Yaskawa: Intel® FPGA in Robotersteuerungen

Eine kleiner werdende Belegschaft ist einer der Faktoren für den verstärkten Einsatz von Industrierobotern

Die Robotikindustrie verfügt über ein starkes Marktwachstum im Bereich der Industriemaschinen. Die Verbesserung der Prozesseffizienz und die Automatisierung sind angesichts des knappen Angebots und der steigenden Kosten für Arbeitskräfte, die durch eine rückläufige Erwerbsbevölkerung und eine alternde Bevölkerungsstruktur in mehreren Ländern verursacht werden, dringender denn je. Infolgedessen nimmt der Einsatz von mehrachsigen Robotern, die verschiedene Betriebs- und Transportaufgaben übernehmen können, in der Fertigung und an anderen Arbeitsplätzen rasch zu. Neben konventionellen Robotern, die hinter einer Schutzeinhausung arbeiten, werden zunehmend auch kollaborative Roboter und automatisch geführte Fahrzeuge (AGVs) eingesetzt, die sich den Platz mit Menschen teilen können.

Während es in der Vergangenheit üblich war, kundenspezifische Integrationen in großem Ausmaß (sogenannte LSIs) für die Robotersteuerung zu verwenden, sind die Entwicklungskosten parallel zur Miniaturisierung der Halbleiterprozesse gestiegen, wobei die Entwicklungszeiten in Jahren gemessen werden. Sicherheitsmaßnahmen sind auch bei Robotern eine wesentliche Voraussetzung. Ein Beispiel ist der Bedarf an Lichtvorhängen oder anderen geeigneten Sensoren, um den Roboterbetrieb sofort zu stoppen, wenn erkannt wird, dass ein Mensch in die Schutzeinhausung eindringt. Dies verpflichtet die Hersteller von Robotern, sich in einigen Regionen zertifizieren zu lassen, dass ihre Produkte den jeweiligen Normen entsprechen.¹

Dieses Problem ist einer der Gründe, warum Intel® FPGAs, die zur Logikreplikation fähig sind, zunehmend in Robotern als Alternative zu ASICs eingesetzt werden. Die FPGAs von Intel zeichnen sich durch eine hohe Zuverlässigkeit der Bauelemente aus und sind bereits in einer Vielzahl von Industriemaschinen im Einsatz. Intel gehörte auch zu den ersten in der FPGA-Branche, die sich mit der Einhaltung von Normen zur funktionalen Sicherheit und der damit verbundenen Zertifizierung befassten. Diese Fallstudie beschreibt den Einsatz von Intel FPGAs in Robotersteuerungen von Yaskawa Electric.

Die YRC1000-Robotersteuerung von Yaskawa Electric kombiniert geringen Platzbedarf mit schneller und präziser Steuerung.

Yaskawa Electric ist ein bedeutender Hersteller von Industrierobotern. Die 6-achsigen vertikalen Gelenkroboter des Unternehmens werden weltweit unter der Marke Motoman für eine Vielzahl von Anwendungen vermarktet. Dazu gehören Lichtbogenschweißen, Punktschweißen, Lackieren, Handhabung und Montage, biomedizinische Anwendungen, Palettieren, Handhabung von Pressteilen, Scheren, Schneiden, Laserschneiden, Entgraten, Polieren, Beschichten und der Transport von Halbleiterwafern und Glasplatten für LCDs oder Photovoltaikzellen. In den letzten Jahren konzentrierte sich das Unternehmen auch auf kollaborative Roboter (sogenannte Cobots), die in der Lage sind, im Produktionsbereich an der Seite von Menschen zu arbeiten.

Zusammen mit dem Manipulator, einem Arm mit mehreren Bewegungsachsen, benötigen Industrieroboter auch ein Gerät, das als Programmiergerät bezeichnet wird und mit dem der Roboter seine Bewegungen erlernt, sowie eine Steuerung, die die Bewegungen in jeder Achse gemäß den Anweisungen des Programmiergeräts nachbildet.

Bei der Hochleistungs-Robotersteuerung YRC1000 wurden Verbesserungen bei der Beschleunigungsregelung vorgenommen, die den bisher verwendeten Mechanismus zur Geschwindigkeitsregelung ersetzen, so dass die Steuerung den Manipulator mit maximaler Geschwindigkeit betreiben kann. Ebenso sorgt eine neue Technik zur Steuerung der Trajektorie der Armspitze dafür, dass die gleiche Trajektorie unabhängig von der Geschwindigkeit genau nachgebildet wird, auch im Testbetrieb und im Wiedergabemodus. Die YRC1000 ist außerdem die kleinste ihrer Klasse unter den Robotersteuerungen von Yaskawa Electric. Sie ist vom Volumen her um 50 % kleiner als das Vorgängermodell DX200. Weitere Merkmale sind die Kompatibilität mit verschiedenen Stromversorgungsstandards in unterschiedlichen Ländern (Abbildung 1).

Abbildung 1: Merkmale der Robotersteuerung YRC1000 von Yaskawa Electric.²

Mehrere Intel FPGAs werden für die Implementierung von Robotersteuerung, Servosteuerung und funktionaler Sicherheit ausgewählt

Auf der Suche nach mehr Leistung und Präzision entschied sich Yaskawa Electric für eine Reihe von Intel FPGAs für Anwendungen wie Robotersteuerung, Servosteuerung und funktionale Sicherheit (Abbildung 2).

Abbildung 2: Mehrere FPGAs werden in der Robotersteuerung YRC1000 von Yaskawa Electric eingesetzt.

Für Yaskawa Electric ergeben sich durch den Einsatz von Intel FPGAs vor allem folgende Vorteile (Abbildung 3):

Abbildung 3: Vorteile der Verwendung von Intel® FPGAs.

(1) Höhere Leistung der Servosteuerung und geringerer Stromverbrauch: Bei der Bewegung des mehrachsigen Manipulators werden die zur Erreichung der gewünschten Bewegungen erforderlichen Steuerwerte berechnet und an die verschiedenen Motoren ausgegeben. Dazu gehören komplexe trigonometrische Funktionen und andere Berechnungen, die auf den aktuellen Positionen und Winkeln basieren, die von den Messgeräten für jede Achse ermittelt werden.

Anstelle von Software, die auf einem Mikroprozessor läuft, lassen sich Genauigkeit und Geschwindigkeit leichter erreichen, wenn diese kinematische Berechnung per Hardware ausgeführt wird. Mit anderen Worten, es handelt sich um eine ideale Anwendung für Intel FPGAs, die mit einer integrierten digitalen Signalverarbeitung für die Ausführung einer schnellen 32-Bit-Doppelpräzisions-Gleitkomma-Arithmetik in Hardware ausgestattet sind und eine deterministische Leistung bieten.

Intel FPGAs bieten außerdem eine umfangreiche Palette an Hardware-IP, einschließlich PCI Express*, und ermöglichen so die Miniaturisierung von Schaltkreisen und einen geringeren Stromverbrauch, indem sie die Integration von Peripherielogik ermöglichen und gleichzeitig eine zuverlässige Buskonnektivität gewährleisten.

Diese geringere Leistungsaufnahme ermöglicht lüfterlose Gehäuse, wodurch keine verschleißanfälligen mechanischen Teile benötigt werden und das Ansaugen von Staub vermieden wird.

(2) Die meisten sicherheitsrelevanten Systeme, die von der IEC 61508 und anderen Normen zur funktionalen Sicherheit gefordert werden, können in Intel FPGAs konsolidiert werden. Außerdem können sie sich durch den Einsatz mehrerer Geräte gegenseitig überwachen. In der Zwischenzeit ist die deterministische Leistung, die durch die oben erwähnte Hardware-Implementierung möglich ist, ideal für Sicherheitsüberwachungsanwendungen, bei denen Verzögerungen nicht akzeptabel sind.

Intel lieferte auch sein IEC 61508-zertifiziertes Functional Safety Data Package (TÜV Rheinland-zertifiziert), um Yaskawa Electric dabei zu helfen, den Arbeitsaufwand für die Zertifizierung der funktionalen Sicherheit der Steuerung zu reduzieren.

(3) Kostenreduzierung: Die Miniaturisierung und Rationalisierung von Halbleiterprozessen reduziert die Gesamtsystemkosten, und zwar nicht nur, indem sie die FPGAs selbst kostengünstiger macht, sondern auch durch andere Überlegungen wie die Integration von Peripherielogik, die Reduzierung der Schaltungsgröße und kürzere Entwicklungszeiten, die durch die Flexibilität der Logikkonfiguration auf FPGAs ermöglicht werden.

(4) Lange Produktverfügbarkeit: Wartungsüberlegungen erfordern eine verlängerte Geräteversorgungszeit, da Industrieanlagen in der Regel 10 Jahre und länger im Einsatz bleiben. Der verlängerte Produktlebenszyklus der Intel FPGAs erfüllt die Bedürfnisse der Kunden aus dem industriellen Sektor.

(5) Zeitplan für die Entwicklung: Neben der Verkürzung des Entwicklungs- und Verifikationszyklus im Vergleich zur ASIC-Entwicklung bedeutet der Einsatz von FPGAs, dass Änderungen an der Logik im Falle eines Problems oder bei Bedarf für Modifikationen oder Erweiterungen der funktionalen Anforderungen schnell vorgenommen werden können.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, verwendet der Controller einen Intel Prozessor und einen Intel Netzwerk-Controller sowie Intel FPGAs.

Querüberwachung von Encodern durch mehrere Intel FPGA-Sicherheitsfunktionen, die gemäß funktionalen Sicherheitsstandards implementiert wurden

Strenge Sicherheitsmaßnahmen sind beim Einsatz von Robotern oder anderen Industriemaschinen unerlässlich, um sicherzustellen, dass im Falle eines Betriebsfehlers oder einer Fehlfunktion keine Personen oder Gegenstände in der Nähe zu Schaden kommen und um die Folgen eines solchen Vorfalls auf ein Minimum zu beschränken. Während es viele Möglichkeiten gibt, diese Sicherheitsmerkmale bereitzustellen, wie z. B. die Verwendung von Sicherheitshinweisen oder die physische Barriere durch eine Schutzeinhausung, bezieht sich der Begriff „funktionale Sicherheit“ auf die Risikominderung durch elektrische Schaltungen, elektronische Schaltungen oder Software.

Um die Normen zur funktionalen Sicherheit zu erfüllen, ist es in der Regel notwendig, die Steuerung um zusätzliche Sicherheitsfunktionen zu erweitern. Beim YRC1000 sind diese sicherheitsrelevanten Systeme auf einer separaten Platine (der „Sicherheitsplatine“) realisiert (Abbildung 4).

Abbildung 4: Übersicht über die funktionale Sicherheit des YRC1000.

Die Aufgabe der Intel FPGAs auf der Sicherheitsplatine ist die kontinuierliche Überwachung der Position und Geschwindigkeit des Roboterarms anhand der Daten der Encoder für jede Achse. Ein Beispiel für eine Sicherheitsfunktion wäre ein Mechanismus zum sofortigen Stoppen der Achsmotoren, wenn sich der Arm aus irgendeinem Grund außerhalb eines vordefinierten Bereichs bewegt oder eine vordefinierte Geschwindigkeit überschreitet.

Der YRC1000 enthält auch verschiedene andere Verbesserungen für die Zuverlässigkeit und Sicherheit, einschließlich der gegenseitigen Überwachung der Encoderdaten durch die verschiedenen Intel FPGAs.

Die Verwendung des IEC 61508-zertifizierten Package von Intel hilft, den Zeit- und Arbeitsaufwand für die Controller-Zertifizierung zu reduzieren

Die Einhaltung von Normen zur funktionalen Sicherheit ist in verschiedenen Ländern und Regionen zwingend vorgeschrieben. Die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG der EU schreibt z. B. die Einhaltung der Norm IEC 61508 vor. Dies verpflichtet die Gerätehersteller, ihre internen Qualitätsmanagementsysteme auf die relevanten Normen zu aktualisieren und in ihre Entwicklungs- und Prüfprozesse einzubeziehen.

Darüber hinaus ist es auch üblich, sich von einer externen Agentur zertifizieren zu lassen, dass die Geräte eines Unternehmens den Normen für funktionale Sicherheit entsprechen.

In Anerkennung der Bedeutung dieser Norm hat Intel 2010, im selben Jahr, in dem die zweite Ausgabe der IEC 61508 veröffentlicht wurde, das branchenweit erste IEC 61508-zertifizierte Functional Safety Data Package auf den Markt gebracht, um den Zeitaufwand für die Zertifizierung der funktionalen Sicherheit von Systemen mit Intel FPGAs zu reduzieren.

Das Functional Safety Data Package ist für Konstruktionen bis zur Sicherheitsintegritätsstufe 3 (SIL3) nach IEC 61508 vorgesehen, wobei die Zertifizierung des FSDP durch den TÜV Rheinland erfolgt. Das FSDP enthält die folgenden Artikel bzw. Dokumente. Einzelheiten zum Inhalt des Functional Safety Data Package finden Sie unten in Tabelle 1:

(1) Richtlinien für die Verwendung von Intel FPGA-Entwicklungsmethoden und -Tools zum Entwurf von Systemen, die die Zertifizierungsanforderungen gemäß IEC 61508 erfüllen.

(2) Ein Tool für FMEDA, das Ausfallraten und sichere Ausfallanteile (SFFs) für Systeme berechnet, die Intel FPGAs verwenden.

(3) Sicherheitshandbücher, in denen beschrieben wird, wie die Intel® Quartus® Prime Design Software und die Intel FPGA-Systeme in einer Weise verwendet werden, die der IEC 61508 entspricht.

(4) Zertifizierte IP für Hardware wie den Nios® II Prozessor und IEC-61508-konforme Diagnose-IP (einschließlich Quellcode) zur Überwachung der Integrität von FPGAs, Speicher und Taktsignalen.

(5) Aktuelle Zuverlässigkeitsberichte über Intel FPGAs.

(6) Konformitätsbescheinigung des TÜV Rheinland.

Zusammen mit der in diesem Artikel beschriebenen Robotersteuerung hat das Functional Safety Data Package dazu beigetragen, Zeit und Kosten für die Implementierung der funktionalen Sicherheit und die Erlangung der Zertifizierung für sicherheitskritische Industriemaschinen wie industrielle Servoantriebe, Umrichter, Sicherheitsgeräte und Automatisierungssteuerungen zu verkürzen (Abbildung 5). Intel schätzt, dass die Produktentwicklungszeit je nach Umständen stark verkürzt werden kann.³

Bei Yaskawa Electric wurde das Intel Functional Safety Data Package erfolgreich bei der Entwicklung der in Abbildung 5 gezeigten sicherheitsrelevanten YRC1000-Systeme eingesetzt, wodurch die Zeit für die Zertifizierung nach den Sicherheitsstandards IEC 61508 SIL2, EN ISO 10218-1:2011 und EN ISO 13849-1:2015 verkürzt wurde.

Abbildung 5: Intel FPGA Functional Safety Data Package für industrielle Anwendungen.⁴

Tabelle 1: Functional Safety Data Package für Intel FPGAs.⁵.

Intel FPGAs und Functional Safety Data Package erfüllen die vielfältigen Anforderungen von Industrierobotern

Das Konzept der „Intelligenten Werke“ oder „Intelligenten Anlagen“, die sich durch einen intelligenteren Betrieb auszeichnen, erregt Aufmerksamkeit vor einem Hintergrund, der das unaufhörliche Streben nach Produktivität und Effizienz, Fortschritte in der IT und eine rückläufige Zahl von Arbeitskräften in mehreren Ländern umfasst.

Die breitere Akzeptanz dieser intelligenten Praktiken wird wahrscheinlich mit einem verstärkten Einsatz von Technologien wie kollaborierenden Robotern, autonomen Robotern und autonomen automatisch geführten Fahrzeugen einhergehen, insbesondere den in diesem Artikel beschriebenen Industrierobotern. Es wurden bereits Versuche zu Fernsteuerungsanwendungen gestartet, die Telekommunikation der fünften Generation (5G) und private 5G-Systeme einbeziehen. Neben höherer Leistung und Präzision müssen auch die Sicherheit und Zuverlässigkeit weiter verbessert werden.

Intel FPGAs und die Flexibilität, die sie für die Modifizierung der Logik bieten, werden sich wahrscheinlich als wertvolles Kapital erweisen, wenn es darum geht, mit den Sicherheitsanforderungen sowie mit diesen neuen intelligenten Verfahren und anderen rasanten Marktveränderungen umzugehen. Als einer der weltweit führenden Hersteller von Industrierobotern hat Yaskawa Electric bereits Intel FPGAs eingesetzt, um die Leistung und Präzision seiner Robotersteuerungen zu verbessern und die Implementierung funktionaler Sicherheit zu erleichtern. Durch die Einführung des Functional Safety Data Package von Intel haben sie darüber hinaus den Arbeitsaufwand für die Zertifizierung der funktionalen Sicherheit reduziert.

Angesichts der sich ständig weiterentwickelnden Umgebung für Roboter und andere Industriemaschinen sind die FPGAs von Intel und das Functional Safety Data Package bestens für den praktischen Einsatz geeignet.

Für weitere Informationen über funktionale Sicherheit in der Industrie besuchen Sie bitte unsere Website: https://www.intel.de/content/www/de/de/industrial-automation/programmable/applications/overview.html.

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