung frei wählen und ermöglichen eine ortsunabhängige Integration von Robotersystemen bei maximaler Verfügbarkeit.

Freie Wahl des Hardware-Herstellers

Für viele Anwendungsfälle ist Echtzeit-Ethernet gefordert, das hohe Datenübertragungsleistung sowie Offenheit bietet. Das softwarebasierte Protokoll ist als Open-Source-Software im Internet zugänglich und trägt zur Unabhängigkeit von Hardware-Herstellern bei. Darüber hinaus ist das Protokoll konform zum Ethernet-Standard IEEE 802.3 und unterstützt harte Echtzeitfähigkeit. Eine Anforderung an das Kommunikationsprotokoll ist die zuverlässige Synchronität aller Achsen. „Zwar weisen einige Industrial Ethernet-Systeme ausreichende Bandbreite auf, allerdings bricht die Übertragungsgeschwindigkeit mancher Protokolle mit steigender Achsenzahl ein“, sagt Schönegger.

 

Opensafety-Distribution v1.4 mit neuen Funktionen

Der Opensafety-Protokollstack liegt ab sofort in der Version 1.4 als Open Source-Software zum Download bereit. Wie die Vorgängerversionen verfügt die neue Distribution über eine Vorzertifizierung vom TÜV Rheinland bis SIL3 nach IEC61508:2010. Bei Verwendung des Opensafety-Stacks werden nach Angaben der Nutzerorganisation EPSG das Entwicklungsrisiko und die Entwicklungszeit deutlich reduziert. Zur weiteren Kostenreduzierung trägt die Möglichkeit bei, den Opensafety Configuration Manager (SCM) auf nicht sicheren Hardware-Plattformen laufen zu lassen. Damit kann auf eine dedizierte Sicherheitssteuerung verzichtet werden. Zudem wurde eine Versionskontrolle eingeführt: Der Anwender kann feststellen, mit welcher Version des Opensafety-Stacks eine Komponente läuft.

Eine weitere Unterstützung für Entwickler ist der neue, klar strukturierte Integration Guide, der über das bisherige Handbuch hinausgeht. Er beinhaltet unter anderem eine Step-by-Step-Erklärung, wie der Protokollstack in einem sicheren Gerät zu integrieren ist. Zudem wurde eine erweiterte Parametrierung eingeführt. Hersteller können nun mit ihren eigenen Tools entsprechende Komponenten parametrieren. Mit der neuen Version ist das Projekt auf Sourceforge umgezogen. Version 1.4 kann ab sofort frei unter http://sourceforge.net/projects/opensafety [1] herungergeladen werden. Folgende Unternehmen bieten bereits eine entsprechende Systemintegration an: HMS, Hilscher, Mesco, Embex, Wallner Automation und Sys Tec Electronic.