Bezpečná a efektivní integrace AMR do operací Průmyslu 4.0 k zajištění maximálního užitku

V reakci na rostoucí využívání autonomních mobilních robotů („autonomous mobile robots“, AMR), nazývaných také průmyslové mobilní roboty, v operacích Průmyslu 4.0, vydala nedávno Asociace pro pokrok v automatizaci („Association for Advancing Automation“, A3) spolu s Americkým národním standardizačním institutem („American National Standards Institute“, ANSI) druhé rozšíření své normy týkající se bezpečnosti AMR: ANSI/A3 R15.08-2, které podrobně popisuje požadavky na integraci, konfiguraci a přizpůsobení AMR nebo flotily AMR danému místu. Základním požadavkem je provedení posouzení rizik podle normy ANSI/ISO 12100 nebo ANSI B11.0. Nová norma doplňuje dříve vydanou normu R15.08-1, která se zaměřovala na bezpečný návrh a integraci AMR.

Řada norem R15.08 je postavena na starší bezpečnostní normě ANSI / Nadace pro vývoj standardů průmyslových vozíků („Industrial Truck Standards Development Foundation“, ITSDF) B56.5 pro automaticky řízené průmyslové vozíky („automated guided industrial vehicle“, AGV). Novější norma rozeznává tři třídy AMR na základě zahrnutí specifických funkcí a vlastností.

V tomto článku jsou stručně porovnány AMR a AGV a standard ANSI/ITSDF B56.5 a norma Mezinárodní organizace pro standardizaci („International Standards Organization“, ISO) 3691-4 oproti řadě norem ANSI/A3 R15.08. Poté jsou zde probrány strategie posuzování rizik uvedené v normě ANSI/ISO 12100 a ANSI B11.0, dále to, jak souvisí s AMR a jak jsou integrovány do řady norem R15.08-2. Článek se dále zabývá třemi třídami AMR definovanými v řadě norem R15.08-2 a uzavírá jej prezentace praktických aspektů integrace AMR, včetně toho, jak implementovat mapování a uvedení do provozu, jak spravovat flotily AMR a jak se orientovat v nových příležitostech pro virtuální uvedení do provozu pomocí simulace a digitálních dvojčat na příkladech od společností Omron Automation a Siemens.

AGV se mohou pohybovat pouze po předem určené a vyznačené dráze. Nemají žádné nezávislé navigační schopnosti. Zastaví se v případě, že narazí na překážku, a čekají, až bude odstraněna, a teprve poté jsou schopny pokračovat po stanovené dráze. AMR obsahují nezávislé navigační systémy a mohou dráhy měnit a pohybovat se kolem překážek (obrázek 1). Kvůli těmto rozdílům jsou AGV vhodnější pro relativně stabilní a neměnná prostředí, zatímco AMR podporují flexibilnější a škálovatelnější nasazení, jaká jsou potřebná v operacích Průmyslu 4.0.

Obrázek 1: AMR (vlevo) se pohybují kolem překážek, zatímco AGV (vpravo) se zastaví, když dorazí k překážce. (Zdroj obrázku: společnost Omron)

Vývoj norem

Některé normy týkající se AMR vyšly z dříve vyvinutých standardů pro AGV a stacionární roboty. Například norma EN 1525:1997 byla vyvinuta pro AGV a následně bez úprav aplikována na AMR. Novější norma ISO 3691-4 se vztahuje na AGV a má části věnované AMR.

ANSI/ITSDF B56.5 je bezpečnostní norma pro řízené průmyslové vozíky, řízené průmyslové vozíky bez řidičů a automatizované funkce průmyslových vozíků s řidičem. Nevztahuje se na AMR. Novější norma ANSI/RIA R15.08 je bezpečnostní standard pro použití AMR v průmyslovém prostředí. Vychází z normy R15.06 a rozšiřuje ji o bezpečné používání stacionárních robotických ramen.

Další důležitou normou je EN ISO 13849, která definuje úrovně vlastností („performance level“, PL) související s bezpečností pro různé typy zařízení. Existuje pět úrovní, od PLa po PLe, se stále přísnějšími požadavky. Výrobci AGV a AMR musí dosáhnout bezpečnosti PLd, která zajistí nepřetržitý bezpečný provoz v případě jediné poruchy, tj. pomocí redundantních systémů.

Norma ANSI/A3 R15.08-2 vyžaduje k integraci a nasazení AMR posouzení rizik. Posouzení rizik definovaná normami ISO 12100 a ANSI B11.0-2010 jsou velmi podobná, i když ne totožná. Norma ISO 12100 se zaměřuje na výrobce originálních zařízení, zatímco standard ANSI B11.0 se zaměřuje více na bezpečnost strojů a koncových uživatelů. Základy posouzení rizik jsou pro obě normy podobné.

Posouzení rizik

Posouzení rizik je vysoce strukturovaná analýza s cílem dosáhnout přijatelné úrovně rizika. Uznává, že žádný systém nebo prostředí není dokonalé – inherentní rizika lze řídit, ale ne eliminovat. Posouzení začíná stanovením limitů provozu stroje a identifikací nebezpečí, která mohou nastat, pokud stroj pracuje v blízkosti těchto limitů nebo mimo ně.

Následuje odhad rizika, který se zaměřuje na pravděpodobnou závažnost poškození vyplývající z jednotlivých nebezpečí a pravděpodobnost výskytu. Velmi závažné nebezpečí s nízkou pravděpodobností výskytu může získat podobné hodnocení jako nebezpečí s méně závažným následkem, u kterého je vyšší pravděpodobnost výskytu. Všechna identifikovaná rizika se vyhodnocují a seřadí tak, aby bylo možné stanovit priority úsilí o snížení rizik. Posouzení rizik může být iterativní proces, který identifikuje nejzávažnější rizika a snižuje pravděpodobnost jejich výskytu anebo závažnost jejich výsledku, dokud se nedosáhne přijatelné úrovně zbytkového rizika (obrázek 2).

Obrázek 2: Klíčové součásti posouzení rizik zahrnují analýzu, hodnocení a snížení rizik. (Zdroj obrázku: společnost SICK)

Třídy AMR

Norma R15.08 rozeznává tři typy AMR:

Typ A: Pouze platforma AMR. Na rozdíl od AGV mohou AMR typu A fungovat jako nezávislé systémy, aniž by vyžadovaly změny prostředí. Mohou zahrnovat volitelné funkce, jako je systém správy baterií, schopnost samostatně najít nabíječku a dobít baterii, možnost integrace s centralizovaným softwarem pro správu vozového parku atd. AMR typu A se nejčastěji používají k přesunu materiálů po továrně nebo skladu.

Typ B: AMR typu A s přidáním pasivního nebo aktivního přídavného zařízení, které není manipulátorem (obrázek 3). Typická přídavná zařízení zahrnují dopravníky, válečkové dopravníky, pevné nebo odnímatelné zásobníky, zvedací zařízení, systémy vidění, vážicí stanice atd. AMR typu B lze použít pro složitější logistické úkoly. Systémy vidění lze použít ke kontrole a identifikaci výrobků, vážení (nebo odhadování počtu) dílů a tak dále.

Obrázek 3: AMR typu B s přídavným zařízením – válečkovým dopravníkem. Na obrázku jsou uvedeny také typické navigační a bezpečnostní systémy společné pro všechny tři typy AMR. (Zdroj obrázku: společnost Omron)

Typ C: AMR typu A s přidáním manipulátoru. Manipulátor může být robotické rameno se třemi nebo více osami pohybu. AMR typu C mohou být navrženy tak, aby fungovaly jako kolaborativní roboty (koboty) pracující po boku člověka. Mohou být také obsluhou strojů, provádět operace vychystávání a osazování, provádět složité kontrolní úkoly, provádět sklizeň a pletí v zemědělských podmínkách atd. Některé konstrukce se mohou přesouvat z místa na místo a na každé stanici vykonávat různé úkoly.

Uvedení do provozu, mapování a sledování světel

Všechny tři typy AMR jsou navrženy tak, aby zjednodušovaly nasazení. Ve srovnání s AGV, které vyžadují rozsáhlou instalaci infrastruktury, není k nasazení AMR nutná žádná konstrukce a potřeby programování mohou být minimální. Základní uvedení do provozu je proces o čtyřech krocích (obrázek 4):

• AMR se dodává s nainstalovaným veškerým potřebným softwarem. Prvním úkolem je namontovat a nabít baterii.
• Mapování je kriticky důležité a lze jej provést ručně nebo automaticky. Při ručním mapování ovládá AMR technik a vozí jej po závodu, aby se vozík seznámil s prostředím. Laserem naváděné AMR dokážou automaticky skenovat až 93 čtverečních metrů (1 000 čtverečních stop) za minutu, vytvářet mapy zachycující všechny prvky v bezprostředním okolí a výslednou mapu bezdrátově odesílat do centrálního počítače. V obou případech lze mapy pro bezpečný provoz přizpůsobit pomocí virtuálních tras a zakázaných linií a lze je sdílet napříč flotilami AMR.
• Nastavení cílů zahrnuje identifikaci míst nakládky a vykládky.
• Posledním krokem je přiřazení úkolu a zahrnuje plánování a koordinaci různých AMR ve vozovém parku a integraci se softwarem plánování podnikových zdrojů („Enterprise Resource Planning“, ERP), systémem pro řízení výroby („Manufacturing Execution System“, MES) a systémem pro řízení skladu („Warehouse Management System“, WMS).

Obrázek 4: AMR se dodávají s kompletním nainstalovaným softwarem a lze je rychle uvést do provozu a integrovat do produkčního prostředí. (Zdroj obrázku: společnost Omron)

Kromě mapování závodu pomocí laserového skenování používají některé AMR společnosti Omron kameru k detekci a zakreslování umístění stropních světel. Vozík vytváří a překrývá „světelnou mapu“ standardní „podlahovou mapou“.

Laserová lokalizace dokáže do určité míry tolerovat měnící se prostředí na podlaze. Předpokládejme, že se více než 80 % prvků změní, například v expedičním doku, kde palety nebo pojízdné vozíky neustále mění svou polohu. V takovém případě je laserová lokalizace méně užitečná a přidání světelné mapy zvyšuje spolehlivost navigace. Použití světelné mapy také umožňuje AMR snadněji navigovat po rozsáhlých otevřených plochách ve velkých závodech.

Správa flotil robotů

Efektivní správa flotil robotů může výhody používání AMR znásobit. Může podporovat centralizované řízení a koordinovaný provoz smíšených typů AMR a poskytovat data a analýzy potřebné k maximalizaci provozní efektivity. Některé společné funkce systémů správy vozového parku AMR jsou například:

Optimalizované přidělování úkolů je založeno na schopnostech jednotlivých robotů ve flotile, jejich aktuálním umístění a předvídání, kde se bude nacházet další úkol.

Řízení dopravy zahrnuje plánování míst a časů nakládky a vykládky pro maximální efektivitu a upozorňování robotů na změny cíle nebo nové překážky, což jim umožňuje přepočítávat jejich cestu k zajištění maximální efektivity a bezpečnosti.

Správa nabíjení sleduje úroveň nabití baterie jednotlivých robotů ve flotile, což umožňuje proaktivní nabíjení a maximální dobu provozuschopnosti.

Koordinované aktualizace softwaru napříč flotilou, aby byla pro jednotlivé typy robotů zajištěna dostupnost nejnovější verze.

Podniková integrace propojuje software pro správu vozového parku se systémy ERP, MES a WMS, takže úlohy lze do vozového parku přidělovat a plánovat automaticky v reálném čase.

Virtuální uvedení do provozu

Kombinace digitálních dvojčat a simulačního softwaru umožňuje virtuální uvedení do provozu. V tomto případě je digitální dvojče virtuální reprezentací AMR. Digitální dvojčata lze použít k virtuálnímu ověření výkonnosti jednotlivých AMR i flotil AMR. Virtuální uvedení do provozu využívá robotický simulační software ke kombinaci digitálních dvojčat AMR s digitálním dvojčetem okolního prostředí (obrázek 5).

Obrázek 5: Digitální dvojčata AMR lze virtuálně vložit do simulovaného továrního prostředí a simulovat virtuální uvedení do provozu. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

Virtuální zprovoznění AMR lze použít také k integraci a koordinaci provozu robotů od několika výrobců. Během procesu virtuálního uvádění do provozu mohou technici vytvořit rychle a efektivně více scénářů k ověření správného fungování celého systému, nejen izolovaných AMR.

Pomocí digitálních dvojčat a simulace lze také implementovat virtuální testování a ladění bezpečnosti. K testování různých nepředvídaných událostí a zajištění správného fungování bezpečnostních protokolů mohou být virtuální AMR vystaveny anomálním situacím.

Možnost implementovat virtuální ladění může urychlit nasazení flotil AMR. Ladění flotil fyzických AMR po nasazení je totiž problematické a časově náročné. Představuje to přerušení práce a negativní ovlivnění produktivity závodu. Při virtuálním ladění nedochází k zastavení práce a uživatelé mají jistotu, že AMR budou v reálném světě fungovat podle očekávání.

Závěr

Nasazení AMR je stále častější v celé řadě instalací Průmyslu 4.0. Prostředí standardů pro AMR se vyvíjí, aby odpovídalo požadavkům na bezpečnou a efektivní integraci, konfiguraci a přizpůsobení AMR nebo flotily AMR na místě. Klíčovým požadavkem v rámci nových norem je provedení posouzení rizik v souladu s normami ANSI a ISO. S nástupem virtuálního uvedení do provozu pomocí digitálních dvojčat a simulace se vyvíjejí také nástroje pro uvádění AMR do provozu.

Toto byl první článek z dvoudílné série a zaměřil se na důsledky nedávno vydané normy R15.08-2 týkající se bezpečnosti, posouzení rizik a uvádění AMR do provozu. Druhý článek je napsán v očekávání vydání normy R15.08-3, která je v současné době ve vývoji a bude se zabývat tématem fúze senzorů v AMR.