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

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