Bei der Vernetzung von Automatisierungs-Teilsystemen können Edge-Controller – z.B. angebunden über Publish-Subscribe (PubSub)-Methoden wie MQTT oder Data Distribution Service (DDS) – klassische Feldbusse ersetzen. Solche Teilsysteme sind z.B. Maschinenmodule, Roboter bzw. Cobots, fahrerlose Transportsysteme (FTS) oder auch mobile Logistikassistenten. Mit einer neuen Automatisierungslösung, die in Kooperation von der TH Köln, SEW-Eurodrive, Intel und Codesys entwickelt wurde, lassen sich diese Vernetzungs-Anforderungen schnell und einfach umsetzen.
Tripod sicher betreiben
Als Technologiedemonstrator wurde ein Tripod von autonox Robotics mit drei Servoachsen und zwei virtuellen Achsen aufgebaut. Tripods ermöglichen sehr schnelle Bewegungen, die allerdings für Menschen gefährlich werden können. Im kooperativen Betrieb ist es daher notwendig, die Geschwindigkeiten vom Tool Center Point und der drei Ellenbogen funktional sicher zu überwachen.
Bei einem Tripod ist allerdings die notwendige Koordinatentransformation vergleichsweise aufwendig. Benötigt wird eine funktional sichere Abarbeitung von komplexen Fließkomma-Algorithmen, wofür sich die neue modulare Automatisierungslösung sehr gut eignet.
Bei allen Mensch-Roboter-Kollaborationen wird einfache Programmierung von schnellen und funktional sicheren Mehrachsbewegungen in Kombination mit flexibler Vernetzung gefordert. Ein Industrie-PC mit einem vom TÜV Süd zertifizierten Intel Quad-Core Prozessor wird zu einer SPS mit Motion-Control und voll integrierter Sicherheitssteuerung, die zwei Prozessorkerne für Sicherheitsfunktionen entsprechend IEC 13849 Kat. 3 nutzt.
Sehr hohe sicherheitsgerichtete Rechenleistung
Die Programmierung und Konfiguration der nicht sicheren Maschinensteuerung mit EtherCAT als Systembus erfolgt – wie bei SEW-Eurodrive üblich – IEC 61131–3-kompatibel mit Codesys. Mit dem Entwicklungssystem auf dem Engineering-PC können Automatisierungssysteme entwickelt und in Betrieb genommen werden.
Die zyklische Ausführung der Algorithmen als Soft-SPS ermöglicht die Codesys-Runtime. Linux mit Echtzeiterweiterung als Betriebssystem für die Runtime ermöglicht die Nutzung der offenen PC-Architektur mit den vielfältigen Erweiterungsmöglichkeiten. Die jetzt zusätzlich integrierte Sicherheitssteuerung basiert auf Codesys Safety SIL 2, einer vom TÜV Süd zertifizierten IEC 61131–3-Software. Besonderes Merkmal der Implementierung ist die extrem hohe sicherheitsgerichtete Rechenleistung für komplexe Fließkommaalgorithmen.
Mehrachs-Safe-Motion mit Codesys Safety SIL2, FSoE und EnDat 3
Die Codesys Safety SIL2 Runtime wird innerhalb einer separaten virtuellen Maschine synchron zur nicht sicheren Runtime auf demselben Quad-Core Prozessor ausgeführt. Die Kommunikation mit der Sicherheitssteuerung erfolgt über Shared-Memory-Bereiche. Die Servomotoren CMP50M mit PxG-Getriebe von SEW-Eurodrive wurden mit EnDat 3 Encodern und 2-wire-Schnittstelle ausgestattet.
Über die zwei, üblicherweise für den Temperatursensor vorgesehenen Adern im Motoranschlusskabel kommuniziert der Geber ohne separates Kabel voll digital mit dem Antrieb. Die Sicherheitsfunktionen im Antrieb – Safe Torque Off (STO) und Safe Brake Control (SBC) – werden über EtherCAT / FSoE angesteuert. Im Mehrachs-Safe-Motion-System sind die motorintegrierten Encoder sicherheitsgerichtete Sensoren. STO und SBC im Antrieb bilden die sicherheitsgerichteten Aktoren.
Die für eine Sicherheitssteuerung extrem hohe Rechenleistung erlaubt die angeschlossenen Antriebe platzoptimiert mit deutlich reduzierter Safety-Logik auszustatten, bei dem ein Teil der Safety-Funktionalität in den Antrieben durch Safety-Software im Modul-Controller ersetzt wird. Die in der IEC 61800–5–2 spezifizierten Sicherheitsfunktionen können effizient zentral für Mehrachssysteme implementiert werden.
Die zentrale Safety-Diagnose ermöglicht auch eine besonders einfache Implementierung von degradierten Betriebsarten. Eine sogenannte „qualifizierte Diagnose“ beurteilt zentral nach Fehlerart und Fehlerort, ob eine Sicherheitsteilfunktion – eventuell unter zu beachtenden Bedingungen – normkonform weiterbetrieben werden darf.
Anbindung über Profinet oder PubSub-Methoden
Bei der Einbindung eines Automatisierungsmoduls in größere Automatisierungssysteme sind die Anforderungen in der Regel anders gewichtet. Oberhalb der Modul-Controller sind Safe-Motion-Funktionen oft digital. Es ist hier nicht erforderlich, sichere Encoder Positionen zyklisch zu übertragen, sondern über Profinet/Profisafe oder MQTT/OPC UA Safety werden Sicherheitsfunktion wie Safely Limited Speed (SLS) nur noch sicherheitsrelevant ein- bzw. ausgeschaltet.
Eine Vernetzung entsprechend der IEC 61499 mit deren Fokus auf Interoperabilität und ereignisorientierter Programmierung in Verbindung mit ethernetbasierten PubSub-Methoden ermöglicht es sehr viele Modul-Controller miteinander zu vernetzen. Durch die Möglichkeit einer Anbindung über DDS an das aktuelle Robot Operating System ROS 2 können Roboter und Cobots jetzt sehr einfach bewährte Methoden aus der Automatisierung nutzen, insbesondere sichere Bewegungsfunktionen für Mehrachssysteme.
Hohe Dynamik und Flexibilität
Diese neue Automatisierungstechnologie ermöglicht flexibel vernetzbare, hochdynamische Systeme mit integrierter Sicherheitssteuerung und höherer Funktionalität bei gleichzeitig deutlich verringerter Hard- und Softwarekomplexität. Durch den Einsatz von Codesys sowohl für den Standardbereich als auch für die Funktionale Sicherheit wird die Inbetriebnahme schneller, die Möglichkeiten für Fehlparametrierungen reduziert und der Support erleichtert. Durch die sehr schnelle, sichere Kinematik werden komplexe Applikationen mit kooperierenden Robotern wirtschaftlicher und schneller umsetzbar. Besonders interessant sind die Vorteile der Lösung für mobile Anwendungen wie FTS oder Paletten-Shuttle, bei denen Platz, Funktionale Sicherheit und Energieeinsparung wesentliche Aspekte sind.
SEW-Eurodrive GmbH & Co KG
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