Veiligheid loslaten

Waarom draadloze noodstopknoppen de ontbrekende schakel zijn in robottoepassingen

Terwijl autonome systemen steeds meer ingang vinden, vertrouwen veel OEM’s en integrators nog steeds op vaste, bedrade noodstops die nooit zijn ontworpen voor de manier waarop robots tegenwoordig werken, maar het draadloze veiligheidsassortiment van Cattron biedt een alternatief waarvan velen in de sector nog niet weten dat het bestaat.

Er doet dit jaar een foto de ronde onder professionals op het gebied van industriële veiligheid. Daarop is te zien hoe een geavanceerd robotsysteem dozen op pallets uitlaadt in een zeecontainer. De robot werkt snel, nauwkeurig en indrukwekkend. Een menselijke operator houdt de robot in de gaten; zijn hand zweeft boven een vaste noodstopknop die aan een paal is bevestigd, terwijl hij toekijkt. Hij kijkt alleen maar toe. 

De foto legt in één enkel beeld de centrale paradox van de moderne industriële automatisering vast. Bedrijven investeren fors in robotsystemen om de efficiëntie te verbeteren en de arbeidskosten te verlagen, maar zetten vervolgens toch iemand naast een knop, voor het geval dat. Dit soort opzet was logisch toen robotwerkcellen nog beperkt waren tot omheinde ruimtes in autofabrieken. Het is aanzienlijk minder logisch wanneer de robot zich in een oplegger bevindt, autonoom door een magazijn rijdt of samenwerkt met ongetraind personeel in een distributiecentrum. 

“Er zijn mensen die deze technologie nog niet kennen,” aldus Mark Densley, verkoopdirecteur – Industriële Automatisering bij Cattron. “Ze weten niet dat er draadloze noodstops bestaan met dit niveau van veiligheidscertificering.” Op een recente vakbeurs vertelde Densley over een gesprek met een ingenieur van een grote autofabrikant die simpelweg niet kon geloven dat draadloze noodstopsystemen dezelfde veiligheidsclassificaties konden behalen als hun bedrade tegenhangers. 

“Dat kunnen ze wel,” verzekerde Densley hem. “En dat moeten ze ook steeds vaker doen.” 

Toegankelijkheidsproblemen bij vast aangesloten noodstopknoppen 

De belangrijkste beperking van een vast geïnstalleerde noodstop is dat de operator zich fysiek in de buurt van de knop moet bevinden wanneer er iets misgaat. In een traditionele robotwerkcel betekende dit dat noodstops op voorspelbare locaties rondom een omheinde ruimte moesten worden aangebracht. De operator wist waar de knoppen zich bevonden, omdat de werkruimte van de robot vastlag en duidelijk was afgebakend. 

Dat model gaat niet meer op naarmate robottoepassingen zich uitbreiden naar dynamischere omgevingen. Autonoom geleide voertuigen rijden vrij rond in magazijnen. Robotarmen met een reikwijdte van 20 voet bewegen zich met snelheden waarbij het benaderen van een vaste noodstopknop op zich al een gevaar vormt. Transportbanden strekken zich uit over hele fabrieksterreinen, waarbij de dichtstbijzijnde noodstop soms tientallen yards verwijderd is van de plaats waar een storing optreedt. In elk geval blijft de bedrade noodstop betrouwbaar op de plek waar hij is gemonteerd, maar de afstand tussen die plek en de operator die er gebruik van moet maken, creëert een kloof die groter wordt naarmate de automatisering complexer wordt. 

“Toegankelijkheid is de grootste uitdaging”, aldus Rebecca Weber, productmanager voor de industriële oplossingen van Cattron. “Naarmate de automatisering geavanceerder wordt, nemen het risico en de blootstelling voor een operator die toegang probeert te krijgen tot een ter plaatse gemonteerde noodstop exponentieel toe.” 

Daarnaast speelt er ook een praktisch infrastructuurprobleem. Het aansluiten van noodstopknoppen op robotsystemen brengt extra kosten, complexiteit en mogelijke storingspunten met zich mee. Een elektronicafabrikant implementeert momenteel draadloze noodstopknoppen van Cattron in een toegangssysteem, juist om de kosten van het aanleggen van kabels door de installatie te vermijden, waardoor in één klap zowel struikelgevaar als onderhoudslast worden weggenomen. 

Twee oplossingen voor draadloze noodstops, twee veiligheidsniveaus

Cattron biedt een oplossing voor de uitdaging op het gebied van draadloze noodstops met twee elkaar aanvullende producten die zijn ontworpen voor verschillende risicoprofielen en functionele eisen. 

De Safe-E-Stop™is een SIL 3-gecertificeerd systeem, getest en gecertificeerd door TÜV Nord volgens de norm IEC 61508. Het bestaat uit een persoonlijk veiligheidsapparaat, ongeveer zo groot als een draagbare radio, dat aan de riem of het vest van een operator kan worden vastgeklikt, en een machineveiligheidsapparaat dat in serie wordt aangesloten op het bestaande, vast bedrade noodstopcircuit. Het systeem heeft een typische reactietijd bij een noodstop van 320 milliseconden, heeft een bereik van meer dan 100 meter en ondersteunt tot vijf persoonlijke veiligheidsapparaten die tegelijkertijd aan één machineveiligheidsapparaat zijn gekoppeld. De batterijen gaan meer dan 14 uur mee op één lading, wat voldoende is voor meerdere ploegen. De persoonlijke apparaten zijn verkrijgbaar in vijf kleuren, zodat ze gemakkelijk te herkennen zijn binnen verschillende teams en zones. 

De SIL 3-classificatie is met name van belang in omgevingen waar mogelijk ongetraind personeel aanwezig is. Bij grootschalige inzet van AGV’s in magazijnen delen de autonome voertuigen bijvoorbeeld de vloerruimte met magazijnmedewerkers die mogelijk onvoldoende bekend zijn met de apparatuur. Het hogere veiligheidsintegriteitsniveau houdt rekening met dat verhoogde blootstellingsrisico. 

De Safe-D-Stop™is gecertificeerd volgens PL-d onder EN/ISO 13849 en is speciaal ontworpen voor toepassingen op het gebied van machineveiligheid. Het apparaat biedt hetzelfde draadloze gebruiksgemak als de Safe-E-Stop, maar beschikt bovendien over extra functionaliteit waardoor het zich onderscheidt van een puur stopapparaat. Naast de verlichte PL-d-stopschakelaar beschikt de Safe-D-Stop over twee PL-d-omkeerschakelaars die kunnen worden geconfigureerd voor aanvullende besturingsfuncties. Het bereik bedraagt 180 meter en de gebruiksduur van de batterijen is meer dan 65 uur bij gebruik van standaard AA-alkalinebatterijen. 

Die tuimelschakelaars openen een toepassingsgebied dat veel verder reikt dan alleen noodstops. Bij AGV’s en autonome vorkheftrucks gebruiken klanten ze om onderhoudssequenties uit te voeren. Een exploitant van autonome vorkheftrucks programmeerde het volledige bewegingsbereik van de vorken van zijn vorkheftruck via een enkele druk op de tuimelschakelaar, waardoor een onderhoudstechnicus het gehele mechanisme kan doorlopen zonder terug te hoeven keren naar een HMI-paneel. Een groot transport- en logistiekbedrijf gebruikt de Safe-D-Stop uitsluitend als onderhoudshangbediening, waardoor één technicus de apparatuur vanaf de machine kan positioneren voor het oplossen van storingen, in plaats van dat er een tweede persoon bij een op afstand bediend touchscreen nodig is. 

“Hierdoor hoefde er één persoon minder onderhoudswerk te doen,” zei Densley. “Er waren twee mensen: één die de machine in de gaten hield en storingen oploste, en een ander die vrij ver weg bij de HMI zat en de machine via de HMI in de onderhoudsstand zette. Nu kan één persoon dit doen vanaf de plek waar hij of zij staat.” 

Het onderscheid tussen de twee producten hangt rechtstreeks samen met de risicobeoordeling. PL-d wordt algemeen aanvaard voor de meeste industriële toepassingen waarbij opgeleid personeel betrokken is. SIL 3 wordt voorgeschreven wanneer ongetrainde personen in aanraking kunnen komen met de apparatuur, of wanneer de gevolgen van een storing het hoogste integriteitsniveau vereisen. De uitvalkans van Cattron voor de Safe-E-Stop is gecertificeerd op 1.140-11.140 jaar. 

De machinekant van de noodstopvergelijking

De draadloze verbinding tussen de operator en de machine is slechts zo nuttig als de ontvanger die het stopcommando in actie omzet. De XBMCU multi-interface machinebesturingseenheid van Cattron fungeert als de besturing aan de machinezijde voor de Safe-D-Stop en breidt de integratiemogelijkheden aanzienlijk uit. De XBMCU ondersteunt PROFINET, Ethernet/IP, dubbele CAN-bus en Modbus RS485, waardoor systeemintegrators de protocolflexibiliteit krijgen om dezelfde hardware in te zetten, ongeacht of de toepassing gebruikmaakt van op Ethernet gebaseerde protocollen – die gebruikelijk zijn in traditionele industriële automatisering – of van op CAN gebaseerde protocollen – die veel voorkomen in de mijnbouw en bij semi-autonome bouwmachines. 

De XBMCU maakt ook machine-naar-machinecommunicatie mogelijk via het versleutelde RF-protocol van Cattron. In een semi-autonome bouwtoepassing gebruiken twee grote robotarmen, die op tegenover elkaar liggende rails werken, de XBMCU om in realtime sensorgegevens uit te wisselen. Als één arm een verkeerde uitlijning of een afwijking in de timing detecteert, stopt het systeem de werking onmiddellijk, waardoor apparatuur ter waarde van honderdduizenden dollars of meer wordt beschermd. In dit geval beschermt het veiligheidssysteem niet alleen de menselijke operators, maar ook de machines zelf. 

De integratie met bestaande veiligheidscircuits verloopt eenvoudig. De ontvanger van Cattron wordt in serie geschakeld met het bestaande, bedrade noodstopcircuit, waardoor hij voor het veiligheidssysteem fungeert als een extra fysiek stoppunt in de lus. Het draadloze apparaat breidt dat punt eenvoudigweg uit naar de plek waar de operator zich op dat moment bevindt.

In contact blijven tussen de diensten door

Een praktische uitdaging bij 24-uurs autonome bedrijfsvoering is het beheer van draadloze noodstopapparaten bij ploegwisselingen, zonder de productie stil te leggen. Cattron lost dit op met zijn gepatenteerde Link- en D-Link-proces, waarmee operators hun persoonlijke noodstopapparaten veilig kunnen koppelen aan en loskoppelen van het veiligheidscircuit door middel van een opzettelijke reeks knopdrukken. Zonder deze mogelijkheid zou een draadloze noodstop die offline gaat – hetzij door een ploegwisseling, hetzij door het verwisselen van de batterij – worden geregistreerd als een onderbreking in het circuit en het gehele systeem tot stilstand brengen. 

De configuratie en inbedrijfstelling verlopen viaCattronLink, de draadloze programmeertool van Cattron die compatibel is met Bluetooth 5 en hoger. Bij XBMCU- en CBMCU-implementaties kunnen nieuwe systemen in bedrijf worden gesteld via wat Weber omschreef als een „kopieer-en-plakmechanisme”, waarbij configuraties naar meerdere AGV’s of robotcellen worden gekopieerd zonder dat men telkens helemaal opnieuw hoeft te beginnen. Bij op relais gebaseerde Safe-E-Stop-installaties kan een opgeleide technicus het systeem in minder dan een halve dag uitpakken en operationeel maken. Cattron-systemen op basis van de XBMCU, met hun plug-and-play-interface met twee aansluitingen, kunnen zelfs nog sneller worden geïnstalleerd.

Wat de markt niet weet 

Toen hen werd gevraagd wat het allerbelangrijkste is dat fabrikanten van robotica en systeemintegrators moeten weten over draadloze noodstops, gaven zowel Weber als Densley hetzelfde antwoord: dat de technologie bestaat en dat deze voldoet aan de veiligheidsnormen van bedrade systemen of deze zelfs overtreft. 

Die kenniskloof vormt zowel een uitdaging als een kans voor de markt. Robotwerkcellen hebben zich uitgebreid van laswerk in de automobielindustrie naar machinebediening, palletiseren, magazijnbeheer, transportbandbesturing en zelfs het begeleiden van autonome voertuigen, waarbij een grote autofabrikant gebruikmaakt van draadloze noodstops om elektrische auto’s te monitoren die zelfstandig van de assemblagelijn rijden en autonoom op het terrein parkeren. Een toonaangevende exploitant van pretparken vertrouwt op draadloze noodstops met SIL 3-classificatie als de specifieke veiligheidslaag voor autonome animatronische figuren die op korte afstand interactie hebben met bezoekers, waaronder kinderen. 

Dit zijn geen uitzonderingsgevallen. Het zijn aanwijzingen voor de richting waarin automatisering zich ontwikkelt en waar traditionele, bedrade veiligheidssystemen steeds vaker tekortschieten. Zoals Weber het formuleerde, vormen draadloze noodstops „de sleutel tot de volgende generatie veilige autonome besturing“. 

Voor de operator die naast die robot staat met zijn hand boven een knop: de boodschap is simpel: maak het aan je riem vast, doe een stap achteruit en laat de machine zijn werk doen, terwijl jij het jouwe doet.