Neue Datenschnittstelle mit PI-Technologien

Einfache Einbindung von Robotern

Der Markt für Roboter wächst schnell. Deren Einbindung in die Automatisierungswelt kann jedoch sehr mühsam sein und dementsprechend langsam vonstatten gehen. Ein neues Roboterprofil soll nun Abhilfe schaffen.

In modernen Produktionslinien werden immer häufiger stationäre Roboter als Komplettsystem integriert, um den Automatisierungsgrad zu erhöhen und die Kosten zu senken. Wer nun die großen Roboterlinien in der Automobilindustrie vor Augen hat, liegt zwar nicht ganz falsch, lässt aber viele andere Branchen außer Acht. Inzwischen setzen viele mittelständische Unternehmen, sei es nun die Nahrungsmittelbranche, die Verpackungsindustrie oder auch Elektronikzulieferer, auf robotergestützte Anwendungen (Pick&Place). Da diese Roboter immer kleiner, preiswerter und einfacher in der Handhabung werden, gehören sie längst zum festen Bestandteil einer digitalen Fabrik. Dabei steigt die Zahl der Anwendungen ständig und selbst Unternehmen in Schwellenländern integrieren mehr und mehr Roboter. Ein Ende des Booms ist nicht abzusehen.

Wirft man jedoch einen Blick in die praktische Umsetzung, gibt es einige Herausforderungen zu bewältigen. Dazu muss man wissen, dass jeder Roboterhersteller heute seine eigene Automatisierungswelt mit sich bringt, inklusive Hard- und Software, spezifisches Programmier-Knowhow, Schnittstellen, Controller, Bediengeräte, Engineering-System, etc. Die Produktionslinie wird typischerweise von einer SPS gesteuert, und der Anwender nimmt die Programmierung der Produktionslinienapplikation über das Programmiersystem der SPS vor. Will ein Unternehmen einen Roboter in einen überlagerten, meist SPS-gesteuerten Prozess einbinden, ist dies meist sehr mühsam. Vor allem das Engineering und die Inbetriebnahme sind mit einer hohen Komplexität und viel Aufwand verbunden. Zunächst muss die Schnittstelle selbst definiert werden, dann folgt das SPS-Programm und im Anschluss muss das Programm auf dem Roboter-Controller integriert werden. Die Definition der Schnittstellen ist nicht standardisiert und muss deshalb immer wieder neu erstellt werden. Diese Arbeiten sind aufwändig und liegen nicht im Fokus eines Anwenders.

Innovationen werden gebremst

Und auch im späteren Betrieb bleibt es arbeitsreich: Jede Systempflege, jedes Update, die Einbindung eines anderen Robotertyps oder gar ein neuer Hersteller zieht eine Fülle an Arbeiten nach sich. Erschwerend kommt hinzu: Während es am Markt viele SPS-Programmierer gibt, sind entsprechende Roboterspezialisten rar gesät. Daher werden solche Arbeiten meist an Systemintegratoren vergeben, was wiederum Aufwand und Kosten bedeuten. Dies hat zur Folge, dass Anwender von Industrierobotern sich in der Regel früh entscheiden müssen, für welchen Robotertyp und Hersteller sie den Aufwand investieren möchten. Innovative neue Lösungen kommen daher seltener zum Einsatz.

Einheitliche Schnittstelle

Daher bestand seit langem der Wunsch, dass Anwender die in einer Produktionslinie integrierten Roboter-Komplettsysteme verschiedener Hersteller über das SPS-Programmiersystem einheitlich steuern und programmieren können. Mit anderen Worten: Es war Zeit für eine Standardisierung und zwar nicht nur firmenintern, sondern herstellerübergreifend.

Vierzehn führende Roboterhersteller – ABB, Comau, Epson, Fanuc, Jaka, Kawasaki, Kuka, Nachi, Panasonic, Stäubli, TM Robot, Universal Robots, Yamaha, Yaskawa – haben sich auf Initiative von Siemens zusammengetan, um eine Lösung zu entwickeln. Damit waren rund 70 Prozent der weltweiten Roboterhersteller im Boot. Zwei Jahre arbeitete man an der Konzeptfindung und Ausarbeitung, die alles andere als trivial war. Schließlich wurden die Automatisierungssysteme in den jeweiligen Robotern teilweise vor Jahrzehnten auf den Markt gebracht und in diesen Jahren ständig weiter entwickelt. Um nur ein Beispiel zu nennen: Gleiche Bewegungen werden zurzeit ganz unterschiedlich im Engineering dargestellt. Hier musste daher erst einmal ein gemeinsames Verständnis erzielt werden. Daraus ergab sich dann die Frage, wie die herstellerübergreifende für alle anwendbare Schnittstelle aussehen kann.

Die Herausforderung - Steigende Komplexität durch Roboterhersteller-Varianz
Die Herausforderung – Steigende Komplexität durch Roboterhersteller-Varianz

Doch die gemeinsame Arbeit hat sich gelohnt! Nun wurde eine einheitliche Datenschnittstelle zwischen der SPS und den Robotersteuerungen definiert, um die Roboterprogrammierung für SPS-Programmierer und SPS-Anbieter einheitlich – und damit effizienter – zu gestalten. Über diese Datenschnittstelle können Roboterprogramme vollständig in der SPS geschrieben werden, indem die Roboterfunktionen aufgerufen und die erforderlichen Roboterzustandsinformationen an die SPS rückgemeldet werden.

Diese Datenschnittstelle wird zuerst auf Profinet abgebildet, da sowohl auf Seiten der Roboterhersteller als auch auf Seiten der SPS-Hersteller Profinet seit vielen Jahren in vielen Applikationen bewährt ist. Auch für die Endanwender ist der Umgang mit Profinet tagtägliche Arbeit, bewährt und bei den Mitarbeitern bekannt.

Auf der Roboterseite werden die Befehle über die einheitliche Schnittstelle in die lokale Programmierumgebung/-sprache umgesetzt (Interpreter). Auf der SPS-Seite können auch Templates oder höherwertige Befehle erstellt werden, die mehrere Aktionen auf der Datenschnittstelle zusammenfassen. Darüber können die SPS-Hersteller einen Zusatznutzen schaffen.

Wie auch in anderen Technologien wird es bei der Roboterschnittstelle unterschiedliche Stufen oder Klassen geben. Zunächst entsteht ein definierter Umfang von Funktionen, die für alle und für einfache Funktionen notwendig sind. Höherwertige Funktionen können dann zusätzlich als Option dazukommen. Noch liegt also der Schwerpunkt auf den Handlingsfunktionen, z.B. Pick&Place-Applikationen. Hierfür werden Funktionen, wie Tippbetrieb, das Teachen der Bahnpunkte, die Erstellung und die Validierung eines Bewegungsprofils sowie das Ändern von Konfigurationsdaten, bereitgestellt. In Zukunft ist es aber geplant, andere Applikationen, wie die von Schweißrobotern, ebenfalls zu integrieren.

 Herstellerunabhängige Roboterprogrammierung 
im Anlagen-Engineering.
Herstellerunabhängige Roboterprogrammierung im Anlagen-Engineering.Bild: Profibus Nutzerorganisation e.V.

Eine einzige Roboter-Bibliothek

Nun benötigt der SPS-Hersteller nur noch eine einzige Roboter-Bibliothek, die die Funktionsbausteine zur Programmierung von Robotern verschiedener Hersteller enthält. Auf der anderen Seite muss auch der Roboterhersteller nur noch einen einzigen Interpreter für seine Robotersteuerung implementieren. Die Programmierung erfolgt komplett seitens der SPS-Automatisierer. Es gibt aber noch weitere Nebeneffekte: So lag zwar der Fokus bei der Entwicklung des Schnittstellenkonzepts auf solchen SPS- und Roboterprogrammierern, die eine Maschine oder Produktionslinie inkl. Roboter implementieren, aber auch die Endkunden, also Maschinenbediener und Anlagenbetreiber, werden von der Datenschnittstelle profitieren.

Da keine roboterspezifischen Programmierkenntnisse notwendig sind, wird die herstellerunabhängige Roboterprogrammierung auch Fehler bei der Programmübernahme reduzieren. Beide Seiten, Anwender und Hersteller, sind im Übrigen davon überzeugt, dass dies die Komplexität bei Service und Wartung senken wird.

 Profinet-Kommunikation bildet die Basis des neuen Roboterprofils.
Profinet-Kommunikation bildet die Basis des neuen Roboterprofils.Bild: Profibus Nutzerorganisation e.V.

Spezialist für Standards

Die Entwicklung, Ausarbeitung und Pflege der neuen Datenschnittstelle wurde in die Hände von Profibus & Profinet International (PI) gelegt. Eine der wesentlichen Aufgaben von PI ist die herstellerübergreifende Standardisierung von Datenschnittstellen, damit die Kommunikation in Automatisierungsanlagen einfach und interoperabel ist. Die Nutzerorganisation hat in der Vergangenheit schon die bewährten Profile Profisafe, Profidrive, Profienergy und PA erfolgreich auf den Weg und in den Markt gebracht. Für die Ausarbeitung dieses neuen Roboterprofils hat PI daher eine neue Working Group ‚Robot Systems‘ ins Leben gerufen und das ‚Standard Robot Command Interface‘ auf den Weg gebracht. PI kümmert sich nun in bewährter Form um die Standardisierung, die Einführung am Markt in Form von Messen, Workshops etc. sowie die Pflege des neuen Profils. Damit ist ein weiterer Baustein geschafft auf dem Weg zur flexiblen und agilen Produktion, ganz im Sinne zukünftiger Industrie-4.0-Anwendungen.

PROFIBUS Nutzerorganisation

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