Fakulta elektrotechnická. Integrace a modelování systému distribuovaného řízení polohy a průmyslového robota

Transkript

1 České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická DIPLOMOVÁ PRÁCE Integrace a modelování systému distribuovaného řízení polohy a průmyslového robota Praha, 2012 Autor: Václav Brabec

2

3 Poděkování Děkuji především vedoucímu diplomové práce panu Ing. Pavlu Burgetovi, Ph.D. Dále bych chtěl poděkovat všem, se kterými jsem mohl diskutovat problémy, které se objevily při tvorbě diplomové práce. Rovněž bych chtěl poděkovat všem, kteří zapůjčili potřebný hardware, abych mohl zpracovat toto téma diplomové práce. Chtěl bych poděkovat tudíž zaměstnancům těchto firem a firmám samotným: ANF DATA, KUKA a Siemens. ii

4 Abstrakt Tato diplomová práce se zabývá systémy polohového řízení Simotion a roboty KUKA. Jsou zde porovnány možnosti těchto systémů. Je zde vytvořen matematický model motoru s permanentními magnety v Matlabu, tento motor je řízen systémem Simotion. Rovněž je ověřena možnost uzavřít polohovou smyčku přes sít Profinet. Simotion a robot jsou integrovány na jedné síti Profinet s nadřazeným PLC. Řídicí systémy KUKA a Simotion jsou porovnány a je prozkoumána možnost řízení robota pomocí Simotion, což je otestováno na řízení vymontovaného motoru z robotu. Abstract This diploma thesis focus on motion control systems, especially on motion control systems Simotion from Siemens and on robots KUKA. This work describes the systems and compares their capabilities. A mathematical model of a synchronous motor with permanent magnets is created in Matlab. The motor is controlled from the system Simotion. The position control loop of the motor is closed in the system Simotion over the Profinet network. Simotion a robot KUKA are connected together with a PLC and all systems are communicating over the Profinet network. The control of systems Simotion and robot KUKA are compared and a motor from robot KUKA is connected the the system Simotion, it demonstrates a possibility, how to control a robot with the system Simotion. iii

5

6 Obsah Seznam obrázků Seznam tabulek ix xii 1 Úvod 1 2 Řízení polohy pomocí systému Simotion Popis systému Simotion Použitý hardware Motory Matematický model motoru 1FK Clarkova transformace Parkova transformace Popis motoru v souřadném systému d, q Ověření matematického modelu Model motoru 1FK Model motoru 1FK Standardní konfigurace systému Simotion Řídící smyčky v systému Simotion a Sinamics Rychlostní smyčka Polohová smyčka Speciální uzavření polohové smyčky Virtuální pohon (drive) Objekt enkodéru Nová polohová smyčka Speciální převody Ukázka kódu regulátoru v

7 2.6 PROFIdrive, vysvětlení telegramu Normalizace hodnot Normalizace N2 a N Složení telegramu Zhodnocení výsledků práce se Simotionem Programování průmyslového robota KUKA KR Popis robota KR Části robota Technická data robota Popis řídicího systému Části řídicího systému KUKA Power Pack - KPP KUKA Servo Pack - KSP Řídící PC Cabinet Control Unit - CCU Safety Interface Board - SIB Resolver Digital Converter - RDC Elektronic Mastering Device - EMD Konfigurace robota Hardwarová konfigurace a nahrání projektu KUKA Controller Bus - KCB KUKA System Bus - SYS X Rozšiřující sběrnice - SYS X Konfigurace vstupů a výstupů Konfigurace Profinetu Bezpečnost Uživatelé Zapojení bezpečnosti Provoz robota Druhy provozu Tlačítka souhlasu pro pohyb robota na panelu Uvedení do provozu KUKA SmartPad Základy programování robota vi

8 3.5.1 Způsob programování robota Struktura programu robota Pohybové příkazy Aproximace bodu Programování pohybů pomocí in-line formulářů PTP - point to point LIN - lineární pohyb CIRC - kruhový pohyb Další příkazy Wait Wait for Out Pulse Řídící struktury programu Podmínky - if Cykly Programování pohybových příkazů bez in-line formulářů Speciální příkazy - hlášení a dialogy Zprávy Dialogy Submit interpreter Přerušení Možnosti monitorování a identifikace pohonů Pohony robota Monitorování a zaznamenávání průběhů Zaznamenané průběhy Shrnutí možností programování robota Integrace průmyslového robota Komunikace PLC - robot Hardwarová konfigurace Příprava programu robota pro automatický provoz s PLC Struktura cell.src Signály vyměňované mezi PLC a robotem Spuštění robota z PLC vii

9 4.2 Komunikace PLC - Simotion Simotion - Simotion Integrace PLC, Simotion a robota na jedné síti Ověření komunikace na Profinetu Komunikace RT mezi PLC a Simotionem D Komunikace mezi PLC a robotem IRT komunikace mezi Simotion a Sinamics Zhodnocení kapitoly Řízení polohovacího systému a robota Propojení řídicího systému Simotion s robotem KUKA Možnosti řízení robota pomocí systému Simotion Připojení motoru k systému Simotion Konfigurace motoru KUKA v systému Simotion Synchronizace motoru řízeného Simotionem a pohybu robota KUKA Konfigurace a formát reálných čísel v komunikaci robot - PLC Porovnání řízení robota a polohového systému Simotion Podmíky pro řízení celého robota pomocí Simotion Perspektiva realizace řízení robota KUKA systémem Simotion Zhodnocení kapitoly Závěr 80 Literatura 83 A Konfigurace komunikace robota s nadřazeným systém I A.1 Ukázka konfigurace komunikace robota a PLC I A.2 Zaznamenávání průběhů v Simotion III A.3 Editace GSDML souboru robota V B Obsah přiloženého CD VII viii

10 Seznam obrázků 2.1 Schéma testovacího sestavení Simotion, Sinamics a motorů Clarkova transformace v Simulinku Clarkova zpětná transformace v Simulinku Parkova transformace v Simulinku Parkova zpětná transformace v Simulinku Model motoru v d, q - proudy Model motoru v d, q - moment Model celého motoru Naměřená napětí a moment na skutečném motoru 1FK7022 (vstupy do modelu) Naměřené proudy a proudy ze simulace motoru 1FK a) Porovnání otáček změřených na skutečném motoru 1FK7022 a otáček simulovaných - vstupní napětí a moment byly naměřeny na skutečném motoru, b) otáčky simulovaného motoru 1FK7022, když mají vstupní napětí čistě sinusový průběh a moment je konstantní Naměřená napětí a moment na skutečném motoru 1FK7034 (vstupy do modelu) a) Porovnání otáček změřených na skutečném motoru 1FK7034 a otáček simulovaných - vstupní napětí a moment byly naměřeny na skutečném motoru, b) otáčky simulovaného motoru 1FK7034, když mají vstupní napětí čistě sinusový průběh a moment je konstantní Rychlostní řídicí smyčka motoru, v systému Simotion jsou jednotlivé fáze označeny U, V, W, v této práci jsou jednotlivé fáze označovány a, b, c Polohová řídicí smyčka motoru v systému Simotion Řídící schéma pomocí objektů v Simotion a Sinamics Vytvořený objekt pohonu modry v Simotion Scout ix

11 2.18 Vytvořený objekt osy Axis modra v Simotion Scout, osa je navázána na pohon modry Upravené řídicí schéma pomocí objektů v Simotion a Sinamics Úprava PZD bufferu u virtuálního drive objektu Vdrive-modry, na pozice v PZD bufferu jsou vloženy hodnoty od skutečného motoru od Drivemodry, parametry r2089 r481 jsou jednotlivá slova z telegramu např. r2809[0] je stavové slovo ZSW1, vysvětleno v další části práce Objekt pohonu Drive modry, virtuální pohon VDrive modry a externí enkodér External encoder modry v Simotion Scout Hlavní části robota, obrázek použit z [1] Části řídicího systému, [2] Ukázka konfigurace robota ve WorkVisual, v levém sloupci jsou vidět nakonfigurované sběrnice Přiřazení vstupů a výstupů v editoru propojení ve WorkVisual Konfigurace komunikace po Profinetu, počet vyměňovaných bitů s PLC je 64, jméno robota na síti Profinet je KUKA1, verze Profinetu V Ovládací panel Horní řádek na panelu Porovnání neaproximované a aproximované trajektorie v bodě P Pohyb PTP Pohyb LIN Pohyb CIRC Čekání Čekání na logickou 1 na vstupu číslo Nastavení logické hodnoty na výstupu Generování pulzu na výstupu Ukázka dialogu s možností výběru ze 4 možností Rychlosti v kartézském souřadném systému, rychlost žádaná a skutečná Pohyb osy A1, její poloha ve stupních (IstPosition), rychlost (Istgeschwindigkeit) [ /s], zrychlení (Istbeschleunigung)[ /s 2 ] a proud osy (Iststrom) [A], špatně se v legendě grafu zobrazuje jednotka stupeň (dáno prostředím WorkVisual, ze kterého je exportovaný obrázek grafu), Pohyb osy A1 - její rychlost (Istgeschwindigkeit) [ /s] a pozice (natočení) ve stupních (Istposition) a celková rychlost koncového bodu (CartVel act) 56 x

12 4.1 Splnění podmínek pro start robota Zapnutí pohonů Potvrzení poruchy Start Poslání čísla programu Poslání čísla programu Vypnout pohony Nastavení i-device módu Hardwarová konfigurace CPU 315, které komunikuje s robotem a Simotion D425, ostatní zařízení Sinamics a D435 jsou v hardwarové konfiguraci v Simotion Scout Průběh natočení osy robota a motoru, který je řízen na stejnou pozici.. 76 A.1 Konfigurace komunikace s PLC - vstupy od PLC I A.2 Konfigurace komunikace s PLC - výstupy pro PLC II A.3 Konfigurace komunikace s PLC - výstupy pro PLC II A.5 Konfigurace komunikace s PLC - výstupy pro PLC II A.4 Konfigurace komunikace s PLC - výstupy pro PLC III A.6 Konfigurace zaznamenávání Sinamics S IV A.7 Konfigurace zaznamenávání Simotion D IV xi

13 Seznam tabulek 2.1 Parametry motoru 1FK7022 pro simulaci Typy normalizace Seznam veličin, které se využívají v profilu PROFIdrive Složení telegramu 105, vysílací sloupec odpovídá posílání od nadřazeného systému, např. od Simotionu do Sinamics Složení řídicího slova STW Posílaný stav zařízení ve slově ZSW Data robota KR Data os robota KR Bezpečnostní vstupy a výstupy Režimy provozu Režimy provozu Data motoru ze strojových dat robota Signály z modulu KRCIpo Signály z modulu NextGenDrive Vstupy do robota od PLC Výstupy z robota pro PLC IP a MAC adresy zařízení Komunikace PLC - Simotion D Komunikace PLC - Simotion D Navázání komunikace PLC - robot KUKA Cyklická komunikace PLC - robot KUKA, protokol PNIO Konfigurace cyklické komunikace mezi Simotion a Sinamics ze Simotion Scout, Control unit označuje komunikaci k samotnému systému Sinamics, ostatní jsou objekty typu pohon xii

14 bytů cyklické komunikace od Simotion do Sinamics, řídicí slovo STW1 pro motor má hodnotu 16x47F Technické údaje pro konfiguraci motoru v Simotion xiii

15 Kapitola 1 Úvod V současné době jsou roboty KUKA využívány v řadě průmyslových aplikací, často nacházejí svá uplatnění v automobilových závodech a v jiných průmyslových odvětvích. Podobně i systém Simotion je hojně využíván pro řízení pohonů v průmyslových strojích. V průmyslových aplikacích se častěji začíná prosazovat pro integraci zařízení Profinet místo dříve hojně používaného Profibusu. A právě těmito dvěma zařízeními, robotem KUKA a systémem pro polohové řízení Simotion, se zabývá tato práce. Jedním z hlavních úkolů je integrace těchto zařízení pomocí sítě Profinet. U systému Simotion se dále práce věnuje možnosti vytvoření vlastní regulační smyčky polohy, která bude použita místo řešení, která jsou předpřipravená v systému Simotion. Výhodou tohoto řešení je možnost změny regulátoru za běhu, což za normálních okolností nelze realizovat. Jiným přínosem by mohlo být použití speciálních algoritmů, které uzpůsobují řízení pohonů k dosažení určitých speciálních cílů, například to může být zmenšení opotřebení pohonů nebo snížení energetické náročnosti provozu těchto pohonů. Část práce bude zaměřena na programování robota, jaké možnosti nabízí řídicí systém a jak se dají programovat pohyby robota a jiné jeho funkcionality. Budou zkoumány možnosti měření parametrů robotu s ohledem na jeho dynamiku, především na rychlosti a zrychlení. V průmyslových aplikacích se často používají synchronní motory s permanentními magnety, dva tyto motory jsou součástí testovacího sestavení systému Simotion a také robot KUKA používá tyto motory. Úkolem této práce je vytvořit matematický model tohoto motoru a porovnat ho se skutečným motorem. Součástí práce bude prozkoumání možnosti řízení průmyslového robota systémem Simotion, případně možnost spolupráce těchto dvou systémů na řízení. Hlavním cílem je zjištění, zda je možné využít pohony robota se systémem Simotion a jaké jsou případně 1

16 nutné podmínky pro tuto realizaci. Demonstrováno to bude na vymontovaném pohonu z robota, který může být pro tyto testovací účely použit. 2

17 Kapitola 2 Řízení polohy pomocí systému Simotion V této kapitole je provedena konfigurace motoru v systému Simotion, která se liší od běžné konfigurace pohonu v Simotion. Regulační smyčka polohy je uzavřena bez využití technologického objektu. Vlastní regulátor je realizován v programu a navázán k danému pohonu. Toto je nestandardní postup, a proto je nutné postupovat velmi specifickým způsobem. Je zde vysvětlen profil PROFIdrive, který se používá pro komunikaci s řídících systémů pohonů. V tomto případě probíhá komunikace mezi Simotion a Sinamics. Dále byl vytvořen model daného motoru. Jedná se o synchronní motor s permanentními magnety. Modelování motoru probíhá v 2-fázovém souřadném systému, který je spjatý s rotorem, tudíž bylo nutné použít patřičné transformace do tohoto systému. Je zde rovněž porovnání modelu a nasnímaných průběhů na skutečném motoru. 2.1 Popis systému Simotion Systém Simotion je určen pro úlohy typu polohového řízení, což je řízení pohyblivých os, vaček, servomechanizmů a jejich synchronizace. Jedná se modulární a škálovatelný systém, který může být využit pro centrální i distribuované řízení pohonů. V systému Simotion může běžet více paralelních úloh (tzv. Motion Tasks), které jsou určeny pro řízení pohybů jednotlivých pohonů. Programování může probíhat v jazycích známých z PLC a v jazyce ST (Structured Text), který je podobný Pascalu. Jinou variantou programování je využití grafických bloků, které se skládají do podoby vývojového diagramu. 3

18 Programování systému Simotion probíhá v prostředí Simotion Scout. K hardwarové konfiguraci a i k instalaci Simotion Scout je zapotřebí prostředí Simatic Step Použitý hardware Motory Červená osa Označení: SIEMENS 1FK7022-5AK71-1AG0 Absolutní enkodér: IC2048S/R L02 Modrá osa Označení: SIEMENS 1FK7022-5AK71-1LG0 Inkrementální enkodér: IC2048S/R L02 Motory 1FK7 jsou kompaktní synchronní motory s permanentními magnety. Jedná se o motory s velmi univerzálním použitím v různých oblastech. Enkodér modrého motoru je vybaven rozhraním Drive CLiQ (což je otevřené rozhraní pro enkodéry z řady Sinamics). Červený motor je bez rozhraní Drive CLiQ, tudíž vyčítání polohy je realizováno přes vyhodnocovací modul SMC 20. Řídící systém Simotion je verze D425, označení 6AU AA00-0AA0. Řídící systém Simotion D425 byl dovybaven sít ovou kartou pro Profinet CBE30. Součástí řídicího systému Simotion D425 je vnitřně integrovaný modul Sinamics Integrated. Další součástí sestavy je napájecí modul: Infeed module 6SL3130-6AE15-0AB0. Pro vlastní napájení motorů je pak použit: Double motor module 6SL3120-2TE13-0AA0. Kromě této základní sestavy byl s postupem času k dispozici Simotion D435 (6AU AA00-0AA1) vybavený kartou na Profinet CBE30. Verze D435 se liší od verze D425 především počtem os, které může řídit. Verze D425 může řídit maximálně 16 os, verze D435 jich může řídit 32. Detailnější popis systému Simotion D4x5 je uveden v manuálu [3]. Také byl k dispozici ještě 2x Sinamics S120-CU320 (6SL3040-1MA00-0AA0 a 6SL3040-0MA00-0AA1), opět vybavenými kartami pro Profinet, pro Sinamics jsou určeny karty CBE20. Tato rozšířená sestava byla určena pro otestování propojení zařízení na Profinetu a ověření funkčnosti tohoto spojení na Profinetu. 4

19 Na obrázku 2.1 je vidět schéma zapojení testovací sestavy. Na obrázku je řídicí systém Simotion D425, který je propojen se Sinamics S120 po Profinetu. Rychlostní smyčka motoru se uzavírá přes Sinamics S120 a polohová přes Simotion D425. Obrázek 2.1: Schéma testovacího sestavení Simotion, Sinamics a motorů 2.2 Matematický model motoru 1FK022 Matematický model synchronního motoru s permanentními magnety byl vytvořen v programu Matlab - Simulink. Nastudování problematiky modelování motorů obecně a potom i speciálně motorů s permanentními magnety bylo provedeno podle literatury [4], [5] a [6]. V literatuře [4] lze najít detailní odvezení rovnic a transformací, zde budou popsány výsledné rovnice nebo případně základní postup odvození. Pro zjednodušení matematického popisu budou zavedeny dvě transformace. Jedná se o Clarkovu transformaci ze 3-fázového systému a, b, c do dvou fázového α a β. Druhou transformací bude transformace Parkova, která provádí transformaci ze souřadného systému statoru α, β do souřadného systému d, q, který je spjatý s rotorem. Transformace budou vysvětleny v následujícím textu. Pro popis 3-fázového stroje budeme potřebovat znát indukčnosti vinutí L i a činné odpory jednotlivých fází R i, budeme předpokládat, že indukčnosti a odpory jsou pro všechny 5

20 fáze stejné. Dále je nutné znát počet pólových dvojic p p a spřažený magnetický tok Ψ M. Budeme vycházet z rovnic, které platí pro obecný 3-fázový motor, podle rovnic 2.1: Nejprve si určíme magnetické spřažené toky jednotlivých vinutí Ψ i, které se skládají z příspěvku vlastní indukčnosti a ze vzájemné indukčnosti vzhledem ke všem ostatním vinutím. Písmena a, b, c označují statorové veličiny, písmena A, B, C označují veličiny rotorové. Celková vzájemná indukčnost vůči všem ostatním vinutím je označena L ih. Protože hodnoty odporů a indukčností jsou pro všechny fáze stejné, tak bude použit index X 1 pro hodnoty statorových veličin a X 2 pro hodnoty veličin rotorových. Ψ a = L 1 i a + L 1h i A Ψ A = L 2 i A + L 2h i a Ψ b = L 1 i b + L 1h i B Ψ B = L 2 i B + L 2h i b (2.1) Ψ c = L 1 i c + L 1h i C Ψ C = L 2 i C + L 2h i c Pro jednotlivá napětí budou platit rovnice 2.2: u a = R 1 i a + dψ a dt u b = R 1 i b + dψ b dt u b = R 1 i b + dψ b dt u A = R 2 i A + dψ A dt u B = R 2 i B + dψ B dt u B = R 2 i B + dψ B dt (2.2) Clarkova transformace Clarkova transformace provádí transformaci ze 3-fázového statorového souřadného systému a, b, c do 2-fázového statorového souřadného systému α, β. Transformace vychází z předpokladu, že proudy i a, i b a i c jsou souměrné s fázovým posuvem 2 π. Pro libovolnou 3 veličinu lze transformaci zapsat takto, 2.3: x α = x a x β = 1 3 x b 1 3 x c (2.3) Na obrázku 2.2 je realizace Clarkovy transformace v Simulinku. Zpětná transformace bude popsána takto, 2.4: x a = x α x b = x α + 2 x β x c = x α 2 x β (2.4) 6

21 Obrázek 2.2: Clarkova transformace v Simulinku Na obrázku 2.3 je realizace zpětné Clarkovy transformace v Simulinku. Obrázek 2.3: Clarkova zpětná transformace v Simulinku Parkova transformace Parkova transformace provádí transformaci ze statorového souřadného systému α, β do rotorového souřadného systému d, q, kde jedna souřadnice je spjata s osou rotoru a druhá je na ní kolmá. Motor se otáčí synchronně, tudíž otáčení rotorového a statorového vinutí je stejnou rychlostí, tudíž vinutí mají vůči sobě stejnou polohu, z periodických koeficientů se stanou konstantní. Úhel mezi rotorovým a statorovým vinutím je označen θ. Obecný tvar transformace, 2.5: x d = x α cos(θ) + x β sin(θ) x q = x β cos(θ) x α sin(θ) (2.5) 7

22 Na obrázku 2.4 je realizace Parkovy transformace v Simulinku. Obrázek 2.4: Parkova transformace v Simulinku Zpětná transformace 2.6: x α = x d cos(θ) x q sin(θ) x β = x q cos(θ) + x d sin(θ) (2.6) Na obrázku 2.5 je realizace Parkovy zpětné transformace v Simulinku. Aplikací Clarkovy a Parkovy transformace lze vyjádřit přímou transformaci z 3-fázového souřadného systému do 2-fázového souřadného systému spjatého s rotorem, pro simulaci v Matlabu je výhodnější postupné použití těchto dvou transformací Popis motoru v souřadném systému d, q Za pomoci transformací je možné odvodit následující rovnice pro synchronní motor s permanentními magnety, postup popsán v [4] a [6], kde m i značí moment. Indukčnosti L d a L q budou považovány za konstantní (L d představuje indukčnost v podélné ose d a L q je příčná indukčnost v ose q). u d = R s i d + L d di d dt ω e L q i q (2.7) u q = R s i q + L q di q dt + ω e (L d i d + Ψ M ) (2.8) 8

23 Obrázek 2.5: Parkova zpětná transformace v Simulinku m i = p p 3 3 ((L d i d + Ψ M ) i q L q i q i d ) = J dω dt + m z (2.9) Pro spřažený magnetický tok Ψ M lze definovat tento vztah Ψ M = L d I m (2.10) Pro vztah mechanických otáček ω m a elektrických ω e platí 2.11, kde p p je počet pólových dvojic. ω m = p p ω e (2.11) Z rovnic 2.7, 2.8, 2.9 a ze vztahů 2.10 lze vyjádřit nové rovnice 2.12, 2.13 a 2.14, ze kterých již lze zhotovit matematický model synchronního motoru s permanentními magnety. i d = u d + ω e L q i q R s i d L d (2.12) i q = u q ω e (L d i d + L d I m ) R s i q L q (2.13) ω m = p p 3 2 ((L d i d + L d I m ) i q L q i q i d ) m z J (2.14) 9

24 2.2.4 Ověření matematického modelu Matematický model byl vytvořen pro motory 1FK7022 a 1FK7034, jejich parametry jsou uvedeny v tabulce 2.1 (hodnoty jsou převzaté z katalogového listu a pro motor 1FK7034 jsou převzaté z konfiguračního souboru z řídicího systému robota KUKA). Parametr 1FK7022 1FK034 L d 5,5 mh 16,5 mh R s 4,2 Ω 4,7 Ω 3 kg J 0, , m 2 I M 7,5 A 8 A p p kg m 2 Tabulka 2.1: Parametry motoru 1FK7022 pro simulaci Celkový model motoru má jako vstupní proměnné napětí v souřadném systému d, q a požadovaný moment. Do souřadného systému d, q jsou napětí převedena ze systému a, b, c. Výstupem pak jsou hodnoty proudů a otáčky. Na obrázku 2.6 je znázorněna realizace simulace proudů a na obrázku 2.7 je realizace simulace momentu. Obrázek 2.6: Model motoru v d, q - proudy Celý model, který je složen z Clarkovy transformace, Parkovy transformace, modelu motoru v d, q souřadnicích, zpětné Parkovy transformace a zpětné Clarkovy transformace je na obrázku 2.8. Pro ověření modelu byly naměřeny průběhy napětí, proudů, momentu a otáček, které byly následně porovnány s nasimulovanými hodnotami z modelu. 10

25 Obrázek 2.7: Model motoru v d, q - moment Obrázek 2.8: Model celého motoru Model motoru 1FK7022 Pro simulaci motoru byly použity parametry z tabulky 2.1. Na následujících grafech jsou uvedené naměřené a simulované průběhy. Jako vstup do modelu motoru byla použita naměřená napětí na obrázcích 2.9a a moment 2.9b. A výsledná rychlost ze simulace modelu je porovnána s rychlostí skutečnou, která byla změřena, na obrázku 2.11a. Je vidět, že rychlost z modelu je více rozkmitaná. Pokud místo změřených napětí a momentu dáme jako vstupní napětí čistě sinusové průběhy a moment bude konstantní, tak výsledné průběhy budou nerozkmitané, na grafu 2.11b. V systému Simotion jsou použité filtrace na snímané veličiny a ty jsou následně použity jako vstupy do regulačních smyček. Ovšem zaznamenané veličiny jsou nefiltrované. Pokud se motor nasimuluje s vyhlazenými průběhy, tak je vidět, že rozkmitání zmizí. Tudíž i pro zpracování a použití těchto veličin by bylo vhodné použít filtraci. Při měření byla provedena změna otáček (v grafech v čase 4,15 s), což je dobře patrné i ve všech průbězích (z 0 otáček na 100 otáček za minutu). I pro simulaci s čistě sinusovými 11

26 průběhy napětí bylo toto provedeno (změna otáček z 0 na 100 otáček za minutu byla provedena v čase 9,2 s). Popis nastavení měření průběhů signálů je uveden v příloze. (a) Napětí (b) Moment Obrázek 2.9: Naměřená napětí a moment na skutečném motoru 1FK7022 (vstupy do modelu) (a) Naměřené proudy (b) Simulované proudy Obrázek 2.10: Naměřené proudy a proudy ze simulace motoru 1FK Model motoru 1FK7034 Podobně jako pro motor 1FK034 byl model motoru vytvořen i pro motor 1FK7034, naměřené a simulované průběhy jsou vidět na následujících grafech. Opět je zde porovnání průběhů otáček, které jsou výsledkem simulace se vstupními čistě sinusovými napětími a se vstupními napětími, která byla změřena na skutečném motoru. 12

27 (a) Porovnání rychlosti (b) Vyhlazené otáčky Obrázek 2.11: a) Porovnání otáček změřených na skutečném motoru 1FK7022 a otáček simulovaných - vstupní napětí a moment byly naměřeny na skutečném motoru, b) otáčky simulovaného motoru 1FK7022, když mají vstupní napětí čistě sinusový průběh a moment je konstantní (a) Napětí (b) Moment Obrázek 2.12: Naměřená napětí a moment na skutečném motoru 1FK7034 (vstupy do modelu) 2.3 Standardní konfigurace systému Simotion Na tomto místě popíši stručně hardwarovou konfiguraci systému Simotion, která probíhá v prostředí Simotion Scout a v prostředí hardwarové konfigurace ve Step7. Detailní popis je uveden v manuálech, případně v mém návodu detailni konfigurace simotion.pdf, který je přiložen na CD. V prvním kroce se do nového projektu přidá Simotion device (v mém případě D425) a otevře se program HW Config známý z prostředí Step7. Již je zde přidaný SINAMIC Integrated na vnitřní síti profibus. Je možné přidat další zařízení - například další moduly Sinamics nebo jakékoliv jiné další moduly (např. vstupně-výstupní moduly). 13

28 (a) Porovnání rychlosti (b) Vyhlazené otáčky Obrázek 2.13: a) Porovnání otáček změřených na skutečném motoru 1FK7034 a otáček simulovaných - vstupní napětí a moment byly naměřeny na skutečném motoru, b) otáčky simulovaného motoru 1FK7034, když mají vstupní napětí čistě sinusový průběh a moment je konstantní Pokud se přidávaly nějaké další moduly, které mají komunikovat v isochronním režimu IRT, tak je nutné nakonfigurovat tuto komunikaci - nastavit topologii Profinetu, cyklus výměny dat,...). Po nahrání hardwarové konfigurace je nutné nakonfigurovat jednotlivé pohony na příslušném zařízení Sinamics. Při vkládání nového motoru se nadefinuje typ motoru a jeho technické parametry. Rovněž se nastaví parametry enkodéru a zvolí se typ datagramu (např. datagram 105 z profilu PROFIDrive), přes který se bude motor ovládat. Po nakonfigurování motoru je možné s ním otáčet v režimu uvedení do provozu (je možné ovládat otáčky motoru). Pro konkrétní aplikaci je však nutné vytvořit příslušný technologický objekt, přes který bude možno ovládat motor v Simotion. Nejčastějším technologickým objektem je osa, která umožňuje ovládání pozice (natočení) motoru. Další možné funkcionality osy jsou synchronizace, pohyb po vačkovém profilu. Takto připravenou osu již můžeme programově ovládat. 2.4 Řídící smyčky v systému Simotion a Sinamics Rychlostní smyčka V systému Sinamics je nakonfigurovaný vlastní motor a je tam uzavřena rychlostní řídicí smyčka. Jedná se o kaskádní regulaci s dvěma PI regulátory. Zjednodušené schéma je 14

29 uvedeno na obrázku 2.14, který je tvořen hlavními částmi řídicí smyčky (jsou odebrány filtrace, úpravy signálů a různé přepínače). V tomto obrázku je dobře vidět, že v této regulační smyčce se využívají podobné transformace jako v matematickém modelu, který byl zkonstruován pro motor v sekci 2.2. Na obrázku je vidět transformace ze 3 fází do 2 a transformace ze statorového souřadného systému do souřadného systému rotoru. Pro regulaci se využívají proudy i d a i q a hodnota otáček jako vstupy ve zpětné vazbě regulátorů. Obrázek 2.14: Rychlostní řídicí smyčka motoru, v systému Simotion jsou jednotlivé fáze označeny U, V, W, v této práci jsou jednotlivé fáze označovány a, b, c Polohová smyčka Polohová smyčka je uzavřena v Simotion nad rychlostní smyčkou, která je v Sinamics. Schéma ze Simotion Scout je na obrázku V systému Simotion byl k danému motoru vložen technologický objekt osa. Je vidět, že se jedná pouze o proporcionální regulátor. 15

30 Obrázek 2.15: Polohová řídicí smyčka motoru v systému Simotion 2.5 Speciální uzavření polohové smyčky Úkolem bylo uzavření řídicí smyčky bez využití technologického objektu osy a jejího regulátoru. Tento požadavek vyplynul z toho, že není možné upravovat regulátor a řídicí smyčku za běhu programu. Jediná možnost je tedy vytvořit si vlastní regulátor, který bude vyčítat hodnotu enkóderu se současnou pozicí a předávat žádanou hodnotu rychlosti regulátoru vlastního pohonu. Na obrázku 2.16 je schématicky znázorněno standardní navázání objektů v Simotion Scout. Pro motor je vytvořen v Sinamics objekt pohonu (Drive objekt), ve kterém je definována řídicí smyčka pro rychlost. Požadovaná rychlost se dodává komunikací ze Simotion. Objekt osa zprostředkovává vyčtenou hodnotu z enkodéru a výpočet žádané rychlosti, která se posílá do Sinamics objektu pohonu. Komunikace je dle standardu PRO- FIDrive, konkrétně je realizována telegramem 105 (bude popsán v dalším textu). Ukázka přidaného objektu pohonu modry, který reprezentuje skutečný motor, je na Obrázek 2.16: Řídící schéma pomocí objektů v Simotion a Sinamics obrázku Nad pohonem je vytvořen objekt osy, ve kterém se nachází polohová 16

31 smyčka, osa Axis modra je na obrázku 2.18 Obrázek 2.17: Vytvořený objekt pohonu modry v Simotion Scout V Simotion je telegram namapován na konkrétní adresy vstupů a výstupů. Když nemáme navázaný žádný objekt v Simotion, který by příslušel konkrétnímu pohonu, tak je možné posílat telegramem žádanou rychlost z programu. Ale když navážeme nějaký objekt na tuto komunikaci, tak nám již Simotion nedovolí k ní přistupovat. My však potřebujeme navázat na pohon objekt, který by zpracovával hodnotu enkodéru (objekt osa nebo enkodér). Řešením je vytvoření kopie pohonu, na tu se naváže objekt enkodéru a řídicí smyčka v programu bude moci posílat hodnotu do původního objektu pohonu, na kterém nebude nic navázáno. Nová struktura s kopií pohonu (virtuálním pohonem) je znázorněna na obrázku Virtuální pohon (drive) Při vytváření objektu virtuálního pohonu se musí nastavit konfigurace komunikačního telegramu Used-def BICO 999 tak, aby bylo možné měnit obsah PZD bufferu (PZD = procesní data (process data), obsah telegramu). I když motor fyzicky neexistuje, je nutné nastavit všechny parametry jako při vytváření objektu pohonu pro skutečný mo- 17

32 Obrázek 2.18: Vytvořený objekt osy Axis modra v Simotion Scout, osa je navázána na pohon modry tor. Protože fyzicky danému objektu pohonu nepřísluší žádný skutečný motor, musí se nastavit parametr p105 do hodnoty 2 (Drive object, de-activate and not present). Kopie pohonu musí obsahovat kopii komunikace, která směřuje od pohonu do Simotion. Kopie komunikace objektu pohonu je provedená v expert list virtuálního pohonu, tím že se v expertním seznamu změní parametr p2051 (pro wordy) a p2061 (pro double wordy). Expert list je v Simotion označení pro seznam všech parametrů daného objektu. PZD buffer je pouze jeden, i když se do něj dá přistupovat ze dvou parametrů. Hodnoty se tudíž přepisují, pokud se dají na stejné místo. Do PZD bufferu se umístí stejné hodnoty, jaké tam má skutečný motor. Ukázka, jak vypadá změněný PZD buffer na obrázku Objekt enkodéru V Simotion přidáme objekt enkodér. Při konfiguraci objektu se zvolí, že příslušný pohon, ke kterému patří enkodér, bude doplněn později. Po vytvoření objektu enkodéru se musí provést nastavení ručně v expert list. Cesta k měněným parametrům je: TypeOfAxis- Encoder n-driverinfo. Nastaví se zde adresy vstupů a výstupů virtuálního pohonu. Navolí 18

33 Obrázek 2.19: Upravené řídicí schéma pomocí objektů v Simotion a Sinamics Obrázek 2.20: Úprava PZD bufferu u virtuálního drive objektu Vdrivemodry, na pozice v PZD bufferu jsou vloženy hodnoty od skutečného motoru od Drive-modry, parametry r2089 r481 jsou jednotlivá slova z telegramu např. r2809[0] je stavové slovo ZSW1, vysvětleno v další části práce se také požadovaný typ telegramu, v tomto případě je vybrán telegram 105. Po nahrání by měla být k dispozici informace o pozici motoru a další informace z enkodéru, toto je v expert list v systémových proměnných. V programu se dá dostat k pozici takto: D425.Nazev-enkoderu.sensorData.position. Ukázka přidaného pohonu, virtuálního pohonu a enkodéru je na obrázku Nová polohová smyčka Pro přípravu programu, kterým se realizuje polohová smyčka je nutné mít připraven objekt pohonu v Sinamics, virtuální objekt pohonu v Sinamics a objekt External enkodér v Simotion. Program bude napsán v ST (což je v Simotion speciální jazyk podobný Pascalu). 19

34 Obrázek 2.21: Objekt pohonu Drive modry, virtuální pohon VDrive modry a externí enkodér External encoder modry v Simotion Scout Pro přístup k proměnným technologických objektů je nutné v kódu nadefinovat použití příslušného balíčku - USEPACKAGE cam; Speciální převody Jak již bylo dříve napsáno, hodnota požadované rychlosti se předává v telegramu z profilu PROFIDrive. V tomto profilu jsou definovaná pevná pravidla, pro přenos hodnot. Tudíž je nutné i zde tato pravidla dodržet a použít speciální přepočet pro požadovanou rychlost. Více o tomto profilu bude uvedeno v následujícím textu o profilu PROFIdrive a v jeho dokumentaci [7]. Jako komplikovaný se ukázal převod reálného čísla ve formátu LREAL do double wordu. Simotion obsahuje funkce, které konvertují LREAL do Double Word, ale v tomto případě je nelze použít. Objevily by se jinak složité problémy, které by se musely ošetřovat. Proto 20

35 je nutné použít převod do formátu DINT a ten pak převézt do Double Word. Pro převod skutečné hodnoty do hodnoty, která se přenáší v komunikaci platí pact - přepočtená hodnota pact = nact - nominální (skutečná hodnota) (nact pmax) nmax (2.15) pmax - maximální hodnota pro přepočtenou hodnotu, v hexadecimální podobě 16# (hodnota uvedena v dokumentaci [7]) nmax - maximální hodnota veličiny, pro daný motor 6000 Obrácený převod, z hodnoty, která je vyčtena v komunikaci do skutečné hodnoty, nact = Ukázka kódu regulátoru (pact nmax) pmax (2.16) Zde je ukázka kódu ze Simotion. Tento program je volán cyklicky v Background tasku (obdoba OB1 pro PLC S7), pro dosažení lepší přesnosti by bylo lepší program volat z Motion Task, který je volán pravidelně s konstantní periodou, pro tuto ukázku programování a přístupu k technologickým objektům v Simotion to nevadí. Drive modry setpoint Speed a Drive modry control W jsou symbolické názvy pro adresy výstupů, na které je navázána komunikace k pohonu (Drive modry je název objektu pro pohon v Simotion). V Drive modry control W je zapsána hodnota řídicího slova, pro zastavený motor je to 16#47E a pro zapnutí motoru 16#47F, vysvětlení a detailnější popis hodnot je uveden ve specifikaci profilu PROFIDrive v další části kapitoly. USEPACKAGE cam; VAR_GLOBAL //definice promennych... END_VAR PROGRAM motor_modry act_pozice := D425.External_encoder_modry.sensorData.position; speedsetpoint = regulator(act_pozice, zadana_pozice); 21

36 //zadane rychlosti z LREAL na DW real_sp := (SpeedSetPoint* 16# ) / ; dint_sp := LREAL_TO_DINT (in:= cislo_160); dw_sp := DINT_TO_DWORD(in:= temp_meziprevod); //nastaveni rychlosti na vystup Drive_modry_setPoint_Speed := dw_sp; //zapis ridiciho slova IF motor_modry_start = TRUE THEN Drive_modry_control_W := 16#47F; else Drive_modry_control_W := 16#47E; END_IF; END_PROGRAM 2.6 PROFIdrive, vysvětlení telegramu 105 PROFIdrive definuje standardní rozhraní k ovládání pohonů po Profibusu nebo Profinetu. Tento standard je rovněž použit pro ovládání motorů pomocí Simotion a Sinamics. Profil PROFIdrive definuje komunikaci mezi pohonem a řídicím systémem - například definuje datové typy, normalizaci hodnot v proměnných, složení telegramů, atd. Zde je popsána část profilu, ke které se vztahuje další text této práce. Podrobný popis lze najít v specifikaci profilu PROFIdrive [7] a v manuálu k systému Sinamics [8], podle kterých je napsán tento popis telegramu Normalizace hodnot Normalizace hodnot definuje přepočet fyzikální hodnoty do podoby, ve které se bude posílat pohonu. Hodnoty ve zprávách se posílají jako normované hodnoty vzhledem k definované konstantě. V profilu PROFIdrive je definováno více typů normalizace, zde jsou popsány normalizace N2 a N4, které jsou dále využity pro řízení pohonu. 22

37 Normalizace N2 a N4 Pro lineární normalizaci přísluší hodnotě 0 % hodnota 0 (0x0), hodnotě 100 % pak hodnota 2 14 (0x4000) pro normalizaci N2, respektivně 2 30 (0x )pro normalizaci N4, přehled v tabulce 2.2. Typ rozsah rozlišení délka N2 200 % i ( ) % 2 14 = 0, 0061 % 2 byty N4 200 % i ( ) % 2 30 = 9, % 4 byty Tabulka 2.2: Typy normalizace V profilu PROFIdrive jsou definované tyto komunikační služby: Cyklická výměna dat Acyklická komunikace Synchronizace hodin Alarmy Pro použití s tímto profilem je definována standardem řada telegramů, které je možno využít. Dále výrobci definují své další telegramy. Telegramy jsou označeny číslem, rozsah 1-99 a jsou standardní telegramy, jsou telegramy specifické pro konkrétní zařízení. Telegram s označením 0 je volně konfigurovatelný telegram. Jednotlivé telegramy jsou složeny z jednotlivých signálů - wordů a double wordů, které mají konkrétní význam, nejdůležitější jsou uvedeny v tabulce 2.3: Složení telegramu 105 Složení telegramu 105 je v tabulce 2.4. Pro roztočení motoru konstantní rychlostí postačí posílat pohonu řídicí slovo STW1 a požadovanou rychlost NSOLL B. Vysvětlení řídicího slova - v programu jsou použity tyto dvě hodnoty řídicího slova: 16#47F (motor běží) a 16#47E (motor zastaven). Popis řídicího slova STW1 v tabulce 2.5 Hodnota 16#47E slova STW1: bity 1-7 a 10 jsou v log. 1, řízení je povoleno a je ovládáno z PLC, čeká se na zapnutí napájení bitem 0, což nastane příchodem hodnoty 16#47F. 23

38 Název signálu (originální název) zkratka délka (bity) Řídící slovo 1 (Control Word 1) STW1 16 Stavové slovo 1 (Status Word 1) ZSW1 16 Řídící slovo 2 (Control Word 2) STW2 16 Stavové slovo 2 (Status Word 2) ZTW2 16 Požadovaná rychlost A (Speed setpoint A) NSOLL A 16 Aktuální rychlost A (Speed actual value A) NIST A 16 Požadovaná rychlost B (Speed setpoint B) NSOLL B 32 Aktuální rychlost B (Speed actual value B) NIST B 32 Senzor 1 řídicí slovo (Sensor 1 control word) G1 STW 16 Senzor 1 stavové slovo (Sensor 1 status word) G1 ZSW 16 Senzor 1 aktuální pozice 1 (Sensor 1 position actual value 1) G1 XIST1 32 Senzor 1 aktuální pozice 2 (Sensor 1 position actual value 2) G1 XIST2 32 Zpráva od pohonu (Message word) MELDW 16 Redukce momentu (Torque reduction) MOMRED 16 Odchylka pozice (Position deviation) XERR 32 Zesílení regulátoru pozice (Position controller gain) KPC 32 Vstupy - digitální E DIGITAL 16 Výstupy - digitální A DIGITAL 16 Vstupy - analogové E ANALOG 16 Výstupy - analogové A ANALOG 16 Tabulka 2.3: Seznam veličin, které se využívají v profilu PROFIdrive V tabulce 2.6 je uveden popis stavového slova ZSW1. Hodnoty NSOLL B a NIST B jsou škálované podle normalizace N4 a referenční hodnota je uložena v parametru p

39 Pořadí Vysílané Přijímané PZD1 STW1 ZSW1 PZD2 NSOLL B NIST B PZD3 PZD4 STW2 ZSW2 PZD5 MOMRED MELDW PZD6 G1 STW G1 ZSW PZD7 XERR G1 XIST1 PZD7 PZD9 KPC G1 XIST2 PZD10 Tabulka 2.4: Složení telegramu 105, vysílací sloupec odpovídá posílání od nadřazeného systému, např. od Simotionu do Sinamics Bit Význam 0 ON/OFF - aktivní na hranu 0 >1 1 No OFF2/ rychlé zastavení 2 No OFF3/ rychlé zastavení 3 Enable Operation 4 Enable Ramp Generator / Reset Ramp Generator 5 Unfreeze Ramp Generator / Freeze Ramp Generator 1 6 Enable Setpoint / Disable Setpoint 7 Fault Acknowledge Potvrzení chyby - hrana 0 >1 8 Jog 1 ON/OFF - nepovinný 9 Jog 2 ON/OFF - nepovinný 10 Řízení pomoci PLC Specifické podle zařízení Tabulka 2.5: Složení řídicího slova STW1 25

40 Bit Význam 0 Připraven k zapnutí 1 Připraven k běhu 2 Běh povolen 3 Chyba 4 Rychlé zastavení neaktivní - No OFF2 5 Rychlé zastavení neaktivní - No OFF3 6 Zapnutí blokováno 7 Varování přítomné Potvrzení chyby - hrana 0 >1 8 Chyba tolerance rychlosti 9 Požadavek řízení 10 Požadovaná hodnota dosažena Specifické podle zařízení Tabulka 2.6: Posílaný stav zařízení ve slově ZSW1 26

41 2.7 Zhodnocení výsledků práce se Simotionem V této kapitole se podařilo nakonfigurovat systém Simotion a vytvořit matematický model použitých motorů, který byl ověřen na naměřených průbězích. Hlavní přínos této části práce byl v uzavření vlastní polohové smyčky v systému Simotion. Tato polohová smyčka byla uzavřena bez použití standardních bloků v systému Simotion, což umožnilo vytvořit si vlastní regulátor polohy. Tímto se nabízí uživateli nová možnost práce s daným pohonem, je možné si vytvořit regulátor, u které se budou měnit parametry za běhu (což u běžného postupu není možné). Tato řídicí smyčka zde byla popsána i s popisem telegramu 105 z profilu PROFIDrive, pomocí kterého je realizována komunikace mezi Simotion a Sinamics po Profinetu. 27

42 Kapitola 3 Programování průmyslového robota KUKA KR 16-2 Tato kapitola se zabývá konfigurací robota, především konfigurací projektu WorkVisual, ve kterém se vytváří hardwarová konfigurace robota. Dále jsou zde popsány základy programování robota. Především je zde popis programování pohybů - pohyb z bodu do bodu, lineární pohyb a pohyb po kružnici. Popsány jsou zde dva způsoby zadávání pohybových příkazů, jedná se o využití in-line formulářů a pak o klasický zápis příkazu. Na příkladech kódu jsou zde vysvětleny i další příkazy, které se hodí pro programování robota (čekání na signál, logické podmínky, cykly,...). Je zde rovněž uveden příklad použití zpráv a dialogů, díky kterým je možno naprogramovat interakci s uživatelem. Samostatná část kapitoly je věnována zaznamenávání průběhů signálů. S ohledem na možnosti identifikace a případné možnosti modelování dynamiky robota, je zde uveden seznam proměnných, které se týkají pohybu (pozice, rychlost, zrychlení,...). Naměřené hodnoty není možné využít v externích nástrojích, protože je nelze exportovat v čitelném formátu pro jiné programy. S ohledem na předchozí kapitolu, která se týkala pohybového řízení pomocí Simotion a také na následující kapitoly, přesnější zkoumání dynamiky motoru s lepším monitorováním průběhů je možné po připojení motoru k Simotion. 28

43 3.1 Popis robota KR 16-2 Popis robota je čerpán z [1]. Robot KR-16 je univerzální šestiosý robot, který je určený pro nejrůznější aplikace (svařování, manipulace, montáž,...). K celkovému systému robota patří řídicí systém, obslužné zařízení a součástí je také spojovací materiál a software. Pro konkrétní aplikaci je robot doplněn vhodným nástrojem (např. uchopovacím, svářecím,...). Pohyb mechaniky robota je zabezpečen servomotory, které jsou řízeny řídicím systémem robota. V našem případě se jedná o řídicí systém KR C4. Řídící systém se stará o běh programu a plánování pohybu, dále zabezpečuje komunikaci s dalšími zařízeními (v našem případě vstupní a výstupní periferie, dále pak komunikace s PLC přes Profinet). Dalším úkolem řídicího systému je zajištění bezpečnosti pro uživatele i robota, v našem případě je bezpečnost připojena do řídicího systému přes standardní konektor X11 na bezpečnostní desku SIB (Safety Interface Board). Uživatelské ovládání je pomoci SmartPadu, což je dotyková obrazovka, přes kterou se dá ovládat robot Části robota Jednotlivé části robota jsou zobrazeny na obrázku Technická data robota Zátěž 16 kg Přídavná zátěž rameno 10 kg Max. dosah / zdvih Z 1611 mm Počet os 6 Přesnost opakování 0,05 mm Hmotnost robota 235 Montážní plocha Stěna, podlaha, strop Tabulka 3.1: Data robota KR-16 V případě zatížení robota, se maximální rychlosti, které jsou uvedené v tabulce 3.2, snižují. 29

44 Obrázek 3.1: Hlavní části robota, obrázek použit z [1]. Parametry robota jsou převzaté z [1]. 3.2 Popis řídicího systému Části řídicího systému Řídící systém robota se skládá z těchto částí: 1. Sít ový filtr 2. Hlavní vypínač 3. Panel řídicího systému - Controller System Panel (CSP) 4. PC řídicího systému 30

45 Osa oblast rychlost A1 ± /s A2 +35/ /s A3 154/ /s A4 ± /s A5 ± /s A6 ± /s Tabulka 3.2: Data os robota KR Sít ový zdroj pohonu - KUKA Power Pack (KPP) 6. Regulátor pohonu os 4 až 6 - KUKA Servo Pack (KSP) 7. Regulátor pohonu os 1 až 3 - KUKA Servo Pack (KSP) 8. Filtr brzd 9. Řídící deska - Cabinet control unit (CCU ) 10. Bezpečnostní deska - Safety Interface Board (SIB) 11. Bezpečnostní prvek 12. Akumulátory 13. Připojení panelu 14. Připevnění koleček (volitelná součást) 15. KUKA smartpad Obrázek 3.2: Části řídicího systému, [2] Řídící systém popsán podle [2]. 31

46 KUKA Power Pack - KPP Jedná se o sít ový zdroj, který slouží k napájení regulátorů pohonů. Existují 4 konstrukční varianty, liší se především velikostí špičkového výstupního proudu KUKA Servo Pack - KSP KUKA Servo Pack je regulátor pro osy robota. Každý KSP je určen pro 3 osy Řídící PC Řídící PC slouží k vytváření, úpravě, spouštění a řízení programů robota, dále k plánovaní pohybů a komunikaci s externími zařízeními Cabinet Control Unit - CCU Cabinet Control Unit je centrální komunikační rozhraní pro všechny části řídicího systému robota. Jsou zde připojeny všechny systémové sběrnice robota Safety Interface Board - SIB Safety Interface Board je použita pro připojení bezpečnostních vstupů a výstupu přes rozhraní X11. Jedná se o připojení kontroly bezpečnosti pro obsluhu a bezpečnosti dalších zařízení Resolver Digital Converter - RDC Resolver Digital Converter slouží k bezpečnostnímu záznamu a předávání hodnot natočení jednotlivých os robota do řídicího systému. Rovněž se zaznamenává teplota pohonů Elektronic Mastering Device - EMD Elektronické kalibrační zařízení pro zkalibrování os robota. Zjednodušeně postup proměření (více lze najít v manuálu): vybraná osa se nastaví do seřizovací polohy, měřící sonda EMD se připojí k měřící patroně dané osy a v menu se navolí možnost seřídit osy. 32

47 3.3 Konfigurace robota Hardwarová konfigurace a nahrání projektu Konfigurace řídicího systému a následné nahrání vytvořeného projektu do řídicího systému probíhá v programu WorkVisual od společnosti KUKA. Tento software lze dále využít například k tvorbě a editaci programů robota. Nejprve se musí nakonfigurovat sběrnice robota - sběrnice řídicího systému KUKA Controller Bus (KCB), systémová sběrnice KUKA System Bus (KSB) a další rozšiřující sběrnice - např. sběrnice se vstupy a výstupy, Profinet. Je nutné propojit správně topologii komponent při konfigurování ve WorkVisual. Obrázek 3.3: Ukázka konfigurace robota ve WorkVisual, v levém sloupci jsou vidět nakonfigurované sběrnice. 33

48 KUKA Controller Bus - KCB KUKA Controller Bus je sběrnice řídicího systému. K této sběrnici je připojeno: KUKA Power Pack - KPP KUKA Servo Pack - KSP (2x) Resolver Digital Converter Elektronic Mastering Device - EMD Sběrnice KCB je typu EtherCAT KUKA System Bus - SYS X48 KUKA System Bus slouží k připojení bezpečnostních modulů: Bezpečnostní modul pro Cabinet Interface Board Bezpečnostní deska Safety Interface Board Sběrnice KSB je typu EtherCAT Rozšiřující sběrnice - SYS X44 Jedná se opět o sběrnici typu EtherCAT. Tato sběrnice se dá využít pro připojení dalších zařízení. V mém případě se jedná o připojení modulů se vstupy a výstupy. Pro přidání vstupně/výstupních modulů do konfigurace ve WorkVisual je nutné přidat tyto moduly do katalogu zařízení. Přidání je možné například pomoci souborů XML description file, které se dají obstarat od výrobce daného modulu. V mém případě se jedná o moduly Beckhoff (ethercat coupler EK1100, 16 vstupů EL1809, 16 výstupů EL2809) a BaR (bus controller X20BC00G3, napájecí modul X20PS9400, vstupní modul X20DI9371 s 12 digitálními vstupy, X20DO9322 s 12 digitálními výstupy, X20AI4622 se 4 analogovými vstupy, X20AO4622 se 4 analogovými výstupy Konfigurace vstupů a výstupů Po nakonfigurování vstupně-výstupních modulů je nutné přiřadit dané signály ke vstupům robota. Toto se provádí v konfiguraci vstupů a výstupů, kde se vybere požadovaná 34

49 sběrnice se signálem a toto se přiřadí k danému vstupu nebo výstupu, na obrázku 3.4 vlevo nahoře se vyberou vstupy nebo výstupy, vpravo nahoře se vybere daná sběrnice a v dolní části se navolí propojení konkrétních signálů. Takto se dá přiřadit ke vstupům libovolný signál ze sběrnice robota. V mém případě jsem to využil pro mapování vstupů a výstupů z periférií a nastavení komunikace po Profinetu s PLC. Obrázek 3.4: Přiřazení vstupů a výstupů v editoru propojení ve WorkVisual Konfigurace Profinetu K tomu, aby bylo možné konfigurovat komunikaci po Profinetu s jiným zařízením, je nutné mít nainstalováno v řídicím PC robota software pro Profinet, v mém případě se jednalo o tyto programy: Profinet V

50 PROFIsafe Device V2.1.0 KRC-Nexxt device V2.1.0 Po přidání sběrnice PROFINET do konfigurace ve WorkVisual je nutné aktivovat volbu PROFINET device stack a nastavit počet vyměňovaných bitů s jiným zařízením. Rovněž se nastaví jméno pro robota na síti Profinet. Obrázek 3.5: Konfigurace komunikace po Profinetu, počet vyměňovaných bitů s PLC je 64, jméno robota na síti Profinet je KUKA1, verze Profinetu V8.2 V PLC je nutné přidat sít Profinet a na ní umístit robota. GSDML soubor KUKA KRC nexxt device lze vyexportovat z WorkVisual a poté přidat v hardwarové konfiguraci PLC, kde se nastaví stejný počet vyměňovaných bitů. S originálním GSDML souborem je nutné použít bezpečnostní PLC, aby bylo možné zkompilovat konfiguraci PLC a robota. Pokud není požadavek na používaní PLC a robota v režimu PROFIsafe (více o bezpečnosti v části 3.3.3), tak je možné z konfiguračního souboru KUKA KRC odstranit bezpečnostní vstupy a výstupy a nahradit je pouze normálními vstupy a výstupy - popis editace GSDML 36

51 souboru je uveden v příloze A.3. Pak lze používat robota s PLC, které není bezpečnostní. Podobně jako u vstupních a výstupních modulů, tak i u komunikace po Profinetu, je nutné nastavit propojení signálů z Profinetu na konkrétní vstupy a výstupy robota v programu. Detaily k režimu PROFIsafe u robota v dokumentaci KUKA.SafeOperation [9] Bezpečnost Uživatelé Podle činností, které smí uživatel provádět s robotem, tak jsou uživatelé rozděleni do skupin - označeni od Operátora po Administrátora. Každá skupina má různá práva. Operátor smí provádět pouze nejzákladnější obsluhu a Administrátor smí vše. Pro programování většinou postačí uživatel Expert. Pro nastavení bezpečnosti je nutné se přihlásit jako Safety maintenance Zapojení bezpečnosti Zapojení bezpečnosti je důležité k ochranně robota, obsluhy a majetku. Bez zapojené bezpečnosti není možno používat robota v automatickém provozu. Bud lze využít režim PROFIsafe, kdy bude bezpečnost zapojena do vstupů a výstupů nadřazeného řídicího systému (PLC), nebo lze použít deska SIB (Safe Interface Board), ke které se připojí bezpečnostní vstupy a výstupy. Bezpečnostní vstupy a výstupy jsou přivedeny na konektor X11, odkud jsou uvnitř řídicí skříně přivedeny na desku SIB. Přehled bezpečnostních vstupů na konektoru X11 je uveden v tabulce 3.3. V mém případě bylo využito připojení bezpečnostních vstupů přímo k robotu do konektoru X11. Kromě těchto základních signálů jsou dále k desce SIB a CCU připojeny signály bezpečnosti, které spíná robot pro externí zařízení. Tyto signály se dají využít při řízení automatizované linky, kde pracuje více zařízení. Pro moje testování toto nebylo potřeba. Pro moji práci bylo důležité zapojit všechny signály z tabulky 3.3, abych mohl využívat robota v automatickém režimu a v plné rychlosti. Většina základních bezpečnostních signálů je připojena dvoukanálově kvůli vyšší bezpečnosti a splnění bezpečnostních norem. 37

52 Název Test output A Test output B External E-stop A External E-stop B Operator safety A Operator safety B Acknowledge operator safety A Acknowledge operator safety B Safe operational stop A Safe operational stop B Význam Taktované napájení - kanál A Taktované napájení - kanál B Vstup externího nouzového stopu - kanál A Vstup externího nouzového stopu - kanál B Bezpečnost uzavřena - kanál A Bezpečnost uzavřena - kanál B Potvrzení uzavření bezpečnosti - kanál A Potvrzení uzavření bezpečnosti - kanál B Bezpečné zastavení provozu - kanál A Bezpečné zastavení provozu - kanál B Tabulka 3.3: Bezpečnostní vstupy a výstupy Pro mé potřeby a možnosti zapojení jsem využil pouze signály od externího nouzového stopu a signál pro uzavřenou bezpečnost (signál uzamčených dveří). Detailnější přehled bezpečnostních signálů je uveden v dokumentaci [10]. 3.4 Provoz robota Druhy provozu Robot s řídicí skříní KR C4 má k dispozici 4 režimy provozu. Režimy T1 a T2 jsou testovací, režimy AUT a AUT EXT jsou určené pro automatický provoz. Přehled režimů je uveden v tabulce 3.4. Mezi režimy se dá přecházet přepnutím klíčku na SmartPadu. Pro provoz robota by měla být zapojena bezpečnost (jinak nelze plně využívat robota - je možné pouze používat režim uvedení do provozu). Pro testovací režim, kdy ještě není bezpečnost zapojena, je možné nastavit možnost Uvedení do provozu a robotem pohybovat i bez zapojené bezpečnosti. Režimu Uvedení do provozu je možné aktivovat pouze v režimu T1 a uživatel musí být přihlášen jako Expert. Naučení a naprogramování pohybů je možné pouze v režimu T1, kde robot má omezenou maximální rychlost. V ostatních režimech může jet robot až maximální rychlostí, podle toho, jaká rychlost je navolena pro pohyb v programu. 38

53 Režim AUT a AUT EXT se liší tím, že v režimu AUT EXT je program spouštěn pokyny z nadřazeného řídicího systému. Řídící systém zvolí číslo programu a daný program je pak vykonán. T1 T2 AUT AUT EXT Ruční režim provozu Možnost ručního i programového pohybu Pro učení pohybů, programování a testování Max. rychlost 250 mm/s Ruční režim Možnost pouze programového pohybu Testování programů Rychlost podle nastavené rychlosti v programu Automatický provoz Pouze programový provoz Rychlost podle nastavené rychlosti v programu Bez nadřazeného řídicího systému Automatický provoz Pouze programový provoz Rychlost podle nastavené rychlosti v programu S nadřazeným řídicím systémem Tabulka 3.4: Režimy provozu Tlačítka souhlasu pro pohyb robota na panelu Pro povolení ručního pohybu v režimu T1 nebo pro ruční běh programu jsou na řídicím panelu umístěna tlačítka souhlasu. Šedé tlačítko je tlačítko souhlasu (potvrzení pohybu robota v manuálním režimu) a zelené tlačítko je označeno jako Start a používá se pro běh programu. Tato tlačítka jsou umístěna na panelu víckrát (z důvodu lepšího pohodlí pro uživatele). Tato tlačítka mají 3 polohy stisku: výchozí poloha - nestisknuto; poloha 1 - stisknuto; poloha 2 - stisknuto, bezpečnostní zastavení. Popis provozu robota a režimů robota čerpán z [11] a z [12], kde lze najít i detailnější popis. 39

54 3.4.3 Uvedení do provozu Aby bylo možné používat robota, tak je nutné provézt seřízení os, které se skládá z kalibrace os a nastavení zatížení. Bližší informace se dají najít v manuálu. [11]. Pro programování pohybů robota je k dispozici několik souřadných systémů - souřadný systém spjatý se základnou robota (WORLD), souřadný systém os, souřadný systém nástroje, souřadný systém báze. Souřadný systém nástroje je nutné proměřit s každým nástrojem. Dále je k dispozici souřadný systém báze, který si můžeme libovolně nadefinovat v prostoru. Podrobný návod na proměření nástroje, báze lze najít v manuálu [11] KUKA SmartPad KUKA SmartPad je dotyková obrazovka, pomocí které lze ovládat a programovat robota. V horní řadě se nachází tlačítko pro odpojení panelu, klíčkový přepínač pro změnu druhu provozu a tlačítko nouzového zastavení. Na levé straně lze najít tato tlačítka: vyvolání klávesnice, start, start - zpět, stop pro ovládání běhu programu; dále technologická tlačítka - například pro ovládání nástroje. Na pravé straně se nachází tlačítka pro pohyb jednotlivými osami, nebo pro pohyb podle souřadných os (záleží na volbě souřadného systému), dále jsou tam dvě tlačítka pro nastavení pohybové rychlosti v programovém pohybu a v ručním pohybu. Na pravé straně se rovněž nachází Space Mouse, což je speciální ovládací prvek (joystick s možností pohybu 6 směry), kterým se dá ovládat pohyb robota. Na obrázku 3.6 je ukázán panel SmartPad. Jednotlivé části panelu na obrázku 3.6: 1. Pohybová tlačítka 2. Nastavení programové rychlosti 3. Rychlost v ručním režimu 4. Menu 5. Klávesnice 6. Stop 7. Zpětný běh programu 8. Dopředný běh programu (start) 9. Výběr nástroje 10. Volba nástroje 11. Podokno s hlášeními 40

55 Obrázek 3.6: Ovládací panel Obrázek 3.7: Horní řádek na panelu Vysvětlení horního řádku panelu, obrázek Submit interpreter 2. Pohony 3. Navolený program 4. Druh provozu 5. Rychlosti robota 6. Druh běhu programu 7. Zvolený souřadný systém a nástroj 8. Krok pohybu Program lze vykonat v jednom ze tří druhů běhu programu. V automatickém režimu je k dispozici pouze průběh GO. Průběhy jsou uvedené v tabulce

56 GO MSTEP ISTEP Kontinuální běh programu V testovacím režimu nutno držet tlačítko start Krokování programu po každém pohybovém příkazu Na začátku každé pohybové instrukce nutno stisknout tlačítko start Krokování programu po každé instrukci Na začátku každé instrukce nutno stisknout tlačítko start Tabulka 3.5: Režimy provozu 3.5 Základy programování robota Způsob programování robota Programování robota se provádí pomocí KUKA SmartPadu, případně lze program vytvořit v editoru na běžném počítači a program pak přenést do robota. Pohyby a řídicí instrukce programu lze programovat pomocí tzv. inline formulářů, kde se doplňují požadované hodnoty. Toto je velmi přehledné a snazší pro pochopení programu. Jiná možnost je programovat pomocí psaní příkazů, kde zadáváme příkazy jako v klasickém programování. Pro nezkušeného uživatele je tento kód méně přehledný, ale lze takto tvořit složitější programy a lze využívat větší množství funkcionalit programovacího jazyku robota. Programovací jazyk se nazývá KRL - KUKA Robot Language Struktura programu robota Program robota by měl být vytvořen podle tohoto standardního schématu: 1. Deklarace proměnných 2. Inicializace programu pomocí příkazu INI 3. První pohybový příkaz musí vézt do HOME pozice 4. Vlastní program 5. Konec programu opět v HOME pozici Pro spouštění programů je důležité, aby byla definována HOME (výchozí) pozice pro robota, do které se vždy po doběhnutí programu robot vrací a ze které pak startuje nový běh programu. Protože kdyby robot končil v neznámé pozici a pak se nejkratší cestou 42

57 přesouval do jiné startovní pozice, tak by mohlo dojít k poškození robota nebo jiného zařízení v jeho blízkosti. SAK pohyb = shoda pozice robota a naprogramované pozice, tento pohyb se provádí vždy po navolení nového programu, dále při změně pohybového příkazu a při volbě bloku. Robot najíždí do pozice SAK zpomalenou rychlostí. Pro programování požadované funkcionality lze využít různé typy souborů, ve kterých je uložen program. Základním typem je modul. Každý modul se skládá ze dvou souborů, první soubor se zdrojovým kódem.src a datový soubor.dat, kde jsou uloženy především souřadnice bodů. Modul nemívá návratovou hodnotu. Jiným typem programů je funkce, ta obsahuje pouze zdrojový soubor - bývá proto využíváná pro programování podfunkcí, které neobsahují pohybové příkazy, má vždy návratovou hodnotu. Další typy souborů(cell a submit interpreter) budou vysvětleny v dalším textu Pohybové příkazy Základním typem příkazů jsou pohybové příkazy, které specifikují pohyb robota. Pohyb je definován z počátečního bodu do koncového bodu. Podle trajektorie můžeme rozlišit tyto základní pohybové příkazy: PTP - point to point Osově specifický pohyb Každá osa se natočí do požadované polohy bez ohledu na trajektorii koncového bodu nástroje Nelze předvídat přesný tvar trajektorie koncového bodu LIN - lineární pohyb Lineární pohyb koncového bodu Koncový bod se pohybuje konstantní rychlostí a definovanou orientací CIRC - pohyb po kružnici Pohyb koncového bodu po kružnici Nutno zadat kromě počátečního a koncového bodu ještě jeden pomocný bod 43

58 Nejrychlejší pohyb je z bodu do bodu pomocí PTP, protože robot natočí osy do cílové pozice bez ohledu na orientaci nástroje a jeho trajektorii Aproximace bodu Při použití aproximace bodu dochází k tomu, ze robot nenajíždí do cílových bodů přesně, nýbrž v definované vzdálenosti od cíle opouští dráhu a přechází do dráhy k dalšímu cílu. Porovnání aproximovaného a neaproximovaného projetí bodu je na obrázku 3.8. Výhodami aproximace je menší opotřebení pohonů robota a rychlejší projetí cesty, protože robot nedojíždí přesně do bodu a nezastavuje v něm. Aproximace se aktivuje parametrem CONT. (a) Bez aproximace (b) S aproximací Obrázek 3.8: Porovnání neaproximované a aproximované trajektorie v bodě P Programování pohybů pomocí in-line formulářů PTP - point to point Na obrázku 3.9 je vidět příklad použití in-line příkazu PTP i se všemi parametry, které programátor zadává. P1 je název bodu, do kterého robot pojede. CONT udává, že je aktivní aproximace. Tool určuje konkrétní nástroj, base je souřadný systém, ve kterém se zadává pohyb. Vel udává rychlost v procentech (vůči maximální rychlosti - omezena maximálními rychlostmi os). Acceleration udává zrychlení v procentech vůči maximálnímu. Approximation distance je vzdálenost, ve které začíná aproximace ( 0 % - najede přesně na cíl, 100 % - aproximace začíná již v počátečním bodě). P1 a PDAT1 44

59 jsou jména struktur, které jsou uloženy v datovém souboru.dat. Možnost externí TCP je nastavena na false, pokud je použit nástroj, který přimontován na přírubu robota, v jiném případě se nastaví true. Ukázka použití in-line formuláře s příkazem PTP je na obrázku 3.9. Obrázek 3.9: Pohyb PTP LIN - lineární pohyb Parametry pohybu LIN jsou podobné jako u pohybu PTP, pouze se rychlost a aproximační vzdálenost zadává v milimetrech a jde zde definovat orientace nástroje během pohybu. Můžeme zvolit orientaci konstantní - nebude se měnit během pohybu, standardní - bude se kontinuálně měnit nebo orientaci ruční. Příkaz LIN je na obrázku

60 Obrázek 3.10: Pohyb LIN CIRC - kruhový pohyb Parametry pohybu CIRC jsou podobné jako u pohybů PTP a LIN, pouze je nutné ještě zadat jeden pomocný bod navíc, aby se mohla definovat trajektorie po kružnici Další příkazy Wait Příkaz čekání má jako parametr čas čekání v sekundách, obrázek Wait for Příkaz čekání na signál čeká, než přijde očekávaný signál, lze nastavit čekání na splnění logické pomdmínky, která lze vytvořit pomocí AND a OR, obrázek

61 Obrázek 3.11: Pohyb CIRC Out Sepnutí signálu, nastavení jeho hodnoty na logickou 0 nebo 1, obrázek Pulse Generování pulsu o definované délce na výstupu, obrázek Řídící struktury programu Podobně jako v jiných programovacích jazycích, tak i v jazyku KRL lze používat podmínky if, smyčky, časovače,... Tyto příkazy je nutné již zapisovat podle syntaxe ručně, in-line formuláře pro ně již většinou použít nelze. Komentář začíná znakem ;, od středníku na konec řádky je vše v komentáři. 47

62 Obrázek 3.12: Čekání Obrázek 3.13: Čekání na logickou 1 na vstupu číslo Podmínky - if Syntaxe je: if podmínka then... endif Ukázka kódu s podmínkou if: if (($in[1] == true) AND ($move_enable == true))then lin_rel{x 20} ; lineární relativní pohyb v ose x $out[3] = true ; sepnnutí výstupu... endif Cykly Nekonečný cyklus loop, vyskočení z cyklu při splnění podmínky na návěští: loop... if $in[1] == true then goto konec endif endloop konec: Cyklus for: decl int i... 48

63 Obrázek 3.14: Nastavení logické hodnoty na výstupu Obrázek 3.15: Generování pulzu na výstupu for i = 0 to 2... endfor Programování pohybových příkazů bez in-line formulářů Pohyby lze naprogramovat i bez použití in-line formulářů. Toto se velmi ocení, když se potřebuje popojet relativně vůči předchozímu bodu, nebo když potřebujeme souřadnice bodu vypočítat. Rovněž je to výhodné využít pro pohyb v přesně daných souřadnicích. Příkazy jsou: ptp, lin. Pro relativní pohyb pak jsou tyto příkazy: ptp rel, lin rel. Dále se potom předají jako parametry požadované souřadnice bodu, kam má robot dojet, požadovaná rychlost, zrychlení,.... Lze zadat číselné hodnoty souřadnic přímo nebo uložené v patřičné struktuře (např. Frame). Není nutné specifikovat jednoznačně všechny hodnoty souřadnic, nezadané hodnoty budou převzaté z předchozího pohybového příkazu, to platí i pro zadání rychlosti a zrychlení. Příklady s pohyby robota: lin {x 100, y 20} ;pohyb na souřadnice x,y ptp {a1 90, a6-20} ; natočení os robota x = 20 y = 100 fpoz = {frame: x 300, y 370, z 180} fpoz.x = x fpoz.y = y lin fpoz 49

64 3.5.8 Speciální příkazy - hlášení a dialogy Existuje řada dalších příkazů, které lze využít. Pro testování a komunikaci s uživatelem se mi osvědčilo použití zpráv a dialogů. Tudíž zde uvádím tyto dva příkazy. Bližší a detailnější popis je možno najít v dokumentaci [13] Zprávy Pro informování uživatele lze využít zpráv, které se zobrazí na obrazovce SmartPadu. Zpráva je typu KrlMsg t, lze zobrazit hodnotu proměnné, která je uložena ve struktuře KrlMsgPar t, způsob zobrazení zprávy je definován ve struktuře typu KrlMsgOpt t. Zpráva se zobrazí pomoci funkce set KrlMsg, která má za parametr typ zprávy (#notify, #state, #quit, #waiting), text zprávy a její parametry. Zprávy se objevují v horní části okna na SmartPadu. Příklad použití zprávy: decl KrlMsg_t mymsg decl KrlMsgPar_t mypar[3] decl KrlMsgOpt_t myopt decl int myhandle mymsg = {modul[] "zdroj zpravy", nr 346, msg_txt[] " zkusebni zprava c. %1"} mypar[1] = {par_type #value, par_int 1} myhandle=set_krlmsg(#notify, mymsg, mypar[], myopt) Dialogy Pomocí dialogu se lze uživatele zeptat a ten může odpovědět jednou ze sedmi nabízených variant. Toto bylo pro mě výhodné, když jsem používal robota bez nadřazeného řídicího systému a chtěl jsem mu zadávat pokyny. Podobně jako u zpráv, využíváme zde struktury KrlMsg t, KrlMsgPar t, KrlMsgOpt t a popisek jednotlivých voleb nadefinujeme v poli KrlMsgDlgSK t. Po zobrazení dialogu počkáme, než uživatel stiskne klávesu a uzavře tím dialog. Příklad dialogu (jako součást funkce): DEFFCT int vyberzadani( ) decl krlmsg_t mymessage 50

65 decl krlmsgpar_t mypar[3] decl krlmsgopt_t myopt decl krlmsgdlgsk_t keys[7] decl int handle, volba volba = 0 mymessage = {modul[] "kostky", nr 25, msg_txt[] "vyberte zp.zadani pozic kostek"} myopt = {vl_stop true, clear_p_reset true, clear_p_saw true, log_to_db false} keys[1] = {sk_type #value, sk_txt[] "Volba c. 1."} keys[2] = {sk_type #value, sk_txt[] "Volba c.2"} keys[3] = {sk_type #value, sk_txt[] "Volba c.3"} keys[4] = {sk_type #value, sk_txt[] "Volba c.4"} keys[5] = {sk_type #value, sk_txt[] "zrusit"} handle = set_krldlg(mymessage, mypar[], keys[], myopt) ;cekani na zavreni dialogu if handle > 0 then while (exists_krldlg(handle, volba)) wait sec 0.1 endwhile endif return volba ENDFCT Obrázek 3.16: Ukázka dialogu s možností výběru ze 4 možností 51

66 Submit interpreter Submit interpreter je speciální program, který běží na pozadí. Tento program se vykonává cyklicky, dalo by se říci, že se jedná o vnitřní softwarové PLC. V tomto programu by neměly být vykonávány pohybové instrukce. Submit interpreter lze využít na sledování stisku tlačítka uživatelem během běhu programu, nebo na sledování vnitřního stavu robota či nějaké proměnné.rovněž lze využít submit interpreter pro posílání aktuální pozice robota do PLC, případně jiného číselného údaje, toto je využito v části, kdy se otáčí motor v systému Simotion synchronně s pohybem robota. Struktura submit interpretu: po inicializaci následuje nekonečná smyčka. V té se již nachází defaultní příkazy systému (záleží na nainstalovaných technologických balíčcích) a pak je v kódu vyčleněno místo, kde je možno doplnit vlastní instrukce. Příklad submit interpretu: DEF SPS ( ) DECLARATIONS ;možno přidat vlastní deklarace INI loop WAIT FOR NOT($POWER_FAIL) TORQUE_MONITORING() GRIPPERTECH_PLC USER_PLC ;možno zde dělat změny endloop Přerušení Vhodným doplnění uživatelských programů může být přerušení. Například pro monitorování stisku tlačítka, které změní chování vykonávaného programu. Přerušení je nutno nadefinovat v inicializační fázi programu a ve stejné fázi programu je nutné přerušení povolit pomocí INTERRUPT ON <číslo přerušení>. Po skončení programu se přerušení deaktivuje pomoci INTERRUPT ON <číslo přerušení>. Přerušení jsou označena číslem, které zároveň udává prioritu, k dispozici jsou priority od 1 do 128, přičemž rozsah 3, je rezervován pro systémové funkce, přičemž priorita 1 je nejvyšší. V deklaraci přerušení po klíčovém slově WHEN následuje podmínka a po slově DO to, co se má v případě, že je splněna podmínka vykonat

67 interrupt decl 30 when $in[12]==true do zapni() INTERRUPT ON INI... INTERRUPT OFF Možnosti monitorování a identifikace pohonů Pohony robota Robot je KR 16-2 je šestiosý manipulátor, který je vybaven 6 pohony od firmy Siemens řady 1FK7. Tudíž se jedná o stejný typ motorů, jako se nachází na cvičné sestavě Simotion. Pohony jsou speciálně vyráběny pro firmu KUKA a mají speciální označení, podle kterého se dá poznat, že jsou určené pro roboty KUKA. Toto je však i nevýhoda, protože nelze dohled jejich parametry podle katalogového listu Siemens. Je však možné tyto parametry vyčíst z dat robota. Jedná se o soubory ve složce Conf ig/system/common/m otor/artl. N r, kde Artl.-Nr. je speciální označení motoru firmy KUKA. Motory na robota jsou vybaveny resolvery pro vyčítání aktuální polohy. Motory jsou vybaveny rovněž elektromagnetickou brzdou. Jako příklad uvádím motor 6. osy robota s jeho parametry (byly použity pro připojení motoru k Simotion), v tabulce Monitorování a zaznamenávání průběhů V řídicím systému robota lze nastavit zaznamenávání libovolné proměnné a libovolného signálu. K tomu slouží nástroj TRACE. K prohlížení naměřených průběhů lze použít osciloskop. Hlavní nevýhodou zaznamenávání průběhů je, že je lze zobrazit pouze pomocí nástroje osciloskop na SmartPadu nebo v prostředí WorkVisual. Data nelze vyexportovat do žádného formátu, který by se dal dále zpracovat. Tudíž k dispozici jsou pouze křivky, které si lze prohlédnout uvnitř WorkVisual nebo online na Smart Panelu. 53

68 Označení motoru 1FK7034-5AZ91-1ZZ9-Z S09 Artikel Nummer souboru s tech. parametry E0.xml Maximální proud 8 A Nominální proud 1.6 A KT0-Factor 0.8 Moment kgm 2 L H R 4.7 Ω Počet pólových dvojic 3 Nominální otáčky /min Maximální otáčky /min Tabulka 3.6: Data motoru ze strojových dat robota Zaznamenané průběhy Nejzajímavější pro monitorování byly hodnoty pozic, rychlostí a zrychlení. Uvádím zde seznam užitečných signálů a proměnných pro monitorování, v tabulce 3.7 jsou uvedené signály z modulu KRCIpo, v tabulce 3.8 jsou uvedeny signály z modulu NextGenDrive pro každou osu robota. Pro většinu fyzikálních veličin týkajících se pohybu existují 3 signály - požadovaná hodnota, aktuální hodnota a odchylka požadované a skutečné hodnoty. název proměnné (signálu) X act Y act Z act A act B act C act CartVel Cmdlpo CartVel Act význam souřadnice v ose x souřadnice v ose y souřadnice v ose z natočení okolo osy z natočení okolo osy y natočení okolo osy x požadovaná rychlost skutečná rychlost Tabulka 3.7: Signály z modulu KRCIpo Na jednotlivých obrázcích jsou ukázky monitorování průběhů. Jednotky na ose y neodpovídají skutečnosti, protože každý signál je jinak zesílen, aby bylo možné porovnávat 54

69 název proměnné (signálu) Sollposition Istposition Positionsschleppfehler Sollgeschwindigkeit Istgeschwindigkeit Istbeschleunigung Istmoment Istkraft Zustand PowerBrakeState IstStrom význam požadované natočení aktuální pozice rozdíl požadované a aktuální pozice požadovaná rychlost aktuální rychlost aktuální zrychlení aktuální moment skutečná síla stav brzdy aktuální proud Tabulka 3.8: Signály z modulu NextGenDrive průběhy (automatická funkce ve WorkVisual). Pokud se zobrazí pouze průběh jedné veličiny, pak jednotky na ose y budou odpovídat. Na obrázku 3.17 je vidět monitorování žádané rychlosti koncového bodu robota a skutečné rychlosti. Obrázek 3.17: Rychlosti v kartézském souřadném systému, rychlost žádaná a skutečná Na obrázku 3.18 je vidět průběh rychlosti, polohy, zrychlení a proudu pro osu A1. Zajímavé porovnání je vidět na obrázku 3.19, kde je vidět průběh rychlosti, který se podobně opakuje. Je zde vidět, že se jednalo o lineární pohyb LIN, protože průběh rychlosti je lineární. Také je vidět, že velmi podobný průběh rychlosti (CartVel act) je dosažen, i když se osa A1 nepohybuje, musí se tedy pohybovat jiné osy. 55

70 Obrázek 3.18: Pohyb osy A1, její poloha ve stupních (IstPosition), rychlost (Istgeschwindigkeit) [ /s], zrychlení (Istbeschleunigung)[ /s 2 ] a proud osy (Iststrom) [A], špatně se v legendě grafu zobrazuje jednotka stupeň (dáno prostředím WorkVisual, ze kterého je exportovaný obrázek grafu), Obrázek 3.19: Pohyb osy A1 - její rychlost (Istgeschwindigkeit) [ /s] a pozice (natočení) ve stupních (Istposition) a celková rychlost koncového bodu (CartVel act) 3.7 Shrnutí možností programování robota V této kapitole bylo nastudováno programování robotů KUKA a byly vytvořeny vzorové programy. Programování robotů může probíhat pomocí inline formulářů, do kterých se 56

71 doplňují parametry příkazů. Jiným způsobem je přímé psaní příkazů. Byla zde popsána konfigurace projektu ve WorkVisual. Rovněž zde bylo popsáno nastavení sítě Profinet na straně robota. Bylo zde popsáno zaznamenávání průběhů proměnných a signálů robota. K zaznamenanému průběhu je možné přistoupit pouze na SmartPadu nebo ve WorkVisual, není možné si data exportovat ve formátu, který by byl čitelný i v jiných programech. 57

72 Kapitola 4 Integrace průmyslového robota Integrace průmyslového robota a systému polohového řízení Simotion je realizována pomocí nadřazeného PLC Siemens CPU 315. Tudíž v této kapitole je uveden nejprve postup integrace jednotlivých zařízení a pak všech zařízení dohromady. Automatický provoz robota KUKA s nadřazeným systémem je definován firmou KUKA. Je nutné splnit posloupnost akcí a tím spustit program robota v automatickém režimu. Pro polohovací systém Simotion byla v předchozí kapitole provedena konfigurace systému, kde zařízení Sinamics byla připojena také na sít Profinet. Takže v této části již zbývá nastavit pouze komunikaci k nadřazenému PLC. Pro další testování byla ověřena možnost isochronní komunikace na síti Profinet dvou zařízení Simotion. 4.1 Komunikace PLC - robot Konfigurace sítě Profinet byla popsána v kapitole Programování šestiosého průmyslového robota KUKA KR Zde je pouze shrnuta konfigurace a dále budou vysvětleny další kroky komunikace mezi robotem a PLC Hardwarová konfigurace Zde je krátké shrnutí hardwarové konfigurace. U robota je základem mít nainstalovaný potřebný software pro Profinet. V prvním kroku konfigurace se přidala sběrnice Profinet a nastavil počet vyměňovaných bitových signálů. Na straně PLC se přidal robot jako zařízení i-device, kde jsme nastavili jméno robota (stejně jako ve WorkVisual), IP adresu 58

73 a počet vstupů a výstupů. Na straně robota bylo ještě nutné ve WorkVisual nastavit propojení vstupů a výstupů na signály na Profinetu. Potom již fungovala komunikace mezi robotem a PLC Příprava programu robota pro automatický provoz s PLC Abychom mohli spustit robota v automatickém režimu s nadřazeným systémem, tak si musíme připravit organizační program cell.src, který spouští jednotlivé programy dle požadavků PLC Struktura cell.src Organizační program cell.src je určen pro navolení programu robota z nadřazeného řídicího systému (např. PLC). Základní struktura programu cell je takováto: Nejprve dojde k inicializaci proměnných a dalších potřebných funkcionalit. Potom je instrukce pro najetí robota do Home pozice. Potom následuje nekonečná smyčka, ve které se vezme číslo programu, které posílá nadřazený systém a vykoná se patřičný program. Číslo programu je uloženo v proměnné PGNO. Zde je ukázka typického programu cell - pro číslo programu 1 se vykoná program testovaci program() a pro číslo programu 2 je to program skladani kostek() : DEF Cell ( ) INIT BASISTECH INI CHECK HOME PTP HOME Vel= 100 % DEFAULT AUTOEXT INI LOOP P00 (#EXT_PGNO,#PGNO_GET,DMY[],0 ) SWITCH PGNO ; podle čísla programu PGNO CASE 1 59

74 P00 (#EXT_PGNO,#PGNO_ACKN,DMY[],0 ) ; Reset Progr.No.-Request testovaci_program ( ) ; zavolani uzivatelskeho programu CASE 2 P00 (#EXT_PGNO,#PGNO_ACKN,DMY[],0 ) ; Reset Progr.No.-Request skladani_kostek ( ) ; zavolani uzivatelskeho programu DEFAULT P00 (#EXT_PGNO,#PGNO_FAULT,DMY[],0 ) ENDSWITCH ENDLOOP END Než se spustí program cell, tak je nutné nakonfigurovat vstupy a výstupy pro režim provozu Automatika externě. Program cell je nutné spustit v testovacím režimu T1 nebo T2 a najet do HOME pozice. Potom přepnout klíčkem do druhu provozu automatika externě (AUT EXT) a z PLC navolit program Signály vyměňované mezi PLC a robotem Pro spuštění automatického režimu s externím řídicím systémem je nutné, aby si nadřazený řídicí systém vyměňoval s robotem signály podle tabulek 4.1 a 4.2. Případně je možné některé z těchto signálů nastavit do trvalé logické hodnoty (logická 1 je $in[1025] a logická 0 je $in[1026]). Je nutné dbát opatrnosti, protože řada signálů se aktivuje na hranu, bližší popis signálů v [14]. Pro komunikaci robota s PLC jsem použil adresy vstupů a výstupů od čísla 100. Přiřazení jednotlivých proměnných lze provézt v Nastavení-vstupy a výstupy- automatika EXT. Tam se přiřadí čísla jednotlivých vstupů a výstupů ke konkrétním proměnným. Ještě se nastaví formát čísla programu v proměnné PGNO TYPE( PGNO TYPE = 1 znamená, že číslo programu je kódováno binárně), jako další je uveden počet bitů, ze kterých je složeno číslo programu. Dále se zadá číslo vstupu, kde je první bit čísla programu. V signálu PGNO PARITY se definuje parita (0 - žádná, +n sudá parita, n lichá parita, kde n je číslo vstupu. 60

75 název signálu adresa popis $ PGNO FBIT $IN[101] první bit z čísla programu $EXT START $IN[111] externí start $MOVE ENABLE $IN[1025] povolení pohybu nutno nastavit do log. 1 pro všechny druhy provozu $CONF MESS $IN[113] kvitování chyby $DRIVES ON $IN[115] zapnutí pohonů aktivní na náběžnou hranu $DRIVES OFF $IN[114] vypnutí pohonů aktivní na spádovou hranu $I O ACT $IN[116] vstupy, výstupy aktivní $IMM STOP $IN[1025] nouzové zastavení od PLC $T2 ENABLE $IN[1025] režim T2 povolit Tabulka 4.1: Vstupy do robota od PLC 61

76 název signálu adresa popis $RC RDY1 $OUT[109] řídicí systém robota připraven $ALARM STOP $OUT[110] porucha (alarm) $T1 $OUT[130] druh provozu T1 $T2 $OUT[131] druh provozu T2 $AUT $OUT[132] druh provozu Automat $I O ACTCONF $OUT[114] rozhraní I/O aktivní $EXT $OUT[133] druh provozu Automat externí $STOPMESS $OUT[115] porucha $USER SAF $OUT[111] ochrana obsluhy uzavřena $PERI RDY $OUT[112] pohony připraveny $IN HOME $OUT[121] robot v home pozici $ON PATH $OUT[127] robot na dráze $ROB STOPPED $OUT[129] robot zastaven $PRO ACT $OUT[117] program aktivní $PRO MOVE $OUT[120] programový pohyb Tabulka 4.2: Výstupy z robota pro PLC Všechny signály z komunikace s PLC a jejich konkrétní konfigurace ve WorkVisual jsou ukázány v příloze Spuštění robota z PLC Zde je uveden postup spuštění programu robota z PLC. K tomu zde je nejprve popsán program uvnitř PLC. Na začátku programu se nastaví výstupy PLC $DRIVES OFF a $I O ACT do log. 1. Pokud jsou splněné podmínky pro spuštění programu z PLC a robot je na dráze nebo v home pozici, tak je možné spustit robota, obrázek 4.1. Pokud by nebyl na dráze nebo v home pozici, tak je nutné s robotem dojet do home pozice mimo automatický režim. Když jsou splněny podmínky pro start robota a robot nemá připravené pohony, tak je zapneme (zapnutí probíhá na náběžnou hranu), obrázek 4.2. Pokud robot hlásí poruchu a ostatní podmínky jsou splněny, tak potvrdíme poruchu, obrázek

77 Obrázek 4.1: Splnění podmínek pro start robota Obrázek 4.2: Zapnutí pohonů Pokud jsou splněné podmínky, pohony jsou zapnuté, robot nehlásí poruchu a program není aktivní, tak pošleme signál ext start, obrázek 4.4. Dále čekáme na požadavek robota o číslo programu. Přijde-li požadavek, tak nastavíme číslo programu, paritu a číslo programu aktivujeme signálem pgno valid, obrázky 4.5 a 4.6. Vypnutí pohonů robota (aktivní na spádovou hranu), 4.7. Spuštění a navolení programu v testovacím projektu ve Step7 probíhalo přes pamět ové Obrázek 4.3: Potvrzení poruchy 63

78 Obrázek 4.4: Start Obrázek 4.5: Poslání čísla programu bity M, které byly pro přehlednost ve VAT tabulce robot ovladani. 4.2 Komunikace PLC - Simotion V hardwarové konfiguraci řídicího systému Simotion se vytvoří ve vlastnostech portu X1400 v záložce i-device aktivuje i-device mode. A přidá se tam požadovaný počet vstupů a výstupů. Po aktivování i-device módu je nutné vygenerovat GSD soubor, který se následně vloží do hardwarové konfigurace PLC. Vygenerování GSD souboru se provede z Options a volby Create GSD file for i-device. Při vytváření a nastavení i-device módu lze vybrat možnost, 64

79 Obrázek 4.6: Poslání čísla programu Obrázek 4.7: Vypnout pohony zda se bude jednat o komunikaci RT nebo IRT, což jsou dva druhy cyklické komunikace na Profinetu, přičemž pro verzi IRT platí, že je isochronní a probíhá v přesné časové okamžiky (na rozdíl od komunikace RT, kde může docházet k pozdržení dat na switchích). Více o konfiguraci komunikace mezi PLC a Simotion v manuálu [15] Simotion - Simotion Pro spolupráci dvou řídicích systémů Simotion je možné nadefinovat komunikaci mezi dvěma zařízeními. Kvůli možnosti přesné synchronizace pohybů je vhodné tuto komunikaci nastavit jako isochronní, tzv. IRT komunikace. Nastavení této komunikace se provede v hardwarové konfiguraci ve vlastnostech portu X1400 v záložkách Sender a Receiver. V záložce Sender nastavíme počet odesílaných dat (bitů). V záložce Receiver nastavíme počet přijímaných dat a zároveň přiřadíme odesílatele těchto dat pomocí volby Assign Sender. Tudíž je nutné, aby oba řídicí systémy byly v jednom projektu v Simotion Scout. 65

80 Obrázek 4.8: Nastavení i-device módu 4.3 Integrace PLC, Simotion a robota na jedné síti Podle popsaných návodů v minulé části jsem přidal do hardwarové konfigurace PLC na sít Profinet i-device robota a i-device Simotion. Na obrázku 4.9 jsou všechna 3 zařízení v jedné hardwarové konfiguraci ve Stepu7. K řídicímu systému Simotion D425 patří dva řídicí systémy Sinamics S120. Dalším zařízením na síti je Simotion D435 a PLC 315. Přehled všech zařízení na jedné sítí Profinet je uveden v tabulce 4.3. Zařízení Simotion D425 a D435 spolu komunikují IRT komunikací, rovněž Simotion D425 a zařízení Sinamics spolu komunikují IRT komunikací, ostatní zařízení komunikují RT komunikací na Profinetu. Pro IRT komunikaci je nutné nastavit pevnou topologii sítě v hardwarové konfiguraci (Profinet IO toplogy) a nastavit cyklus komunikace. V projektu Simotion byla integrována tato zařízení: Simotion D425, Simotion D435, Sinamics S120 CU320 a Sinamics S120 CU320x2. V projektu PLC bylo: CPU 315, robot KUKA, switch Scalance a Simotion D425, IP adresy v

81 Obrázek 4.9: Hardwarová konfigurace CPU 315, které komunikuje s robotem a Simotion D425, ostatní zařízení Sinamics a D435 jsou v hardwarové konfiguraci v Simotion Scout Zařízení IP adresa MAC adresa Simotion D :00:06:73:A2:B1 Simotion D :00:06:73:6C:DF Sinamics S120 CU :00:06:93:AB:4B Sinamics S120 CU320x :00:06:9C:A3:5E CPU :1B:1B:1B:5D:61 Robot KUKA :19:99:8D:C7:21 Switch Scalance :1B:1B:11:A7:67 Tabulka 4.3: IP a MAC adresy zařízení 67

82 4.4 Ověření komunikace na Profinetu V této části byla zkoumána komunikace na Profinetu. Komunikace byla zachycena pomocí programu wireshark. Pro zachycení RT (real time) komunikace bylo využito zrcadlení portu na switchi scalance. Pro komunikaci IRT (isochronous real time) byl využit nástroj profitap. Po připojení zařízení na sít Profinet proběhne nejprve přihlášení zařízení na sít. Potom se přiřadí IP adresa dle jména zařízení. V dalším kroku je pak provedeno nahrání parametrů do zařízení a začne probíhat cyklická komunikace Komunikace RT mezi PLC a Simotionem D425 Po připojení zařízení bylo provedeno standardní navázání spojení a začala probíhat cyklická výměna dat. Cyklus výměny dat mezi PLC a Simotionem D425 byl nastaven na 2 ms. Z tabulky 4.5 je vidět, že posílání cyklických hodnot je přibližně po 2 ms, jak bylo nastaveno. Malá odchylka je způsobena neisochronním charakterem komunikace RT a ne-realtimovým chováním PC. Označení RTC1 a RTC2 označuje data RT. 68

83 čas[s] odesílatel příjemce zpráva Protokol: PN-DCP - identifikace jména zařízení Siemens 1b:5d:61 PN-MC 00:00:00 Ident Req, NameOfStation: d425xpn Siemens 73:a2:b1 Siemens 1b:5d:61 Ident Ok, NameOfStation: d425xpn Protokol: ARP - zjištění IP adresy Siemens 1b:5d:61 Broadcast Who has ? Tell Protokol: PNIO-CM - nahrání parametrů Connect request, Connect response, OK, ModuleDiffBlock Control request, Command: ParameterEnd Control response, OK, Command: Done Control request, Command: App.Ready, ModuleDiffBlock Control response, OK, Command: Done Tabulka 4.4: Komunikace PLC - Simotion D425 čas[s] odesílatel příjemce zpráva Siemens 73:a2:b1 Siemens 1b:5d:61 RTC2, (Valid,Primary,Ok,Run) Siemens 1b:5d:61 Siemens 73:a2:b1 RTC2, (Valid,Primary,Ok,Run) Siemens 73:a2:b1 Siemens 1b:5d:61 RTC2, (Valid,Primary,Ok,Run) Siemens 1b:5d:61 Siemens 73:a2:b1 RTC2, (Valid,Primary,Ok,Run) Tabulka 4.5: Komunikace PLC - Simotion D425 69

84 4.4.2 Komunikace mezi PLC a robotem V tabulce 4.6 je vidět navázání komunikace mezi PLC a robotem, poté nahrání parametrů, v tabulce 4.7 je ukázána cyklická výměna dat. Cyklus nastavený pro výměnu dat je 8 ms, v hardwarové konfiguraci není možné nastavit pro robota rychlejší výměnu dat (v dokumentaci k Profinetu [16] od robota KUKA je to odůvodněno, že pod 8 ms nemusí být komunikace spolehlivá). V tabulce je vidět, že data jsou vyměňována po 8 ms. Tudíž bylo ověřeno, že komunikace probíhá správně. čas[s] odesílatel příjemce zpráva Protokol: PN-DCP - identifikace jména zařízení Siemens 1b:5d:61 PN-MC 00:00:00 Ident Req, NameOfStation: KUKA FujitsuT 8d:c7:21 Siemens 1b:5d:61 Ident Ok, NameOfStation: KUKA1 Protool: ARP - zjištění IP adresy Siemens 1b:5d:61 Broadcast Who has ? Tell FujitsuT 8d:c7:21 Siemens 1b:5d: is at 00:19:99:8d:c7:21 Protokol: PNIO-CM - nahrání parametrů Connect request Connect response, OK Control request, Command: Param.End Control response, OK, Command: Done Control request, Command: AppReady Control response, OK, Command: Done Tabulka 4.6: Navázání komunikace PLC - robot KUKA čas[s] odesílatel příjemce zpráva Siemens 1b:5d:61 FujitsuT 8d:c7:21 RTC1/UDP, (Valid,Primary,Ok,Run) FujitsuT 8d:c7:21 Siemens 1b:5d:61 RTC1/UDP, (Valid,Primary,Ok,Run) Siemens 1b:5d:61 FujitsuT 8d:c7:21 RTC1/UDP, (Valid,Primary,Ok,Run) FujitsuT 8d:c7:21 Siemens 1b:5d:61 RTC1/UDP, (Valid,Primary,Ok,Run) Tabulka 4.7: Cyklická komunikace PLC - robot KUKA, protokol PNIO 70

85 4.4.3 IRT komunikace mezi Simotion a Sinamics Mezi řídicím systémem Simotion D425 a Sinamics S120 CU 320 probíhá komunikace složená z PROFIDrive telegramů, které byly popsány v předchozí části této práce. Podobně jako u RT komunikace, tak i zde probíhá navázání komunikace. A po navázání komunikace se vyměňují cyklická data, cyklus výměny dat je nastaven na 1 ms. Uživatelská data, která jsou přenášená v 1 cyklu mají délku 59 bytů, kromě přenášených dat v tom jsou ještě zahrnuté režijní byty navíc (data jsou ve wiresharku označena takto: User Data (including GAP and RTCPadding): 59 bytes). Konfigurace komunikace mezi Simotionem D425 a Sinamics S120 je uvedena v tabulce 4.8, je z ní vidět, že se přenásí 44 bytů (22 wordů), což znamená, že v komunikaci je 15 bytů navíc pro režii komunikace. Režijní byty mají hodnotu 16#80. Data z jednoho cyklu komunikace od Simotion D425 do Sinamics S120 jsou v tabulce 4.9. Data pro řízený motor se nachází v komunikaci k objektu pohonu Drive modry, konkrétně je to těchto 20 bytů: 4 7f Hodnota prvního wordu 4 7f je řídicí slovo, které zapíná motor a hodnota dalších dvou wordů je normovaná požadovaná hodnota rychlosti Struktura PROFIdrive telegramu 105 byla vysvětlena v předchozí části práce. Zařízení Pořadí Typ telegramu délka dat ve wordech Control Unit 1 SIEMENS telegram Drive modry 2 SIEMENS telegram VDrive modry 4 Free telegram configuration 10 Drive resolver 3 Free telegram configuration 0 Tabulka 4.8: Konfigurace cyklické komunikace mezi Simotion a Sinamics ze Simotion Scout, Control unit označuje komunikaci k samotnému systému Sinamics, ostatní jsou objekty typu pohon. 71

86 f Tabulka 4.9: 59 bytů cyklické komunikace od Simotion do Sinamics, řídicí slovo STW1 pro motor má hodnotu 16x47F 4.5 Zhodnocení kapitoly V této části byla provedena integrace všech zařízení na jednu sít Profinet. Byla prozkoumána komunikace mezi těmito zařízeními na Profinetu pomocí nástroje wireshark. Byly ověřeny doby cyklů pro cyklickou komunikaci. Rovněž byl prozkoumán přenášený telegram 105 z profilu PROFIdrive. Byl zde rovněž popsán postup spuštění robota v automatickém režimu s externím řízením pomocí PLC. 72

87 Kapitola 5 Řízení polohovacího systému a robota Tato kapitola se zabývá spoluprací robota KUKA a systému Simotion, který by šel využít pro řízení externích os nebo k samotnému řízení celého robota. Nevýhodou použití systému Simotion pro řízení externí osy robota je, že komunikace ze strany robota nelze nastavit jako IRT (isochronní), z toho vyplývá případná nepřesnost při řízení. Druhou variantou je možnost řízení celého robota systémem Simotion. Díky tomu by se dalo integrovat více robotů a externích os do jednoho řídícího systému. Další výhodou by byla možnost použití (testování) algoritmů pro generování trajektorie robota. V dnešní době probíhá výzkum různých algoritmů pro řídící systémy víceosých systémů, kde se klade důraz na menší opotřebení mechanizmů a na snížení energetické náročnosti. 5.1 Propojení řídicího systému Simotion s robotem KUKA Samostatný řídicí systém Simotion byl otestován na použití se dvěma motory. Byly otestovány různé možnosti programování v systému Simotion a různé způsoby synchronizace motorů - např. synchronní pohyb, vačkový pohyb. V systému Simotion je možno nakonfigurovat libovolný pohon, tudíž i pohony, které jsou instalované na robota KUKA. Řídící systém robota může ovládat najednou 6 os robota a případně ještě 2 osy ex- 73

88 terní. V případě nutnosti řízení více externích os než 2 je nutné využít jiný řídicí sytém pro tyto externí osy. V tomto případě se nabízí možnost využití systému Simotion, který by tyto externí osy ovládal. V následující části je rozebrán postup, jak zprovoznit osu robota nebo externí osu od firmy KUKA se systémem Simotion. 5.2 Možnosti řízení robota pomocí systému Simotion Využití systému Simotion pro řízení osy robota bylo demonstrováno na vymontované ose 1FK7034-5AZ91-1ZZ9-Z (označení firmy KUKA Artl.-Nr ) z robota. Motor robota je ze stejné řady motorů 1FK7 od firmy Siemens, jako jsou motory v testovací sadě Simotion. Technické parametry motoru je možné najít v souboru E0.xml v řídicím systému robota ve složce /Config/System/Common/Motor. V dokumentaci motorů 1FK7, která je volně dostupná, nelze dohledat parametry motorů, které jsou instalované na robota KUKA. Jedná se o motor, který je vybaven enkodérem typu resolver. Je to motor, který je u robota KRC 16-2 použit pro 4., 5. a 6. osu Připojení motoru k systému Simotion Motor se připojí k napájecímu modulu. Motor je vybaven elektromagnetickou brzdou, kterou je nutné také připojit (ovládá se napětím 24 V). Enkódér je nutné připojit přes modul SMC 10, protože motor není vybaven rozhraním Drive CLiQ. Pro připojení Enkédoru k modulu je nutné mít správný kabel, který má na straně motoru kulatý konektor s 12 piny (detaily v dokumentaci motorů 1FK7 [17] a v dokumentaci k modulu SMC 10 [18]). Protože nebyl požadovaný kabel k dispozici, propojení motoru KUKA k systému Simotion bylo vytvořeno provizorními kabely. 74

89 5.2.2 Konfigurace motoru KUKA v systému Simotion Konfigurace motoru probíhá obdobně jako je popsána pro standardní motor v předchozím textu, ale je nutné zadat více údajů ručně, protože tento konkrétní typ motoru není možno zvolit v konfiguraci v prostředí Simotion Scout. Údaje, potřebné ke konfiguraci motoru jsou uvedené v tabulce 5.1: Motor je vybaven elektromagnetickou brzdou. Brzda se v prostředí Simotion nakonfityp motoru synchronní s permanentními magnety p305 Nominální proud 1,6 A p311 Nominální otáčky 4500 ot./min p314 Počet pól párů 3 p316 Konstanta momentu 0,8 Nm/A p322 Maximální rychlost ot./min p323 Maximální proud 8 A p338 Mezní proud 8 A p341 Moment setrvačnosti 9, p350 Odpor storového vinutí 4,7 Ω p356 Indukce vinutí statoru 16,5 mh Enkodér resolver Tabulka 5.1: Technické údaje pro konfiguraci motoru v Simotion guruje jako trvale otevřená, může se ovládat bud výstupem, nebo připojit přes vypínač na napájení 24V. Aby Simotion nevyhlašoval chybu ovládání brzdy, tak se může nastavit parametr p1278 do 1 (znamená to, že se není k dispozici signál s potvrzením odbrždění). Enkodér se nakonfiguruje jako resolver s počtem pólových párů 3. U nastavení enkodéru je nutné dodržet správně poměr parametrů p314, p433 a p 432: (p314 p433)/p432 musí být celé číslo. Takto nakonfigrovaný motor funguje a lze s ním otáčet Synchronizace motoru řízeného Simotionem a pohybu robota KUKA Z robota KUKA se posílá po Profinetu hodnota natočení osy A1, a podle toho se otáčí motor, který řídí systém Simotion. Výsledek je vidět na obrázku

90 Obrázek 5.1: Průběh natočení osy robota a motoru, který je řízen na stejnou pozici Konfigurace a formát reálných čísel v komunikaci robot - PLC Úhel natočení osy nebo souřadnice v kartézském souřadném systému robota jsou reálná čísla. V předchozím textu a byl ukázán přenos jednotlivých bitů, který se konfiguroval bez problémů. Zde je ovšem nutné si dát větší pozor na konfiguraci a přenos těchto čísel. V robotu lze využít seskupení jednotlivých vstupů nebo výstupů do jedné proměnné a tím lze přenášet číslo mezi robotem a PLC. Toto má omezení v tom, že lze přenášet jen celé číslo (Integer). Pro jednoduchost tedy bude stačit vynásobit desetinné číslo tak, aby byla zachována dostatečná přesnost. V robotovi stačí nadefinovat propojení patřičného počtu bitů (vstupů nebo výstupů) do jednoho signálu, v tomto konkrétním případě se jedná o 32 bitů. Příklad seskupení vstupů do jednoho signálu (v souboru CONFIG.dat): SIGNAL so_poloha $out[197] TO $out[228] //32 výstupů V PLC se bude toto číslo vyčítat jako double word z patřičné adresy. Z důvodu jiného pořadí bytů ve wordech a double wordech (robot KUKA používá formát Intel a Siemens používá formát Motorola), tak je nutné otočit pořadí jednotlivých bytů v double wordu. 76

91 Toto prohození bylo realizováno v programu PLC. Aby se aktualizovala posílaná hodnota z robota dostatečně často, tak je dobré toto posílání realizovat v submit interpreter (je vysvětlen v předchozí části textu ): so_poloha = $axis_act.a1* Porovnání řízení robota a polohového systému Simotion Systém robota má vyvinutý kompletní systém pro řízení robota, je možné lehce naprogramovat pohyb robota přes dotykový SmartPad. Programování systému Simotion probíhá v projektu, který je pak nahrán do řídicího systému. Jsou k dispozici klasické jazyky LAD nebo FBD známé z PLC, ale také jazyk podobný Pascalu (v Simotionu označen jako ST - Structured Text) nebo speciální grafický jazyk nazvaný MCC chart. I v systému Simotion lze ovládat mechanizmy podobné robotům, dokonce jsou v knihovně path objektů k dispozici 3-osé systémy, mezi kterými je robotický systém SCARA nebo 3-osé robotické rameno. 6-ti osý robot však zatím v systému připraven není. Systém Simotion má velkou výhodu vůči systému robota, že lze ovládat více os. A pro synchronizaci a další použití lze rovněž vytvářet osy virtuální, které nejsou navázané na skutečný motor. Oba dva systémy lze ovládat více způsoby, přičemž systém robota KUKA je více zaměřen na přehlednost a jednoduchost programování pro koncové uživatele jednoduchým zadáváním bodů trajektorie robota. Systém Simotion je na konfiguraci na první pohled trošku složitější, ale nabízí větší flexibilitu pro programátora. Je to systém velmi komplexní a lze využít pro řízení různých a rozsáhlých systémů. Obsahuje řadu automaticky možných nastavení, která umí provést sám za uživatele, ovšem v některých velmi speciálních konfiguracích to přináší problémy, kdy je nutné obcházet tato automatická nastavení, což se objevilo i v konfiguraci motoru od robota nebo i v uzavření a vytvoření vlastní polohové smyčky. Spolupráce obou systémů je možná díky propojení komunikace po Profinetu. V komunikaci je možné přenášet požadovanou polohu, rychlost nebo jen bitový signál a podle toho ovládat druhý systém. 77

92 5.3.1 Podmíky pro řízení celého robota pomocí Simotion Podařilo se řídit vymontovaný motor z robota KUKA, pokud by bylo možné připojit na Simotion všechny motory robota, tak by se dal robot řídít pomocí tohoto systému. Nejprve by bylo nutné zajistit moduly na vyčítání pozice z resolveru každého motoru robota. A bylo by nutné mít dostatek napájecích modulů pro motory. V sestavě, která byla k dispozici, byl pouze jeden napájecí double motor modul, tudíž by šlo napájet maximálně dva motory. K dispozici byl ale pouze jeden modul SMC 10 na vyčítání resolveru (nebyl však součástí původní sestavy Simotion). V dalším kroku by bylo nutné připravit kabely (případně redukce) na připojení napájení motorů a na připojení enkodérů. Protože byl testován motor, který byl z robota vymontován, tak situace byla lehčí, protože stačilo otestovat otáčení motoru a vyčítání enkodéru. Kdyby se připojoval motor, který je namontován na robota, bylo by nutné ošetřit krajní pozice, zajistit, aby se motor neotáčel přes krajní polohu, aby nedošlo k poruše mechaniky robota. Pro správné nastavení a zprovoznění robota v Simotion by bylo nutné znát mechaniku robota, především převodový poměr pro osy Perspektiva realizace řízení robota KUKA systémem Simotion Velmi zajímavá je možnost realizovat řízení celého robota pomocí systému Simotion. Bylo by možné ovládat robota jiným způsobem, než je běžné. Dalo by se to využít pro testování algoritmů, které vypočítávají trajektorii robota. V tomto směru by úspěch dost záležel na možnosti se lépe seznámit s konstrukcí kinematiky robota, aby bylo možné správně tuto kinematiku nakonfigurovat v systému Simotion, aby nedošlo k žádnému poškození robota. I druhá možnost, kdy robot je řízen standardně řídicím systémem robota a jsou k němu přidány externí osy, které však jsou již řízeny Simotionem, je zajímavá. Dává to možnost řídit více než 2 externí osy, což bývá problém v reálných aplikacích, protože nelze realizovat, aby řídicí systém robota KR C4 řídil více než dvě externí osy. 78

93 5.4 Zhodnocení kapitoly V této kapitole se povedlo řídit vymontovaný motor z robota KUKA, díky čemuž by bylo možné podobným postupem připojit celého robota na systém Simotion a řídit takto robota. K tomu by však bylo nutné získat více informací o mechanice robota, aby nemohlo dojít k jejímu poškození. K realizaci řízení robota pomocí Simotion by bylo nutné zajistit dostatek komponent tohoto systému a připravit si speciální kabelové vedení, díky kterému by se mohl robot napojit na tento systém. Jiný přínos této práce je v tom, že lze využít systém Simotion k řízení externích os robota. Samotný řídicí systém robota by mohl řídit v praxi maximálně dvě externí osy, ale s využitím systému Simotion řídit daleko větší počet os (díky modularitě systému je možné řídit velký počet os - záleží to pouze na počtu komponent systému Simotion a Sinamics). 79

94 Kapitola 6 Závěr Diplomová práce se zabývá systémy polohového řízení, jejich řízením, konfigurací a integrací na sít Profinet. První část práce byla zaměřena na systém polohového řízení Simotion od firmy Siemens. Tento systém byl zprovozněn v testovacím sestavení, které se skládalo z řídicího systému Simotion a dvou motorů. Po otestování standardního postupu řízení motorů, bylo přistoupeno k vytvoření vlastního regulátoru polohy, který se uzavírá po síti Profinet přes systém Simotion. Tento postup byl detailně rozebrán, protože se jedná o zcela jiný způsob, než využívají uživatelé tohoto systému běžně. Bylo ověřeno, že tato cesta je možná. Tímto způsobem se přidává programátorovi systému možnost, aby si mohl nastavit svůj vlastní regulátor polohy a generovat si požadovaný průběh pohybu dle své potřeby. Systém Simotion i bez tohoto inovativního způsobu toto umožňuje, ale je nutné dodržet postup, který je v Simotionu pro toto připraven. Takto si však uživatel (programátor) může postup více přizpůsobit svým potřebám. Umožňuje to měnit parametry regulátoru za běhu. Pro motor 1FK7 byl vytvořen matematický model, který byl ověřen na naměřených průbězích. Druhá část práce se věnovala konfiguraci robota KUKA KR Jedná se o robot se šesti osami. V práci byly ověřeny a popsány způsoby programovaní tohoto robotu s řídicím systémem KR C4. Část práce byla věnována připojení vstupně-výstupních modulů, které se mohou s robotem využívat. V této konfiguraci často dochází k problémům, protože každý modul se konfiguruje trochu jinak a bývají s tím problémy (problémy se ukázaly často v konfiguračních souborech zařízení). Pro robota byly naprogramovány testovací úlohy, ve kterých byly vyzkoušeny jeho schopnosti, především s ohledem na dynamiku a možné rychlosti a zrychlení pohybu. V rámci jedné úlohy si robot například pohazoval s tenisovým míčkem. 80

95 Robot KUKA a řídicí systém Simotion byly integrovány na jednu sít Profinet. Integrace byla provedena s PLC CPU315, které představovalo nadřazený řídicí systém pro tato dvě zařízení. Tento způsob integrace byl zvolen i z toho důvodu, že robot a systém Simotion představují dvě samostatná zařízení, která mohou být součástí výrobní linky, která je řízena pomocí nadřazeného systému, který bývá realizován pomocí PLC. CPU 315 je běžné PLC, nejedná se o speciální bezpečnostní PLC, konfigurační soubor gsdml pro robota je v dispozici pouze ve verzi, která je určena pro bezpečnostní PLC (z důvodu možnosti využití režimu profisafe), tudíž bylo nutné si tento konfigurační soubor upravit, aby bylo možné použít toto PLC. Stejný problém řeší i programátoři v praxi, kdy oživují robota na výrobní lince. Řešením je bud obstarání jiného PLC (bezpečnostního), nebo použití upraveného konfiguračního souboru, jako byl použit zde. Z bezpečnostních důvodů byl robot umístěn v buňce, která byla ohraničena plotem s uzamykatelnými dveřmi. Robot tudíž mohl být provozován s kompletní bezpečností. V poslední části práce byla otestována možnost řízení pohonu robotu systémem Simotion. Jednalo se o jeden motor, který byl vymontován z robotu. Vymontovaný motor byl výhodou, protože nemohlo nastat poškození mechaniky robota. Tato možnost ukázala, že by bylo možné připojit robota k řídicímu systému Simotion. Ovšem bylo by nutné se blíže seznámit s mechanickým řešení firmy KUKA, aby se správně mohly nastavit mezní polohy a hlavně převodové poměry os. Toto by bylo nutné konzultovat s konstruktéry robotů. V práci se povedlo realizovat všechny zadané úkoly, byl vytvořen model motoru, uzavřena polohová smyčka v řídicím systému Simotion po síti Profinet a byla provedena integrace všech zařízení a jejich spolupráce na síti Profinet. 81

96 Literatura [1] KUKA Roboter GmbH, ROBOT (V)KR 6; (V)KR 16;...-2, Technická data, Mechanika robota, [2] KUKA Roboter GmbH, Controller KR C4 s rozhraním X11, montážní návod, [3] Siemens, Simotion D4x5, Commissioning and Hardware Installation Manual, [4] J. Pavelka, Elektrické pohony. České vysoké učení technické v Praze. Fakulta elektrotechnická: Nakladatelství ČVUT, [5] P. Fajkus, P.; Huták, Model of field oriented control for permanent magnet synchronous motor, in LVEM 2011 Proceeding, pp , Brno University of Technology, Czech Republic, [6] P. Fajkus, Matematický model synchronního motoru s permanentními magnety Diplomová práce. [7] PI International, Profile Drive Technology PROFIdrive, Technical Specification for PROFIBUS and Profinet, [8] Siemens, SINAMICS S120/S150, List Manual, [9] KUKA Roboter GmbH, KUKA System Technology KUKA.SafeOperation 3.0, For KUKA System Software 8.1, Assembly and Operating Instrunctions, [10] KUKA Roboter GmbH, Controller KR C4 NA Specification, [11] KUKA Roboter GmbH, Training Programování robota 1, VW System Software 8.x, Podklady ke školení KUKA Roboter GmBH, [12] KUKA Roboter GmbH, KUKA System Software 5.5, Návod k obsluze a programování pro konečné uživatele,

97 [13] KUKA Roboter GmbH, Expert Documentation, Programming Messages, For KUKA System Software 5.5. and 5.6, [14] KUKA Roboter GmbH, KR C2 / C3 Configuration, KUKA System Software (KSS) Release 5.2, [15] Siemens, Simotion Scout Communication, System Manual, [16] KUKA Roboter GmbH, FBT Profinet KR C4 V1.2, [17] Siemens, 1FK7 Synchronous Motors, Configuration Manual, [18] Siemens, Sinamics S120 Control Units and additional system components, Manual,

98 Příloha A Konfigurace komunikace robota s nadřazeným systém A.1 Ukázka konfigurace komunikace robota a PLC Na obrázcích jsou vidět adresy všech signálů i konfigurace přenosu čísla programu ve WorkVisual. Obrázek A.1: Konfigurace komunikace s PLC - vstupy od PLC I

99 Obrázek A.2: Konfigurace komunikace s PLC - výstupy pro PLC Obrázek A.3: Konfigurace komunikace s PLC - výstupy pro PLC Obrázek A.5: Konfigurace komunikace s PLC - výstupy pro PLC II

100 Obrázek A.4: Konfigurace komunikace s PLC - výstupy pro PLC A.2 Zaznamenávání průběhů v Simotion V prostředí Simotion Scout lze zaznamenávat průběhy veličin ze Sinamics i ze Simotion. Například ze Sinamics lze zaznamenat průběhy otáček, napětí, proudů, momentu,... Ze Simotion lze zaznamenat polohu, rychlost osy (nebo enkodéru),... Pro měření se nejprve vybere záložka s nástrojem trace. Dále se vybere zařízení - na obrázku A.6 je to Sinamics S120. Dále se navolí jednotlivé zaznamenávané veličiny (maximálně 8 veličin lze navolit v základním nástroji trace), na obrázku A.6 jsou vybrané veličiny rychlost, napětí, proudy a moment. Tyto veličiny jsou zaznamenávané na pohonu, který je označen Drive resolver. Dále lze nastavit dobu záznamu, na obrázku je nastavena na nekončnou dobu. Na obrázku A.7 se budou zaznamenávat signály na zařízení D425, kde se nachází objekt externího enkodéru. III

101 Obrázek A.6: Konfigurace zaznamenávání Sinamics S120 Obrázek A.7: Konfigurace zaznamenávání Simotion D425 IV