Sikker og effektiv integrering av AMR-er i Industri 4.0-virksomheter for å oppnå maksimal ytelse

Som respons på den økende bruken av autonome mobile roboter (AMR – autonomous mobile robot), også kalt industrielle mobile roboter, i Industri 4.0-virksomheter, har Association for Advancing Automation (A3), sammen med American National Standards Institute (ANSI), nylig lansert det andre tillegget til sikkerhetsstandarden for AMR-er: ANSI/A3 R15.08-2, som beskriver kravene for integrering, konfigurering og tilpasning av en individuell AMR eller flåte av AMR-er på et arbeidsområde. Et viktig krav er utførelsen av en risikovurdering i henhold til ANSI/ISO 12100 eller ANSI B11.0. Den nye standarden utfyller den tidligere utgitte R15.08-1, som fokuserte på sikker konstruksjon og integrering av AMR-er.

R15.08-serien av standarder bygger på den tidligere sikkerhetsstandarden ANSI/ITSDF (Industrial Truck Standards Development Foundation) B56.5 for automatiserte veiledede industrikjøretøy (AGV – Automated Guided Industrial Vehicles). Den nyere standarden gjenkjenner tre klasser av AMR-er basert på inkluderingen av spesifikke funksjoner og egenskaper.

Denne artikkelen sammenligner kort AMR-er og AGV-er og ANSI/ITSDF B56.5 og ISO (International Standards Organization) 3691-4 med ANSI/A3 R15.08. Den gjennomgår deretter risikovurderingsstrategiene som er skissert i ANSI/ISO 12100 og ANSI B11.0, hvordan de forholder seg til AMR-er og hvordan de er integrert i R15.08-2. Deretter gjennomgår den de tre klassene av AMR-er som er definert i R15.08-2, og avslutter så med en presentasjon av praktiske hensyn for AMR-integrering, inkludert hvordan man implementerer kartlegging og idriftsetting, hvordan man administrerer flåter av AMR-er og hvordan man navigerer nye muligheter for virtuell idriftsetting ved hjelp av simulering og digitale tvillinger ved hjelp av eksempler fra Omron Automation og Siemens.

AGV-er kan bare bevege seg langs en forhåndsbestemt og merket bane. De har ingen uavhengige navigasjonsfunksjoner. De stopper hvis de kommer til et hinder, og venter på at dette skal fjernes før de fortsetter langs den fastsatte banen. AMR-er inkluderer uavhengige navigasjonssystemer, og de kan endre baner og bevege seg rundt hindringer (figur 1). På grunn av disse forskjellene er AGV-er bedre egnet for relativt stabile og uforanderlige miljøer, mens AMR-er støtter mer fleksible og skalerbare distribusjoner, slik som de som trengs i Industri 4.0-virksomheter.

Figur 1: AMR-er (venstre) navigerer rundt hindringer mens AGV-er (høyre) stanser når de kommer til en hindring. (Bildekilde: Omron)

Standard utvikling

Noen AMR-standarder har utviklet seg fra tidligere utviklede standarder for AGV-er og stasjonære roboter. For eksempel ble EN 1525:1997 utviklet for AGV-er og ble senere brukt på AMR-er uten modifikasjoner. Den nyere ISO 3691-4-standarden dekker AGV-er og har avsnitt dedikert til AMR-er.

ANSI/ITSDF B56.5 er en sikkerhetsstandard for veiledede industrikjøretøy, ubemannede veiledede industrikjøretøy og de automatiske funksjonene til bemannede industrikjøretøy. Den dekker ikke AMR-er. Den nyere ANSI/RIA R15.08 er en sikkerhetsstandard for bruken av AMR-er i industrimiljøer. Den er basert på og utvidet fra R15.06-standarden for sikker bruk av stasjonære robotarmer.

En annen viktig standard er EN ISO 13849, som definerer sikkerhetsnivåene (PL – performance level) for ulike typer utstyr. Det er fem nivåer, fra PLa til PLe, der hvert etterfølgende nivå har strengere krav. AGV- og AMR-produsenter må oppnå sikkerhet på PLd-nivået, noe som sikrer kontinuerlig sikker drift i tilfelle en enkelt feil skulle oppstå. Dette oppnås ved å bruke redundante systemer.

ANSI/A3 R15.08-2 krever en risikovurdering for integrering og distribusjon av AMR-er. Risikovurderingene definert i ISO 12100 og ANSI B11.0-2010 er svært like, men ikke identiske. ISO 12100 retter seg mot produsenter av originalt utstyr, mens ANSI B11.0 fokuserer mer på sikkerhet for maskiner og sluttbrukere. Det grunnleggende om risikovurdering er likt for begge standardene.

Risikovurdering

En risikovurdering er en svært strukturert analyse for å komme frem til et akseptabelt risikonivå. Den erkjenner at intet system eller miljø er perfekt – iboende risiko kan håndteres, men ikke elimineres. Den begynner med å fastsette grensene for maskinens drift og identifiserer farer som kan oppstå hvis maskinen er virksom nær eller utenfor disse grensene.

Deretter kommer risikoestimering, som ser på den sannsynlige alvorlighetsgraden av skade fra hver fare, og sannsynligheten for at den skulle forekomme. En svært alvorlig fare med lav sannsynlighet for forekomst kan få en lignende farerangering som et mindre alvorlig utfall som er mer sannsynlig å forekomme. Alle identifiserte risikoer evalueres og rangeres for å prioritere risikoreduksjonstiltak. Risikovurdering kan være en iterativ prosess, som identifiserer de mest alvorlige risikoene og reduserer sannsynligheten for at de oppstår og/eller reduserer alvorlighetsgraden av utfallet helt til et akseptabelt nivå av gjenværende risiko er oppnådd (figur 2).

Figur 2: Viktige komponenter i en risikovurdering inkluderer risikoanalyse, -evaluering og -reduksjon. (Bildekilde: SICK)

AMR-klasser

R15.08 anerkjenner tre typer AMR-er:

Type A: Kun AMR-plattform. I motsetning til AGV-er kan Type A AMR-er fungere som uavhengige systemer uten å kreve miljømessige endringer. De kan inkludere valgfrie funksjoner, for eksempel et batteristyringssystem, evnen til å på egen hånd finne en lader og lade batteriet, evnen til å integrere med sentralisert flåtestyringsprogramvare, etc. Type A AMR-er brukes vanligvis til å flytte materialer rundt i en fabrikk eller et lager.

Type B: En type A AMR med et ekstra passivt eller aktivt tilbehør som ikke er en manipulator (figur 3). Typisk tilbehør inkluderer transportbånd, rullebord, faste eller flyttbare kasser, løfteinnretninger, maskinsyn, veiestasjoner osv. Type B AMR-er kan brukes for mer komplekse logistikkoppgaver. Maskinsyn kan brukes for produktinspeksjoner og -identifikasjon, deleveiing eller estimering av antall deler, og så videre.

Figur 3: Type B AMR med et rullebordtilbehør. Dette viser også typiske navigasjons- og sikkerhetssystemer som er felles for alle tre AMR-typene. (Bildekilde: Omron)

Type C: En type A AMR med en ekstra manipulator. Manipulatoren kan være en robotarm med tre eller flere bevegelsesakser. Type C AMR-er kan konstrueres for å fungere som samarbeidsroboter (cobot) som arbeider i samme område som mennesker. De kan også fungere som maskinbetjenter, utføre plukkrobot-handlinger, fullføre komplekse inspeksjonsoppgaver, høste og luke i landbruksomgivelser osv. Noen versjoner kan bevege seg fra sted til sted og utføre forskjellige oppgaver på hver stasjon.

Idriftsetting, kartlegging og følge lysene

Alle tre AMR-typene er konstruert for å forenkle implementeringen. Sammenlignet med AGV-er som krever omfattende infrastrukturinstallasjon, er det ikke nødvendig med noen konstruksjon for AMR-distribusjon, og programmeringsbehovene kan være minimale. Grunnleggende idriftsetting er en firetrinnsprosess (figur 4):

• AMR-en leveres med all nødvendig programvare installert. Den første oppgaven er å installere og lade batteriet.
• Kartlegging er kritisk og kan implementeres manuelt eller automatisk. For manuell kartlegging styrer en tekniker AMR-en, og tar den med seg rundt i anlegget slik at den kan lære om omgivelsene. Laserstyrte AMR-er kan automatisk skanne opptil 1000 kvadratfot per minutt for å lage kart som fanger opp alle detaljene i nærområdet, og sende det resulterende kartet trådløst til en sentral datamaskin. I begge tilfellene kan kart tilpasses med virtuelle ruter og forbudte linjer for sikker drift, og kan deles på tvers av hele AMR-flåter.
• Målsetting inkluderer identifisering av hentesteder og avleveringssteder.
• Oppgavetildeling er det siste trinnet og inkluderer planlegging og koordinering av de ulike AMR-ene i flåten, og integrering med Enterprise Resource Planning (ERP), Manufacturing Execution System (MES) og Warehouse Management System (WMS).

Figur 4: AMR-er kommer installert med komplett programvare og kan raskt tas i bruk og integreres i et produksjonsmiljø. (Bildekilde: Omron)

I tillegg til å kartlegge et anlegg ved å bruke laserskanning, bruker noen Omron AMR-er et kamera til å detektere og plotte plasseringen av overlys. Den oppretter og overlegger et «lyskart» med et standard «gulvkart».

Laserlokalisering kan tolerere skiftende omgivelser på anleggsgulvet opp til et visst punkt. Anta at over 80 % av funksjonene endres, for eksempel på en fraktbrygge der paller eller rullevogner stadig endrer plassering. I slike tilfeller er laserlokalisering mindre nyttig, så tilleggingen av lyskartet øker navigasjonens pålitelighet. Ved å bruke lyskartet kan AMR-er også enklere navigere på tvers av vidåpne områder i store anlegg.

Administrere robotflåter

Effektiv styring av robotflåter kan mangedoble fordelene ved å bruke AMR-er. Den kan støtte sentralisert styring og koordinert drift av blandede AMR-typer og levere dataene og analysene som trengs for å maksimere driftseffektiviteten. Noen vanlige funksjoner i AMR-flåtestyringssystemer omfatter:

Optimaliserte oppgavetildelinger er basert på egenskapene til hver robot i flåten, deres nåværende plasseringer og påvente av hvor deres neste oppgave vil befinne seg.

Trafikkstyring inkluderer planlegging av hente- og avleveringssteder og tidspunkter for maksimal effektivitet, samt varsling til roboter om destinasjonsendringer eller nye hindringer, slik at de kan beregne banen på nytt for å oppnå maksimal effektivitet og sikkerhet.

Ladestyring sporer batterinivået til hver robot i flåten, noe som muliggjør proaktiv lading og maksimal oppetid.

Koordinerte programvareoppdateringer på tvers av flåten for å sikre at den nyeste versjonen er tilgjengelig for hver robottype.

Virksomhetsintegrering kobler flåtestyringsprogramvaren til ERP-, MES- og WMS-systemer, slik at jobber kan tildeles og planlegges automatisk til flåten i sanntid.

Virtuell idriftsetting

En kombinasjon av digitale tvillinger og simuleringsprogramvare muliggjør virtuell idriftsetting. I dette tilfellet er en digital tvilling en virtuell representasjon av en AMR. Digitale tvillinger kan brukes til å virtuelt validere ytelsen til individuelle AMR-er og AMR-flåter. Virtuell idriftsetting bruker robotikksimuleringsprogramvare til å kombinere de digitale tvillingene til AMR-er med en digital tvilling for omgivelsene (figur 5).

Figur 5: Digitale tvillinger for AMR-er kan virtuelt innsettes i et simulert fabrikkmiljø for virtuell idriftsetting. (Bildekilde: Siemens)

Virtuell idriftsetting av AMR-er kan også brukes til å integrere og koordinere driften av roboter fra flere produsenter. Under den virtuelle idriftsettingsprosessen kan teknikere raskt og effektivt opprette flere scenarier for å bekrefte at hele systemet fungerer som det skal, ikke bare isolerte AMR-er.

Virtuell sikkerhetstesting og feilsøking kan også implementeres med digitale tvillinger og simulering. Virtuelle AMR-er kan utsettes for unormale situasjoner for å teste ulike uforutsette hendelser og sikre at sikkerhetsprotokollene fungerer som de skal.

Muligheten til å implementere virtuell feilsøking kan fremskynde distribusjonen av AMR-flåter. Det er utfordrende og tidkrevende å feilsøke flåter med fysiske AMR-er etter distribusjon. Dette innebærer arbeidsavbrudd, som negativt påvirker produktiviteten til anlegget. Det er ingen arbeidsavbrudd med virtuell feilsøking, og brukere kan være sikre på at AMR-ene vil fungere som forventet i den virkelige verden.

Konklusjon

AMR-distribusjoner blir stadig mer utbredt i et bredt spekter av Industri 4.0-installasjoner. Standardlandskapet for AMR-er utvikler seg for å imøtekomme kravene til sikker og effektiv integrering, konfigurering og tilpasning av en individuell AMR eller AMR-flåte på et arbeidsområde. En risikovurderingsytelse er et viktig krav i de nye standardene, i henhold til ANSI- og ISO-standarder. Verktøyene for AMR-idriftsetting utvikler seg også i takt med fremveksten av virtuell idriftsetting ved å bruke digitale tvillinger og simulering.

Dette var den første av en todelt serie, og den fokuserte på implikasjonene av den nylig utgitte R15.08-2-standarden angående sikkerhet, risikovurdering og idriftsetting av AMR-er. Den andre artikkelen er skrevet i påvente av R15.08-3, som for øyeblikket er under utvikling og vil ta for seg sensorfusjon i AMR-er.