Faktory úspešného nasadenia automatizovaných riešení v kontexte Priemyslu 4.0

Osoby alebo softvérové nástroje môžu pristupovať k procesným senzorom alebo informáciám o zúčastnených bezpečnostných prvkoch automatizovaného pracoviska z ktorejkoľvek ich časti v závislosti od konfigurácie, nastavenia a autorizácie. Okrem mnohých iných bezpečnostných charakteristík senzorické systémy vo všeobecnosti umožňujú optimalizáciu výkonu prostredníctvom poskytovania klaudových služieb pre údržbu, upgrade, resp. opravu zo vzdialeného miesta. Ďalšia časť tohto konceptu 4.0 predpokladá komunikáciu medzi inteligentnými automatizovanými pracoviskami s cieľom optimalizácie vlastného výkonu na základe informácií o okolitých podmienkach, napr. toku materiálu, počte vyrobených komponentov, ich kvalite či o špecifických nameraných hodnotách s údajmi z rôznych typov snímačov.

Vhodným príkladom sú aj integrované senzory v robotických kolaboratívnych ramenách, ktoré pri súčasnom snímaní vonkajších síl v prípade zaznamenania limitných hodnôt automaticky zastavujú akýkoľvek pohyb. Pasívne spôsoby senzorickej ochrany sú obvykle riešené mechanickými komponentmi integrovanými do pohonových štruktúr robotických ramien, ktoré na základe pôsobiacej sily, resp. kolízie generujú pohyb v opačnom smere tak, aby sa predišlo ujme na zdraví. Keďže Priemysel 4.0 naďalej mení spôsob, akým spolupracujeme s automatizovaným pracoviskom, vznikajú nové výzvy, ktorým čelíme už teraz:

Kybernetická bezpečnosť a ochrana
Základným princípom je prepojiteľnosť všetkých systémov vrátane automatizovaných pracovísk prostredníctvom využívania adries internetového protokolu a napojenie na globálne prístupnú internetovú infraštruktúru. Je desivé predstaviť si, čo by sa mohlo stať, keby sa kybernetický zločinec dostal do pracovného prostredia a mal by prístup k procesom či kontrolu nad nimi v miestnej sieti pracoviska.

Bezdrôtová komunikácia
Koncepcia Priemyslu 4.0 podporuje bezpečnosť bezdrôtovej komunikácie. Bezdrôtová komunikácia je z podstaty veci ovplyvňovaná vonkajšími vplyvmi, ako sú blesky, nepriaznivé počasie, slnečné magnetické búrky či slnečná erupcia. Prekážky môžu predstavovať aj budovy a iné pracoviská; mobilné zariadenia, nové stavby a konštrukcie, vozidlá alebo dočasné obrazovky používané pri údržbárskych alebo opravárenských prácach môžu spôsobiť rušenie signálu. Zvýšená bezdrôtová infraštruktúra preto tiež zvyšuje riziko narušenia hackermi a teroristami.

Obmedzenia v reálnom čase
Priemyselné automatizované pracoviská vyžadujú reakciu v reálnom čase, takže zmeny na pracovisku sú veľmi ťažké. Bezpečné preberanie údajov potrebných pre prevádzku na pracovisku z klaudu vyžaduje, aby systém pracoviska v reálnom čase pristupoval k big data v kybernetickom priestore. Načítanie dostupných softvérových opráv do skenerov spolu so škodlivým softvérom zákonite ovplyvní stabilitu procesu. Akákoľvek komunikácia v reálnom čase musí byť dostatočne rýchla, aby uľahčila požiadavky na automatizáciu procesov.

Kratšia životnosť automatizovaných pracovísk
Niektoré bezpečnostné zariadenia na trhu nedisponujú dostatočne rýchlou reakciou na podmienky procesu pracoviska, resp. dostatočnou kapacitou pamäte, a tak budú nevyhnutne v krátkom čase potrebovať výmenu. Priemysel 4.0 môže v skutočnosti znižovať životnosť či prevádzkyschopnosť automatizovaného pracoviska, ktoré má, samozrejme, priamy vplyv na dosiaľ investovaný kapitál a zvyšujúce sa prevádzkové náklady.

Systematické zlyhávanie
Automatizované pracoviská sa môžu pochváliť zvýšenou komplexnosťou softvéru vďaka veľkokapacitnému meraniu prostredníctvom nových výkonných softvérových nástrojov. To znamená, že väčšina očakávaných porúch na pracovisku bude závisieť od životného cyklu softvéru. V súčasnosti sme už značne závislí od softvéru, naša závislosť bude ešte oveľa väčšia. Bohužiaľ, spoľahlivosť súčasného softvéru informačných technológií nie je ani zďaleka dokonalá. A nakoniec ľudský faktor môže byť stále najslabším článkom pri nasadzovaní Priemyslu 4.0, najmä čo sa týka bezpečnosti.

Prevádzka a údržba
V súčasnosti tradičné bezpečnostné senzory umožňujú ľahkú a rýchlu diagnostiku či včasnú opravu, pretože online podpora dodávateľov v reálnom čase nie je potrebná a operátori vedia, ako prevádzkovať automatizované pracoviská na základe dostupných systémových údajov v grafickej či alarmovej podobe. Avšak budúcnosť si pravdepodobne vyžiada oveľa väčšiu hĺbkovú podporu dodávateľov a tretích strán, pretože zložitosť automatizácie zvyšuje potrebu diagnostiky na expertnej úrovni. Operátori nebudú schopní vykonávať všetky úlohy a realizovať činnosti údržby sami.

Bezpečnosť automatizovaných pracovísk

Zásady bezpečnosti automatizovaných pracovísk sú definované bezpečným pracovným priestorom, dostatočnou vzdialenosťou okolo robotického ramena, pričom toto rameno nesmie mať možnosť naraziť do obsluhy [2]. Aby bola bezpečnosť práce na pracovisku zabezpečená na 100 %, nestačí určiť pracovný priestor v bezprostrednom okolí robota. Je potrebné zabezpečenie automatizácie, digitalizácie výroby a procesov s využívaním komunikačných sietí ako prostriedkov inteligentného priemyslu (obr. 1). Personálne činnosti musia byť zároveň rozmiestnené tak, aby robot pri chybnom nastavení programu nemohol zasiahnuť do jeho pracovného priestoru.

Dôležitým faktorom pri riešení bezpečnosti automatizovaných pracovísk je napojenie ochranného obvodu na panel s tlačidlom STOP, ktoré umožňuje v prípade potreby okamžité zastavenie práce robota [3]. Optické senzory a závory musia byť napojené na bezpečnostný obvod v riadiacom systéme robota a musia slúžiť ako funkčné prepojenie technológie priemyselnej výroby. Niektoré bezpečnostné opatrenia môžu dokonca viesť k zvýšeniu produktivity. Napríklad použitie svetelných bariér na ochranu prístupových zón na robotickom pracovisku môže uľahčiť proces vkladania a vyberania predmetov, „zónovanie“ oddeľovacích zariadení umožňuje dočasne obmedziť určitú os robota na údržbu a nechať zvyšné osi aktívne (obr. 2).

Svetelné závory môžu správne plniť svoju ochrannú funkciu len vtedy, keď sú inštalované v dostatočnej vzdialenosti od najbližšieho nebezpečného prevádzkového miesta chráneného pracoviska či zariadenia, ktoré môže spôsobiť obsluhe zranenia. Následne sa musí ešte v praxi skontrolovať, či táto vzdialenosť súčasne umožňuje ergonomickú prevádzku zariadení z pohľadu jeho obsluhy.

S = (K × T) + C  (1)

kde a = výška pracovného bodu, b = výška ochrany.

Typickou črtou svetelných závor je ich vysoká odolnosť proti interferencii a časté nasadzovanie v prípadoch, keď sa od obsluhy vyžaduje pravidelný prístup do automatizovaného pracoviska [4].

Zvýšenie bezpečnosti automatizovaných pracovísk v kontexte Priemyslu 4.0

Jedným zo spôsobov zvyšovania bezpečnosti automatizovaných pracovísk v kontexte Priemyslu 4.0 je predpoklad využitia doplnkových a voliteľných vlastností či charakteristík zúčastnených zariadení, akým je často aj priemyselný robot ako základ každého automatizovaného pracoviska. Úroveň bezpečnosti je daná nielen ošetrením pracoviska pripojením k externým bezpečnostným zariadeniam, ktoré sú väčšinou riadené externými PLC či riadiacim systémom robota, ale aj vlastnými bezpečnostnými prvkami, ktoré obsahuje priemyselný robot [5]. V prvom rade sem patrí obmedzenie pracovného priestoru, softvérové dorazy či rôzne mechanické ohraničenia osí robota. Tieto zariadenia majú charakter mechanického riešenia a sú umiestnené priamo na robote.

1. Mechanické koncové dorazy
Bezpečnosť automatizovaných pracovísk je daná nielen ich pripojením na externé bezpečnostné zariadenia, ktoré sú poväčšine ovládané riadiacim systémom robota, resp. externým PLC automatom, ale aj vlastnými bezpečnostnými zariadeniami priemyselného robota samotného. Sem patria najmä prvky, ktoré umožňujú obmedzenie pracovnej plochy aj vyznačenie ochrannej oblasti, v ktorej sa priemyselný robot môže bezpečne pohybovať. Tradične majú tieto zariadenia charakter mechanického riešenia a nachádzajú sa priamo na ramene (obr. 3).

• Sú podstatnou súčasťou priemyselného robota, pričom pracovný priestor základných osí je v závislosti od variantu robota čiastočne ohraničený mechanickými koncovými dorazmi s gumovými zarážkami. Týka sa to hlavne osí 1 až 3, resp. 5. osi.
• Na doplnkové osi priemyselného robota možno namontovať ďalšie dodatočné mechanické koncové dorazy. Ak robot alebo niektorá jeho doplnková os nabehne na mechanický koncový doraz, robot už ďalej nemožno prevádzkovať bezpečne. Dotknutý mechanický koncový doraz treba vymeniť.

2. Softvérové koncové vypínače
Nachádzajú sa v riadiacom systéme priemyselného robota a ich nastavenie sa realizuje v programovej časti pomocou programovacej jednotky – pendantu [6]. Tieto softvérové koncové vypínače slúžia na ochranu robota a nastavujú sa tak, aby sa predišlo nabehnutiu na mechanický koncový doraz. Softvérové koncové vypínače sa nastavujú na začiatku uvedenia priemyselného robota do automatizovanej prevádzky. Príklad softvérového obmedzenia jednotlivých osí možno vidieť v tab. 2 a na obr. 4.

Tab. 2 Príklad obmedzenia jednotlivých pracovných osí robota

3. Mechanické ohraničenie osi robota (voliteľné vybavenie robota)
Niektoré roboty môžu byť na osiach A1 až A3 doplnené o mechanické ohraničenie osi (obr. 5). Nastaviteľné ohraničenia osi robota obmedzujú pracovnú zónu na potrebné minimum [7]. Tým sa zvýši ochrana osôb, zariadení i samotného robota. Pri robotoch, ktoré nie sú určené na vybavenie mechanickými ohraničeniami osí, sa pracovný priestor musí navrhnúť tak, aby aj bez mechanických ohraničení pracovnej zóny pre osoby alebo veci nehrozilo žiadne nebezpečenstvo [8]. Ak to nie je možné, musí byť pracovný priestor ohraničený svetelnými závorami, záclonami alebo inými zábranami.

4. Kontrola osi robota (voliteľné vybavenie robota)
Niektoré roboty môžu byť na základných osiach A1 až A3 vybavené aj dvomi kanálovými snímačmi na kontrolu osi robota (obr. 6). Pomocou týchto snímačov možno nastaviť a kontrolovať ochrannú oblasť pre niektorú z vybraných osí. Tým sa zvýši ochrana osôb i zariadenia.

Záver

Automobilový priemysel je aj naďalej hlavnou hybnou silou v sektore automatizácie v týchto i nasledujúcich rokoch aj po prekonaní krízy. Kľúčové výzvy pre úspešnú implementáciu Priemyslu 4.0 spočívajú vo využívaní nových materiálov, v automatizácii procesov a najmä v dopyte po „zelenej automatizácii“. Ide predovšetkým o podporu technológií, ktoré sú šetrné k zdrojom. Využívanie doplnkových funkcií a možností robotických ramien prispieva k tomuto inovatívnemu smeru automatizácie. Hlavnou motiváciou by mala byť snaha spoločnosti nežiť na úkor budúcich generácií, ale zmysluplne a dlhodobo znižovať spotrebu bez hľadania kompromisu v kvalite života. V tradičnom prostredí výrobného charakteru, kde sú automatizované pracoviská často zamerané na výrobu jedného výrobku, je bezpečnosť osôb pracujúcich v ich blízkom okolí vo všeobecnosti jednoduchá na monitorovanie. Posúdenie rizika všetkých aspektov prevádzky – od jednotlivých komponentov až po „dotykové body“ operátora s jednotlivými zariadeniami – vytvorí návod, ktorý by mal teoreticky zostať v platnosti, kým sa nepoužije iná zmena alebo zmena zariadení automatizovaného pracoviska. Bezprostredne sa tak môže minimalizovať nebezpečenstvo a môže sa zabrániť riziku ohrozenia operátora, pokiaľ sa dodržiavajú správne postupy.

Tento príspevok vznikol vďaka podpore projektu KEGA 054TUKE-4/2016.

Literatúra

[1] Vagaš, M.: Increasing of operational safety robotized workplaces by sensor equipment. In: Global management and economics, 2015, vol. 2015??, no. 1, p. 158 – 162. ISSN 2411-5215.

[2] Bicchi, A. – Peshkin, M. A. – Edward, J. C.: Safety for Physical Human-Robot Interaction. In: Springer Handbook of Robotics (Siciliano, B., Khatib, O.), Springer, Berlin, 2008. ISBN 978-3-540-23957-4.

[3] Detailné informácie dostupné na: https://www.chemicalprocessing.com/articles/2018/consider-the-impact-of-industry-4-0-on-safety-instrumented-systems/?start=0.

[4] Detailné informácie ohľadom bezpečnosti z pohľadu robotov (výrobca KUKA) dostupné na: https://www.kuka.com/en-de/products/robot-systems/industrial-robots.

[5] Páchniková, L. – Jánoš, R. – Šidlovská, Ľ.: Manufacturing systems suitable for globalized market. In: Applied Mechanics and Materials, 2013, vol. 282, p. 230 – 234. ISSN 1660-9336.

[6] Detailné informácie dostupné na: https://www.valin.com/machine-process-safeguarding.

[7] Inaba, Y. – Sakakibara, S.: Industrial intelligent robots. In: Springer handbook of automation 2009, Part C, p. 349 – 363. ISBN 978-3-540-78831-7.

[8] Detailné informácie dostupné na http://www.controlengeurope.com/article/133867/Safety-first--How-Industry-4-0-can-optimise-safety.aspx.

Ing. Marek Vagaš, PhD.
marek.vagas@tuke.sk

prof. Ing. Dušan Šimšík, PhD.
dusan.simsik@tuke.sk

Technická univerzita v Košiciach
Strojnícka fakulta
Katedra automatizácie, riadenia a komunikačných rozhraní
http://www.sjf.tuke.sk/karakr/

Ing. Daniela Onofrejová, PhD.
Technická univerzita v Košiciach
Strojnícka fakulta
Ústav manažmentu, priemyselného a digitálneho inžinierstva
daniela.onofrejova@tuke.sk
http://www.sjf.tuke.sk/umpadi/