Komunikacijski in varnostni izzivi, s katerimi se soočajo proizvajalci mobilnih robotov

19.12.2022

Mobilni roboti so povsod, od skladišč do bolnišnic in celo na ulici. Njihova priljubljenost je razumljiva: so cenejši, varnejši, lažje dostopni in bolj produktivni kot dejanski delavci. Zlahka jih je razširiti ali združiti z drugimi stroji. Ker mobilni roboti zbirajo veliko podatkov v realnem času, lahko podjetja mobilne robote uporabijo za začetek svoje poti IIoT.

Za učinkovito delo pa mobilni roboti potrebujejo varno in zanesljivo komunikacijo. Ta članek opisuje glavne komunikacijske in varnostne izzive, s katerimi se soočajo proizvajalci mobilnih robotov, in ponuja enostaven način za premagovanje teh izzivov, da bi mobilni roboti lahko delovali.

Kaj so mobilni roboti?

Preden začnemo, opredelimo, kaj mislimo z mobilnimi roboti.

Mobilni roboti prevažajo materiale z ene lokacije na drugo in so dveh vrst: avtomatizirana vodena vozila (AGV) in avtonomni mobilni roboti (AMR). Vozila AGV uporabljajo vodilno infrastrukturo (žične odsevnike, reflektorje ali magnetne trakove), da sledijo vnaprej določenim potem. Če predmet ovira pot vozila AGV, se to vozilo ustavi in počaka, dokler se predmet ne odstrani.

AMR so bolj dinamični. Navigacijo opravljajo prek zemljevidov in za zaznavanje okolice ter izbiro najučinkovitejše poti uporabljajo podatke iz kamer, vgrajenih senzorjev ali laserskih skenerjev. Če predmet ovira načrtovano pot vozila AMR, izbere drugo pot. Ker vozila AMR niso odvisna od vodilne infrastrukture, jih je mogoče hitreje namestiti in prilagoditi logističnim spremembam.

S katerimi izzivi na področju komunikacije in varnosti se soočajo proizvajalci mobilnih robotov?

1. Vzpostavitev brezžične povezave

Prvi izziv za proizvajalce mobilnih robotov je izbira najprimernejše brezžične tehnologije. Običajni nasvet je, da določite zahteve, ocenite standarde in izberete najboljšo rešitev. Žal to proizvajalcem mobilnih robotov ni vedno mogoče, saj pogosto ne vedo, kje se bo stroj nahajal, ali natančnih podatkov o ciljni uporabi.

Včasih je idealna povezava Bluetooth, saj omogoča stabilno povezavo brez gneče, medtem ko druge aplikacije zahtevajo visokohitrostno in varno mobilno povezavo. Za proizvajalce mobilnih robotov bi bilo koristno, če bi imeli na voljo omrežno tehnologijo, ki bi jo bilo mogoče enostavno spreminjati, da bi izpolnili posebne zahteve.

Slika 1. Brezžični standard - prednosti in slabosti na visoki ravni

Drugi izziv je zagotoviti, da namestitev deluje, kot je bilo načrtovano. Pred namestitvijo brezžične rešitve opravite predvideni pregled lokacije na podlagi risb objekta, da zagotovite zadostno pokritost mobilnih robotov s signalom na celotni lokaciji. V pregledu lokacije je treba določiti optimalno lokacijo za dostopne točke, pravilno vrsto antene, optimalni kot antene in način za ublažitev motenj. Po namestitvi z orodji za pregledovanje brezžičnega omrežja preverite zasnovo in po potrebi prilagodite dostopne točke ali anteno.

2. Povezovanje mobilnih robotov z industrijskimi omrežji
Mobilni roboti morajo komunicirati s krmilniki na ustreznem mestu, čeprav mobilni roboti in krmilniki pogosto uporabljajo različne industrijske protokole. Na primer, AGV lahko uporablja CANopen, krmilnik pa PROFINET. Poleg tega lahko proizvajalci mobilnih robotov želijo uporabiti isti model AGV na drugi lokaciji, kjer krmilnik uporablja drugo industrijsko omrežje, na primer EtherCAT.

Proizvajalci mobilnih robotov morajo tudi zagotoviti, da imajo njihovi mobilni roboti zadostno zmogljivost za obdelavo zahtevane količine podatkov. Zahtevana količina podatkov je odvisna od velikosti in vrste namestitve. Velike naprave lahko porabijo več podatkov, saj morajo algoritmi za usmerjanje zajeti večje območje, več vozil in več možnih poti. Navigacijski sistemi, kot je vizuelna navigacija, obdelujejo slike in zato potrebujejo več procesorske moči kot naprave, ki uporabljajo druge navigacijske sisteme, kot so odsevniki. Zato morajo proizvajalci mobilnih robotov rešiti naslednje izzive:

1. Potrebujejo omrežno tehnologijo, ki podpira vsa glavna omrežja Fieldbus in industrijski Ethernet.
2. Omrežno tehnologijo je treba enostavno spremeniti, da lahko mobilni robot komunicira v istem industrijskem omrežju kot krmilnik, ne da bi bilo treba spremeniti zasnovo strojne opreme.
3. Zagotoviti morajo, da ima omrežna tehnologija zadostno zmogljivost in funkcionalnost za obdelavo zahtevanih podatkov.

3. Ustvarjanje varnega sistema
Vzpostavitev sistema, v katerem lahko mobilni roboti varno prevažajo material, je ključna, vendar zahtevna naloga. Proizvajalci mobilnih robotov morajo ustvariti sistem, ki upošteva vse različne vrste mobilnih robotov, struktur in ljudi v okolju. Zagotoviti morajo, da se mobilni roboti odzovejo na zunanje ukrepe, kot je na primer odpiranje varnostnih vrat ali pritisk na gumb za ustavitev v sili, in da lahko omrežna rešitev obdeluje različne varnostne protokole in vmesnike. Upoštevati morajo, da se AMR prosto gibljejo, in ustrezno upravljati tveganje trkov. Tehnologija, ki se uporablja v senzorjih, se nenehno razvija, proizvajalci mobilnih robotov pa morajo slediti razvoju, da bodo njihovi izdelki ostali čim bolj učinkoviti.

Slika 2. Pregled varnostnih izzivov za proizvajalce mobilnih robotov

Varnostni standardi
Varnostni standardi vsebujejo smernice za izvajanje varnostnih komponent, pripravo okolja in vzdrževanje strojev ali opreme.

Medtem ko je upoštevanje različnih varnostnih standardov (ISO, DIN, IEC, ANSI itd.) večinoma prostovoljno, morajo proizvajalci strojev v Evropski uniji zakonsko upoštevati varnostne standarde iz direktiv o strojih. Direktiva o strojih 2006/42/ES vedno velja za proizvajalce mobilnih robotov, pri nekaterih aplikacijah pa je lahko pomembna tudi direktiva 2014/30/EU, saj ureja elektromagnetno združljivost opreme. Direktiva o strojih 2006/42/ES opisuje zahteve za načrtovanje in izdelavo varnih strojev, ki se uvajajo na evropski trg. Proizvajalci lahko namestijo oznako CE in dobavijo stroj svojim strankam le, če lahko v izjavi o skladnosti dokažejo, da so izpolnili zahteve direktive.

Čeprav drugi varnostni standardi niso obvezni, jih morajo proizvajalci upoštevati, saj pomagajo izpolnjevati zahteve iz Direktive 2006/42/ES o strojih. Proizvajalci lahko na primer upoštevajo navodila iz standarda ISO 12100, da ugotovljena tveganja zmanjšajo na sprejemljivo preostalo tveganje. Uporabijo lahko standarda ISO 13849 ali IEC 62061, da ugotovijo zahtevano raven varnosti za vsako tveganje in zagotovijo, da ustrezna funkcija, povezana z varnostjo, izpolnjuje opredeljene zahteve. Proizvajalci mobilnih robotov se odločijo, kako bodo dosegli določeno raven varnosti. Lahko na primer zmanjšajo hitrost mobilnega robota, da zmanjšajo tveganje trkov in resnost poškodb na sprejemljivo raven. Lahko pa zagotovijo, da mobilni roboti delujejo le na ločenih območjih, kjer je dostop ljudi prepovedan (v standardu ISO 3691-4 so opredeljena kot zaprta območja).

Določitev pravilnih standardov in izvajanje zahtev je najboljši način, kako lahko proizvajalci mobilnih naprav ustvarijo varen sistem. Vendar je, kot je razvidno iz tega povzetka, to zapleten in dolgotrajen proces.

4. Zagotavljanje zanesljive komunikacije CAN

Komunikacija, ki temelji na tehnologiji CAN, je zanesljiv in enostaven standard že od 80. let prejšnjega stoletja in je še vedno vse bolj priljubljena, predvsem zaradi njene uporabe v različnih hitro rastočih panogah, kot sta e-mobilnost in baterijski sistemi za shranjevanje energije (BESS). Tehnologija CAN je preprosta, energetsko in stroškovno učinkovita. Vse naprave v omrežju lahko dostopajo do vseh informacij, poleg tega je to odprt standard, kar pomeni, da lahko uporabniki sporočila prilagodijo in razširijo glede na svoje potrebe.

Za proizvajalce mobilnih robotov je vzpostavitev povezave CAN še pomembnejša, saj jim omogoča spremljanje litij-ionskih baterij, ki se vse pogosteje uporabljajo v pogonskih sistemih mobilnih robotov, bodisi v sistemih za naknadno opremljanje bodisi v novih napravah. Proizvajalci mobilnih robotov morajo storiti naslednje:

1. Vzpostavite zanesljivo povezavo s komunikacijskimi standardi CAN ali CANopen, ki jim omogoča preverjanje naprav, na primer spremljanje stanja in delovanja baterije.
2. Zaščitite sisteme pred elektromagnetnimi motnjami (EMI), saj lahko EMI uničijo elektroniko sistema. Tveganje EMI je pri nadgradnjah veliko, saj dodajanje novih komponent, kot so baterije ob komunikacijskem kablu, povzroči vnos visokofrekvenčnih elektromagnetnih motenj.

5. Dostop do mobilnih robotov na daljavo

Zmožnost oddaljenega dostopa do nadzornega sistema stroja lahko prodajalcem ali inženirjem mobilnih robotov omogoči, da odpravijo večino težav, ne da bi morali odpotovati na lokacijo.

Slika 3. Prednosti oddaljenega dostopa

Izziv je ustvariti rešitev za oddaljeni dostop, ki bo usklajevala potrebe oddelka IT in potrebe inženirja ali prodajalca.

Oddelek IT želi zagotoviti, da bo omrežje varno, zanesljivo in ohranilo celovitost. Zato mora rešitev za oddaljeni dostop vključevati naslednje varnostne ukrepe:

• Uporabljajte izhodne povezave namesto vhodnih, da bo vpliv na požarni zid čim manjši.
• Ustrezen promet ločite od preostalega omrežja.
• Šifrirajte in zaščitite ves promet, da zagotovite njegovo zaupnost in celovitost.
• Zagotovite, da prodajalci delujejo v skladu z ustreznimi varnostnimi standardi, kot je ISO 27001, ali da so certificirani v skladu z njimi.
• Zagotovite, da dobavitelji opravljajo redne varnostne revizije.

Inženir ali prodajalec želi enostaven za uporabo in zanesljiv sistem. Uporabniki se morajo zlahka povezati z mobilnimi roboti in dostopati do potrebnih informacij. Če se namestitev lahko spremeni, mora biti enostavno povečati število robotov po potrebi. Če so mobilni roboti v drugi državi kot prodajalci ali inženirji, mora imeti omrežna infrastruktura zadostno pokritost in redundanco, da zagotavlja razpoložljivost po vsem svetu.

Zaključek

Kot smo videli, morajo proizvajalci mobilnih robotov rešiti številne komunikacijske in varnostne izzive. Vzpostaviti morajo brezžično povezavo, pošiljati podatke prek različnih omrežij, zagotoviti varnost, se povezati s sistemi CAN in varno dostopati do robotov na daljavo. In da je vse skupaj še bolj zapleteno, je treba vsako namestitev ponovno oceniti in prilagoditi zahtevam na kraju samem.

Najboljša praksa za izvajanje komunikacije z mobilnimi roboti

Proizvajalci mobilnih robotov so redko strokovnjaki za komunikacijo ali varnost. Zato je za njih lahko zamudno in drago, če poskušajo zahtevano komunikacijsko tehnologijo razviti sami. Uporaba namenskih komunikacijskih rešitev tretjih oseb ne rešuje le trenutnih komunikacijskih izzivov, temveč prinaša tudi druge prednosti.

Sodobne komunikacijske rešitve imajo modularno zasnovo, ki proizvajalcem mobilnih robotov omogoča, da odstranijo en omrežni izdelek, zasnovan za en standard ali protokol, in ga nadomestijo z izdelkom, zasnovanim za drug standard ali protokol, ne da bi to vplivalo na kateri koli drug del stroja. Na primer, Bluetooth je lahko najprimernejši brezžični standard v neki namestitvi, medtem ko lahko Wi-Fi zagotavlja boljšo pokritost v drugi namestitvi. Podobno se lahko v enem objektu uporabljata protokola PROFINET in PROFIsafe, v drugem pa drugačni industrijski in varnostni protokoli. V obeh scenarijih lahko proizvajalci mobilnih robotov s komunikacijskimi izdelki spremenijo omrežno tehnologijo tako, da ustreza lokalnim zahtevam, ne da bi spremenili zasnovo strojne opreme.

Avtorji:

Mark Crossley, Daniel Heinzler, Fredrik Brynolf, Thomas Carlsson

For more information about HMS Networks, please visit: www.hms-networks.com/agv