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  • Automation und Robotik: Neue Ansätze bei der Schnittstellen-Integration

Im Rahmen von Industrie 4.0 und Smart Industry stehen Fertigungsbetriebe zunehmend vor der Herausforderung ihre Robotik möglichst nahtlos in vorhandene Produktions- und Weiterverarbeitungsprozesse einzubinden. Hersteller und Automatisierungsanbieter haben deshalb schon seit geraumer Zeit die Notwendigkeit gemeinsamer Lösungskonzepte erkannt. Automatisierungsspezialisten wie Schneider Electric und Robotikhersteller wie Stäubli investieren bereits seit einigen Jahren in den Aufbau von Software Libraries, standardisierten Motion Control Lösungen und offene Schnittstellen. Langfristig sollen so höhere Integrationsgrade möglich werden.

Um eine produktionsübergreifende Automatisierung zu erreichen, können Roboter in einen Fertigungsprozess oder auch direkt in das Anlagenkonzept integriert werden. Der Vorteil hierbei: Roboter lassen sich so flexibel und ohne zusätzliche manuelle Eingriffe an veränderte Prozessparameter anpassen – selbst der Austausch des Handhabungsgeräts oder Bearbeitungswerkzeugs dann automatisiert werden. Zudem sind Roboter üblicherweise mit komplexen Vision-Systemen sowie Sensoren gekoppelt um Anwendern wertvolle Echtzeitdaten zu liefern. Robotern fällt somit eine Schlüsselrolle zu, wenn es gilt, Ver- und Bearbeitungsschritte in einen umfassenden Automatisierungsprozess zu integrieren: Damit dies gelingt müssen sich die verwendeten Steuerungssysteme jedoch nahtlos in die vorhandenen Automatisierungsstrukturen einfügen lassen. 

Barrieren auf Steuerungsebene 

Auf Steuerungsebene finden sich jedoch noch immer zahlreiche Barrieren, die eine vollständige Integration erschweren. Dazu zählen unter anderem proprietäre Steuerungskonzepte mit separaten Kontrollsystemen für die Steuerung von Anlagen und Robotern. Aufgrund der Trennung von Roboter- und Maschinensteuerung müssen beide Systeme im Falle einer proprietären Steuerung jeweils separat an geänderte Prozessparameter angepasst werden. Zwar lassen sich die beiden Steuerungen über Gateways miteinander verbinden, allerdings ist dabei mit Einbußen bei der Flexibilität des Roboters zu rechnen. Soll ein Roboter seinen Tool Center Point (TCP) beispielsweise auf ein Förderband ausrichten, das von einem übergeordneten Motion Controller angesteuert wird, ist dies nicht ohne Weiteres möglich. Zudem schränkt ein zwischengeschaltetes Gateway unter Umständen auch die Bereitstellung von Daten zur Bedienung, Visualisierung oder funktionalen Sicherheit ein. Da es sich bei proprietären Steuerungen um isolierte, herstellerabhängige Systeme handelt, können solche Daten meist nur mit zusätzlichem Mehraufwand zugänglich gemacht werden. 

Standardisierte Motion Control Lösungen ermöglichen höhere Integrationsgrade 

Führende Automatisierungsspezialisten wie Schneider Electric haben diese Problematik schon seit geraumer Zeit erkannt. Das Unternehmen ist bereits vor neun Jahren dazu übergegangen, die Robotik in eine Standard-Lösung für Motion Control zu überführen und somit eine tiefere Integration der Robotik in vorhandene Steuerungs- und MES-Systeme voranzutreiben. Auf Basis der bewährten PacDrive Motion Control Technologie können IEC 61131-3-konforme SPS-Funktionsbausteine direkt in der Maschinensteuerung gerechnet werden – die separate Robotersteuerung entfällt dabei komplett. Im Rahmen dieses Ansatzes können Anwender somit auf eine einheitliche und durchgängige Steuerlösung für Diagnose, Visualisierung und Ausnahme-Handlung sowie für die Datenerfassung, etwa im Rahmen von IoT-basierten-Lösungen, zurückgreifen: So werden bei der Programmierung einer Trajektorie des Roboter-TCPs die jeweiligen Positionen der Roboterachsen in Echtzeit gerechnet und kontinuierlich als Sollwert an die Servoregler weitergegeben. Eine Umstellung auf geänderte Prozessparameter ist somit zügig und ohne größeren Aufwand möglich. Auch Takt- beziehungsweise Rüstzeiten können auf diesem Weg deutlich optimiert werden. 

Robotikhersteller investieren in offene Schnittstellen 

Auch zahlreiche Robotikhersteller investieren mittlerweile in umfassende Lösungen, um die Integration von Roboter- und Maschinensteuerung zu verbessern – obgleich Maschinenbauer vorerst nur die Komponenten einiger Robotik-Pioniere in ihre SPS integrieren können. Ein namhaftes Unternehmen, das eine vollständige Integration vorantreibt, ist der Robotikspezialist Stäubli. So ermöglichte die anfangs entwickelte uniVAL PLC Schnittstelle des Schweizer Unternehmens zumindest eine teilweise Integration in die Motion Control Lösung des Schneider Electric PacDrive-Systems. Im Rahmen dieses Konzepts hat Stäubli vordefinierte Software-Funktionsbausteine entwickelt, mit deren Hilfe das Verfahren des Roboters auch mittels Fremdsteuerung angesteuert werden kann. Essentielle Robotikfunktionalitäten wie Achsenbewegungs- und Transformationsberechnung finden jedoch weiterhin in der Stäubli CS8C Robotersteuerung statt. Vergleichbare Möglichkeiten bietet die mx Automation Schnittstelle des Augsburger Robotikherstellers Kuka. 

Eine deutlich tiefergehende Integration in Automatisierungslösungen wie PacDrive bieten Ansätze, die auf der Emulation eines kompletten Servosystems basieren. Hier setzt ebenfalls Stäubli mit seiner uniVAL drive Schnittstelle an: Der Stäubli CS8C Controller emuliert als SERCOS-Teilnehmer entsprechend der Anzahl der Roboterachsen die gleiche Anzahl an Servodrives. Die PacDrive Steuerung leitet im nächsten Schritt die genauen Sollwertpositionen für die Bahn des Roboters im vorgegebenen SERCOS-Takt an die Robotersteuerung weiter. Zwar ermöglicht dieser Ansatz eine verbesserte Integration des Roboters in die Maschinensteuerung, die Notwendigkeit einer zusätzlichen Robotersteuerung bleibt allerdings bestehen: Sowohl die Motoren als auch die Servoverstärker des Roboters verhalten sich dabei immer noch weitestgehend wie „Fremdkörper“ im Gesamtsystem. 

Kooperation mit Stäubli ermöglicht künftig vollständige Integration 

Eine durchgängige, rein Motion-Control-basierte-Lösung wird künftig im Rahmen einer engeren Kooperation mit Stäubli realisiert werden. So können die SCARA Roboter der Typen TS40, TS60 sowie TS80 in Zukunft komplett mit Servoverstärkern von Schneider Electric angesteuert werden. Durch den Wegfall der Fremdsteuerung ist keine zusätzliche Robotersteuerung mehr von Nöten. Stattdessen wird der Roboter vollständig mit der Maschinensteuerung gekoppelt und so zum integralen Bestandteil der Automatisierungsstruktur inklusive einer einheitlichen Programmiersprache – mögliche Schnittstellenprobleme und ein damit einhergehender Flexibilitätsverlust des Roboters sind dann kein Thema mehr. Darüber hinaus ermöglicht diese Automatisierungslösung nicht nur eine schnellere Inbetriebnahme, Maschinendiagnose und Fehlersuche, sondern auch eine einfachere Synchronisierung der Fertigungslinie zum Maschinentakt. Zudem wird der Platzbedarf im Schaltschrank sowie die Ersatzteilvariation für Endanwender deutlich reduziert. 

Allerdings reicht eine Integration von Roboter- und Maschinensteuerung auf Hardwareebene allein nicht aus. Mindestens ebenso wichtig ist die Unterstützung auf Softwareseite. Denn der Grad und nicht zuletzt die Qualität, mit dem eine Robotiklösung in vorhandene Automatisierungsarchitekturen integriert werden kann, steht und fällt mit der Bereitstellung passender Robotik Bausteine. Für Anlagenbetreiber und OEMs gleichermaßen ist es daher wichtig zu wissen, in welchem Umfang Zugriff auf Bibliotheken mit entsprechenden Softwarebausteinen besteht. Aus diesem Grund bietet das Schneider Electric PacDrive-System eine eigene Library samt vordefinierten Funktionsbausteinen, die neben kompletten Bewegungsabläufen auch Intelligent Acceleration Limits und Belt Tracking zur Verfügung stellt. Dies hat zum einen den Vorteil, dass Endanwender auf ein einheitliches Bedienkonzept zurückgreifen können und spezielle Vorkenntnisse damit kaum noch erforderlich sind. Zum anderen müssen einzelne Roboterkinematiken wie Armlänge und Offsets nicht mehr mühsam per Hand eingegeben werden.

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