Обзор возможностей SIMATIC Safe Kinematics V2.0 для робототехники

SIMATIC Safe Kinematics V2.0

• Позволяет безопасно контролировать движения кинематической системы в декартовом пространстве для защиты обслуживающего персонала
• Сертифицирован по
  - SIL3 (IEC 61508 и IEC62061)
  - PLe(ISO 13849-1) в комбинации с SINAMICS до SIL2, PLd
• Является платным пакетом опций TIA Portal и STEP7 Safety Advanced
• Предлагается как программа начальной установки для TIA Portal V16 от Update 1
• Предоставляет для каждой доступной кинематической системы собственный, отказобезопасный функциональный блок
• Поддерживается в симуляции через S7-PLCSIM Advanced

Системные требования

Контроллер SIMATIC:

Приводная система SINAMICS

Поддерживаемые кинематические системы

Системы координат

Неподвижные системы координат

Мировая система координат (World coordinate system - WCS)
(X характеризует ширину сцены, ось Y - ее глубину, а ось Z - высоту.)

• Система координат окружения
• Опорная точка для объектов / движений в контролируемом пространстве

Кинематическая система координат (Kinematics coordinate system - KCS)

• Жестко привязанная к кинематике система координат
• Начало отсчета в нулевой точке кинематической системы

Подвижные системы координат

Сегментная система координат (Segment coordinate system - SCS)

• Привязана к подвижным точкам кинематики

Фланцевая система координат (Flange coordinate system - FCS)

• Система координат в держателе инструмента (конечная точка кинематики)

Система координат инструмента ( Tool coordinate system - TCS)

• TCS относится к FCS и определяет центр инструмента (TCP)

Смещения и вращения системы координат

• Вращение: вращение вокруг осей собственной системы координат тела.
• Смещение: перемещение собственной системы координат тела относительно опорной системы координат, например, WCS.

Безопасный контроль зон

Контроль, не выходят ли кинематические зоны из активных рабочих зон или не входят ли они в зоны предупреждения и защиты

• Ограничение области перемещения кинематики
• Контроль зон, куда разрешен доступ для обслуживающего персонала
• Программирование зональных функций обеспечения безопасности

Зоны и геометрия зон

Зоны рабочего пространства описывают окружение кинематической системы (неподвижные в WCS)

Кинематические зоны жестко привязаны к компонентам кинематики и перемещаются вместе с кинематикой

Геометрия зон: моделирование зон с помощью геометрических тел

Важно!
При конфигурировании зон следует учитывать и необходимый тормозной путь кинематики!

Принцип работы

Кинематическая зона выходит из рабочей зоны

• Установка выхода „stop“, если кинематическая зона выходит из рабочей зоны
• Анализ выхода „stop“ и программирование пользовательской реакции останова для кинематики, напр., SS1E для SINAMICS
• Отображение статуса зон на выходе „stopIdSZM“ (только при активном контроле зон)

Кинематическая зона входит в зону предупреждения

• Установка выхода „stopIdSZM“, если кинематическая зона входит в зону предупреждения
• Анализ выхода „stopIdSZM“и программирование пользовательской реакции, например, разрешение области для обслуживающего персонала

Кинематическая зона входит в зону защиты

• Установка выхода „stop“, если кинематическая зона входит в зону защиты
• Анализ выхода „stop“ и программирование пользовательской реакции останова для кинематики, например, SS1E для SINAMICS

Важно!
SIMATIC Safe Kinematics не запускает реакцию останова! Пользователь должен выполнить анализ выхода „stop“ и инициировать подходящую реакцию останова, например, STO, SS1E, SOS для SINAMICS!

Зоны рабочего пространства

Рабочие зоны

Рабочая зона - вся "комната"

Цели:

• Определение рабочих областей, напр., рабочих мест для обслуживающего персонала
• Ограничение пространства для перемещения кинематики, например, с целью уменьшения конструкции и отступов для защитных ограждений

Подробности:

• Число моделируемых рабочих зон: 10
• Активные рабочие зоны при эксплуатации: 1
• Опорная система координат:
  мировая система координат (WCS)
• Если рабочая зона не активирована, то все пространство для перемещения кинематики считается рабочей областью!

Зоны предупреждения

Цели:

Определение областей, с которыми кинематическая зона может или не может соприкасаться в зависимости от устройств безопасности, например, для контроля зон, в которые может входить обслуживающий персонал

Подробности:

• Число моделируемых зон предупреждения: 10 (вместе с зонами защиты)
• Активные зоны предупреждения при работе: 10
• Опорная система координат: мировая система координат (WCS)

Зоны защиты

Цель:

Определение областей, которые не должны соприкасаться с кинематической зоной, например, шкафы управления, стены

Подробности:

• Число моделируемых зон защиты: 10 (вместе с зонами предупреждения)
• Активные зоны защиты при работе : 10
• Зоны защиты могут частично выходить за пределы рабочей зоны
• Опорная система координат: мировая система координат (WCS)

Сегментные зоны и зоны инструмента

• Относятся к частям кинематики, например, шарнирам
• Двигаются вместе с кинематикой
• Учитывают
  - пространственное расширение кинематики
  - выступающие части, например шланги или механические соединения осей
  - размер предполагаемых заготовок для различных инструментов
• Должны быть расположены в рабочих зонах

Кинематические зоны

Сегментные зоны

Цель:

Моделирование определенных частей кинематики, напр., шарнирных рук, кабеля

Подробности:

• Число моделируемых сегментных зон: 12
• Активные сегментные зоны при работе: 12
• Опорные системы координат:
• сегментные системы координат (SCS) от 1 до <n>*
• Фланцевая система координат (FCS)

Зоны инструмента

Цель:

Моделирование инструментов, частей инструментов или деталей

Подробности:

• Число моделируемых зон инструмента: 10 на инструмент
• Активные зоны инструмента при работе: 10
• Опорная система координат: система координат инструмента (TCS)

Геометрия зон

• Определение положения нулевой точки зональной системы координат в опорной системе координат
• Для сферы: указание смещения центра сферы
• Для прямоугольного параллелепипеда: указание смещения левого нижнего угла прямоугольного параллелепипеда
• Указание размерности и вращений тела исходя из этой точки

Сфера

Моделирование сферы из нулевой точки через радиус

Прямоугольный параллелепипед

Моделирование прямоугольного параллелепипеда из нулевой точки через длины сторон в направлении x, y и z и через вращения A, B и C

Точка

Моделирование точки через положение в опорной системе координат

Безопасный контроль скорости

Мониторинг декартовой скорости в настраиваемых контролируемых точках

Принцип работы

• Установка выхода „stop“, если активное предельное значение скорости будет превышено минимум одной активной контролируемой точкой
• Анализ выхода „stop“ и программирование пользовательской реакции останова для кинематики, напр., SS1E для SINAMICS
• Отображение состояния для контроля скорости на выходе „stopIdSLS“ (только при активном контроле скорости)

• Доступны 4 ступени скорости
• Ступени скорости могут переключаться при работе
• Правило: настройка предельных значений скорости в падающей последовательности: SLS1 > SLS2 > SLS3 > SLS4
• Настраиваемое время задержки между выбором и активацией контроля скорости и при переключении на более низкую предельную скорость
  ->При активном времени задержки и до включения контроля кинематика может быть замедлена стандартным контроллером движения до скорости ниже (новой) предельной скорости

Контролируемые точки

• Автоматический контроль декартовой скорости на TCP, если активны мониторинг скорости и инструмент
• Возможен контроль дополнительных точек:
• Относящиеся к инструменту контролируемые точки
• Относящиеся к сегменту контролируемые точки
• Нулевые точки сегментных систем координат
• Нулевая точка фланцевой системы координат
• Индивидуальная активация контролируемых точек (точки сегментов, нулевые точки фланцевой и сегментной систем координат) при работе через вход „selectSLSPoints“
• Мониторинг всех контролируемых точек по одному и тому предельному значению скорости

При конфигурировании предельных скоростей следует учитывать и необходимый тормозной путь кинематики! SIMATIC Safe Kinematics не запускает реакцию останова! Пользователь должен выполнить анализ выхода „stop“ и инициировать подходящую реакцию останова, напр., STO, SS1E, SOS для SINAMICS!

Относящиеся к инструменту контролируемые точки

• До 4 свободного определяемый точек на инструмент(опорная система координат: TCS)
• Контроль, если активны мониторинг скорости и инструмент

Пример

Определение двух контролируемых точек в TCS инструмента:

• Точка инструмента 1 на углу детали
• Точка инструмента 2 на углу инструмента

Относящиеся к сегменту контролируемые точки

• До 4 свободного определяемый точек на кинематику (опорная система координат: SCS1 до <n> или FCS)
• Контроль, если активен мониторинг скорости и контролируемая точка выбрана с помощью входа „selectSLSPoints“

Пример

Определение контролируемой точки на кабеле сегмента

Безопасный контроль ориентации

Контроль ориентации фланца, например, разрешение на обработку детали при установке инструмента под определенным углом к полу (например, вертикально)

Принцип работы

• Установка выхода „stop“, если ориентация фланца нарушает активный конус
• Анализ выхода „stop“ и программирование пользовательской реакции останова для кинематики, напр., SS1E для SINAMICS
• Отображение состояния для контроля SLO на выходе „stopIdSLO“ (только при активном контроле SLO)

Функциональность

• 4 конуса ориентации
• Конус ориентации может переключаться при работе
• Безопасный контроль ориентации фланца только для пользовательской последовательной кинематики
• Определение конуса
  - с помощью базисного вектора r в мировой системе координат (WCS)
  - и угла допуска ?
• Выбор контролируемой оси координат во фланцевой системе координат FCS

Пример

Базисный вектор с углом допуска и осью x в FCS в качестве контролируемой оси координат.

Важно! При конфигурировании предельных скоростей следует учитывать и необходимый тормозной путь кинематики! SIMATIC Safe Kinematics не запускает реакцию останова! Пользователь должен выполнить анализ выхода „stop“ и инициировать подходящую реакцию останова, напр., STO, SS1E, SOS для SINAMICS!

Свободный ход/отвод

Исходная ситуация и необходимые условия

Исходная ситуация

• Требование останова для кинематики, если
• кинематическая зона выходит из рабочей зоны или
• кинематическая зона входит в зону защиты или
• ориентация фланца нарушает активный конус

-> Дальнейшее движение кинематической системы невозможно!

Решение: Свободный ход/отвод

• Отключить требование останова(выход „stop“) через вход „mute"
• Движение кинематики в любом направлении, в том числе и дальше в запретную зону или из рабочей зоны

Необходимые условия

• Выход „stopIdSZM“ или „stopIdSLO“ показывает нарушение зоны или области
• Требование останова кинематики(выход „stop“)
• Кинематика находится в состоянии покоя

Принцип работы (программирование пользователем)

• Выбор SLS через входы „selectSLSPoints“, „selectSLSLimit“ и „enableSLS“
• Непрерывный анализ на предмет нарушения зон или областей посредством выходов „stopIdSZM“ или „stopIdSLO“
• Активация свободного хода/отвода: отключение требования останова (выход „stop“) путем установки входа „mute“
• Ручное перемещение кинематики назад в разрешенную область
• Выключение свободного хода/отвода: сброс входа „mute“, требование останова (выход „stop“) снова активно
• Выход „ackRequested“ установлен, если кинематика находится в разрешенной области
• Квитирование сообщений об ошибках с помощью входа „ack“

Важно!
Для ограничения свободного хода/отвода, необходимо сбросить вход „mute“ по истечении настраиваемого времени!

Взаимодействие с SINAMICS S120

• SINAMICS S120: определение безопасных позиций отдельных осей кинематической системы
• Передача безопасных позиций через PROFIsafe телеграмму 902
  на (T)F-CPU
• Расчет скоростей и позиций в декартовом пространстве через
  SIMATICSafe Kinematics на базе параметров кинематики
• Инициирование сконфигурированных пользователем реакций останова при нарушении предельных значений и передача через PROFIsafe на отдельные оси

Миграция V1.0 -> V2.0

1. Экспорт параметров кинематики (xmlфайл)с помощью табличного редактора в TIA Portal V15.1
2. Обновление TIA проекта до TIA Portal V16 от Update 1
3. Удаление всех типов данных, блоков данных, функций и функциональных блоков библиотеки SIMATIC Safe KinematicsV1.0
4. Обновление версии FW CPU до V2.8.x и выбор системы обеспечения безопасности версии V2.3
5. Установка SIMATIC Safe KinematicsV2.0
6. Вставка и подсоединение соответствующих блоков из библиотеки V2.0
7. Импорт параметров кинематики (xml файл)