Dynamische Fertigungsumgebungen erfordern eine enge Zusammenarbeit von Menschen und Robotern ohne starre Trennungen. Das von Botfellows entwickelte Sicherheitssystem Dynamic Safety ermöglicht dabei große Flexibilität bei gleichzeitig hoher Sicherheit und ermöglicht dadurch eine effiziente Kooperation zwischen Menschen und Robotern. Botfellows ist eine Ausgründung aus dem Fraunhofer IWU in Chemnitz. Dynamic Safety ist in zwei Varianten verfügbar, deren Funktionalität sich entsprechend den Anforderungen unterscheidet.

Bei der Core-Variante von Dynamic Safety handelt es sich um ein flexibles Sicherheitsmodul für die schutzzaunlose Robotik. Das Modul ist mit einer Vielzahl gängiger Sicherheitssensoren kompatibel, darunter 3D-Radar und 2D-Lidar. Es berechnet dynamisch kompakte Sicherheitsbereiche und konfiguriert daraufhin die Sicherheitssensorik automatisch. Auf diese Weise lassen sich effiziente, schutzzaunlose Roboteranwendungen auch in dynamischen Produktionsumgebungen einfach umsetzen. Bei der Variante Dynamic Safety Advanced differenziert das System zwischen bewegten Personen und unbelebten Objekten. Aufgrund der direkten Anbindung an die Robotersteuerung verarbeitet das System kontinuierlich Echtzeit-Bewegungsdaten und ermittelt daraus die minimal notwendigen Sicherheitsbereiche gemäß den geltenden Normen. Parallel überwacht es die Positionen aller Personen und Objekte im gemeinsamen Arbeitsraum dauerhaft. Das ermöglicht eine sichere und effiziente Zusammenarbeit ohne physische Trennvorrichtungen. Nähert sich eine Person dem definierten Gefahrenbereich, bremst der Roboter ab oder stoppt sofort.

Mindestens 30 Prozent geringerer Flächenbedarf

Dynamic Safety arbeitet sowohl mit Leichtrobotern als auch mit Schwerlastrobotern zusammen. Es sammelt permanent Daten über den Zustand der Maschine, unter anderem Geschwindigkeit, Position, Kraft und Beschleunigung. Die Sicherheitsbereiche sind als Warn- und Schutzfelder festgelegt, die in Echtzeit bestimmt und überwacht werden. Ein intelligenter Algorithmus wertet die erfassten Daten aus, erkennt potenzielle Gefahrensituationen und berücksichtigt dabei mögliche Auswirkungen auf die Umgebung. Kommt es zu einer kritischen Situation, hat die Sicherheit des Menschen oberste Priorität. Das System reagiert umgehend und passt die Geschwindigkeit automatisch an, um Risiken zuverlässig zu vermeiden.

Roboter, die mit Dynamic Safety ausgestattet sind, benötigen keine festen Schutzzäune mehr. Stattdessen nutzen sie flexibel adaptierbare virtuelle Sicherheitsbereiche. Herkömmliche starre Sicherheitszonen begrenzen den gemeinsamen Arbeitsraum von Menschen und Robotern meist auf ein bloßes Nebeneinander. Der Roboter detektiert Personen

und reagiert darauf, kann sie jedoch nicht aktiv unterstützen. Dynamic Safety bringt hier einen entscheidenden Fortschritt, indem es eine direkte Zusammenarbeit zwischen Menschen und Robotern als Team gestattet. Dynamisch angepasste Schutzbereiche schaffen neue Freiräume für eine Aufgabenverteilung und kombinierte Arbeitsprozesse. Der Flächenbedarf sinkt damit um mindestens 30 Prozent, bei umfassend vernetzten Anlagen sogar noch deutlicher. Ermöglicht wird dies durch die erheblich schnellere Reaktionszeit der Robotersteuerung. Der Roboter kann bei Gefahr augenblicklich stoppen und nutzt den verfügbaren Raum so effizienter. Das Ergebnis sind eine höhere Auslastung, mehr Anlagenverfügbarkeit und insgesamt mehr produktive Arbeitszeit.

Höhere Performance mit hochsprachenprogrammiertem Code

Bei der Suche nach einer offenen und leistungsstarken Hardware- und Software-Plattform bis SIL 3/PL e ist Botfellows auf die Sicherheitssteuerungen der Produktfamilie PLCnext Control von Phoenix Contact gestoßen. Die SPS stehen für eine offene und freie Programmierbarkeit von Automatisierungslösungen. In diesen lassen sich neben den standardisierten IEC-61131-Sprachen auch Hochsprachen wie C/C++/C#, Matlab Simulink oder Python im Echtzeitkontext einsetzen.

Sicherheitsrelevante Funktionen lassen sich ebenfalls in C ausführen und als Bibliothek in der Engineering-Umgebung PLCnext Engineer nutzen. Botfellows bietet hochspezialisierte Funktionsbausteine zur schutzzaunlosen Absicherung agiler Roboterapplikationen mit dynamisch veränderlichen Schutzräumen an. Diese Funktionsbausteine lassen sich in Kombination mit dem Rezeptur-Handling der Sicherheitssteuerung flexibel parametrieren und somit generisch für unterschiedlichste Use Cases und Robotertypen verwenden.

Neben der Offenheit bietet die Sicherheitssteuerung von Phoenix Contact eine hohe Performance. Entwicklungsbegleitende Analysen der Umsetzung von Dynamic Safety in C-Sprache im Vergleich zu vorhandenen Varianten in Structured Text zeigen eine Performance-Steigerung um den Faktor 5.

Neue Geschäftsmodelle von der Lizenzierung bis zur Wartung

Technologieanbieter wie Botfellows können das Ecosystem PLCnext Technology folglich nicht nur als Plattform für die technische Realisierung, sondern auch für neue Geschäftsmodelle einsetzen. Neben der Vermarktung und Lizenzierung über die Online-Plattform PLCnext Store partizipieren sie von allen Funktionen der Wartung und Pflege wie dem Device and Update Management von sicherheitsrelevanten Soft- und Firmware-Komponenten sowie Applikationsprogrammen und -parametern.

Zur Anbindung netzwerkfähiger sicherer Sensoren und Aktoren unterstützen die Sicherheitssteuerungen der Baureihe PLCnext Control die Sicherheitsprotokolle Profisafe und Safety over Ethercat (FSoE). Eine zusätzliche sicherheitsrelevante Ankopplung an eine überlagerte Sicherheitssteuerung ist über Profisafe ebenfalls durchführbar. Durch diese Multiprotokollfähigkeit ergibt sich eine hohe Flexibilität bei der Auswahl der für Dynamic Safety nutzbaren Sensorik und Aktorik. Die Komponenten können abgesehen von ihren Performance-Aspekten auch nach dem Preis-Leistungs-Verhältnis und der Verfügbarkeit ausgesucht werden. Die Hochsprachenalgorithmen von Dynamic Safety sind netzwerkunabhängig und somit generisch verwendbar. Mit PLCnext Engineer steht ein leistungsfähiges Tool zur Programmierung der Standard- und Sicherheitsfunktionen sowie zur Konfiguration und Parametrierung der Profisafe- und FSoE-Netzwerke zur Verfügung.

In offenen Steuerungssystemen wie PLCnext Control kommt den gestiegenen Security-Anforderungen eine besondere Bedeutung zu. Sämtliche Sicherheitssteuerungen von Phoenix Contact werden durch die implementierten Security-Maßnahmen von PLCnext Technology geschützt und sind für den Einsatz bis zum Security Level SL 2 gemäß IEC 62443-4-1/4-2 zertifiziert. Davon partizipieren ebenso die funktional sicheren Funktionen von Drittherstellern wie Botfellows.

DynamicSafety@PhoenixContact erweist sich also als stimmige Kombination aus der funktional sicheren, offenen Hardware- und Software-Plattform PLCnext Technology und den hochspezialisierten Technologiefunktionen für dynamisch veränderbare schutzzaunlose Sicherheitszonen von Botfellows.

Autoren:

Steffen Horn, Fachleiter Funktionale Sicherheit, PLCnext Technology und Automation Systems, Phoenix Contact

Mohamad Bdiwi, CEO und Co-Founder Botfellows und Teamleiter Kollaborative Robotersysteme, Fraunhofer IWU

Sebastian Krusche, CTO und Co-Founder Botfellows

SPS, Halle 9, Stand 310