Roboter setzen auf Software

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1 Prozessebene Roboter setzen auf Software Mit Stolz präsentierte Kuka Roboter die KR C4, eine neue Generation von Robotersteuerungen. Wesentliche Technologien dafür hat KW-Software beigesteuert. openautomation sprach mit Heinrich Munz von Kuka und Peter Fuchs von KW-Software. Was sind die aktuellen Trends in der Robotertechnik? H. Munz: Zu den aktuellen Trends zählen Mensch-RoboterKooperationen. In diesem Zusammenhang spielen die Themen Safety und sichere Sensorik eine wichtige Rolle. Aber es gibt noch mehr zu nennen, zum Beispiel die prozessintegrierte Industrierobotik, die Montagerobotik, auch im Hinblick auf die Verwendung neuer Werkstoffe, sowie Bearbeitungsroboter auf Basis von CNC-Programmierung. Dazu kommen die Trends virtuelle Inbetriebnahme und natürlich Green Automation, d. h. Energie-Effizienz in der Automatisierung. Unsere neue Steuerung KR C4 ist auf alle diese Trends durch ihre eingebaute Flexibilität bestens vorbereitet. Warum will Kuka die Automatisierung vereinfachen? H. Munz: Damit Länder wie Deutschland innerhalb der globalisierten Wirtschaft weiterhin ihre Chance als Produktionsstandort bewahren, ist die Erhaltung und sogar die Steigerung der Produktivität bei hoher Qualität unabdingbar. Diese Einsicht der Marktteilnehmer führt unmittelbar zur Forderung nach Ausweitung und ständiger Vereinfachung der Produktions-Automatisierung bei Planung, Inbetriebnahme und Betrieb. P. Fuchs: Eine Vereinfachung bedeutet in diesem Zusammenhang nicht die Abnahme der Komplexität; diese wird bei dem steigenden Integrationsgrad sogar noch zunehmen, da immer mehr Funktionen in der Software realisiert und auf hochperformanten Plattformen zusammengeführt werden. Einfachheit steht hier für anwenderfreundliche und intuitive Werkzeuge und Schnittstellen, z. B. der grafischen Benutzeroberfläche oder dem API (Application Program Interface) einer Software-Technologiekomponente. Diese ermöglichen sowohl dem Geräte- und Lösungsanbieter als auch dem Endkunden die sichere und effektive Beherrschung komplexer Technologie und deren Nutzung zur Erreichung seines Ziels: der Produktivitätssteigerung. Dazu gehört auch die leichte Integrierbarkeit einer Lösung in übergeordnete Anlagenkonzepte. 2 o00623fhz Kuka Seite 2 4/10

2 Heinrich Munz ist Senior Software Developer bei der Kuka Roboter GmbH in Augsburg Peter Fuchs ist Leiter des Geschäftsfelds Profinet bei der KW-Software GmbH in Lemgo Wie unterstützt die Zusammenarbeit zwischen Kuka und KW-Software diese Trends? H. Munz: Durch die Zusammenarbeit mit KW-Software war Kuka in der Lage, eine Sicherheits-Soft-SPS direkt in die Robotersteuerung ohne weitere Hardware-Zusätze zu integrieren. Dies erhöht die Leistungsfähigkeit und die Flexibilität der Robotersteuerung. Die bereits genannten neuen Herausforderungen lassen sich bewältigen. Auch im Bereich Profinet/Profisafe war es uns möglich, durch die Zusammenarbeit mit KW-Software eine ebenfalls Hardware-freie, also auch die MTBF erhöhende Anschaltung der Robotersteuerung, an diese insbesondere im deutschen Automobilbau vorherrschende Kommunikationstechnik bereitzustellen. Schließlich erleichterte Automation Framework von KW-Software Kuka den Aufbau standardisierter Bedien-und Programmierschnittstellen, wie die neue Smart- HMI genannte Online- und die WorkVisual genannte, ebenfalls neue Offline-Programmierumgebungen. P. Fuchs: KW-Software ist in der KR C4 mit unterschiedlichen Technologiekomponenten im Engineering- und Laufzeitbereich vertreten. Zur Erreichung der Ziele war eine enge Integration und Verzahnung unserer verschiedenen Technologien mit der System-Software von Kuka erforderlich. Eine wichtige Voraussetzung dafür ist unsere skalierbare Software-Plattform, deren Bausteine entweder einzeln eingesetzt oder über offene Schnittstellen zu einer kompletten Lösung kombiniert werden können. Bereits in der Konzeptphase hat sich KW- Software an der Erarbeitung der Lösungsstrategie beteiligt, unter anderem bei den Themen Virtualisierung und Multicore. Schließlich wurde das Projekt in teils gemeinsamer, teils spezifischer Entwicklungsarbeit partnerschaftlich umgesetzt. Was ist das Neue am Kuka-Steuerungskonzept KR C4? H. Munz: Da gibt es sehr vieles. Zuerst möchte ich die konsequente Reduktion der Hardware und Ersatz durch Software nennen. Ein Novum ist die komplette Integration der Safety-Steuerung in die Robotersteuerung. Das Vorgängermodul KR C2, das Grundkonzept stammt von 1996, hat noch über sechs verschiedene Kommunikationsarten Daten ausgetauscht. Mit der KR C4 reduzieren wir uns konsequent neben diversen PC-Signalen (HDD, CD etc.) auf eine einzige Kommunikationstechnologie: Ethernet. Darüber hinaus erfolgt mit Intel Core- 2Duo der Einsatz modernster Hochleistungsprozessoren aus der IT-Welt in unserer neuen Steuerung. Welche Vorteile hat es, wenn eine Kuka- Steuerung alle Aufgaben übernehmen kann? H. Munz: Durch die Integration von Bewegungssteuerung, Safety-Steuerung und weiteren Funktionen auf einem Prozessor ist ein schnelles Zusammenarbeiten ohne Kommunikationsengpässe möglich. Dies ist die Voraussetzung für eine nahtlose funktionale Integration und natürlich auch neue Sicherheitskonzepte. Warum wird die Safety-Technologie für die Robotertechnik immer wichtiger? H. Munz: Hier sind zwei Gründe zu nennen: Die Integrationsdichte von Robotern wird immer höher; dafür sorgen optimal auf die Applikation abgestimmte, per Safety definierte Schutzräume. Dazu kommt die enge räumliche Zusammenarbeit von Menschen und o00623fhz Kuka Seite 4 4 4/10

3 Robotern. Safety-Technologie sorgt in Kombination mit entsprechender Sensorik dafür, dass in einigen bestehenden Anwendungsfällen Schutzzäune komplett entfallen können. Außerdem werden ganz neue Anwendungsfälle möglich, bei denen Mensch und Roboter Hand in Hand zusammenarbeiten. P. Fuchs: Weitere Vorteile für den Kunden sehen wir in der verkürzten Inbetriebnahme und höheren Verfügbarkeit der Anlagen. Der sichere Betriebshalt des Gesamtsystems ermöglicht zudem Verkürzungen der Taktzeit sowie kürzere Programmierzeiten beim Teachen. Wie werden die neuen Sicherheitskonzepte ohne Beschränkung durch Hardware erreicht? H. Munz: Die Safety-Steuerung wurde neben der Bewegungssteuerung auf einem hochleistungsfähigen Intel-Dual-Core-Prozessor realisiert. Für die (ebenfalls sichere) Kommunikation zur Außenwelt wurde auf das hochleistungsfähige Kommunikationsmedium Ethernet zurückgegriffen. Durch diese Maßnahmen entfallen bisher limitierende Faktoren, wie Arbeitsspeicher, Prozessorrechenleistung oder Kommunikationsbandbreite im Safety-Bereich des Roboters. P. Fuchs: Die Sicherheitssteuerung in der KR C4 wurde mit SafeOS realisiert. SafeOS ist ein zweikanaliges, diversitäres und hoch performantes sicheres Laufzeitsystem. Die diversitäre Software-Architektur unseres Programmiersystems Safeprog wird durch Safe- OS auf dem Dual-Core-Prozessor nahtlos fortgeführt. Die sichere Kommunikation über Profinet wurde von KW-Software durch Integration eines Profisafe-V2-Kommunikationslayers implementiert. Können Sie einen Vergleich ziehen zur bisherigen Lösungen: Wie viele Safety-IO sind nun möglich, wie viele waren früher üblich? H. Munz: Früher gab es durch unsere Safe- Robot-Technologie typischerweise lediglich vier Ein- und zwei sichere Ausgänge für die Standard-Roboter-Safety und noch einmal zusätzlich acht sichere Ein- sowie vier sichere Ausgänge. Mithilfe der Implementierung des sicheren Software-Stacks haben wir die Schnittstelle auf insgesamt 64 sichere Einund 64 Ausgänge erweitern können mit der Option, diese bei Bedarf noch weiter auszubauen. Grundsätzlich gibt es heute bezüglich sicheren E/A an einem sicheren Ethernet- Protokoll kein festes Limit mehr. Der Vorteil des Kuka-Safety-Ansatzes reduziert sich jedoch nicht nur auf mehr Safety- E/A. Vielmehr besteht ein weiterer Kundennutzen nun darin, dass wir mit dieser Schnittstelle künftig neben reinen E/A auch sichere Daten, z. B. zur sicheren Überwachung von Räumen, von Werkzeugen sowie Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bzw. Stillstand direkt verarbeiten können. P. Fuchs: Ohne die sichere Kommunikation über Profinet wäre die Safety-Schnittstelle so nicht realisierbar gewesen. Die herkömmliche Lösung mit Parallelverdrahtung der Anlagen und der sicheren Roboter-Schnittstelle mit dem erweiterten Funktionsumfang wäre schlichtweg zu teuer geworden. Beispielrechnungen ergaben, dass man 49 IO-Module ohne Spannungsversorgung mit einer Gesamtlänge von ca. 3,50 m auf der Hutschiene benötigt hätte. Die sichere Kommunikation über Profinet bietet außerdem die Möglichkeit, die Robotersteuerung zukünftig zu einem sicheren Profinet-Controller weiter zu entwickeln. Die Robotersteuerung KR C4 ist deutlich kompakter als die Vorgängergeneration Intelligente Roboterbedienung mit dem smartpad o00623fhz Kuka Seite 5 5

4 Profinet als Netzwerk für das eigene Automatisierungssystem Automationworx selbstverständlich auch in der eigenen Produktion. Das Automation Framework (.NET) von KW-Software dient nun als Basistechnologie für das integrierte KUKA-Engineering Work Visual. Was hat der Anwender von der gewonnenen Durchgängigkeit? H. Munz: Microsoft s.net-technologie und das darauf aufbauende Automation Framework (AF) von KW-Software dienen als Basis für die neue Kuka Offline Engineering-Suite WorkVisual. Wir betrachten das AF als eine Bibliothek, die es uns erlaubt, unsere bestehenden und in Entwicklung begriffenen Offline Tools in standardisiertem Look-and- Die Programmierumgebung WorkVisual von Kuka Warum wird auf Profinet/Profisafe-Technologie gesetzt? H. Munz: Die Profinet/Profisafe-Anschaltung ist eine Software-Produktoption, um die Robotersteuerung an diese weitverbreiteten Kommunikationstechnologien anzuschalten. Eine weitere Option wird nächstes Jahr mit Ethernet/IP und CIP-Safe erhältlich sein, welche vorwiegend im US-amerikanischen Markt weit verbreitet sind. P. Fuchs: Heutige Absatzmärkte sind durch immer kürzere Produktlebenszyklen bei einer stetig steigenden Typenvielfalt gekennzeichnet speziell in der Automobilindustrie. Betrug z. B. der Lebenszyklus eines PKW im Jahr 1990 noch 9,5 Jahre und wurden acht Versionen (Limousine, Kombi, Cabrio, usw.) auf der gleichen Plattform realisiert, werden aktuell 14 verschiedene Varianten einer Marke mit einem durchschnittlichen Lebenszyklus von 6,5 Jahren produziert. Um wirtschaftlich fertigen zu können, müssen die Produktionsanlagen den Return on Invest (ROI) also wesentlich früher als bisher erreichen. Dies setzt eine erhebliche Reduzierung der Entwicklungs- und Engineering-Kosten voraus, die den größten Anteil an den Gesamtkosten ausmachen. Außerdem müssen sich bestehende Lösungen einfach in neue Konzepte integrieren lassen. Die Kommunikationsstrukturen innerhalb des Unternehmens und der Produktionsanlagen haben damit einen entscheidenden Einfluss auf die Erschließung neuer Produktivitätspotenziale. Die AIDA hat sich daher bereits in 2004 auf den Einsatz von Profinet festgelegt. Mit Profinet werden die hohen Anforderungen der Automatisierungstechnik an ein Echtzeit-Ethernet-Protokoll vollständig erfüllt. Somit kann die Produktivität von Maschinen und Anlagen durch einen durchgängigen und schnellen Informationsfluss erhöht werden auch außerhalb der Automobilindustrie. Auch z. B. die Phoenix-Contact-Gruppe nutzt Feel anzubieten. Anwendungen werden dann projektorientiert in Datenbanken abgelegt und wie in jeder integrierten Entwicklungsumgebung erzwingt dieses Modell ein einfaches, konsistentes Arbeiten, vermeidet Fehler und Doppeleingaben. Über die Kuka Online Services in WorkVisual wird Navigieren und Online Projektieren im Anlagennetzwerk möglich. P. Fuchs: KW-Software bietet mit dem Automation Framework (AF) eine umfassende Automatisierungsplattform auf Basis einer skalierbaren Software-Architektur. Diese enthält allgemeine Basiskomponenten, auf denen die weitere Funktionalität der Plattform aufgebaut wird. Dazu gehört zunächst eine Funktion zur Verwaltung der Komponenten an sich und zu deren anwendungsabhängiger Zusammenstellung. Eine weitere Basiskomponente enthält zum Beispiel Oberflächenelemente und gewährleistet so die einheitliche Bedienoberfläche. Dank offener und standardisierter Schnittstellen können Anwender neue Funktionalitäten und Werkzeuge einfach definieren, so dass bei der Entwicklung weniger Aufwand und Risiko entsteht. Diese Tools können einzeln oder o00623fhz Kuka Seite 6 6 4/10

5 als integrierte Anwendung mit anderen Tools herstellerneutral genutzt werden. Wird nicht auch die Software deutlich komplexer? H. Munz: Gerade durch die zuvor genannten Benutzeroberflächentechnologien ist es Kuka gelungen, die u.a. durch Multicore und höhere Integrationsdichte gestiegene interne Softwarekomplexität vor dem Anwender zu verbergen und ein einfach zu erlernendes und zu bedienendes Automatisierungsgerät zu schaffen Automation Becomes Easy. In moderner Terminologie: Durch seine Einheit von transparentem Engineeringund Laufzeitsystem hat sich der Kuka Robot Controller KR C4 zu einem roboterzentrierten PAC (Process Automation Controller) hin entwickelt, der Robot Control, PLC, Motion Control und CNC harmonisch zusammenführt. P. Fuchs: Hier schließt sich auch noch einmal der Kreis zum Thema Einfachheit: Es ist ein einfach beherrschbares System für anspruchsvolle Aufgaben entstanden. Dazu gehört eine einheitliche, intuitive und zuverlässige Oberfläche zur Programmierung und Bedienung. Gibt es schon erste Erfahrungen aus Pilotprojekten mit der neuen Roboter-Steuerungsgeneration? H. Munz: Erste Systeme sind bereits In der Automobilindustrie erfolgreich im Einsatz, davon viele bereits in Verbindung mit unserer neuen schlanken (energieund raumsparenden) Robotergeneration Quantec. Weiterhin wollen wir unsere Engineering- Suite Work Visual für die virtuelle Inbetriebnahme ganzer Roboterzellen einschließlich Prozess bereitstellen. P. Fuchs: Unser Ziel ist es, unsere Safety- Plattform zu einem Marktstandard weiterzuentwickeln. Wir wollen unseren Kunden zukünftig die Implementierung von Safety-Lösungen auf der Basis von Standard-Hardware (Multicore) ermöglichen. Das Thema Virtualisierung spielt hier eine entscheidende Rolle. Auf der diesjährigen SPS/IPC/Drives in Nürnberg heißt unser übergreifendes Thema: Security meets Automation. Dort wird KW-Software gemeinsam mit Innominate ebenfalls ein Phoenix-Contact-Unternehmen zeigen, wie sich eine Automatisierungsplattform modular in Richtung Security erweitern lässt. Dies ist vor dem Hintergrund von Stuxnet ein hochaktuelles Thema. Ronald Heinze Was sind ihre nächsten Ziele? H. Munz: Dazu gehört eine enge Mensch-Maschinenkooperation: Der Roboter dient als perfekter Produktionsassistent des Menschen für Montage und Bearbeitung. Es liegt auf der Hand, dass bei einer so engen Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine das Thema Safety oberstes Gebot hat. o00623fhz Kuka Seite 7 7