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Motion Control für Handling-Applikationen

02 Die Konfiguration der Kinematik wird grafisch unterstützt. In 3D werden die relevanten Parameter angezeigt und bei Eingabe hervorgehoben

02 Die Konfiguration der Kinematik wird grafisch unterstützt. In 3D werden die relevanten Parameter angezeigt und bei Eingabe hervorgehoben

03 Die Programmierung der Bewegung der Kinematik erfolgt mit Funktionsbausteinen gemäß PLCopen. Der Verlauf der Bewegung kann mit dem Kinematik-Trace visualisiert werden

03 Die Programmierung der Bewegung der Kinematik erfolgt mit Funktionsbausteinen gemäß PLCopen. Der Verlauf der Bewegung kann mit dem Kinematik-Trace visualisiert werden

Flexible Maschinen, die mehrere Produktvarianten herstellen oder schnell umgerüstet werden sollen, benötigen leistungsstarke Steuerungssysteme, die eine einfache Anpassung der Bewegungsführung sowie der Produktformate erlauben. Gleichzeitig sollen die Maschinen hinsichtlich ihrer Baugröße optimiert und die Interaktionen zwischen Mensch und Maschine sicher sein. Für diese Anforderungen bietet Siemens mit den neuen S7-1500-Technologie-CPU des Simatic-Advanced-Controller-Portfolios die passende Lösung.

Transportvorgänge von Produkten innerhalb von Maschinen und Anlagen können mit frei programmierbaren Systemen, bei denen mehrere mechanisch gekoppelte Achsen die Bewegung eines Werkzeugarbeitspunkts (TCP) bewirken, technisch umgesetzt werden. Derartige Systeme werden im Folgenden als Kinematiken bezeichnet. Die Runtime der Simatic-S7-1500-Technologie-CPU von Siemens beinhaltet Funktionen speziell für Handling-Applikationen mit Kinematiken. Das Engineering erfolgt im TIA Portal. Es werden Kinematiken mit bis zu vier interpolierenden Achsen unterstützt. Als vordefinierte Kinematiken stehen kartesisches Portal, Rollenpicker, Delta-Picker, Tripod, Scara-, Knickarm- und zylindrischer Roboter zur Verfügung. Außerdem besteht die Möglichkeit, die Vorwärts- und Rückwärtstransformation einer eigenen Kinematik zu hinterlegen. Zur Beschreibung der Bewegung und der Lage von Objekten stehen verschiedene Koordinatensysteme zur Verfügung. So kann die Kinematik im Weltkoordinatensystem verschoben und gedreht werden. Außerdem ist es möglich, bis zu drei Objektkoordinatensysteme zu konfigurieren. Auf diese Weise können neue Bezugssysteme im Arbeitsraum definiert werden, beispielsweise für eine Palettierapplikation, bei welcher die Ablagepositionen der Produkte bezogen auf die Palette vorgegeben sind. Die Lage des Werkzeugs bzw. des Werkzeugkoordinatensystems bezogen auf den Flansch der Kinematik ist ebenfalls parametrierbar. Insgesamt lassen sich bis zu drei Werkzeuge vorkonfigurieren. Die Umrechnung zwischen den einzelnen Koordinatensystemen übernimmt die Steuerung. Zur Kollisionsvermeidung zwischen Werkzeug und mechanischen Einbauten in der Maschine oder zum Auslösen prozessbedingter Aktionen in Abhängigkeit einer räumlichen Position ist eine Zonenüberwachung integriert. Bereiche im Arbeitsraum sowie Teile des Werkzeug- und des Transportguts können dafür durch Quader, Zylinder und Kugeln modelliert werden.
Grafisch unterstützte Konfiguration
Die Konfiguration vordefinierter Kinematiken wird im TIA Portal durch eine 3D-Visualisierung unterstützt (Bild 1). Die Bedeutung von Geometrieparametern sowie der Kinematik zugewiesene Achsen werden in einer bildlichen Darstellung der Kinematik angezeigt. Für die Parametrierung der Koordinatensysteme und Werkzeuge sind ebenfalls grafische Ansichten vorhanden, welche die Bedeutung auch dieser Parameter veranschaulichen. Die Parametrierung der Zonen erfolgt in Tabellenform. Dabei werden die Zonen in einer 3D-Ansicht oberhalb der Tabelle eingeblendet, sodass die Anordnung und Geometrie der Zonen leichter nachvollziehbar ist. Für die Inbetriebnahme der Kinematik stellt das TIA Portal eine Kinematik-Steuertafel bereit. Diese bietet die Möglichkeit, die einzelnen Achsen der Kinematik zu referenzieren und die Kinematik manuell zu verfahren.
Programmierung mit Funktionsbausteinen
Die Programmierung der Kinematikbewegung erfolgt mit Funktionsbausteinen gemäß PLCopen Part 4. Dabei werden Zielposition und Zielorientierung des Werkzeugs bzw. des Werkzeugkoordinatensystems kartesisch im Weltkoordinatensystem oder in einem der drei Objektkoordinatensysteme vorgegeben. Es ist möglich, das Werkzeug zur Laufzeit zu wechseln. Außerdem können Objektkoordinatensysteme und Werkzeugkoordinatensysteme zur Laufzeit neu definiert werden. Ferner lassen sich Zonen zur Laufzeit definieren, aktivieren und deaktivieren. Zur Programmierung der genannten Funktionen stehen ebenfalls Funktionsbausteine zur Verfügung.
3D-Visualisierung mit dem Kinematik-Trace
Zur Diagnose der Kinematikfunktionen stehen zugeschnittene Diagnosesichten im TIA Portal zur Verfügung. Diese zeigen wichtige Informationen auf einen Blick. Dazu gehören beispielsweise Status- und Fehlerbits, die Position des Werkzeugarbeitspunkts im ausgewählten Koordinatensystem, das aktive Werkzeug und der Status der einzelnen Zonen. Eine 3D-Visualisierung der Bewegung wird durch den im TIA Portal integrierten Kinematik-Trace ermöglicht (Bild 2). Dieser zeichnet die Bewegung taktsynchron auf. In der 3D-Visualisierung lässt sich die Bewegung der Kinematik online verfolgen. Dabei wird die aufgezeichnete Bewegung als Leuchtspur am TCP dargestellt. Die Aufzeichnung lässt sich speichern und kann bei Bedarf offline erneut abgespielt werden.
Kinematiken sicher überwachen
Ab dem TIA Portal V15.1 steht mit dem Optionspaket Simatic Safe Kinematics eine Bausteinbibliothek für die CPU 1517TF-3 PN/DP zur Verfügung. Mit ihr lässt sich die Bewegung vordefinierter Kinematiken mit bis zu vier interpolierenden Achsen sicher überwachen. In der ersten Produktausprägung können Kartesische Portale, Rollenpicker, Knickarm und Scara überwacht werden. Die Bausteine sind im Programmierumfeld von Step 7 Safety Advanced integrierbar und lassen sich eingangs- und ausgangsseitig applikativ verschalten. Simatic Safe Kinematics bietet eine kartesische Geschwindigkeitsüberwachung des Tool Center Point (TCP), vier frei definierbarer Punkte am Werkzeug bzw. Werkstück und bis zu sechs weiterer beliebiger Punkte der Kinematik. Zur Laufzeit kann zwischen vier unterschiedlichen Geschwindigkeitsgrenzwerten umgeschaltet werden. Neben der kartesischen Geschwindigkeitsüberwachung bietet Simatic Safe Kinematics auch eine Überwachung des kartesischen Raums. So können bis zu zehn verschiedene Arbeitszonen und bis zu zehn Schutz- oder Meldezonen projektiert werden. Arbeitszonen sind Zonen, in denen sich die Kinematik frei bewegen darf, während sie in Schutzzonen nicht eindringen darf. Bewegt sich die Kinematik in eine Meldezone hinein, wird der zugehörige Diagnoseausgang gesetzt. Eine Zone kann als Quader oder Kugel modelliert werden. Insgesamt lassen sich für jede Kinematik bis zu zehn verschiedene Werkzeuge projektieren. Zur Laufzeit kann zwischen diesen Werkzeugen umgeschaltet werden, wobei immer nur ein Werkzeug aktiv ist. Je Werkzeug sind bis zu zehn Werkzeugzonen definierbar. Bewegt sich eine Werkzeugzone in eine Schutzzone oder verlässt die Arbeitszone, so wird die vom Anwender vorgesehene Stoppreaktion ausgelöst.
Parametrierung mit dem Safe-Kinematics-Editor
Für die Parametrierung steht ein eigener Editor zur Verfügung, der im TIA Portal integriert werden kann. Hier werden Typ und Geometrie der Kinematik definiert und die Anzahl der Werkzeuge eingestellt. Zudem lassen sich die Geschwindigkeitsgrenzen und die Lage der zu überwachenden Punkte an der Kinematik projektieren. Für die Zonenüberwachung werden im Editor unter anderem die Geometrie und Position der Arbeits-, Schutz- sowie Meldezonen definiert.
Perfektes Zusammenspiel mit Antriebssystem
Simatic Safe Kinematics arbeitet eng mit dem Antriebssystem Sinamics S120 zusammen. So werden aus den Geberinformationen der elektrischen Achsen der Kinematik im Antrieb sichere Positions-Ist-Werte ermittelt. Diese werden von den beteiligten Antrieben taktsynchron über die sichere Kommunikation Profisafe an die CPU 1517TF-3 PN/DP übertragen und dort ebenfalls taktsynchron verarbeitet. Auf Basis der projektierten Kinematik werden die zu überwachenden Positionen und Geschwindigkeiten im Raum berechnet. Beim Vorliegen einer Grenzwertverletzung wird die projektierte Fehlerreaktion eingeleitet und an den einzelnen Achsen über Profisafe axiale Stopp-Reaktion ausgelöst.
Neue Open Controller in T-Ausprägung
Die neue Generation des robusten, kompakten Steuerungssystems hat die Funktion eines Simatic-ET-200SP-Controllers mit einer PC-basierten Plattform vereint. Dabei bieten die neuen Open Controller den gesamten Mehrwert des ET-200SP-Systems und reihen sich nahtlos in die Produktfamilie der Simatic-S7-1500-Technologie-CPU ein. Somit stehen neben den Standard-Motion-Control-Funktionen, wie Drehzahlsteuerung, Positionieren und relativer Getriebegleichlauf, auch die erweiterten Motion-Control-Funktionen absoluter Getriebegleichlauf, Kurvengleichlauf und das Steuern von Kinematiken zur Verfügung. Neben der bekannten PLC-Programmierung im TIA Portal besteht zusätzlich die Möglichkeit, auch C/C++-Applikationen über das Simatic Open Development Kit zu erstellen.
Mit der Kombination von erweiterten Motion-Control-Funktionalitäten und Windows auf einer Steuerung stellen die Open-Controller-CPU 1515SP PC2 T und TF eine gelungene Kombination aus Echtzeit-Betriebssystem und Windows dar. Damit steht dem Anwender neben einem vollständigen PC auch eine CPU mit Technologie- und Safety-Funktionen in einem Gerät zur Verfügung. Auf der Runtime-Seite laufen die technologischen Aufgaben parallel zu Windows ab. Bei dem vorinstallierten Windows handelt es sich um ein vollständiges Windows-10-Betriebssystem. Damit lassen sich entsprechende Windows-Applikationen starten oder zum Beispiel die Anbindungen von Kameras zur Inspektion, Bildübertragungen oder Matlab-Berechnungen zeitgleich übertragen.
Der Controller ist optimal zur Steuerung von Sonder- und Serienmaschinen oder dezentral zur Steuerung von Anlagen geeignet. Das modulare Konzept stellt eine konkurrenzfähige Plattform, nicht nur für Handlingsaufgaben, dar. (ih)

Jürgen Bremer ist Systemmanager bei der Siemens AG, Division Digital Factory.

Jürgen Bremer ist Systemmanager bei der Siemens AG, Division Digital Factory.

Peter Franz ist Produktmanager bei der Siemens AG, Division Digital Factory.

Peter Franz ist Produktmanager bei der Siemens AG, Division Digital Factory.

Klaus Fröhlich ist Marketingmanager bei der Siemens AG, Division Digital Factory.

Klaus Fröhlich ist Marketingmanager bei der Siemens AG, Division Digital Factory.

Andreas Schwarz ist Produktmanager bei der Siemens AG, Division Digital Factory.

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