Welten verschmelzen: Maschinen steuern Roboter

Die Bedeutung der Robotik im Maschinenbau-Umfeld wächst – vor allem weil die Robotik flexible Automationskonzepte ermöglicht. „Roboter sind wesentlich, wenn es um die Herstellung kleinster Losgrößen zu Bedingungen einer Großserienproduktion geht. Denn sie bringen die nötige Flexibilität in die Produktionsanlagen“, sagt beispielsweise Detlef Stork, Technologiemanager Motion bei Lenze. Eine enge Vernetzung und Integration seien dabei jedoch ein Muss.

Die Frage ist nur, wie sich diese Integration des Roboters in die Maschinensteuerung am besten bewerkstelligen lässt. Dafür gibt es am Markt zwei grundlegende Ansätze, wie die exklusive Branchenumfrage verdeutlicht, die die Automationspraxis gemeinsam mit ihrer Schwesterzeitschrift Elektroautomation durchgeführt hat.

Möglichkeit Nummer eins sind Maschinensteuerungen mit entsprechender Roboterfunktionalität, die separate Robotersteuerungen obsolet werden lassen. „Die Vorteile einer vollständigen Integration liegen auf der Hand“, betont Mathias Schneidler, Marketing Manager bei Omron: „Der Anwender programmiert die komplette Anlage einschließlich Robotik über eine Schnittstelle und mit einer einheitlichen Programmiersprache. Das komplette Maschinenprogramm liegt als ein einziges Projekt vor.“ Es seien daher keinerlei Schnittstellenproblematiken zu beachten, das komplette Maschinenprogramm laufe auf einer gemeinsamen Hardware, einschließlich der Roboterkinematik. „Laufzeitprobleme und Dateninkonsistenz gehören der Vergangenheit an.“

Omron hat dafür die Automatisierungsplattform Sysmac entwickelt. Deren Herz ist der Maschinencontroller NJ/NY, der SPS, Motion, Maschinensicherheit, Bildverarbeitung, Visualisierung und Roboter-Steuerung in einem System vereint. Programmiert, simuliert und parametriert wird das Ganze über die Sysmac Studio Software. Darüber hinaus hat sich Omron über den Zukauf von Adept eigenes Robotik-Knowhow an Bord geholt.

Stork sieht diesen höchsten Integrationsgrad insbesondere dann gefordert, wenn in modularen Maschinen mehrere Funktionseinheiten ein Produkt oder Werkstück gemeinsam synchron bearbeiten. „Denn wenn der Roboter wie ein Teil der Maschine – also wie jede andere Achse – mit in die Maschinensteuerung integriert ist, können die Abläufe optimal aufeinander abgestimmt werden“, bestätigt Dr. Josef Papenfort, Produktmanager TwinCAT bei Beckhoff Automation.

Beckhoffs PC-basierte SPS TwinCAT kann die komplette Kinematik eines Roboters in jedem Zyklus berechnen. „So ist eine sehr präzise Kopplung des Roboters an den Maschinenablauf möglich“, erläutert Papenfort. „Die Steuerung muss dafür natürlich sehr viel rechnen. Auf den leistungsfähigen PC-basierten Steuerungen ist das aber durchaus möglich.“

Auch Lenze hat einen vollständigen Roboterkern in seine hauseigene Maschinensteuerung integriert. „Mit dem können die Bewegungsbahnen unterschiedlicher Kinematiken, wie Portale, Scara-, Delta- und Palettier-Roboter, einfach gesteuert werden“, sagt Stork. Alle Prozesse der Maschine seien dann perfekt mit dem Roboter synchronisiert und der Anwender müsse nur eine einzige Steuerung programmieren und parametrieren.

„Simulation, Inbetriebnahme, Fernwartung und web-basierte Diagnose laufen bei einer solch tiefen Integration dann ebenfalls über ein gemeinsames Engineering-Tool“, ergänzt Tomas Prchal, Global Technology Manager CNC and Robotics bei B&R. Wenn Roboter und Maschine zeitsynchron laufen und ein gemeinsames Netzwerk nutzen, sorge das zudem für höhere Produktivität und Energieeffizienz.

Und nicht zuletzt spare eine solche tiefe Integration Platz und Kosten, ergänzt Tobias Daniel, Head of Sales and Marketing bei Comau Robotics and Automation Products: „Es sind nur eine Steuerung und ein Antriebssystem notwendig. Dadurch wird nicht nur Platz im Schaltschrank gespart – auch Anschaffungs- und Wartungskosten sinken.“

Der italienische Roboterhersteller Comau, der ohnehin seit einigen Jahren die Antriebs- und Steuerungstechnik von B&R verwendet, ist in Sachen Robotik-Integration ein enger Partner der Automatisierungsspezialisten: „Um den Markttrend der Roboterintegration zu bedienen, haben Comau und B&R auf der SPS 2015 die Kooperation Openrobotics gestartet“, erläutert Daniel. Dabei wird der Comau Roboter direkt in das Automatisierungssystem von B&R integriert. „Das Roboterportfolio reicht vom Scara bis zum 6-Achs-Roboter von 3 bis 650 Kilogramm“, berichtet Daniel stolz. „Das bietet die Möglichkeit, zahlreiche Applikationen als integrierte Lösung umzusetzen.“

Die separate Robotersteuerung von Comau entfällt bei diesem Konzept. Denn um gängige Roboter-Kinematiken direkt in die Maschinensteuerung zu integrieren, bietet B&R für seinen Software-Baukasten Mapp Technology entsprechende Robotik-Module für serielle und parallele Roboter-Kinematiken sowie Scara- und Delta-Roboter.

Allerdings: Nicht immer ist es sinnvoll, auf die Robotersteuerung komplett zu verzichten. „Zwar können wir Roboter-Steuerungsfunktionen für Standardaufgaben wie Pick&Place bereits vollständig in der Maschinensteuerung übernehmen“, sagt Stork. „In Bereichen, in denen Roboter hoch komplexe Prozesse automatisieren, stößt diese Integration aber an ihre Grenzen. Sind die Roboter für Spezialaufgaben zuständig, etwa hochpräzise Schweiß- oder feinfühlige Fügeprozesse, gehe es zumeist nicht ohne eine dedizierte Robotersteuerung, weil hier spezielle Funktionen in der Robotersteuerung erforderlich sind.“

Um in solchen Fällen dennoch für eine möglichst einfache Programmierung und Bedienung zu sorgen, bieten die Roboterhersteller verstärkt entsprechende Schnittstellen an. „Mit diesen Schnittstellen kann der Anwender transparent aus der Maschinensteuerung auf die Daten der Robotersteuerung zugreifen“, erläutert Stork. Lenze nutze beispielsweise die Kuka-Schnittstelle PLC.mxAutomation. „Diese ermöglicht den Zugriff auf sämtliche Daten der Robotersteuerung für ein durchgängiges Engineering.“

Der Maschinenbauer kann also auch komplexe Automatisierungsaufgaben ohne spezielle Kenntnisse der Roboterprogrammierung mit den standardisierten Befehlen der PLCopen durchführen, so Stork: „Die proprietäre Robotersteuerung ist für den Maschinenbauer nicht sichtbar, sie läuft quasi im Hintergrund. Der Maschinenbauer muss nicht mehr in zwei Welten denken.“

Philipp Kremer, Marktsegmentmanager Kunststoff und stellvertretender Leiter der Division Machine Automation bei Kuka Roboter, verweist neben Vorteilen für das Engineering auch auf die einfache Bedienung der Maschine: „Vom Bediener vorzunehmende Modifikationen, wie Nachrüstungen, wirken sich automatisch auf den Roboter aus oder folgen wenigstens ergonomisch den Vorgaben der Maschinenbedienung. Gemäß dem Prinzip des Single Point of Operation können alle zellenbezogenen Bedienhandlungen unter Einschluss des Roboters durch nur eine Bedieneinheit vorgenommen werden.“ Die Ausführung der Roboterbewegungen, die Bereitstellung der Roboter Safety-Funktionen und weiterer roboterspezifischer Funktionen werden dabei weiterhin durch die Robotersteuerung KR C4 vorgenommen, erläutert Kremer.

Auch andere Roboterhersteller wollen ihre hauseigene Steuerungsplattform nicht so mir nichts, dir nichts in eine übergeordnete Maschinensteuerung aufgehen lassen. „Yaskawa hat eine mehr als 30-jährige Erfahrung in der Steuerung von Robotern. Diesen Vorsprung kann eine SPS oder eine fremde Motionsteuerung nicht ohne weiteres kompensieren“, betont beispielsweise Tilo Dobmeier, Leiter Technisches Backoffice bei Yaskawa Europe.

Dennoch reagiere man natürlich auch auf den Markttrend der stärkeren Integration von Robotern in Motionzellen und habe daher die Schnittstellen Motomansync und Motologix entwickelt. Dabei programmiert eine Fremdsteuerung wie SPS oder Motion-Steuerung den Roboter – aber eben ohne Roboter auf die reine Mechanik zu reduzieren. Dobmeier: „Damit hat der Endkunde alle Vorteile: die Programmierung des Roboters analog eines Servomotors in seiner bekannten SPS-Umgebung, aber die bewährte Bewegungsqualität des Roboters von Yaskawa.“

Auch Stäubli hat eine sehr umfassende Schnittstellen-Sammlung zur Koppelung seiner Roboter mit Drittsteuerungen. Mittels Unival plc kann man den Roboter via SPS steuern und mit normalen SPS-Blöcken programmieren, etwa für einfache Be- und Entladen-Aufgaben. Zudem ermöglicht Unival drive bereits seit 2010 die gesamte Stäubli Roboterpalette von Scara- und Sechsachs-Kinematiken mit universellen Multiachssteuerungen (SPS, Motion und CNC) anzusteuern.

Comau ist mit Openrobotics also bislang der einzige Roboterhersteller, der offensiv auf seine eigene Robotersteuerung verzichtet. „Natürlich besteht ein wichtiger Teil der Wertschöpfungskette und des Knowhows des Roboterherstellers in der Steuerung und Software und es ist nicht die Strategie, zum Lieferanten von reiner Robotermechanik zu werden”, sagt Daniel. Allerdings könne man eben einen Markttrend nicht verhindern, gerade wenn er einen Kundennutzen bietet. „Und es bieten sich hier für uns vielseitige neue Geschäftsmodelle und Chancen.”

Zumal ja auch die SPS-Spezialisten nicht zum Frontalangriff auf die Roboterwelt blasen. So betont zwar Beckhoffs Papenfort, dass man mit dem Generieren von Sollwerten über eine in der PLC gerechnete kinematische Transformation Robotersteuerungen durchaus überflüssig machen könne. Dennoch bietet man auch in Verl Schnittstellen an, um TwinCAT mit Robotern von Kuka und Stäubli über Kommandoschnittstellen wie mxAutomation oder Unival PLC zu verbinden.

Und auch B&R-Mann Prchal möchte bei Openrobotics nicht vom „Überflüssigmachen der Robotersteuerung“ sprechen. „Die Zukunft der integrierten Robotik sehen wir vor allem dort, wo der Roboter die Rolle einer Maschinenkomponente spielt. Das ist speziell der Fall bei seriell produzierenden Maschinen.“ Für Stand-alone-Roboteranwendungen bleiben die proprietären Steuerungen immer wichtig. „Wir wollen daher die proprietären Robotersteuerungen nicht kopieren, sondern eine modulare Plattform schaffen, die eine einfache Integration des Roboters in eine Maschinensteuerung ermöglicht.“

Bleibt zum Schluss noch die Frage, ob sich diese Integration in der Praxis am einfachsten über offene Schnittstellen oder über gezielte Partnerschaften umsetzen lässt. Die Partner Comau und B&R jedenfalls sehen durchaus Vorteile in Paketen: „Offenheit ist zwar generell ein Anliegen, jedoch sind gezielte Partnerschaften sinnvoll, da eine erfolgreiche Implementierung einer Anlage von Robotik- und Applikations-Knowhow abhängt“, sagt Daniel. „Auch im Servicefall ist es wichtig, den Kunden aus einem Guss zu bedienen.“

Prchal betont ebenfalls, dass eine gute Partnerschafft die Benutzerfreundlichkeit der integrierten Robotik erhöht, etwa hinsichtlich Auswahl des passenden Roboters samt Verkabelung, Lieferung, Garantie oder Service. „Unsere Bausteine von Mapp Technology für die Entwicklung von Roboterapplikationen sind aber natürlich unabhängig vom verwendeten Roboterhersteller.“

Lenzes Stork sieht bei den Kunden ohnehin maximale Herstellerunabhängigkeit gefragt: „Sie fordern offene Schnittstellen und die Verwendung von Standards.“ So habe der Kunde die Freiheit, den für die jeweilige Aufgabenstellung passendsten Roboter einzusetzen. Ähnlich äußert sich Papenfort: „Beckhoff bevorzugt schon immer eine Offenheit in der Nutzung von Komponenten. Und natürlich wird diese Offenheit auch in der Einbindung von Robotern weiter vorangetrieben. Es wird immer Beckhoff-Lösungen für verschiedene Roboter verschiedener Hersteller geben.“

Und sogar die Augsburger Roboterschmiede Kuka, die beim Thema Robotik-Integration zunächst eng mit Siemens verbündet war und auf der EMO 2013 eine umfassende Kooperation angekündigt hatte, betont ihre Unabhängigkeit: „Offenheit gegenüber einer Vielzahl von Steuerungen ist mit Sicherheit von Vorteil. Unsere Schnittstelle PLC mxAutomation leistet dies bereits“, betont Kremer. Man unterstützt damit Fremdsteuerungen von Siemens, Rockwell, B&R, Codesys, Beckhoff, Lab View, Lenze, Schneider-Electric und Robots in Architecture. „Das Kürzel mx steht dabei für „Maschine x“, was auf die Integrationsfähigkeit und Interoperabilität zwischen Roboter und beliebigen Maschinen hinweist.“ ↓

„Die Vernetzung der Industrie 4.0 und die dazugehörigen Mechanismen werden den Trend der Roboterintegration verstärken und beschleunigen“, ist Tobias Daniel, Head of Sales and Marketing bei Comau Robotics and Automation Products, überzeugt.

Große Hoffnungen ruhen dabei insbesondere auf dem Standard OPC UA: Mit dem Client-Server Protokoll kommunizieren Maschinen und Geräte horizontal untereinander, aber auch vertikal bis in die Enterprise-IT und Cloud – und das eben herstellerübergreifend. „OPC UA kann also durchaus ein Treiber für die Digitalisierung in der Fabrik werden“, so Detlef Stork, Technologiemanager Motion bei Lenze.

„Der offene Standard OPC UA wird das nahtlose Zusammenspiel unterschiedlicher Komponenten einer Produktion in naher Zukunft massiv erleichtern“, bestätigt Sebastian Sachse, Technology Manager Open Automation bei B&R. Bereits heute ermögliche OPC UA, dass Steuerungen unterschiedlicher Hersteller zum Beispiel mit einem Scada-System kommunizieren können – ohne spezielle Schnittstellen oder Gateways. „Durch die Erweiterung von OPC UA um einen Publish-/Subscribe-Mechanismus und die Ausweitung des Ethernet-Standards um TSN wird die Technologie für zahlreiche weitere Anwendungsfälle einsetzbar.“

Das Publish/Subscribe-Modell ergänzt durch den bewährten Client/Server-Mechanismus um eine One-to-many- und eine Many-to-many-Kommunikation. Das bringt insbesondere bei großen, dezentralen Systemen einen Geschwindigkeitsvorteil. Zudem soll OPC UA echtzeitfähig werden, in dem es auf TSN aufsetzt, einer Echtzeit-Erweiterung des Ethernet-Standards (IEEE 802.1 TSN). „Mit OPC UA TSN schlagen wir die Brücke zwischen der IP-basierten IT-Welt und Protokollen für harte Echtzeitanforderungen“, so Sachse.

Die Initiative dazu kam aus Augsburg: „Kuka hat als aktives Mitglied der Industrie 4.0 Plattform im März 2015 eine Initiative gestartet, um den Kommunikationsstandard OPC UA für den Maschinenbau um die wichtige Echtzeit-Eigenschaft durch Time Sensitive Networks (TSN) zu erweitern“, so Philipp Kremer, stellvertretender Leiter der Division Machine Automation bei Kuka Roboter.

Die Initiative wird von Verbänden wie dem Industrial Internet Consortium und der OPC Foundation sowie einer ganzen Reihe von Herstellern unterstützt. Dazu gehören unter anderem ABB, Ascolab, B&R, Beckhoff, Bosch Rexroth, Cisco, Deutsche Telekom, Festo, General Electric, Harting, Hirschmann Automation and Control, National Instruments, Parker Hannifin, Sigmatek, Schneider Electric, SEW-Eurodrive, Trumpf und TTTech.

Heute spiele TSN zwar noch keine große Rolle bei der Automatisierung von Maschinen, so Stork: „Seine Bedeutung für die Echtzeit-Kommunikation unterschiedlicher Komponenten wird jedoch mit zunehmenden Verschmelzungen der Ebenen der Automationspyramide steigen.“ Wie schnell sich diese Entwicklungen im Maschinenbau jedoch durchsetzen werden, bleibe aber abzuwarten.

Zumal Feldbus-Experten skeptisch sind, was die ganz harte Echtzeit angeht: „Für eine synchrone Kopplung von Maschine und Roboter – wie z.B. beim Tracking – wird es auch in der Industrie-4.0-Welt nicht ohne einen deterministischen Feldbus wie EtherCAT gehen“, sagt Dr. Josef Papenfort, Produktmanager TwinCAT bei Beckhoff.

Das bestätigt Sachse: OPC UA TSN sei als Kommunikationsstandard zwischen Maschinen und von Maschinen zu übergeordneten Systemen und in die Cloud gesetzt. „Für die Achsensynchronisierung in harter Echtzeit wird OPC UA TSN aber nach derzeitigem Wissensstand nicht ausreichen.“ ↓

https://opcfoundation.org

Mit PLC.mx Automation hat Kuka eine Schnittstelle entwickelt, die die Augsburger Robotersteuerung mit Drittsteuerungen verbindet. Zu Beginn pflegte man eine enge Partnerschaft mit Siemens. Inzwischen gibt es PLC.mx Automation Brücken aber auch zu Rockwell, B&R, Codesys, Beckhoff, Labview, Lenze, Schneider-Electric und Robots in Architecture.

Stäubli hat eine umfassende Schnittstellen-Sammlung zur Koppelung seiner Roboter mit Drittsteuerungen. Mit Unival plc kann man den Roboter mit einer SPS steuern, etwa für Be- und Entladen-Aufgaben. Unterstützt werden unter anderem Beckhoff, Siemens, Rockwell und Codesys. Zudem ermöglicht Stäubli mit Unival drive seit 2010 die gesamte Roboterpalette mit universellen Multiachssteuerungen (SPS, Motion Control und CNC) anzusteuern. Dabei unterstützt man Ethercat, Powerlink, Profinet und Sercos III.

ABB liefert SPS-Steuerungstechnik und Robotik aus einer Hand. Mit dem Automation Builder gibt es zudem eine integrierte Software Suite, die das Engineering von SPS, Sicherheits-SPS, Bedienpanel, Antriebe sowie Motion und Roboter vereint.

Fanuc bietet schon immer (CNC-)Steuerungen und Robotik aus einer Hand. Die Steuerungen sind laut Hersteller aus einem Guss, weil sie mit dem gleichen gedanklichen Ansatz der integrierten Automation entwickelt wurden. Mit dem Field-Ansatz (Fanuc Intelligent Edge Link and Drive) geht man (zusammen mit Partnern wie Cisco und Rockwell) zudem die übergreifende Integration der Industrie 4.0 an.

Mitsubishi Electric bietet Steuerungstechnik und Robotik aus einer Hand. Mit der iQ Plattform gibt es ein integriertes Steuerungskonzept, das dank Multiprozessortechnik vier unterschiedliche Steuerungstypen (SPS, Motion Control, CNC und Robotersteuerung) auf einer systemübergreifenden Automatisierungsplattform vereint. Die CPU-Module tauschen über einen Hochgeschwindigkeitsbus zyklisch Daten aus und greifen dabei auf einen gemeinsamen Speicher zu.

Omrons Automatisierungsplattform Sysmac ist ein übergreifendes Steuerungssystem. Die Maschinencontroller Sysmac NJ/NX vereinen SPS, Motion Control, HMI, Safety, Robotik und Vision in einem System. Passend dazu gibt es mit Sysmac Studio eine einheitliche Entwicklungsumgebung. Zudem hat sich Omron über den Kauf von Adept mit Roboter-Knowhow verstärkt.

Yaskawa hat sich über den Zukauf des SPS-Herstellers Vipa eigenes SPS-Knowhow an Bord geholt. In der Folge hat man bereits Motion- und SPS-Funktionen auf einer gemeinsamen Plattform zusammengeführt, eine Robotik-Integration ist in Arbeit. Zudem bietet man mit Moto-Logix eine Schnittstelle, mit der sich Motoman-Roboter im IEC-61131-Umfeld über die SPS programmieren und steuern lassen. Dabei unterstützt man neben Profinet (Siemens) auch die Plattformen Ethernet/IP (Rockwell) und Powerlink (B&R).

Comau: Schon seit einigen Jahren basieren die Roboter aus Italien auf Antriebs- und Steuerungstechnik von B&R. Mit Openrobotics geht man nun einen Schritt weiter. Mit Openrobotics können Comau Roboter nahtlos in Maschinen- und Produktionslinien mit Automatisierungskomponenten von B&R integriert werden. Die separate Robotersteuerung entfällt.

B&R: Über die konkrete Kooperation mit Comau hinaus bietet B&R in seinem modularen Software-Baukasten Mapp Technology Bausteine, um gängige Roboter-Kinematiken in die Maschinensteuerung zu integrieren. Die Robotik-Funktionen von Mapp umfassen serielle und parallele Roboter-Kinematiken ebenso wie Scara- und Delta-Roboter.

Lenze bietet in seinem Softwarebaukasten für die Maschinenautomatisierung Fast ebenfalls wiederverwendbare Module, mit denen sich Roboter einfach in die Gesamtautomatisierung integrieren lassen. Basis dafür ist ein Robotik-Kern mit 6 Freiheitsgraden, der es möglich macht, Pick-&-Place-Bewegungen durch einfache Parametrierung auszuführen. Müssen die Roboter aufwändigere Bewegungen durchführen, unterstützt Lenze auch Schnittstellen-Lösungen wie Kukas mx Automation.

Beckhoff bietet ebenfalls zwei Integrationswege an. Zum einen kann die PC-basierte SPS Twincat die komplette Kinematik eines Roboters direkt steuern. So ist eine sehr präzise Kopplung des Roboters an den Maschinenablauf möglich, eine separate Robotersteuerung entfällt. Zudem bietet man die Möglichkeit, aus der SPS heraus Befehle an die Robotersteuerung zu schicken. Dazu unterstützt man Schnittstellen für Kuka- und Stäubli-Roboter.

Siemens kann Roboterkinematiken von Majatronic oder Bahr mit der integrierten Motion Control in seiner Simotion Plattform direkt ansteuern. Zudem unterstützt man in Simatic Schnittstellen von Kuka oder Stäubli. ↓