Standardowy przewód wystarczy! Interfejs IO-Link w robotyce

Ramię sześcioosiowego robota precyzyjnie zbliża się do magazynu części. Zamontowane na nim dwie małe ssawki podnoszą jeden po drugim różne komponenty aluminiowe. W tym samym czasie kolumna sygnalizacyjna SmartLight firmy Balluff wizualizuje zmniejszający się stan zapasów w magazynie. Robot obraca się wokół osi głównej i precyzyjnie ustawia każdą część w przygotowanym mocowaniu, następnie ramię cofa się, by powtórzyć proces.

Tak, bez zbędnego zagłębiania się w szczegóły, wygląda model zrobotyzowanej linii, wdrożonej na małą skalę w centrum szkoleniowym firmy Stäubli Robotics w bawarskim mieście Bayreuth w Niemczech.

Ten szwajcarski producent robotów przemysłowych oferuje szeroką gamę robotów: od małych czteroosiowych aż po duże roboty sześcioosiowe. Spektrum zastosowań zwiększają dodatkowo rozwiązania programistyczne i stosowane sterowniki.

W Bayreuth firma szkoli inżynierów i konstruktorów chcących integrować roboty w koncepcjach produkcyjnych. Uczestnicy kursów szkoleniowych poznają szeroki zakres zastosowań robotów w automatyce przemysłowej, różne sposoby ich obsługi, montażu oraz testowania. Roboty zainstalowane w sali szkoleniowej są zaprojektowane pod kątem obsługi obciążeń do 10 kg i stanowią jedynie skromną demonstrację możliwości, jakie dziś są oferowane w tym sektorze.

Rozwiązania Balluff w modelu szkoleniowym

O tym, że robotyzacja na dobre zagościła w różnych gałęziach przemysłu, nie trzeba dziś już nikogo przekonywać. W średnich, a coraz częściej także w małych firmach, dostrzega się ogrom możliwości wynikających z ich efektywnego wykorzystywania.

Opisywany model szkoleniowy wykorzystuje kilka rozwiązań firmy Balluff: technologię odczytu i zapisu danych RFID, wizualizację świetlną oraz układ sterowania wyspą zaworową. Głowica odczytu/zapisu RFID jest trwale zamontowana w uchwycie umieszczonym na ramieniu robota. Jej zadanie to rejestrowanie bieżącego statusu komponentu i przesyłanie tych danych do sterownika PLC. Każdy komponent zawiera nośnik danych RFID, przechowujący informacje o bieżącym stanie produkcji, a także inne istotne z punktu widzenia procesu dane.

Systemy RFID firmy Balluff umożliwiają zarówno odczyt, jak i zapis danych, co pozwala np. na wdrażanie systemów traceability w łańcuchu produkcji, poprzez identyfikowanie każdej produkowanej części. Równie ważnym zadaniem jak budowanie historii produkcji jest wizualizowanie aktualnego stanu układu. Wyświetlanie poziomu zapełnienia magazynu, komunikatów lub ostrzeżeń realizowane jest za pośrednictwem kolumny sygnalizacyjnej SmartLight firmy Balluff. Standardowa kolumna sygnalizacyjna składa się z kilku segmentów o z góry założonych kolorach i pozwala wyłącznie na załączenie bądź wyłączenie danej sekcji.

Trzy systemy i niezawodna komunikacja

Rozwiązanie firmy Balluff oparte jest na technologii RGB, pozwalającej na dynamiczne zmiany wyświetlanych statusów w postaci kombinacji kolorów, jak i ruchomych wizualizacji (np. kontrola poziomu) w zależności od informacji otrzymanej ze sterownika PLC. To ogromny krok na płaszczyźnie komunikacji pomiędzy użytkownikiem i maszyną. Nigdy wcześniej wizualizacja nie była tak przejrzysta i intuicyjna. Całościowo rozwiązanie składa się więc z trzech głównych systemów: sterowania (wyspa zaworowa i ssawki), identyfikacji (RFID) oraz wizualizacji (Smart-Light).

Najważniejszym aspektem układu jest brak szafki sterowniczej, brak wiązek przewodów przy robocie oraz brak plątaniny kabli. W jaki sposób udało się zatem połączyć te trzy różne systemy przy zapewnieniu niezawodnej komunikacji? Cała instalacja została wykonana z użyciem interfejsu IO-Link w wersji 1.1. Jest to połączenie typu point-to-point, ulokowane poniżej poziomu sieci przemysłowej, zgodne z międzynarodowym certyfikatem zgodności z wymaganiami normy IEC 61131-9. 

Jako rozwiązanie otwarte można go używać ze sprzętem różnych producentów oraz w różnych sieciach przemysłowych – wystarczy dopasować odpowiedni moduł Master IO-Link do posiadanej sieci.

Jeden interfejs, wiele połączeń

IO-Link to cyfrowy interfejs wejść/wyjść, łączący dzisiaj kilkadziesiąt tysięcy różnych produktów o różnej zasadzie działania: czujniki, przetworniki, elementy wizualizacji, wyspy zaworowe, technologię RFID i wiele więcej. Założeniem interfejsu IO-Link było proste i skutecznie połączenie różniących się od siebie elementów. Fizycznym łącznikiem pomiędzy poszczególnymi elementami systemu jest standardowy trójżyłowy przewód. Stanowi rozwiązanie idealne: tanie, dostępne i proste w implementacji. Najczęściej stosuje się złącza M12, ograniczając czynnik czasowo-kosztowy, potrzebny np. przy podłączaniu wielu wiązek przewodów.

Układem centralnym jest Master IO-Link, do którego podłączone są wszystkie systemy zamontowane w urządzeniu. Master opowiedzialny jest za transmisję wszystkich sygnałów IO-Link do sterownika firmy Stäubli, w przeciwnym kierunku moduł IO-Link przekazuje dane sterowania do najniższego poziomu.

Ze względu na to, że w centrum szkoleniowym rzeczywiste środowisko robocze klienta można symulować tylko w określonym stopniu, Günter Heinendirk szukał rozwiązania, które umożliwiałoby mu symulację wyglądu idealnych środowisk produkcji dla uczestników, przy użyciu prostych zasobów technologicznych i elektronicznych – bez skomplikowanego okablowania i konieczności montażu złożonej szafy sterującej, przy wymaganiach zbliżonych do tych wdrażanych codziennie u klientów.

– Od razu wiedziałem, że technologia IO-Link to idealne rozwiązanie do zastosowania w robotyce: proste, z uniwersalnym okablowaniem czujników i siłowników. Zapewnia oszczędność czasu i pieniędzy, jak również zgodność z wszystkimi systemami magistrali – podkreśla Günter Heinendirk.

IO-Link: oszczędność czasu i kosztów

Szybka instalacja i uruchomienie, elastyczność, łatwość konserwacji oraz prosta obsługa serwisowa to zawsze najistotniejsze kwestie w automatyce przemysłowej. Technologia IO-Link umożliwia pomyślne wykorzystanie robotów w środowiskach, w których zadania często ulegają zmianom.

– Dla nas IO-Link to technologia umożliwiająca inicjowanie działań. Uczestnicy naszego szkolenia dowiadują się, jak dzięki interfejsowi IO-Link można w łatwy sposób przeprowadzać konfigurację, diagnostykę i obsługę serwisową. Zwiększa to możliwości zastosowania systemów wykorzystujących roboty i stanowi wartość dodaną – zapewnia kierownik ds. szkoleń w firmie Stäubli.

Przykładowo wystarczy pięć przewodów przeprowadzonych przez robota, aby połączyć złożoną głowicę chwytaka z 32 czujnikami i wyspą zaworową z nawet 24 wyjściami przy użyciu dwóch koncentratorów firmy Balluff.

– Inżynierowie są zdumieni, gdy dowiadują się, ile czasu, materiałów i środków finansowych pochłania przygotowanie typowej instalacji – mówi Günter Heinendirk.

W odróżnieniu od delikatnych wiązek kabli, poprowadzonych na robocie, standardowy trójżyłowy przewód poprowadzony w robocie znacznie ogranicza ryzyko nieprzewidzianych awarii.

Rozwiązania wykorzystujące konwencjonalne przewody nie sprawdzają się w sytuacjach, w których wymagana jest regularna wymiana narzędzia. Bardzo często spotykamy się z taką sytuacją w robotach przy częstych i szybkich wymianach chwytaka. Połączenie z czujnikami zamontowanymi na chwytaku realizuje się zazwyczaj za pośrednictwem złączy mechanicznych, które wymagają jednak dodatkowej ingerencji i są mocno podatne na zużycia.

Idealną alternatywą są sprzęgła indukcyjne BIC firmy Balluff. Rozwiązanie składa się z bazy zamontowanej na ramieniu robota i odbiornika zamontowanego na każdym z chwytaków. W warunkach roboczych elementy znajdują się naprzeciw siebie, następuje transmisja danych procesowych (dzięki interfejsowi IO-Link) oraz energii przez lukę powietrzną o szerokości nawet do 5 mm. W chwili wymiany narzędzia robot odkłada chwytak (następuje rozłączenie), a następnie pobiera nowe narzędzie. Wystarczy, że odbiornik będzie w zasięgu działania bazy, aby dzięki zjawisku indukcji nastąpiła transmisja sygnału oraz energii np. do czujników zamontowanych na chwytaku. Wszystko to bez jakiejkolwiek ingerencji użytkownika.

Dzięki znacznej liczbie konfiguracji testowych oraz komponentów technologii IO-Link firmy Balluff sprawdzonych w centrum szkoleniowym firmy Stäubli przez ostatnie dwa lata udowodniono, że technologia IO-Link umożliwia tworzenie wszechstronnych, wydajnych i wymagających małej ilości zasobów rozwiązań w robotyce.

– Przekazywanie danych i sygnału za pośrednictwem nieekranowanych standardowych trójżyłowych kabli ze złączami M12 oraz standardowego kabla wbudowanego w robota działało właściwie we wszystkich sytuacjach bez żadnych awarii, zakłóceń czy strat. Nie mamy wątpliwości. Zalecamy stosowanie technologii IO-Link w każdej sytuacji, gdzie wymagane są proste, przejrzyste rozwiązania oszczędzające czas i gdzie pieniądze są istotnym czynnikiem – podsumowuje Günter Heinendirk.

źródło: "Automatyka" 6/2015