Antriebstechnik Motion Control für Handling- Applikationen mit der Simatic S7- 1500 T-CPU

Redakteur: Andreas Leu

Flexible Maschinen, die mehrere Produktvarianten herstellen,benötigen Steuerungssysteme, die eine einfache Anpassung der Bewegungsführung sowie der Produktformate erlauben.

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Die Konfiguration der Kinematik wird grafisch un­terstützt. In 3D werden die rele­vanten Parameter angezeigt und bei Eingabe hervorgehoben.
Die Konfiguration der Kinematik wird grafisch un­terstützt. In 3D werden die rele­vanten Parameter angezeigt und bei Eingabe hervorgehoben.
(Bild: Siemens)

Flexible Maschinen sollen hinsichtlich Ihrer Baugrösse optimiert und die Interaktionen zwischen Mensch und Maschine müssen sicher sein. Siemens bietet für diese Anforderungen mit den neuen S7-1500 Technology CPUs des ­Simatic Advanced Controller Portfolios die passende Lösung. Damit lassen sich ­Standard-, Safety- und Motion-Control-­Funktionalitäten für Getriebe- und Kurvenscheibengleichlauf bis zur Ansteuerung von Kinematiken mit nur einem Controller einfach realisieren. Darüber hinaus werden mit der Software-Bibliothek ­«Simatic Safe Kinematics» die Kinematikbewegungen im Raum sicher überwacht und das bestehende ­Simatic Technology CPU Portfolio um ein offenes und modulares Steuerungssystem erweitert.

Transportvorgänge von Produkten innerhalb der Maschine und der Anlage 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 Technology CPUs 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, SCARA, Knickarm, Tripod 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 kann ebenfalls parametriert werden. Es können bis zu drei Werkzeuge vorkonfiguriert werden. 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 und 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. 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 Anordnung und Geometrie der Zonen leichter nachvollzogen werden können. 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 wird die 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. Des Weiteren ist es möglich, Objektkoordinatensysteme und Werkzeugkoordinatensysteme zur Laufzeit neu zu definieren. Ausserdem können Zonen zur Laufzeit ­definiert, aktiviert und deaktiviert werden. 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. Der Kinematik-Trace zeichnet die Bewegung taktsynchron auf. In der 3D-Visualisierung lässt sich die Bewegung der Kinematik online verfolgen. Die aufgezeichnete Bewegung wird dabei 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 Simatic S7-1517 TF zur Verfügung, mit der die Bewegung vordefinierter Kinematiken mit bis zu vier ­interpolierenden Achsen sicher überwacht werden kann. In der ersten Produktausprägung können Kartesische Portale, Rollenpicker, Knickarm und SCARA überwacht werden. Die Bausteine können im Programmierumfeld von Step 7 Safety Advanced integriert und eingangs- und ausgangsseitig applikativ verschaltet werden. 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. Für jede Kinematik können bis zu zehn verschiedene Werkzeuge projektiert werden. Zur Laufzeit kann zwischen diesen Werkzeugen umgeschaltet werden, wobei immer nur ein Werkzeug aktiv sein kann. Je Werkzeug können bis zu zehn Werkzeugzonen definiert werden. Bewegt sich eine Werkzeugzone in eine Schutzzone oder verlässt die Arbeitszone, 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. Weiterhin können die Geschwindigkeitsgrenzen und die Lage der zu überwachenden Punkte an der Kinematik projektiert werden. Für die Zonenüberwachung werden im Editor u. a. die Geometrie und Position der Arbeits-, Schutz- und Meldezonen definiert.

Perfektes Zusammenspiel mit Sinamics S120

Simatic Safe Kinematics arbeitet eng mit dem leistungsfähigen Antriebssystem Sinamics S120 zusammen. So werden aus den Geberinformationen der elektrischen Achsen der Kinematik im Antrieb sichere Positionsistwerte ermittelt. Diese werden von den beteiligten Antrieben taktsynchron über die sichere Kommunikation PROFIsafe an die Simatic S7-1500 TF-CPU 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 eine axiale Stoppreaktion ausgelöst.

Neue Simatic S7-1500 Open Controller Technology-CPUs

Die neue Generation des robusten, kompak­ten Steuerungssystems hat die Funktion eines ET 200SP-Controllers mit einer PC-­basierten Plattform vereint. Die CPUs bieten den gesamten Mehrwert des ET 200 SP-Systems. Der Open Controller reiht sich nahtlos in die Produktfamilie der S7-1500 T-CPUs ein. Somit stehen neben den Standard Motion Control wie Drehzahlsteuerung, Positionieren und relativer Getriebegleichlauf auch die erweiterten Motion-­Control-Funktionen absoluter Getriebegleichlauf, Kurvengleichlauf und das Steuern von Kinematiken zu Verfügung. Neben der bewährten 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 sind die Open Controller CPUs 1515SP PC2 T und TF eine gelungene Kombination aus Echtzeit-Betriebssystem und Windows. Damit steht dem Anwender neben einem vollständigen PC auch eine CPU mit Technologiefunktionen und Safety-Funktionen in einem Gerät zur Verfügung. Auf der Runtime-Seite laufen die technologischen Aufgaben parallel zu Windows ab. Das vorinstallierte Windows ist 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 zur Steuerung von Sonder- und Serienmaschinen oder dezentral zur Steuerung von Anlagen hervorragend geeignet. Das modulare Konzept stellt eine konkurrenzfähige Plattform, nicht nur für Handling-Aufgaben, dar.

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