El controlador de robots Kuka KR C4 apuesta por EtherCAT

La aplicación de la tecnología EtherCAT en los controladores de robots Kuka acredita su eficacia desde el año 2010. El controlador compacto para los nuevos robots KR AGILUS y los nuevos robots ligeros LBR iiwa también se realizó en base a EtherCAT. Con este paso, EtherCAT de Beckhoff se encuentra integrado como tecnología base en todo el programa de controladores Kuka actual.

La empresa Kuka Roboter GmbH fue el primer fabricante de robots en el mundo en presentar en 1996 un controlador de robots basado exclusivamente en PCs y Windows. El éxito de esta primera generación de controladores puede atribuirse en buena medida al uso intuitivo de la tecnología Windows, aceptada por el cliente y ya conocida del mundo de la ofimática, y a la capacidad de rendimiento de la tecnología del PC. La utilización de productos entre los bienes de consumo del mundo de la tecnología de la información permite un alto grado de innovación y un elevado rendimiento a costes bajos. Cuando comenzaron las planificaciones para una nueva generación del controlador de robots fue prácticamente lógico el adoptar en el mundo de la automatización, además de Windows y los PCs, también otra tecnología ya madura del mundo de la TI: la comunicación integral con Ethernet. Para la comunicación interna del controlador se requiere un sistema de bus de alto rendimiento, rápido y determinístico. Esta es la razón por la cual Kuka apuesta desde 2010 por EtherCAT como bus de sistema para la serie de controladores KR C4 y por tanto nuevamente por estándares abiertos y de alto rendimiento.

Para la integración de un robot en una instalación de automatización se utiliza, en casos generales, un bus de campo estandarizado para la comunicación del controlador de robots hacia el exterior en el nivel I/O, así como en el nivel de célula e instalación. Este generalmente es determinado por el cliente y el controlador de robots tiene que poder conectarse a la correspondiente tecnología.

Pero también dentro del controlador de robots se requiere un tráfico de datos complejo entre los diversos componentes, como por ejemplo hacia los accionamientos y sensores de posición, para poder implementar las tareas de control y regulación con elevados requisitos de tiempo real. Además, los dispositivos internos tienen que intercambiar datos para la tecnología de seguridad y la infraestructura de control. También se deben mencionar la visualización y la operación. En la versión anterior del controlador de robots KR C4 se emplearon para estos requisitos diversas tecnologías de comunicación, lo que llevó a un gran número de diferentes conectores y cables.

Con la ayuda del sistema de visión totalmente integrado ‘Kuka VisionTech’, los robots pueden emplearse de forma flexible también en entornos no estructurados.

Durante la planificación del controlador Kuka actual, esta temática se consideró en profundidad teniendo en cuenta las tecnologías Ethernet actuales, que además de las propiedades conocidas del mundo de la TI, también permiten cumplir requisitos de tiempo real y seguridad con elevadas velocidades de datos. Ethernet presenta adicionalmente la ventaja de que por un cable se pueden transmitir diferentes protocolos, lo que contribuye enormemente a reducir el número de cables en el sistema.

Un objetivo importante del desarrollo fue utilizar tecnologías lo menos diferentes posibles para la comunicación, tanto hacia el exterior al nivel de bus de campo, como también hacia el interior, para lograr una elevada continuidad. Se debían evitar fundamentalmente las tecnologías propietarias sustituyéndolas por estándares industriales abiertos y con un uso lo más extendido posible. Adicionalmente se debía sustituir el hardware que limitaba el rendimiento por funciones de software inteligentes, lo que fue posible gracias a la elevada potencia de cálculo de los modernos PCs multinúcleo. Menos hardware significa un MTBF (tiempo promedio entre fallos) más alto, así como menores costes de desarrollo, unidad y logística. Estas unificaciones se tradujeron en una reducción de un tercio en los módulos de hardware e incluso de la mitad en los conectores y cables.

Las conexiones de bus de campo a los buses de campo basados en Ethernet, como Profinet o Ethernet/IP, se pudieron realizar sin el apoyo de hardware especial adicional, completamente a nivel de software, gracias a los controladores Ethernet presentes en el PC. Las conexiones a buses de campo tradicionales, como p. ej. PROFIBUS o DeviceNet, no se realizan a través de tarjetas de expansión en el controlador, sino a través de puertas de enlace de comunicación EtherCAT.

En la aplicación de Meiller Aufzugtüren GmbH, dos robots ‘Kuka KR Quantec K’ asumen todos los pasos de producción requeridos: soldar por resaltes, soldar por puntos, manipular, punzonar, conformar y por último depositar la hoja de puerta lista para su montaje.

Toda la comunicación interna y la comunicación hacia el nivel I/O de orden inferior se realiza mediante Ethernet estándar o EtherCAT. De esta forma, ahora solo se utilizan dos protocolos de comunicación diferentes en el controlador de robots KR C4 dentro de una física de bus continua (cables, conectores y chips de controlador de Ethernet).

Internamente se utiliza Ethernet estándar para controlar el dispositivo de mando manual Kuka para la conexión y sincronización temporal de varios controladores de robots en la unión RoboTeam o para la conexión de un portátil de ingeniería.

La aplicación de la tecnología de comunicación EtherCAT, además de Ethernet estándar, fue necesaria porque la tecnología Ethernet estándar no puede cumplir con los requisitos necesarios en relación a la capacidad de tiempo real y protocolos de seguridad. EtherCAT sirve como bus interno de accionamiento para controlar y consultar los accionamientos del robot y de los sensores de posición. EtherCAT se emplea además para controlar los módulos de seguridad internos destinados a la seguridad del robot y para los elementos de mando relacionados con la seguridad del SmartPad. Además, para el usuario se encuentra integrada una interfaz maestro EtherCAT para el control de módulos I/O locales o puertas de enlace, a buses de campo tradicionales.

Se escogió EtherCAT como tecnología de comunicación de seguridad y tiempo real, entre otros, porque presenta una serie de ventajas en comparación con otras tecnologías de tiempo real de Ethernet, que se acercan de forma idónea a los objetivos de desarrollo de KUKA. Por ejemplo, EtherCAT no requiere una conexión de hardware especial en el maestro, sino sólo en los esclavos. En el maestro es suficiente con un controlador Ethernet estándar, que se encuentran en gran número en el PC del KR C4. Los conectores y cables son idénticos al Ethernet estándar.

EtherCAT permite una elevada velocidad de tráfico de datos gracias a su procedimiento especial ‘on-the-fly’, que puede aprovechar casi al completo la máxima velocidad de datos neta posible de Ethernet de 100 MBit/s. Gracias a esto fue posible ejecutar muchas funciones a nivel de software en el PC de control, que de otra forma hubiesen tenido que ser externalizadas a módulos de hardware propietarios.

El protocolo de seguridad específico para EtherCAT Safety over EtherCAT (FSoE) puede comunicarse tanto por EtherCAT como también por Ethernet. FSoE permite al controlador de seguridad central del KR C4, basado en PC y también implementando completamente a nivel de software, controlar todos los dispositivos periféricos relevantes para la seguridad, como por ejemplo los módulos locales de seguridad para la seguridad del robot o los elementos de mando relevantes para la seguridad del SmartPad.

EtherCAT es, junto a los buses de campo Profinet y Ethernet/IP, una de las tecnologías de comunicación industrial basada en Ethernet más extendida, que cuenta con una gran comunidad. Se abre por lo tanto la posibilidad de acceder a los numerosos dispositivos esclavo EtherCAT disponibles en el mercado. Esto permite concebir nuevas soluciones de automatización. A favor de EtherCAT juega también la continuidad, ya que a lo largo de los años los estándares, protocolos y ASICs no han sufrido modificaciones.

Los autores, Bernd Fiebiger, Senior Developer System Engineering, y Heinrich Munz, Senior Developer System Engineering de Kuka Roboter GmbH en Augsburgo (de izquierda a derecha).