Integrarea sigură și eficientă a AMR-urilor în operațiunile din Industria 4.0 pentru beneficii maxime

Ca răspuns la utilizarea din ce în ce mai intensă a roboților mobili autonomi (AMR), numiți și roboți mobili industriali, în operațiunile din Industria 4.0, Association for Advancing Automation (A3), împreună cu American National Standards Institute (ANSI), a publicat recent cea de-a doua versiune a standardului său de siguranță pentru AMR: ANSI/A3 R15.08-2, care detaliază cerințele pentru integrarea, configurarea și personalizarea unui AMR sau a unei flote de AMR-uri într-un amplasament. O cerință esențială este realizarea unei evaluări a riscurilor conform ANSI/ISO 12100 sau ANSI B11.0. Noul standard completează standardul R15.08-1 publicat anterior, care se concentra pe proiectarea și integrarea în siguranță a AMR-urilor.

Seria de standarde R15.08 se bazează pe standardul de siguranță ANSI/Industrial Truck Standards Development Foundation (ITSDF) B56.5 pentru vehiculele industriale cu ghidare automată (AGV). Standardul mai nou recunoaște trei clase de AMR-uri pe baza includerii unor funcții și caracteristici specifice.

Acest articol compară pe scurt AMR-urile și AGV-urile și standardele ANSI/ITSDF B56.5 și ale Organizației Internaționale de Standardizare (ISO) 3691-4 cu ANSI/A3 R15.08. Apoi, trece în revistă strategiile de evaluare a riscurilor prezentate în standardele ANSI/Organizația Internațională de Standardizare (ISO) 12100 și ANSI B11.0, modul în care acestea se aplică pentru AMR-uri și modul în care sunt integrate în R15.08-2. Apoi, prezintă pe scurt cele trei clase de AMR-uri definite în R15.08-2 și se încheie cu o prezentare a considerentelor practice pentru integrarea AMR-urilor, inclusiv modul de implementare a mapării și a punerii în funcțiune, modul de gestionare a flotelor de AMR-uri și modul de navigare a noilor oportunități de punere în funcțiune virtuală utilizând simularea și gemenii digitali, folosind exemple de la Omron Automation și Siemens.

AGV-urile se pot deplasa numai de-a lungul unui traseu predeterminat și marcat. Acestea nu au capacități de navigare independentă. Se opresc când dau de un obstacol și așteaptă ca acesta să fie îndepărtat înainte de a continua pe traseul stabilit. AMR-urile includ sisteme de navigare independentă și își pot schimba traiectoria și se pot deplasa în jurul obstacolelor (Figura 1). Ca urmare a acestor diferențe, AGV-urile sunt mai potrivite pentru medii relativ stabile și neschimbătoare, în timp ce AMR-urile susțin implementări mai flexibile și mai scalabile, cum ar fi cele necesare în cadrul operațiunilor din Industria 4.0.

Figura 1: AMR-urile (stânga) navighează în jurul obstacolelor, în timp ce AGV-urile (dreapta) se opresc atunci când ajung la un obstacol. (Sursa imaginii: Omron)

Evoluția standardelor

Unele standarde AMR au evoluat de la standardele elaborate anterior pentru AGV-uri și roboți staționari. De exemplu, EN 1525:1997 a fost elaborat pentru AGV-uri și a fost ulterior aplicat la AMR-uri fără modificări. Standardul ISO 3691-4, mai nou, se referă la AGV-uri și are secțiuni dedicate AMR-urilor.

ANSI/ITSDF B56.5 este un standard de siguranță pentru vehiculele industriale ghidate, vehiculele industriale ghidate fără echipaj uman și funcțiile automatizate ale vehiculelor industriale cu echipaj uman; acesta nu se aplică pentru AMR-uri. Cel mai nou ANSI/RIA R15.08 este un standard de siguranță pentru utilizarea AMR-urilor în mediile industriale. Se bazează pe standardul R15.06 pentru utilizarea în siguranță a brațelor robotizate staționare și este dezvoltat pornind de la acesta.

Un alt standard important este EN ISO 13849, care definește nivelurile de performanță în materie de siguranță (PL) pentru diferite tipuri de echipamente. Există cinci niveluri, de la PLa la PLe, cu cerințe din ce în ce mai stricte. Producătorii de AGV și AMR trebuie să atingă un nivel de siguranță PLd care să asigure o funcționare continuă și sigură în cazul unei singure defecțiuni, adică prin utilizarea de sisteme redundante.

ANSI/A3 R15.08-2 solicită o evaluare a riscurilor pentru integrarea și implementarea AMR-urilor. Evaluările de risc definite de ISO 12100 și ANSI B11.0-2010 sunt foarte asemănătoare, deși nu identice. ISO 12100 se adresează producătorilor de echipamente originale, în timp ce ANSI B11.0 se concentrează mai mult pe siguranța utilajelor și a utilizatorilor finali. Elementele de bază ale evaluării riscurilor sunt similare pentru ambele standarde.

Evaluarea riscurilor

O evaluare a riscurilor este o analiză foarte structurată care are scopul de a ajunge la un nivel acceptabil de risc. Aceasta recunoaște că niciun sistem sau mediu nu este perfect; riscurile inerente pot fi gestionate, dar nu eliminate. Evaluarea începe prin determinarea limitelor de funcționare a utilajelor și identifică pericolele care pot apărea dacă utilajul funcționează în apropierea sau în afara acestor limite.

Urmează estimarea riscurilor, care analizează gravitatea probabilă a daunelor cauzate de fiecare pericol și probabilitatea de apariție a acestuia. Un pericol foarte grav, cu o probabilitate scăzută de apariție, poate primi o clasificare similară cu un pericol cu un rezultat mai puțin grav, dar cu o probabilitate mai mare de apariție. Toate riscurile identificate sunt evaluate și clasificate pentru a stabili prioritățile măsurilor de reducere a riscurilor. Evaluarea riscurilor poate fi un proces iterativ, care constă în identificarea celor mai grave riscuri și în reducerea probabilității de apariție și/sau a gravității efectelor acestora până când se atinge un nivel acceptabil de risc rezidual (Figura 2).

Figura 2: Componentele cheie ale unei evaluări a riscurilor includ analiza, evaluarea și reducerea riscurilor. (Sursa imaginii: SICK)

Clasele AMR

R15.08 recunoaște trei tipuri de AMR:

Tipul A: numai platforma AMR. Spre deosebire de AGV-uri, AMR-urile de tip A pot funcționa ca sisteme independente fără a necesita modificări ale mediului. Acestea pot include caracteristici opționale, cum ar fi un sistem de gestionare a bateriei, capacitatea de a localiza independent un încărcător și de a reîncărca bateria, capacitatea de a se integra cu un software centralizat de gestionare a flotei etc. AMR-urile de tip A sunt cel mai frecvent utilizate pentru a deplasa materiale în cadrul unei fabrici sau al unui depozit.

Tipul B: un AMR de tip A, la care se adaugă un accesoriu pasiv sau activ care nu este un manipulator (Figura 3). Accesoriile tipice includ transportoare, mese cu role, cutii fixe sau detașabile, dispozitive de ridicare, sisteme optice, stații de cântărire etc. AMR-urile de tip B pot fi utilizate pentru sarcini logistice mai complexe. Sistemele optice pot fi utilizate pentru inspecția și identificarea produselor, cântărirea pieselor (sau estimarea numărului acestora) și așa mai departe.

Figura 3: AMR de tip B cu o masă cu role atașată. Aici se arată și sistemele tipice de navigare și de siguranță comune tuturor celor trei tipuri de AMR-uri. (Sursa imaginii: Omron)

Tipul C: un AMR de tip A, la care se adaugă un manipulator. Manipulatorul poate fi un braț robotizat cu trei sau mai multe axe de mișcare. AMR-urile de tip C pot fi proiectate pentru a funcționa ca roboți colaborativi (coboți) care lucrează alături de oameni. În plus, acestea pot fi echipamente însoțitoare pentru utilaje, pot efectua operațiuni de preluare și plasare, pot îndeplini sarcini complexe de inspecție, pot efectua recoltarea și plivitul în mediul agricol etc. Unele modele se pot deplasa de la un loc la altul și pot îndeplini sarcini diferite la fiecare stație.

Punerea în funcțiune, maparea și urmărirea luminilor

Toate cele trei tipuri de AMR-uri sunt concepute pentru a simplifica implementarea. În comparație cu AGV-urile, care necesită instalarea unei infrastructuri extinse, pentru implementarea AMR nu este necesară nicio construcție, iar nevoile de programare pot fi minime. Punerea în funcțiune de bază este un proces în patru etape (Figura 4):

• AMR este livrat cu toate programele software necesare instalate; prima sarcină este instalarea și încărcarea bateriei.
• Maparea este esențială și poate fi implementată manual sau automat. Pentru maparea manuală, un tehnician controlează AMR-ul și îl plimbă prin locație pentru ca acesta să poată învăța despre mediul înconjurător. AMR-urile ghidate cu laser pot scana automat până la 1.000 de metri pătrați pe minut pentru a crea hărți care să surprindă toate caracteristicile din zona imediată și să trimită prin wireless harta rezultată la un computer central. În ambele cazuri, hărțile pot fi personalizate cu rute virtuale și linii interzise pentru operațiuni sigure și pot fi partajate între flotele de AMR-uri.
• Stabilirea obiectivelor include identificarea locurilor de preluare și de livrare.
• Atribuirea sarcinilor este etapa finală și include programarea și coordonarea diferitelor AMR-uri din flotă și integrarea cu planificarea resurselor întreprinderii (ERP), cu sistemul de execuție a producției (MES) și cu sistemul de gestionare a depozitelor (WMS).

Figura 4: AMR-urile sunt livrate cu software-ul complet instalat și pot fi puse în funcțiune și integrate rapid într-un mediu de producție. (Sursa imaginii: Omron)

Pe lângă maparea unei instalații cu ajutorul scanării cu laser, unele AMR-uri Omron utilizează o cameră pentru a detecta și a trasa locația luminilor suspendate. Aceasta creează și suprapune o „hartă a luminilor” peste „harta podelei” standard.

Localizarea cu laser poate tolera până la un anumit punct schimbările de mediu de pe podea. Să presupunem că peste 80% din caracteristici se schimbă, de exemplu, pe un doc de transport unde paleții sau cărucioarele își schimbă constant poziția. În acest caz, localizarea cu laser este mai puțin utilă, iar adăugarea hărții de lumini crește siguranța de navigare. De asemenea, utilizarea hărții de lumini permite AMR-urilor să navigheze mai ușor prin zone deschise din amplasamente mari.

Gestionarea flotelor de roboți

Gestionarea eficientă a flotelor de roboți poate crește beneficiile utilizării AMR-urilor. Aceasta poate susține controlul centralizat și funcționarea coordonată a unor tipuri mixte de AMR-uri și poate furniza datele și analizele necesare pentru a maximiza eficiența operațională. Unele caracteristici comune ale sistemelor de gestionare a flotei AMR includ:

Atribuirea optimizată a sarcinilor se bazează pe capacitățile fiecărui robot din flotă, pe locațiile actuale ale acestora și pe anticiparea locului în care se va afla următoarea lor misiune.

Gestionarea traficului include programarea locațiilor și orelor de preluare și de livrare pentru eficiență maximă și înștiințarea roboților cu privire la schimbările de destinație sau la apariția unor noi obstacole, permițându-le să își recalculeze traseul pentru eficiență și siguranță maxime.

Gestionarea încărcării urmărește nivelul de încărcare a bateriei fiecărui robot din flotă, permițând o încărcare proactivă și un timp de funcționare maxim.

Actualizări de software coordonate în întreaga flotă pentru a garanta disponibilitatea celei mai recente versiuni pentru fiecare tip de robot.

Integrarea la nivel de întreprindere conectează software-ul de gestionare a flotei la sistemele ERP, MES și WMS, astfel ca sarcinile să poată fi alocate și programate automat pentru flotă în timp real.

Punerea în funcțiune virtuală

O combinație de gemeni digitali și software de simulare permite punerea în funcțiune virtuală. În acest caz, un geamăn digital este o reprezentare virtuală a unui AMR. Gemenii digitali pot fi utilizați pentru a valida virtual performanța AMR-urilor individuale și a flotelor de AMR-uri. Punerea în funcțiune virtuală utilizează un software de simulare robotică pentru a combina gemenii digitali ai AMR-urilor cu un geamăn digital al mediului înconjurător (Figura 5).

Figura 5: Gemenii digitali AMR pot fi introduși în mod virtual într-un mediu de fabrică simulat pentru punerea în funcțiune virtuală. (Sursa imaginii: Siemens)

Punerea în funcțiune virtuală a AMR-urilor poate fi, de asemenea, utilizată pentru a integra și coordona funcționarea roboților de la mai mulți producători. În timpul procesului de punere în funcțiune virtuală, inginerii pot crea rapid și eficient mai multe scenarii pentru a verifica buna funcționare a întregului sistem, nu doar a AMR-urilor izolate.

Testarea și depanarea siguranței virtuale pot fi, de asemenea, implementate cu ajutorul gemenilor digitali și al simulării. AMR-urile virtuale pot fi supuse unor situații anormale pentru a testa diverse situații neprevăzute și pentru a asigura buna funcționare a protocoalelor de siguranță.

Capacitatea de a implementa depanarea virtuală poate accelera implementarea flotelor AMR. Depanarea flotelor de AMR-uri fizice după implementare este dificilă și consumă mult timp. Aceasta implică întreruperi ale activității și are un impact negativ asupra productivității unității. În cazul depanării virtuale nu există întreruperi ale activității, iar utilizatorii sunt asigurați că AMR-urile vor funcționa conform așteptărilor în lumea reală.

Concluzie

Implementarea AMR-urilor devine din ce în ce mai frecventă într-o gamă largă de instalații din Industria 4.0. Standardele pentru AMR-uri evoluează pentru a răspunde cerințelor de integrare, configurare și personalizare sigură și eficientă a unui AMR sau a unei flote de AMR-uri într-un amplasament. Evaluarea riscurilor reprezintă o cerință esențială în cadrul noilor standarde, în conformitate cu standardele ANSI și ISO. De asemenea, instrumentele pentru punerea în funcțiune a AMR-urilor evoluează odată cu apariția punerii în funcțiune virtuale prin intermediul gemenilor digitali și al simulării.

Articolul de față a fost prima parte dintr-o serie de două părți și s-a axat pe implicațiile standardului R15.08-2, publicat recent, în ceea ce privește siguranța, evaluarea riscurilor și punerea în funcțiune a AMR-urilor. Cel de-al doilea articol este scris în anticiparea R15.08-3, care este în curs de elaborare și care va aborda subiectul fuziunii senzorilor în AMR-uri.