Antriebs-, Steuerungs- und Sicherheitstechnik für Roboter in einem System projektieren

Bild 1: Standardisierte Softwaremodule ermöglichen es, Portalroboter einfach und ohne spezielles Robotik-Wissen zu realisieren. Lenze

Sortieren, stapeln, verpacken, montieren – immer mehr Roboter packen in modernen Fertigungsanlagen mit an. Dieser Trend wird unter anderem beim Blick in die Statistik ‚World Robotics Report 2016‘ des internationalen Robotik-Verbandes IFR deutlich: 254000 verkaufte Industrieroboter im Jahr 2015 weltweit, eine Zunahme von 15 Prozent gegenüber dem Vorjahr. Davon gingen knapp 56 Prozent nach China, Korea und Japan. Nach aktuellen Schätzungen des Verbandes wird der Roboterabsatz bis 2019 um durchschnittlich 13 Prozent pro Jahr wachsen und dann 414000 Roboter betragen. Bei der Roboterdichte nimmt Deutschland (2015) weltweit den vierten Platz mit 301 Robotern pro 10000 Beschäftigte ein, nach Korea und Singapur und fast gleichauf mit Japan.

Lenze, ein Hersteller von Motion-basierten Automatisierungskomponenten und -lösungen, entwickelt für den wachsenden Robotermarkt beispielsweise standardisierte Software-Module. Sie ermöglichen es, Portalroboter einfach und ohne spezielles Robotik-Wissen zu realisieren. Das Software-Modul Pick’n Place aus der Anwendungs-Software-Toolbox ‚Lenze Fast‘ integriert dafür einen besonders leistungsfähigen Robotik-Kern. Es stellt höchste Freiheitsgrade bei der Bahnplanung durch die Sicherheits-Spezifikation nach PLCopen Part 4 sicher. Zugleich macht es das Software-Modul möglich, Pick & Place-Bewegungen nur durch Parametrierung und ohne Robotik-Kenntnisse auszuführen. Folglich können proprietäre Systeme sowie die aufwendige Schnittstellenprogrammierung entfallen. Parallel zur Motion Control sind bei der Projektierung von Robotern die Aspekte der funktionalen Sicherheit zu berücksichtigen – unter anderem mit Fokus auf die sicheren Funktionen des Antriebs, weil von ihnen die gefahrbringende Bewegung ausgeht.

Bild 2: Der Safety-Controller c250-S. Er vereint Antriebs-, Steuerungs- und Sicherheitstechnik in einem Automationssystem. Lenze

Sicherheit in der Steuerungsebene integriert

Bei komplexeren Sicherheitsfunktionen kommt es vor allem auf das Zusammenspiel zweier Elemente an: Die sichere Sensorik überwacht und meldet den Zutritt von Personen, wenn zum Beispiel eine Schutztür geöffnet wird. Das zweite Element betrifft die Sicherheit der Antriebe selbst. Um beide Elemente zu verbinden, ist es erforderlich, die Sicherheit in der Steuerungsebene zu integrieren. Lenze bezeichnet diese Vorgehensweise als Controller-based Safety.

Die Basis dafür bildet der Safety-Controller c250-S – eine redundant aufgebaute Hardware, die über EtherCAT mit den anderen Komponenten des Systems kommuniziert. Der Controller erfüllt den höchsten Performance Level ‚PL e‘ gemäß der DIN EN 13849-1. Er steuert die sicheren Teilnehmer am EtherCAT-Bus und verwendet dafür das FSoE-Protokoll (Fail Safe over EtherCAT).

Programmieren lässt sich diese Steuerung in den Sprachen der IEC 61131-3 auf Grundlage von Codesys Safety und mit PLCopen, TC 5-definierten Standard-Funktionsblöcken. Der große Vorteil dieser Vorgehensweise zeigt sich im Engineering: Die gesamte Maschine lässt sich mit nur einem Werkzeug programmieren und parametrieren. Der Anwender kann somit ohne Systembruch sowohl auf die sicherheitsrelevanten als auch auf alle anderen Daten des Gesamtsystems zugreifen. Mittels vorbereiteter Software-Anwendungen aus der Toolbox ‚Lenze Fast‘ können zum Beispiel entsprechende Bausteine die Verminderung der Geschwindigkeit einer Maschine im Handbetrieb steuern. Gleichzeitig überwachen die Safety-Funktionen die sichere Maximalgeschwindigkeit der Achsen, um eine Gefährdung des Bedienpersonals auszuschließen.

Bild 3: Topologie der Safety-Lösung für die Maschinensicherheit von Portalrobotern. Lenze

Die sichere Kommunikation verläuft über Failsafe over EtherCAT. Das FSoE Protokoll ermöglicht die sicherheitsgerichtete Übertragung von digitalen Informationen sowie Positions- und Geschwindigkeitsdaten. Die Aktivierung der antriebsbezogenen Sicherheitsfunktionen erfolgt über FSoE. Ebenso kann auch auf die im Inverter gebildeten sicheren Positions- und Antriebswerte als 16- beziehungsweise 32-Bit-Werte zugegriffen werden. Dies bringt neue Möglichkeiten für die Realisierung sicherer Maschinenfunktionen – beispielsweise wenn Bewegungen von Maschinenteilen so abgesichert werden müssen, dass Bediener auf engstem Raum mit der Maschine interagieren können.

Vorteile bei Installation, Projektierung, Inbetriebnahme und Service

Die Integration der Maschinensicherheitsfunktionen in einem Automationssystem bringt für den Maschinen- und Anlagenbauer eine neue Einfachheit, die seinen Kosten- und Zeitaufwand vermindert:

• Die Installationskosten sind niedriger, weil der Verdrahtungsaufwand spürbar sinkt.
• Das Engineering ist schneller, weil es bei den Softwaretools keine Unterschiede mehr gibt zwischen Antriebstechnik und Safety. Dies gilt speziell für Projekte, bei denen Maschinenbediener in den Gefahrenbereich einer Maschine eingreifen müssen. Schnittstellenprobleme wie zeitfressende Einarbeitungszeiten in die Tools unterschiedlicher Hersteller entfallen.
• Bei der Inbetriebnahme oder im Service wird Zeit gespart, weil die Diagnosemeldungen wegen der Datendurchgängigkeit via EtherCAT wesentlich detaillierter sind als früher: Anstatt „Fehler“ heißt es jetzt beispielsweise „Versorgungsspannung zu gering“.

Die tiefe Integration der funktionalen Sicherheit in das Automatisierungssystem senkt jedoch nicht nur Kosten, sondern erhöht letztendlich auch die Verfügbarkeit und Flexibilität der Maschine.