Sicherheit über Bord werfen
Warum drahtlose Not-Aus-Schalter das fehlende Glied in der Kette des Robotereinsatzes sind
Während autonome Systeme immer weiter verbreitet sind, setzen viele Erstausrüster und Systemintegratoren nach wie vor auf fest installierte, fest verdrahtete Not-Aus-Schalter, die nie für die heutige Arbeitsweise von Robotern konzipiert wurden. Das drahtlose Sicherheitsportfolio von Cattron bietet jedoch eine Alternative, von deren Existenz viele in der Branche noch nichts wissen.
In diesem Jahr macht ein Foto unter Fachleuten für Arbeitssicherheit die Runde. Es zeigt ein hochentwickeltes Robotersystem, das palettierte Kartons in einem Versandcontainer entlädt. Der Roboter arbeitet schnell, präzise und beeindruckend. Ein menschlicher Bediener beobachtet ihn dabei, die Hand über einem fest an einem Pfosten montierten Not-Aus-Schalter schwebend, und schaut zu. Er schaut nur zu.
Das Bild fängt in einem einzigen Bild das zentrale Paradoxon der modernen industriellen Automatisierung ein. Unternehmen investieren massiv in Robotersysteme, um die Effizienz zu steigern und die Arbeitskosten zu senken, und stellen dann eine Person ab, die neben einem Knopf steht – nur für den Fall der Fälle. Eine solche Regelung war sinnvoll, als Roboterarbeitszellen noch auf abgegrenzte Bereiche in Automobilwerken beschränkt waren. Sie ist jedoch deutlich weniger sinnvoll, wenn sich der Roboter in einem Anhänger befindet, autonom durch ein Lager rollt oder in einem Distributionszentrum neben ungeschultem Personal arbeitet.
„Es gibt Menschen, die diese Technologie noch nicht kennen“, sagte Mark Densley, Vertriebsleiter für industrielle Automatisierung bei Cattron. „Sie wissen nicht, dass es drahtlose Not-Aus-Systeme mit dieser Sicherheitszertifizierungsstufe gibt.“ Auf einer kürzlich stattgefundenen Fachmesse berichtete Densley von einem Gespräch mit einem Ingenieur eines großen Automobilherstellers, der einfach nicht glauben wollte, dass drahtlose Not-Aus-Systeme dieselben Sicherheitsstufen erreichen können wie ihre festverdrahteten Pendants.
„Das können sie“, versicherte ihm Densley. „Und das müssen sie auch immer mehr.“
Barrierefreiheitsprobleme bei fest verdrahteten Not-Aus-Schaltern
Die grundlegende Einschränkung eines fest verdrahteten Not-Aus-Schalters besteht darin, dass sich ein Bediener physisch in der Nähe des Schalters befinden muss, wenn etwas schiefgeht. In einer herkömmlichen Roboter-Arbeitszelle bedeutete dies, dass Not-Aus-Schalter an vorhersehbaren Stellen rund um einen eingezäunten Bereich angebracht wurden. Der Bediener wusste, wo sich die Schalter befanden, da der Arbeitsbereich des Roboters fest und klar definiert war.
Dieses Modell versagt jedoch, sobald Roboteranwendungen in dynamischere Umgebungen vordringen. Autonome Transportfahrzeuge bewegen sich frei durch Lagerhallen. Roboterarme mit einer Reichweite von 20 Fuß bewegen sich mit Geschwindigkeiten, bei denen bereits das Annähern an einen fest installierten Not-Aus-Schalter eine Gefahr an sich darstellt. Fördersysteme erstrecken sich über ganze Anlagen, wobei der nächste Not-Aus-Schalter Dutzende von Yards vom Ort des Ausfalls entfernt sein kann. In jedem Fall bleibt der fest verdrahtete Not-Aus-Schalter an der Stelle, an der er montiert ist, zuverlässig, doch die Entfernung zwischen dieser Stelle und dem Bediener, der ihn benötigt, schafft eine Lücke, die mit zunehmender Komplexität der Automatisierung immer größer wird.
„Die Zugänglichkeit ist die größte Herausforderung“, sagte Rebecca Weber, Produktmanagerin für Industrielösungen bei Cattron. „Je fortschrittlicher die Automatisierung wird, desto exponentieller steigen das Risiko und die Gefährdung für einen Bediener, der versucht, auf einen lokal montierten Not-Aus-Schalter zuzugreifen.“
Hinzu kommt ein praktisches Infrastrukturproblem. Die Verkabelung von Not-Aus-Schaltern in Robotersystemen verursacht zusätzliche Kosten, erhöht die Komplexität und schafft potenzielle Fehlerquellen. Ein Elektronikhersteller setzt derzeit drahtlose Not-Aus-Schalter von Cattron in einem Einstiegssystem ein, um gezielt die Kosten für die Verlegung von Kabeln in der Anlage zu vermeiden und so mit einer einzigen Entscheidung sowohl Stolpergefahren als auch den Wartungsaufwand zu beseitigen.
Zwei Lösungen für drahtlose Not-Aus-Schalter, zwei Sicherheitsstufen
Cattron bietet mit zwei sich ergänzenden Produkten, die für unterschiedliche Risikoprofile und funktionale Anforderungen entwickelt wurden, eine Lösung für die Herausforderung im Bereich der drahtlosen Not-Aus-Systeme.
Das Safe-E-Stop™ist ein SIL-3-zertifiziertes System, das vom TÜV Nord gemäß der Norm IEC 61508 geprüft und zertifiziert wurde. Es besteht aus einem persönlichen Sicherheitsgerät, das etwa die Größe eines Handfunkgeräts hat und am Gürtel oder an der Weste des Bedieners befestigt wird, sowie einem Maschinensicherheitsgerät, das in Reihe mit dem vorhandenen festverdrahteten Not-Aus-Stromkreis geschaltet wird. Das System bietet eine typische Not-Aus-Reaktionszeit von 320 Millisekunden, hat eine Reichweite von über 100 Metern und unterstützt bis zu fünf persönliche Sicherheitsgeräte, die gleichzeitig mit einem einzigen Maschinensicherheitsgerät verbunden sind. Die Akkus halten mit einer einzigen Ladung mehr als 14 Stunden und decken somit mehrere Schichten ab. Die persönlichen Geräte sind in fünf Farben erhältlich, um eine einfache Identifizierung über Teams und Bereiche hinweg zu ermöglichen.
Die Einstufung nach SIL 3 gewinnt insbesondere in Umgebungen an Bedeutung, in denen möglicherweise nicht geschultes Personal anwesend ist. Bei groß angelegten AGV-Einsätzen in Lagerhäusern beispielsweise teilen sich die autonomen Fahrzeuge die Fläche mit Lagerarbeitern, die möglicherweise nur begrenzt mit den Geräten vertraut sind. Die höhere Sicherheitsintegritätsstufe trägt diesem erhöhten Expositionsrisiko Rechnung.
Der Safe-D-Stop™ist gemäß EN/ISO 13849 für PL-d eingestuft und wurde speziell für Anwendungen im Bereich der Maschinensicherheit entwickelt. Er bietet denselben Komfort der drahtlosen Bedienung wie der Safe-E-Stop, verfügt jedoch über zusätzliche Funktionen, die ihn von einem reinen Not-Aus-Gerät unterscheiden. Zusätzlich zu seinem beleuchteten PL-d-Not-Aus-Schalter verfügt der Safe-D-Stop über zwei PL-d-Umschaltwippschalter, die für zusätzliche Steuerungsfunktionen konfiguriert werden können. Seine Reichweite beträgt bis zu 180 Meter, und die Batterielebensdauer liegt bei Verwendung von handelsüblichen AA-Alkalibatterien bei über 65 Stunden.
Diese Kippschalter eröffnen eine Anwendungsmöglichkeit, die weit über den Not-Aus-Betrieb hinausgeht. Bei fahrerlosen Transportfahrzeugen (AGVs) und autonomen Gabelstaplern nutzen Kunden sie zur Ausführung von Wartungsabläufen. Ein Betreiber autonomer Gabelstapler programmierte den gesamten Bewegungsbereich seiner Gabelzinken durch einmaliges Drücken eines Kippschalters, sodass ein Wartungstechniker den gesamten Mechanismus durchlaufen lassen kann, ohne zum HMI-Bedienfeld zurückkehren zu müssen. Ein großes Versand- und Logistikunternehmen nutzt den Safe-D-Stop ausschließlich als Wartungshandbediengerät, wodurch ein einzelner Techniker die Ausrüstung zur Fehlerbehebung direkt an der Maschine positionieren kann, anstatt dass eine zweite Person an einem entfernten Touchscreen erforderlich wäre.
„Dadurch wurde eine Person von der Wartungsarbeit entlastet“, sagte Densley. „Früher waren zwei Personen im Einsatz: Eine, die die Maschine im Auge behielt und Fehler behebte, und eine andere, die ziemlich weit entfernt am Bedienfeld saß und die Maschine in die Wartungsposition brachte. Jetzt kann eine Person das direkt von ihrem Standort aus erledigen.“
Die Unterscheidung zwischen den beiden Produkten steht in direktem Zusammenhang mit der Risikobewertung. PL-d ist für die meisten industriellen Anwendungen, bei denen geschultes Personal zum Einsatz kommt, allgemein anerkannt. SIL 3 wird vorgeschrieben, wenn ungeschulte Personen mit der Anlage in Berührung kommen könnten oder wenn die Folgen eines Ausfalls die höchste Integritätsstufe erfordern. Die Ausfallwahrscheinlichkeit des Safe-E-Stop von Cattron ist mit 1.140 bis 11.140 Jahren zertifiziert.
Die maschinenseitige Perspektive bei Not-Aus-Situationen
Die drahtlose Verbindung zwischen Bediener und Maschine ist nur so nützlich wie der Empfänger, der den Stoppbefehl in eine Aktion umsetzt. Die Multi-Interface-Maschinensteuerung XBMCU von Cattron dient als maschinenseitige Steuerung für den Safe-D-Stop und erweitert die Integrationsmöglichkeiten erheblich. Die XBMCU unterstützt PROFINET, Ethernet/IP, Dual-CAN-Bus und Modbus RS485 und bietet Systemintegratoren damit die Protokollflexibilität, dieselbe Hardware einzusetzen – unabhängig davon, ob die Anwendung auf Ethernet-basierte Protokolle zurückgreift, wie sie in der traditionellen industriellen Automatisierung üblich sind, oder auf CAN-basierte Protokolle, die im Bergbau und bei halbautonomen Baumaschinen vorherrschen.
Die XBMCU ermöglicht zudem die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation über das verschlüsselte RF-Protokoll von Cattron. In einer halbautonomen Bauanwendung nutzen zwei große Roboterarme, die auf gegenüberliegenden Schienen arbeiten, die XBMCU, um Sensordaten in Echtzeit auszutauschen. Wenn ein Arm eine Fehlausrichtung oder eine zeitliche Abweichung feststellt, stoppt das System den Betrieb sofort und schützt so die Maschinen, deren Wert bei Hunderttausenden von Dollar oder mehr liegen kann. In diesem Fall schützt das Sicherheitssystem nicht nur die menschlichen Bediener, sondern auch die Maschinen selbst.
Die Integration in bestehende Sicherheitsschaltungen ist unkompliziert. Der Empfänger von Cattron wird in Reihe mit der bestehenden festverdrahteten Not-Aus-Schaltung geschaltet und erscheint dem Sicherheitssystem als weiterer physischer Stoppunkt in der Schaltung. Das drahtlose Gerät erweitert diesen Punkt einfach dorthin, wo sich der Bediener gerade befindet.
Über Schichtgrenzen hinweg in Verbindung bleiben
Eine praktische Herausforderung beim autonomen 24-Stunden-Betrieb ist die Verwaltung drahtloser Not-Aus-Geräte über Schichtwechsel hinweg, ohne die Produktion anzuhalten. Cattron löst dieses Problem mit seinem patentierten „Link“- und „D-Link“-Verfahren, das es Bedienern ermöglicht, ihre persönlichen Not-Aus-Geräte durch eine gezielte Tastenfolge sicher an den Sicherheitskreis anzuschließen bzw. davon zu trennen. Ohne diese Funktion würde ein drahtloser Not-Aus, der – sei es aufgrund eines Schichtwechsels oder eines Batteriewechsels – offline geht, als Unterbrechung im Stromkreis registriert und das gesamte System zum Stillstand bringen.
Die Konfiguration und Inbetriebnahme erfolgen überCattronLink, das drahtlose Programmierwerkzeug von Cattron, das mit Bluetooth 5 und höher kompatibel ist. Bei XBMCU- und CBMCU-Installationen können neue Systeme über einen von Weber als „Copy-Paste-Mechanismus“ bezeichneten Vorgang in Betrieb genommen werden, bei dem Konfigurationen auf mehrere AGVs oder Roboterzellen übertragen werden, ohne jedes Mal von Grund auf neu beginnen zu müssen. Bei relaisbasierten Safe-E-Stop-Installationen kann ein geschulter Techniker das System in weniger als einem halben Tag vom Auspacken bis zur Betriebsbereitschaft in Betrieb nehmen. Cattron-Systeme auf XBMCU-Basis mit ihrer Plug-and-Play-Schnittstelle mit zwei Anschlüssen lassen sich sogar noch schneller in Betrieb nehmen.
Was der Markt nicht weiß
Auf die Frage, was Roboterhersteller und Systemintegratoren über drahtlose Not-Aus-Schalter unbedingt wissen sollten, gaben sowohl Weber als auch Densley dieselbe Antwort: dass diese Technologie existiert und dass sie die Sicherheitsanforderungen festverdrahteter Systeme erfüllt oder sogar übertrifft.
Diese Wissenslücke stellt sowohl eine Herausforderung als auch eine Chance für den Markt dar. Roboter-Arbeitszellen haben sich vom Schweißen in der Automobilindustrie auf die Bereiche Maschinenbeschickung, Palettierung, Lagerhaltung, Fördersteuerung und sogar die autonome Fahrzeugführung ausgeweitet. So setzt ein großer Automobilhersteller drahtlose Not-Aus-Schalter ein, um Elektroautos zu überwachen, die selbstständig vom Fließband fahren und autonom auf dem Gelände parken. Ein führender Freizeitparkbetreiber setzt auf drahtlose Not-Aus-Schalter der Sicherheitsstufe SIL 3 als spezielle Sicherheitsmaßnahme für autonome Animatronik-Figuren, die aus nächster Nähe mit Besuchern, darunter auch Kindern, interagieren.
Das sind keine Ausnahmefälle. Sie sind Anzeichen dafür, in welche Richtung sich die Automatisierung entwickelt und wo herkömmliche festverdrahtete Sicherheitssysteme zunehmend an ihre Grenzen stoßen. Wie Weber es formulierte, sind drahtlose Not-Aus-Schalter „der Schlüssel zur nächsten Generation sicherer autonomer Steuerung“.
Für den Bediener, der neben diesem Roboter steht und mit der Hand über einem Knopf schwebt, ist die Botschaft ganz einfach: Befestigen Sie ihn an Ihrem Gürtel, treten Sie einen Schritt zurück und lassen Sie die Maschine ihre Arbeit machen, während Sie sich um Ihre kümmern.