Integration reduziert Komplexität

Die Integration von Robotik-Funktionalität in einer Steuerungsplattform kann – wirklich durchgängig und handhabbar realisiert – in vielen Automatisierungsbereichen Vorteile bieten. In besonderem Maße gilt dies für die Verpackungstechnik, die in der Regel sehr prozessnah mit Roboteranwendungen verknüpft ist. Die speziellen Anforderungen und Potenziale einer solchen Integra- tion sind das Thema des aktuellen Trendteils „Integrated Manufacturing", in dem die Experten von ABB, B&R, Elau, Mitsubishi Electric, Motoman robotec, Rexroth, Rockwell Automation und Sigmatek Stellung beziehen.

eA: Welche besonderen Anforderungen müssen Roboter in Verpackungsapplikationen erfüllen und welche steuerungstechnischen Herausforderungen sind hierbei zu lösen?

Aschl: Roboter in der Verpackungsapplika-tion müssen höchste Dynamik bei absoluter Produktsynchronität und nicht unerheblichen Genauigkeiten erfüllen. Dabei bewegt man sich an der Grenze des maschinenbaulich Machbaren, um für die Anwender größtmöglichen Ausstoß bei höchster Genauigkeit zu erzielen. Hier ist nicht nur für den Maschinenbauer, sondern auch für den Steuerungslieferanten der Spagat zwischen Preis und Leistung zu meistern, da es sich einerseits um fast die Genauigkeit einer Werkzeugmaschine sowie andererseits um nahezu die Geschwindigkeit und Synchronisationsanforderung bei einer Druckereimaschine handelt.

Bunsendal: Die Verpackungsindustrie ist geprägt von Produktdiversifikation, häufigen Produktwechseln und hohen Maschinenleistungen. Steuerungstechnik und Roboter müssen diesen Anforderungen Rechnung tragen. Eine manuelle Optimierung bei der Produktumstellung verbietet sich von selbst. Vielmehr muss sich das Bewegungsprofil automatisch an sich ändernde Verfahranforderungen anpassen, wie es z.B. durch eine intelligente Beschleunigungsüberwachung ermöglicht wird.

Enhuber: Geschwindigkeit und Vielfältigkeit zählen sicherlich zu den wichtigsten Anforderungen dieser Branche. Je schneller der Roboter arbeitet, umso wirtschaftlicher ist die Lösung. Das gilt natürlich in allen Anwendungsbereichen, aber ganz besonders in der Verpackungstechnik. Der Variantenreichtum von unterschiedlichen Produkten, die ein Roboter in der Verpackungsindustrie handhaben muss, wird wahrscheinlich von keiner Branche überboten. Die Automatisierung muss deshalb sehr schnell und vor allem dynamisch adaptierbar sein.

Hänel: Grundsätzlich unterscheidet man beim Einsatz von Robotern zwischen dem In-line- und dem End-of-line-Bereich. Im In-line-Bereich, auf den sich Mitsubishi Electric schwerpunktmäßig konzentriert, muss der Roboter in der Lage sein, Bestückungsaufgaben in sehr kurzen Zykluszeiten durchzuführen. Diese können in Anwendungen der Verpackungsindustrie bis unter einer Sekunde liegen. Darüber hinaus sollte sich der Roboter nahtlos in ein Maschinen- oder Anlagenkonzept integrieren lassen, um einen schnellen Daten- und Informationsaustausch mit den Steuerungskomponenten zu realisieren.

Hagspiel: Der Einsatz von Knickarmrobotern in Verpackungsapplikationen erfordert insbesondere folgende Eigenschaften: hohe Geschwindigkeit und Beschleunigung, kompakte Bauform, möglichst flexible Anordnungsmöglichkeiten des Manipulators, hochwertige Mehrfach-Conveyer-Funktionen, einfach zu adaptierende Kameratechnik sowie einfaches Kombinieren von Zusatzachsen. Für Motoman-Roboter von Yaskawa mit der leistungsfähigen 36-Achsen-Steuerungsgeneration NX100 sind diese Anforderungen problemlos realisierbar. Auch durch die einfache Programmierbarkeit, die Integrationsmöglichkeit von Kamerasystemen, insbesondere in Kombination mit mehreren Synchron-Conveyer-Abfragen bei höchster Beschleunigung und Geschwindigkeit, ist Motoman ein bewährter Partner der Verpackungsmaschinenhersteller.

Kirgis: Roboter in Verpackungsanlagen müssen vor allem extrem zuverlässig sein. Eine Hochleistungskinematik soll jedoch auch einfach bedienbar und integrierbar sein, d.h. dass der Roboter sich auch in das Bedienkonzept der Gesamtanlage oder Maschine einfügt. Meist wird auch die Anbindung leistungsfähiger Sensorsysteme oder von Bildverarbeitung erwartet, was die Komplexität der Aufgabenstellung erhöht, jedoch nicht den Bedienkomfort stören soll. Die bestehende Maschinensoftware und Architektur soll möglichst wenig beeinflusst werden.

Kraatz: In schnellen Verpackungsprozessen werden immer mehr sogenannte Pick&Place-Funktionen verwendet, um Produkte wie Kekse aufzunehmen und in Trays zu positionieren. Das erfordert üblicherweise eine zusätzliche Robotersteuerung, da herkömmliche SPSen die mathematische Umrechnung der unterschiedlichen Koordinatensysteme nicht beherrschen. Bewegungsprofile in SPSen werden meist in kartesischen Koordinaten vorgegeben. Man definiert dafür Zielpunkte im Raum, die sich aus koordinierten Bewegungen einzelner Achsen (x, y und z) ergeben. Allerdings sind bei den wenigsten Robotern die Antriebe in x-, y- und z- Richtung angebracht. Soll die Programmierung in kartesischen Koordinaten erfolgen – was dem Kunden die Arbeit erleichtert –, erfordert dies eine Transformation der Koordinatensysteme. Die Roboterkinematik besteht dabei aus einer Vorwärts- und einer Rückwärtstransformation. Rückwärtstransformation heißt, dass aus den kartesischen Koordinaten die zugehörigen Winkel für die reellen Roboterachsen errechnet werden. Mittels Vorwärtstransformation werden wiederum die aktuellen Jointpositionen in kartesische Koordinaten umgerechnet.

Winkler: Roboter werden in Verpackungsapplikationen deshalb mit stark steigender Tendenz eingesetzt, da sie einer der Schlüssel für mehr Flexibilität sind. Häufige Produkt- und Formatwechsel und damit verbundene Umstellungen lassen sich mit Robotern sehr flexibel und schnell umsetzen. Steuerungstechnische Anforderungen sind die Performance, die Integration von Vision-Systemen sowie die Synchronisation auf andere Bewegungen, z.B. Bänder oder mitfahrende Verpackungen. Am wichtigsten ist dabei allerdings die einfache Anwendung.

eA: Was muss bei der Integration der Robotik in die Gesamtfunktion der Maschine beachtet werden und wie lassen sich bei den kurzen Taktzeiten insbesondere Synchronisationsprobleme vermeiden?

Aschl: In diesem Zusammenhang ist besonders auf die einfache Bedienbarkeit des Roboters zu achten, da es sich beim Anwendungspersonal zumeist um keine Robotikspezialisten handelt. Trotzdem sollte dabei die Flexibilität nicht außer Acht gelassen werden, zudem aber von vornherein für den Anwender viele mögliche Bedienungsfehler bereits ausgeschlossen werden. Synchronisationsprobleme lassen sich nur mit isynchronen Bussystemen wie Varan lösen und durch Einsatz von sogenannten integrierten CNC-Funktionalitäten in der SPS. Das Synchronsiationsproblem entsteht für den Anwender erst gar nicht, denn um dieses kümmert sich bereits das Betriebssystem der „SPS", das somit dem Anwender sprich Programmierer viel Vorarbeit in der Softwareplanung abnimmt.

Bunsendal: Die Robotik darf kein Fremdkörper sein, sondern muss sich durchgängig in die Funktion, Bedienung und Diagnose der Maschine einfügen. Bei einer gelunge-nen Integration wird die Robotik vom Anwender lediglich als Maschinenkomponente wahrgenommen. Für die Funktion ist eine genaue Synchronisation aller Bewegungen innerhalb der Maschine unerlässlich. Die Elau-Steuerung berechnet die Bewegungen für alle Maschinenteile inkl. Robotern einheitlich und simultan. Die kurzen Zykluszeiten garantieren auch in Ausnahmesituationen eine präzise Synchronisation.

Enhuber: Die Automatisierungsstruktur soll aus einem Guss sein. Nur so lässt sich ein durchgängig synchrones System aufbauen. Synchronisationsprobleme entfallen vollständig. Roboter und Maschine laufen auch bei sehr hohen Taktzahlen optimal aufein-ander abgestimmt.

Hänel: Im In-line-Bereich von Roboteranwendungen besteht eine hohe Anforderung an die Synchronisation mit der Maschine. Durch die Integration der Robotersteuerung in eine Steuerungsplattform, die sowohl die Steuerung der Maschine als auch des Roboters übernimmt, treten Synchronisationsprobleme erst gar nicht auf. Mit der iQ Automation Plattform bietet Mitsubishi Electric ein solches System, das neben SPS und Robotersteuerung auch Motion Control und CNC-Steuerung auf einer systemübergreifenden Plattform verbindet. Die Kommunikation zwischen den Steuerungen erfolgt über einen gemeinsamen Rückwandbus, der den Daten- und Signalaustausch in Echtzeit realisiert. Dieses Steuerungskonzept, das alle Produktionsprozesse nahtlos integriert, ist bisher einzigartig.

Hagspiel: Synchroniationsprobleme kennt Yaskawa/Motoman nicht. Es stehen die gängigen Schnittstellen zur Verfügung, sei es konventionell über I/O oder SPS oder über Bussysteme. Insbesondere im Hinblick auf die in der Antwort auf die nächste Frage angestrebte Gesamtsteuerung durch den Roboter ist eine ohnehin nicht vorhandene Schnittstellenproblematik ganz vom Tisch. Für den Anwender ist eine übersichtliche und einfach zu bedienende Oberfläche erforderlich. Berücksichtigt werden muss hierbei, dass Bediener und Einrichter einer Verpackungsmaschine oft erstmalig mit Robotertechnologie konfrontiert werden.

Kirgis: Wichtig ist, dass die Schnittstellen klar definiert sind und der Datenaustausch perfekt funktioniert. Die Aufgabenstellung von Roboter und Maschine muss geklärt sein, dann gibt es auch keine Probleme bei der Integration. Für die Synchronisation gibt es geeignete Schnittstellen und Werkzeuge, die keine Schwierigkeiten bereiten. Es ist enorm wichtig, dass Maschinenbauer und Roboterhersteller eng kooperieren und jeder aktiv seinen Beitrag leistet. Durch die relativ offene Architektur der Robotersteuerung lässt sich mehr realisieren, als man gemeinhin denkt.

Kraatz: Mit der neuen Kinematics-Funktion beherrschen die Controllogix-Steuerungen von Rockwell Automation die Umrechnung von kartesischen Koordinaten in die reellen Roboterachsen. Dies ergibt eine integrierte Lösung, die Maschinensteuerung, Servo-Antriebstechnik und Robotersteuerung auf einer einzigen Steuerungsplattform zusammenfasst. Damit entfällt eine extern zugekaufte Robotik-Steuerungsarchitektur inklusive Software und Programmiersprache. Hohe Taktraten und Synchronisation sind durch in der Firmware implementierte Berechnungen, wie Path-Object innerhalb der Kinematics-Funktionen, gewährleistet. Bewegungsabläufe für typische Robotergeometrien werden vom Anwender benutzerfreundlich eingegeben, als Muster gespeichert und von der CPU in reale Achsbewegungen umgesetzt.

Winkler: Früher war ein Roboter auch steuerungstechnisch ein völlig separater Teil der Verpackungsanlage. Zunehmend wird die steuerungstechnische Integration von verschiedenen Robotertypen zum Standard, d.h. eine Steuerung für alles: SPS, Motion und Robotik. Dies erleichtert das Engineering deutlich und lässt Synchronisationsprobleme gar nicht erst entstehen.

eA: Erhöht eine solch homogene Steuerungstechnik die Kosten und die Komplexität von Verpackungsmaschinen?

Aschl: Ganz im Gegenteil, die Anwendung wird durchsichtiger, schneller und einfacher wartbar, da Zweit- und Dritt-CPUs im System entfallen und sich auch kein unnöti- ger Overhead für die Kommunikation un-ter den „SPSen" ergibt. CPU-Leistung und Speicher sind in der heutigen Zeit kein Thema mehr, und die Kompatibilität von der kleinsten bis zur größten CPU ist bei Au- tomatisierungsspezialisten wie Sigmatek selbstverständlich, d.h. immer die richtige CPU für diverse Ausprägungen der Maschine. Eine CPU für alles (Logik, CNC und Visualisierung) senkt klarerweise die Kosten für das Automatisierungsprodukt, die Inbetriebnahme und weitere Pflege.

Bunsendal: Nein, ganz im Gegenteil. Durch die Integration von Motion und SPS in eine Steuerung sinken die Anzahl der Komponenten, die Anzahl der Schnittstellen und die Zahl der notwendigen Entwicklungs- und Diagnosetools. Mit dem Elau-Software-Template steht zudem ein Framework bereit, das die Modularität, die Wiederverwendung sowie das simultaneous Engineering auf Softwareebene fördert. Die Entwicklungskosten und -zeiten werden durch eine homogene Steuerungstechnik nachhaltig reduziert.

Enhuber: Ganz im Gegenteil. Die vollumfassende Automatisierungslösung ist bereits in der Anschaffung wirtschaftlicher als eine konventionelle Lösung. Für den Endkunden ergibt sich ein Zusatznutzen aufgrund der einfacheren Bedienung der Gesamtmaschine. Hier spürt man auch die Reduktion der Komplexität am deutlichsten. Der Maschinenbau bekommt mehr Freiheitsgrade. Eine strukturierte Vorge-hensweise erhöht die Komplexität aber trotzdem nicht.

Hänel: Ganz im Gegenteil. Kosten und Komplexität sinken beim Einsatz des von Mitsubishi Electric angebotenen Steuerungskonzepts der iQ Automation Plattform.

Hagspiel: Die Robotersteuerung ist eine komplett autarke Einheit, die über I/O oder Bus mit der Steuerung der Verpackungsmaschine kommuniziert. Eine zusätzlich vorhandene, oftmals nicht benötigte Steuerungstechnik der Verpackungsmaschinen erhöht momentan noch die Kosten der gesamten Anlagensteuerung. Es ist jedoch möglich, die Verpackungsmaschine durch die Robotersteuerung als externe Achsen bzw. über die SPS des Roboters mitzusteuern. Das würde dann die Kosten und Komplexität senken. Einige Partner von Motoman im Verpackungsbereich haben bereits erste positive Erfahrungen gesammelt.

Kirgis: Nein. Die Aufgaben, die der Roboter übernimmt sind sehr einfach in der Investitionsplanung zu rechtfertigen. Die Kosten der Robotertechnik sind mittlerweile auf einem Niveau, das eigentlich jede Art von Bedenken bei der Investition ausschließen sollte. Durch die gute Integrationsfähigkeit erhöht sich auch die Komplexität in Bezug auf Bedienung und Service nicht. Die Komplexität der Anwendung wird höher, da komplexere Aufgaben bewältigt werden können – aber das ist ja genau das, was der Anwender erreichen will.

Kraatz: Nein, im Gegenteil. Durch die bei Rockwell Automation in der Programmiersoftware RSLogix5000 integrierte Robotik mit ihren SPS- und Kinematics-Funktionen erhält der Anwender ein Konzept für beide Applikationen zu einem Preis. Die Komplexität der Gesamtmaschine bleibt zwar durch die Artikulatoren erhalten, der Engineering-Aufwand sinkt jedoch deutlich durch die einheitliche Programmieroberfläche und den reduzierten Hardware-Einsatz.

Winkler: Nein, im Gegenteil. Mit nur einer Steuerung für alles und einem einzigen Engineeringtool sinken Kosten und Komplexität sogar deutlich.

eA: Welchen konkreten Nutzen bietet eigentlich die Roboter-Integration in die Verpackungsapplikation für den Maschinenkonstrukteur und für den Maschinenanwender?

Aschl: Für den Maschinenkonstrukteur löst sich klarerweise die Frage: „Wie weit komme ich mit einer SPS und ab wann benötige ich eine zusätzliche CNC?" bzw. es kann die konstruktive Synchronisation einfach per Software nachgebildet und so ein Denken in Baukästen ermöglicht werden. Der Konstrukteur hat im Bereich Software/Hardware/CNC/Antriebe nur einen Ansprechpartner sowohl intern wie auch extern, was allfällige Abstimmungsgespräche wesentlich vereinfacht. Der Anwen-der der Maschine sollte diese homogene Steuerungstechnik als Erster sehen und spüren, da sich die Bedienung der Maschine sehr vereinfacht darstellt und sich nicht in die Bereiche Ablauf und Robotik unterteilt. Alarme und Fehlermeldungen lassen sich ebenfalls präziser beschreiben, und der Anwender fühlt sich dadurch einfach wohler und sicherer bei der Bedienung der Maschine.

Bunsendal: Bei einem Roboter kann die Bewegung viel stärker durch die Software beeinflusst werden als bei herkömmlich miteinander gekoppelten Achsen. Der Maschinenkonstrukteur kann hierdurch die gleiche mechanische Komponente für unterschiedliche Aufgaben und Maschinen verwenden. Für ihn bedeutet der Roboter eine Verringerung von Engineeringzeiten und -kosten. Die gleiche Bewegungsflexibilität kann auch genutzt werden, um unterschiedliche Produkte und Verpackungen zu handhaben. Für den Maschinenanwender bedeutet Robotik die flexiblere Maschine.

Enhuber: Kürzere Taktzeiten und flexibler Maschinenbau wirken sich direkt auf Wirtschaftlichkeit aus. Darüber hinaus arbeitet der Maschinenanwender mit nur einem System. Das erstreckt sich von der Bedienungsphilosophie über Warnungen und Fehlermeldungen bis hin zum Daten- und Rezeptmanagement. Erst die Integration ermöglicht wirklich durchgängige Fernwartung und Remoteunterstützung im Bedarfsfall. Der Konstrukteur kann heute auch im Bereich Robotik mechanische Standardlösungen mit eigenen Ideen kombinieren, um der Vielfältigkeit seiner Branche Rechnung zu tragen.

Hänel: Vereinfachungen und Einsparungen ergeben sich beim Engineering, da die Kommunikation zwischen den Steuerungen über den gemeinsamen Rückwandbus der iQ Automation Plattform bereits voll in das System integriert ist. Zudem reduzieren vorge-fertigte, implementierte Diagnosefunktionalitäten in der Entwicklungssoftware und in den Bediengeräten zeitaufwendige und kostenintensive Arbeiten für Wartung und Inbetriebnahme. Nach unseren Berechnun-gen kann die Ersparnis für den Anwender je nach Projekt bis zu 25 % betragen.

Hagspiel: Für den Maschinenkonstrukteur bedeutet die Integration von kompletten Industrierobotern eine erhebliche Verminderung des Konstruktionsaufwands, denn er setzt eine fertige, funktionsfähige Komponente ein, die wesentliche Funktionen innerhalb der Verpackungsmaschine übernimmt. Die Konstruktion bzw. Kombination von Linearachsen entfällt. Auch für den Anwender wird die Maschine weniger kompliziert und speziell und somit einfacher zu warten und instand zu halten.

Kirgis: Die Integration von Robotern in Verpackungsapplikationen ermöglicht die Ausführung komplexerer Aufgaben für die Verpackungsmaschine/-anlage. Meist wird durch Roboter der Platzbedarf reduziert und die Produktivität deutlich erhöht, Hygienerisiken weden reduziert und die Effizienz des Gesamtsystems deutlich gesteigert. Es ist jedoch darauf zu achten, dass die Robotertechnik richtig integriert und nicht davon ausgegangen wird, dass sich jede Kinematik gleichermaßen und einfach einbauen, programmieren und bedienen lässt. Deshalb bauen wir Roboter und haben über Jahrzehnte unser Know-how entwickelt. Der Anwender soll nicht merken, dass sich die Komplexität erhöht hat, und der Konstrukteur soll einen weiteren Baustein für die erfolgreiche Entwicklung von Verpackungslösungen erhalten.

Kraatz: Für den Maschinenkonstrukteur ist das reduzierte Engineering und die durchgängige (SPS-)Architektur im Rahmen der Gewährleistung und Versionsverwaltung sowohl technisch als auch kommerziell von Vorteil. Der Maschinenanwender erhält einen einzigen Hardware- und Software-Standard. Dies führt zu Einsparungen hinsichtlich Instandhaltung, Lieferantenanzahl, Personalkosten und Verfügbarkeit.

Winkler: Roboter erhöhen die Flexibilität von Verpackungsanlagen und bieten dem Maschinenanwender die Möglichkeit, sich einfach und schnell auf wechselnde Produkte und Formate einzustellen. Der Maschinenbauer kann bei der Entwicklung eines durchdachten, modularen Baukastensystems für die mechatronischen Module einer Verpackungsanlage von der Robotik-Integration profitieren.

zg

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