01.10.2014

Industrie 4.0: Materialfluss setzt auf Safety-Chip

Sicher schwärmen in der Logistik

Kürzere Produktionszyklen sowie größere Artikel- und Variantenvielfalt erfordern neben einer flexiblen Fertigung auch beim Materialflusssystem möglichst universelle Wandlungsfähigkeit. Flexibler Warentransport mit autonomen, sich selbst konfigurierenden Einheiten lautet hier das Zauberwort. Das Forschungsprojekt Karis Pro des BMBF verfolgt diesen Ansatz. Hima steuert dazu mit seinem Safety-System-on-Chip Hicore 1 ein passendes Sicherheitskonzept bei.

Autoren: Dipl.-Chem. Andreas Zeiff, Redaktionsbüro Stutensee;
Mario Epp, HIMA Paul Hildebrandt GmbH;
Andreas Trenkle, Karlsruher Institut für Technologie.


Bild 1: Flexibler Warentransport mit mobilen, autonomen Einheiten als Logistikkonzept der Zukunft.
Bild: Hima Paul Hildebrandt GmbH & Co. KG

Der Markt verlangt von den produzierenden Unternehmen eine stetig steigende Artikel- und Variantenvielfalt, gepaart mit immer kleineren Losgrößen bei gleichzeitig kürzeren Produktzyklen. Dadurch müssen sich Produktionsprozesse regelmäßig an neue Randbedingungen anpassen. Neben hochflexiblen Fertigungseinrichtungen sind dabei ebenso flexible Logistiksysteme für die Produktion und das produktionsnahe Umfeld wichtig. Statt starrer Transportsysteme wie Rollen- oder Gurtförderer fordert die Zukunft einen Materialfluss, der sich automatisch den jeweilig vorgegebenen Produktionsbedingungen anpasst. Da solche Systeme den Menschen unterstützen sollen und in dessen Nähe arbeiten, ist das Thema Sicherheit für autonome Komponenten ein Schlüsselaspekt bei der Umsetzung des Konzeptes. Hier bietet sich das Safety-System-on-Chip von Hima an, das alle Funktionen einer sicherheitsgerichteten speicherprogrammierbaren Steuerung enthält. Der Chip und das eigensichere Betriebssystem garantieren die erforderliche Sicherheit und Flexibilität im Materialfluss. Herkömmliche Vorgehensweisen mit starren Strukturen für Logistiksysteme sind zu unflexibel oder erfordern einen zu großen personellen wie zeitlichen Aufwand bei der Umstellung auf neue Gegebenheiten. Am Verbundforschungsprojekt Karis Pro des BMBF beteiligt ist das KIT Karlsruhe mit dem Institut für Fördertechnik und Logistiksysteme (IFL). Das IFL betreut den Bereich Gesamtsystemarchitektur und Sicherheitskonzept und verfolgt den Ansatz eines den Menschen unterstützenden Systems. Sicherheit ist ein zentrales Kriterium bei mobilen autonomen Systemen, die zur Unterstützung des Menschen in dessen Nähe operieren.

Flexible, autonome Logistik

Schnelllebige globale Märkte, kunden-individuelle Produktzusammenstellung und kleine Fertigungslose on demand erfordern eine schnelle Anpassung der Logistik. Cyber-physische Systeme und Industrie 4.0 sind hier die Schlüsselworte. Das Projekt Karis Pro basiert auf dem Ansatz, aus kleineren, autonom agierenden Einheiten ein sich selbst konfigurierendes System zu erschaffen. Je nach Produktionsvorgabe übernehmen einzelne Einheiten unterschiedliche Aufgaben oder schließen sich, falls notwendig, zusammen. So lassen sich ohne menschlichen Eingriff variable Rollbahnen gestalten oder unterschiedliche Wege zu Bearbeitungsstationen einlegen. Übersteigt die Aufgabe die Kapazität einzelner Einheiten, z.B. beim Transport schwerer oder großer Lasten wie Europaletten, so schließen sich mehrere mobile Einheiten zu neuen Funktions-Clustern zusammen. Um diese Wandlungsfähigkeit zu erreichen, sind deutliche Änderungen in Funktion und Design der herkömmlich eingesetzten Komponenten wie Steuerung, Aktorik oder Sensorik notwendig. So soll jede einzelne Komponente mit dezentraler Intelligenz ausgestattet sein, gleichzeitig aber im Verbund die eigene Individualität zugunsten einer Gruppenintelligenz einbringen und sich im Schwarm zwar eigenständig, aber doch gruppenorientiert verhalten. Dieser Ansatz erfordert noch einiges an Entwicklungsarbeit, um die von der Industrie geforderten robusten Systeme mit hoher Gesamtverfügbarkeit praxistauglich zu machen.

Wandlungsfähig, aber sicher

Mobile Einheiten, die sich selbsttätig den Weg zu ihrer neuen Aufgabe suchen, lassen sich nicht mit herkömmlichen Safety-Einrichtungen wie Lichtgittern oder Schutzzäunen kombinieren. Zur sicheren Interaktion mit dem Menschen (Bild 2) sind daher neue Konzepte gefragt. Karis Pro stellt hier weitreichende Anforderungen: neben den Risiken im Einzeltransport müssen bei der Cluster-Bildung erweiterte Risiko- und Gefahrenanalysen durchgeführt und darauf aufbauende Sicherheitskonzepte entwickelt werden. Auch hier ist analog zur verteilten Intelligenz ein Konzept dezentraler Sicherheitseinrichtungen der Schlüssel zum Ziel. Die komplexe Aufgabe umfasst dabei die sichere Bestimmung der Position der Einzelelemente, um in Bereichen, in denen sich Menschen bewegen, Kollisionen zu vermeiden. So könnte z.B. an Stellen, die nicht per weitreichendem Laserscanner einsehbar sind, die Fahrgeschwindigkeit reduziert werden, wie an Türausgängen oder in Ecken. Der wechselnde Betrieb als Stetig- oder Unstetig-Cluster verändert ebenfalls die Sicherheitslage und muss jeweils erkannt und richtig bewertet werden. Vorkehrungen zur Vermeidung von Abstürzen der Transportware oder auch der Transporteinheit an Treppen sowie Überlast oder Falschbeladung erkennen sind hier die Stichworte. Für die Weiterentwicklung war daher ein möglichst flexibles Sicherheitskonzept nötig. Dieses sollte sich auf engem Raum in unterschiedlichen Konfigurationen sowohl autark als Einzelkonzept, wie auch im Zusammenschluss mehrerer Einheiten bewähren und genügend Raum für die Integration zukünftig auftretender Sicherheitslösungen bieten. Als geeignet erwies sich dabei das neue Safety-System-on-Chip-Konzept von Hima.

Individuelle Sicherheit per Chip

Die im Forschungsprojekt eingesetzte, kompakte und vergleichsweise preiswerte Sicherheitslösung mit dem Namen Hicore 1 ist ein vom TÜV Rheinland bis SIL3 (gemäß IEC61508 Edition 2) vollständig zertifiziertes System-on-Chip. Zusammen mit der Hardware wird dabei ein Softwarepaket eingesetzt, bestehend aus einem Betriebssystem und der sogenannten Middleware. Auch das gesamte Betriebssystem wurde von Hima entwickelt und ist ebenfalls SIL-3-zertifiziert. Die Middleware dagegen ist eine Sammlung von Funktionen, die der Anwender in seiner C/C++-Umgebung nutzen kann, um seine individuelle Applikation zu entwickeln. Diese Kombination aus Sicherheitsgrundprogramm mit situations- oder applikationsabhängigen Anpassungsmöglichkeiten ist gut geeignet für das neue Logistikkonzept. Da Hicore 1 als industrielles Produkt entworfen ist, erfüllt der Baustein auch sicherheitstechnische Kenngrößen, z.B. den Proof-Test-Intervall. Das Intervall liegt dabei bei bis zu 20 Jahren und kommt damit den Anforderungen an die Lebensdauer einer praxistauglichen Logistikeinrichtung nach. Für den Anwender bedeutet die Vorabzertifizierung des Betriebssystems eine deutliche Beschleunigung bei der Abnahme des Gesamtsystems, ein oft nicht zu unterschätzender Faktor der Zeit bis zur Marktreife deutlich reduzieren kann. Der Sicherheits-Chip baut auf einem vollständig redundantem 1ooo2D-Design auf. So arbeiten alle Kommunikationssubsysteme unabhängig und rückwirkungsfrei. Den einzelnen Prozessorkernen zugeordnete integrierte Arbeits- und Programmspeicher sowie unabhängige Debug-Einheiten und Kommunikationsschnittstellen garantieren die unabhängige Funktion der Prozessoren. Hinzu kommen für alle Komponenten Speicherschutzeinrichtungen, Komparatoren, Watchdogs und eine Spannungsüberwachung. Das Safety-System-on-Chip bietet eine kompakte Lösung für individuelle Sicherheitssysteme und erlaubt, wie im vorliegenden Fall, auch später erst erkennbare Sicherheitsfunktionen noch zu integrieren. So eignet sich das Konzept nicht nur für die Logistik/Intralogistik, es bewährt sich auch in der Medizintechnik, bei Energie erzeugenden Anlagen und lässt sich für Sensorik und Aktorik oder Steuerungstechnik einsetzen.

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