Als Reaktion auf den zunehmenden Einsatz autonomer mobiler Roboter (AMRs), auch industrielle mobile Roboter genannt, im Industrie-4.0-Betrieb hat die Association for Advancing Automation (A3) zusammen mit dem American National Standards Institute (ANSI) kürzlich die zweite Stufe veröffentlicht seines Sicherheitsstandards für AMRs: ANSI/A3 R15.08-2, der die Anforderungen für die Integration, Konfiguration und Anpassung eines AMR oder einer AMR-Flotte in einen Standort detailliert beschreibt. Eine wesentliche Voraussetzung ist die Durchführung einer Risikobewertung nach ANSI/ISO 12100 oder ANSI B11.0. Der neue Standard ergänzt den zuvor veröffentlichten R15.08-1, der sich auf das sichere Design und die Integration von AMRs konzentrierte.
Die Normenreihe R15.08 baut auf dem früheren Sicherheitsstandard B56.5 der ANSI/Industrial Truck Standards Development Foundation (ITSDF) für fahrerlose Transportfahrzeuge (FTS) auf. Der neuere Standard erkennt drei Klassen von AMRs basierend auf der Einbeziehung spezifischer Funktionen und Merkmale.
In diesem Artikel werden AMRs und AGVs sowie ANSI/ITSDF B56.5 und International Standards Organization (ISO) 3691-4 kurz mit ANSI/A3 R15.08 verglichen. Anschließend werden die Risikobewertungsstrategien überprüft, die in ANSI/International Standards Organization (ISO) 12100 und ANSI B11.0 dargelegt sind, wie sie sich auf AMR beziehen und wie sie in R15.08-2 integriert sind. Als nächstes werden die drei in R15.08-2 definierten AMR-Klassen besprochen, bevor mit einer Präsentation praktischer Überlegungen zur AMR-Integration geschlossen wird, einschließlich der Implementierung von Kartierung und Inbetriebnahme, der Verwaltung von AMR-Flotten und der Erschließung neuer Möglichkeiten virtuelle Inbetriebnahme mittels Simulation und digitalen Zwillingen anhand von Beispielen von Omron Automation und Siemens.
AGVs können nur auf einem vorgegebenen und markierten Weg fahren. Sie verfügen über keine eigenständige Navigationsfähigkeit. Sie halten an, wenn sie auf ein Hindernis stoßen, und warten darauf, dass es beseitigt wird, bevor sie auf dem festgelegten Weg weiterfahren. AMRs umfassen unabhängige Navigationssysteme und können Pfade ändern und Hindernisse umgehen (Abbildung 1). Aufgrund dieser Unterschiede eignen sich AGVs besser für relativ stabile und unveränderliche Umgebungen, während AMRs flexiblere und skalierbarere Bereitstellungen unterstützen, wie sie im Industrie-4.0-Betrieb erforderlich sind.
Standardentwicklung
Einige AMR-Standards sind aus zuvor entwickelten Standards für AGVs und stationäre Roboter hervorgegangen. Beispielsweise wurde EN 1525:1997 für AGVs entwickelt und anschließend ohne Änderung auf AMRs angewendet. Die neuere Norm ISO 3691-4 deckt AGVs ab und enthält Abschnitte, die AMRs gewidmet sind.
ANSI/ITSDF B56.5 ist ein Sicherheitsstandard für geführte Industriefahrzeuge, unbemannte geführte Industriefahrzeuge und die automatisierten Funktionen bemannter Industriefahrzeuge; Es deckt keine Antibiotikaresistenzen ab. Der neuere ANSI/RIA R15.08 ist ein Sicherheitsstandard für den Einsatz von AMRs in industriellen Umgebungen. Es basiert auf dem R15.06-Standard und wurde von diesem erweitert, um die sichere Verwendung stationärer Roboterarme zu ermöglichen.
Eine weitere wichtige Norm ist die EN ISO 13849, die die Sicherheitsleistungsniveaus (PLs) für verschiedene Arten von Geräten definiert. Es gibt fünf Stufen, von PLa bis PLe, mit immer strengeren Anforderungen. Hersteller von AGVs und AMR müssen PLd-Sicherheit erreichen, die einen kontinuierlichen sicheren Betrieb im Falle eines einzelnen Fehlers gewährleistet, z. B. durch den Einsatz redundanter Systeme.
ANSI/A3 R15.08-2 erfordert eine Risikobewertung für die Integration und Bereitstellung von AMRs. Die in ISO 12100 und ANSI B11.0-2010 definierten Risikobewertungen sind sehr ähnlich, wenn auch nicht identisch. ISO 12100 richtet sich an Erstausrüster, während ANSI B11.0 sich mehr auf Maschinen und Endbenutzersicherheit konzentriert. Die Grundlagen der Risikobewertung sind bei beiden Standards ähnlich.
Risikobewertung
Eine Risikobewertung ist eine hochstrukturierte Analyse, um ein akzeptables Risikoniveau zu ermitteln. Es erkennt an, dass kein System und keine Umgebung perfekt ist. Inhärente Risiken können bewältigt, aber nicht beseitigt werden. Zunächst werden die Betriebsgrenzen der Maschine ermittelt und Gefahren identifiziert, die entstehen können, wenn die Maschine in der Nähe oder außerhalb dieser Grenzen betrieben wird.
Als nächstes erfolgt die Risikoabschätzung, bei der die wahrscheinliche Schwere des Schadens durch jede Gefahr und die Wahrscheinlichkeit ihres Eintretens untersucht werden. Eine sehr schwerwiegende Gefahr mit geringer Eintrittswahrscheinlichkeit kann eine ähnliche Einstufung erhalten wie eine Gefahr mit weniger schwerwiegendem Ausgang, deren Eintritt wahrscheinlicher ist. Alle identifizierten Risiken werden bewertet und in eine Rangfolge gebracht, um Maßnahmen zur Risikominderung zu priorisieren. Die Risikobewertung kann ein iterativer Prozess sein, bei dem die schwerwiegendsten Risiken identifiziert und ihre Eintrittswahrscheinlichkeit und/oder die Schwere ihres Ergebnisses verringert werden, bis ein akzeptables Restrisikoniveau erreicht ist (Abbildung 2).
AMR-Klassen
R15.08 erkennt drei Arten von AMRs:
Typ A: Nur AMR-Plattform. Im Gegensatz zu AGVs können AMRs vom Typ A als unabhängige Systeme funktionieren, ohne dass Änderungen in der Umgebung erforderlich sind. Sie können optionale Funktionen wie ein Batteriemanagementsystem, die Möglichkeit, ein Ladegerät unabhängig zu lokalisieren und seine Batterie aufzuladen, die Möglichkeit zur Integration in zentralisierte Flottenmanagementsoftware usw. umfassen. AMRs vom Typ A werden am häufigsten zum Transport von Materialien in einer Fabrik oder einem Lager verwendet .
Typ B: Ein AMR vom Typ A mit zusätzlicher passiver oder aktiver Befestigung, die kein Manipulator ist (Abbildung 3). Zu den typischen Anbaugeräten gehören Förderbänder, Rolltische, feste oder abnehmbare Behälter, Hebevorrichtungen, Bildverarbeitungssysteme, Wiegestationen usw. AMRs vom Typ B können für komplexere Logistikaufgaben eingesetzt werden. Bildverarbeitungssysteme können zur Produktinspektion und -identifizierung, zum Wiegen (oder Schätzen der Anzahl) von Teilen usw. verwendet werden.
Typ C: Ein AMR vom Typ A mit dem Zusatz eines Manipulators. Der Manipulator kann ein Roboterarm mit drei oder mehr Bewegungsachsen sein. AMRs vom Typ C können als kollaborative Roboter (Cobots) konzipiert werden, die mit Menschen zusammenarbeiten. Sie können auch als Maschinenbediener fungieren, Pick-and-Place-Vorgänge durchführen, komplexe Inspektionsaufgaben erledigen, in der Landwirtschaft ernten und Unkraut jäten usw. Einige Konstruktionen können sich von Ort zu Ort bewegen und an jeder Station unterschiedliche Aufgaben ausführen.
Inbetriebnahme, Kartierung und Verfolgung der Lichter
Alle drei Arten von AMRs sind darauf ausgelegt, die Bereitstellung zu vereinfachen. Im Vergleich zu AGVs, die umfangreiche Infrastrukturinstallationen erfordern, ist für den AMR-Einsatz keine Konstruktion erforderlich und der Programmieraufwand kann minimal sein. Die grundlegende Inbetriebnahme erfolgt in vier Schritten (Abbildung 4):
- Der AMR wird mit der gesamten erforderlichen Software geliefert. Die erste Aufgabe besteht darin, den Akku einzubauen und aufzuladen.
- Die Zuordnung ist von entscheidender Bedeutung und kann manuell oder automatisch implementiert werden. Bei der manuellen Kartierung steuert ein Techniker den AMR und führt ihn durch die Anlage, damit er sich über die Umgebung informieren kann. Lasergesteuerte AMRs können automatisch bis zu 1,000 Quadratfuß pro Minute scannen, um Karten zu erstellen, die alle Merkmale in der unmittelbaren Umgebung erfassen, und die resultierende Karte drahtlos an einen zentralen Computer senden. In beiden Fällen können Karten für einen sicheren Betrieb mit virtuellen Routen und verbotenen Linien angepasst und von AMR-Flotten gemeinsam genutzt werden.
- Das Festlegen von Zielen umfasst die Identifizierung von Abhol- und Abgabeorten.
- Die Aufgabenzuweisung ist der letzte Schritt und umfasst die Planung und Koordination der verschiedenen AMRs in der Flotte sowie die Integration mit Enterprise Resource Planning (ERP), dem Manufacturing Execution System (MES) und dem Warehouse Management System (WMS).
Zusätzlich zur Kartierung einer Anlage mittels Laserscanning verwenden einige AMRs von Omron eine Kamera, um die Position von Deckenleuchten zu erkennen und zu lokalisieren. Es erstellt eine „Lichtkarte“ und überlagert diese mit der standardmäßigen „Bodenkarte“.
Die Laserlokalisierung kann bis zu einem gewissen Grad wechselnde Umgebungen auf dem Boden tolerieren. Angenommen, über 80 % der Funktionen ändern sich, beispielsweise an einer Versandrampe, wo Paletten oder Rollwagen ständig ihren Standort wechseln. In diesem Fall ist die Laserlokalisierung weniger sinnvoll und das Hinzufügen der Lichtkarte erhöht die Zuverlässigkeit der Navigation. Durch die Verwendung der Lichtkarte können AMRs außerdem einfacher über weitläufige Bereiche in großen Einrichtungen navigieren.
Verwalten von Roboterflotten
Durch ein effektives Management von Roboterflotten können die Vorteile des Einsatzes von AMRs vervielfacht werden. Es kann die zentrale Steuerung und den koordinierten Betrieb gemischter AMR-Typen unterstützen und die Daten und Analysen bereitstellen, die zur Maximierung der betrieblichen Effizienz erforderlich sind. Zu den gemeinsamen Merkmalen von AMR-Flottenmanagementsystemen gehören:
Optimierte Aufgabenzuweisungen basieren auf den Fähigkeiten jedes Roboters in der Flotte, seinen aktuellen Standorten und der Erwartung, wo sein nächster Einsatz stattfinden wird.
Verkehrsregelung Dazu gehört die Planung von Abhol- und Abgabeorten und -zeiten für maximale Effizienz sowie die Benachrichtigung von Robotern über Zieländerungen oder neue Hindernisse, sodass sie ihren Weg für maximale Effizienz und Sicherheit neu berechnen können.
Lademanagement Verfolgt den Batterieladezustand jedes Roboters in der Flotte und ermöglicht so proaktives Laden und maximale Betriebszeit.
Koordinierte Software-Updates in der gesamten Flotte, um sicherzustellen, dass für jeden Robotertyp die neueste Version verfügbar ist.
Unternehmensintegration verbindet die Flottenmanagementsoftware mit ERP-, MES- und WMS-Systemen, sodass Aufträge automatisch und in Echtzeit für die Flotte zugewiesen und geplant werden können.
Virtuelle Inbetriebnahme
Eine Kombination aus digitalen Zwillingen und Simulationssoftware ermöglicht eine virtuelle Inbetriebnahme. In diesem Fall ist ein digitaler Zwilling eine virtuelle Darstellung eines AMR. Mithilfe digitaler Zwillinge kann die Leistung einzelner AMRs und Flotten von AMRs virtuell validiert werden. Bei der virtuellen Inbetriebnahme wird eine Robotik-Simulationssoftware verwendet, um die digitalen Zwillinge von AMRs mit einem digitalen Zwilling der Umgebung zu kombinieren (Abbildung 5).
Mit AMR Virtual Commissioning können auch Roboter verschiedener Hersteller integriert und koordiniert werden. Während des virtuellen Inbetriebnahmeprozesses können Ingenieure schnell und effizient mehrere Szenarien erstellen, um die ordnungsgemäße Funktion des gesamten Systems und nicht nur einzelner AMRs zu überprüfen.
Virtuelle Sicherheitstests und Debugging können auch mit digitalen Zwillingen und Simulation umgesetzt werden. Virtuelle AMRs können anomalen Situationen ausgesetzt werden, um verschiedene Eventualitäten zu testen und das ordnungsgemäße Funktionieren von Sicherheitsprotokollen sicherzustellen.
Die Möglichkeit, virtuelles Debugging zu implementieren, kann den Einsatz von AMR-Flotten beschleunigen. Debugging-Flotten von physikalisch AMRs nach der Bereitstellung sind herausfordernd und zeitaufwändig. Dies führt zu Arbeitsunterbrechungen und wirkt sich negativ auf die Produktivität der Anlage aus. Es gibt keine Arbeitsunterbrechungen virtuell Debuggen, und Benutzer können sicher sein, dass die AMRs in der realen Welt wie erwartet funktionieren.
Zusammenfassung
AMR-Einsätze werden in einer Vielzahl von Industrie 4.0-Installationen immer häufiger eingesetzt. Die Standardlandschaft für AMRs entwickelt sich weiter, um den Anforderungen für die sichere und effiziente Integration, Konfiguration und Anpassung eines AMR oder einer AMR-Flotte an einem Standort gerecht zu werden. Eine Risikobewertungsleistung ist eine zentrale Anforderung innerhalb der neuen Standards gemäß ANSI- und ISO-Standards. Auch die Werkzeuge für die AMR-Inbetriebnahme entwickeln sich mit dem Aufkommen der virtuellen Inbetriebnahme mittels digitaler Zwillinge und Simulation weiter.
Dies war der erste einer zweiteiligen Reihe und konzentrierte sich auf die Auswirkungen des kürzlich veröffentlichten Standards R15.08-2 auf Sicherheit, Risikobewertung und Inbetriebnahme von AMRs. Der zweite Artikel wurde im Vorgriff auf R15.08-3 geschrieben, der sich derzeit in der Entwicklung befindet und sich mit dem Thema Sensorfusion in AMRs befassen wird.