Roboter und FTS: Safety Solution ohne Gitter und Zäune

In Smart Factories funktioniert der Warenfluss vollautomatisiert. Das heißt: Material für die Produktion wird in vorbereiteten Containern auf Bereitstellungsflächen zur Verfügung gestellt, auch „Supermarkt“ genannt. Materialbedarfsmeldungen erfolgen digital direkt aus dem Produktionsbereich. Für die Versorgung der Roboterzellen mit den benötigten Teilen und für die Abholung der bearbeiteten Komponenten kommen fahrerlose Transportsysteme (FTS) zum Einsatz. Die automatisierten Abläufe an diesen Übergabestationen, an denen FTS mit Roboterzellen interagieren, müssen gefahrlos und zugleich effizient gestaltet werden.

Das gelingt nur mit zuverlässigen Sicherheitslösungen: FTS passieren die Gefahrbereiche, ohne dass die Roboterzellen ihre Arbeit unterbrechen, und Personen dürfen zu keinem Zeitpunkt unbemerkt in diese Areale gelangen. Genau für solche Anwendungsfälle hat der Sensorspezialist Leuze ein Sicherheitskonzept entwickelt, das auf solche Übergabestationen in smarten Produktionsumgebungen maßgeschneidert ist.

Systeme müssen zusammenarbeiten

Für die automatisierte Materialübergabe zwischen FTS und Roboter braucht es eine ganzheitliche Betrachtung der Sicherheitsfunktionen an den Übergabestationen. Relevant sind in diesem Zusammenhang die Einfahrt des FTS in die Station, das Erreichen der Übergabeposition sowie die Ausfahrt. Die FTS selbst sind zwar durch ihre integrierten Sensoren gesichert – beispielsweise über Sicherheits-Laserscanner. Und die Roboterzellen wiederum erkennen per Sensorik, ob sich eine Person dem gefährlichen Arbeitsbereich nähert. Doch für eine automatisierte Materialübergabe zwischen FTS und Roboter gilt: Die unterschiedlichen Steuerungseinheiten der am Prozess beteiligten Systeme (Roboterzelle, FTS und Materialflusssteuerung) müssen miteinander kommunizieren können. Dabei sind sie so aufeinander abzustimmen, dass Sicherheit und Zuverlässigkeit über den gesamten Zyklus hinweg gewährleistet sind. Das gelingt nur über eine enge Abstimmung mit den beteiligten Fachabteilungen.

Anforderungen an vollautomatische Übergaben

Traditionelle Ansätze arbeiten vielfach mit Lichtvorhängen, um den Zugang zum Übergabebereich zwischen FTS und Roboterzelle abzusichern. Das ist zwar technisch machbar, in den Möglichkeiten jedoch begrenzt: Die Anwesenheit von Personen innerhalb des Übergabebereichs lässt sich nicht automatisiert überwachen. Um Personen vom Gefahrenbereich zu trennen, sind bei diesen klassischen Konzepten weitere Schutzvorkehrungen erforderlich – etwa mechanisch trennende Elemente wie Zäune oder Gitter. Effizienter ist eine vollautomatisierte, sichere Übergabe zwischen FTS und Roboterzellen ohne physische Barrieren. Zwischen Personen und FTS muss dabei zuverlässig unterschieden werden. Für diesen Ansatz gelten folgende Anforderungen:

• Der Gefahrenbereich der FTS-Übergabestation muss während des gesamten Prozesses abgesichert sein.
• Festgelegte FTS sollen den Arbeitsbereich axial (optional auch radial) vollautomatisch befahren und verlassen können.
• Personen beziehungsweise Abweichungen von der festgelegten FTS-Kontur müssen jederzeit erkannt werden und ein sicheres Stopp-Signal auslösen.

FTS von Schutzfeldern umschlossen

Die von Leuze entwickelte Lösung zur Sicherung von Übergabestationen Roboter / FTS gewährleistet zwei Sicherheitsfunktionen:

• Stoppen der gefährlichen Bewegung der Roboterzelle
• Dynamische Anpassung von Sicherheitsfeldern rund um das FTS

Um den gesamten Bereich der Übergabestation abzusichern, setzt Leuze auf Sicherheits-Laserscanner. Diese erkennen über Schutzfelder den Zugang und die Anwesenheit von Personen im Übergabebereich. Ist das der Fall, löst das System ein Stoppsignal aus. Parallel wird die Position des FTS im Überwachungsbereich jederzeit erkannt. Damit das FTS selbst kein Stoppsignal auslöst, blendet das Sicherheitsprogramm dessen Umriss aus dem gesicherten Bereich aus. Das Schutzfeld passt sich also dynamisch um das sich bewegende FTS an. Dazu schalten die Laserscanner ihre vorkonfigurierten Schutzfelder schrittweise um.

Das von Schutzfeldern „umschlossene“ FTS kann dadurch automatisiert in die Station einfahren, an der Parkposition das Material übergeben und anschließend die Station wieder verlassen. Das Sicherheitsniveau bleibt während des gesamten Zyklus erhalten. Der Vorteil: Die restliche Umgebung wird über das verbleibende Schutzfeld jederzeit abgedeckt – das bietet einen Rund-um-Schutz.

Axiale oder radiale Einfahrt möglich

Für die Sicherheitslösung von Leuze sind nur wenige Komponenten erforderlich: Dazu gehören zwei Sicherheits-Laserscanner der Baureihe RSL 400. Diese zeichnen sich durch Leistungsfähigkeit, Robustheit und einfache Handhabung aus. Mit ihrer hohen Reichweite von 8,25 Metern überwachen sie selbst große Bereiche. Vervollständigt wird die Lösung durch ein Sicherheitsprogramm von Leuze sowie durch die Systemsteuerung Siemens SIMATIC S7. Die optimale Positionierung der RSL400 Laserscanner in der Applikation hängt von unterschiedlichen Faktoren ab. Zu berücksichtigen sind:

• Applikations-Layout und eventuell konstruktive Abschattungen
• FTS-Spezifikationen (beispielsweise Dimensionen)
• Ein- und Ausfahrtpositionen der FTS in den Schutzfeldbereich
• Fahrwege und Geschwindigkeit der FTS im Schutzfeld (axial und/oder radial)

Abhängig davon bietet sich vorzugsweise eine diagonale oder lineare Positionierung der Laserscanner um das Schutzfeld herum an. In besonderen Fällen (etwa über Eck-Layouts mit Abschattungen durch die Gebäude- oder Zellenstruktur) lässt sich der Systemverbund auch mit mehr als zwei Laserscannern betreiben.

Einfach umsetzbar

Für diese intelligente Art der Absicherung sind nur wenige Vorgaben zu beachten, beispielsweise die Mindestbreite des FTS als auch die maximale Fahrgeschwindigkeit im Schutzfeld. Außerdem sollte die Routengenauigkeit des FTS bei rund 50 Millimetern liegen. Zudem muss vor dem Gefährdungsbereich ausreichend Fläche vorhanden sein, um das FTS darin bewegen zu können und um ein ausreichend großes Scanner-Schutzfeld (erforderlicher Mindestabstand zur Gefährdung von allen Zugangsseiten) umsetzen zu können.

Um eine Ein- oder Durchfahrt des FTS einzuleiten, muss das FTS-Leitsystem der Materialflusssteuerung dessen Route zuvor an der Safety Solution anmelden. Je nach Risikobeurteilung der Applikation kann es erforderlich sein, ergänzend zum Stopp der Roboterzelle, auch das FTS bei einer Schutzfeldverletzung zu stoppen. Dies setzt eine sichere Kommunikation der Zelle mit dem FTS voraus.

Flexibilität beim Transportmaterial

Anlagenbetreiber erhalten mit diesem Konzept zur Sicherung von Roboter/FTS-Übergabestationen eine kosteneffiziente Lösung, die lückenlose Sicherheit während des gesamten Zyklus bietet. Sie erfüllt Performance Level d nach ISO 13849-1 und SILCL 2 nach IEC 62061. Unfallrisiken lassen sich so zuverlässig minimieren. Die Safety Solution von Leuze arbeitet nach der Anmeldung des FTS durch das FTS-Leitsystem autark. Und sie bietet maximale Flexibilität: Es gibt keine Einschränkungen beim Teiletransport. Das Sicherheitssystem und die Schutzfelder orientieren sich am Umriss des FTS und nicht am darauf befindlichen transportierten Material. Selbst vorne oder seitlich überstehende Teile werden zuverlässig transportiert. Außerdem macht die Integration mechanische Absicherungen wie Zäune oder Gitter überflüssig. Das spart wertvollen Platz in der Produktion.

Von der Risikobeurteilung bis zum Ergebnis

Wer für seine automatisierte Anlage dieses Konzept umsetzen will, benötigt zunächst eine Risikobeurteilung: Die Gefährdungen müssen klar definiert sein. Ebenso muss bekannt sein, wie schnell die Roboterzelle stoppt. Auf dieser Basis lassen sich die Größe des Schutzfeldes sowie die zeitlichen Abläufe festlegen. Bei diesen Schritten berät Leuze: Der Sensorspezialist aus Owen begutachtet die Situation vor Ort, stimmt die Anforderungen ab und erarbeitet ein Sicherheitskonzept. Nach der Installation der Komponenten unterstützt Leuze mit zugehöriger Dokumentation sowie bei der Sensor-Parametrierung und Inbetriebnahme. Eine finale Validierung der Applikation gehört ebenfalls zum Leistungsportfolio. Nicht zuletzt gibt die CE-Konformität Rechtssicherheit. Innovative Material-Logistik-Systeme sind so ohne Kompromisse umsetzbar.