Neue Sicherheitsstrategien der modularen Produktion

In der Industrie 4.0 und in modularen Produktionsprozessen interagieren Mitarbeitende und Produktionsanlagen wie Roboter und Maschinen zunehmend autonom. Die hohe Interaktivität birgt jedoch auch physische Gefahren – hier besteht dringender Handlungsbedarf zum Schutz aller Beteiligten! Dynamische Sicherheitskonzepte können Menschen schützen und gleichzeitig deren umfassenden Handlungsspielraum erhalten.

Die Kombination von Cybersecurity und Safety gewinnt zunehmend an Bedeutung, um hochvernetzte Industrieanlagen und Shared Production zuverlässig zu betreiben. Die semantisch-dynamische Sicherheit einer Produktionsinsel verdeutlicht eindrucksvoll, wie intelligente Systeme die industrielle Produktion revolutionieren können. Diese Systeme integrieren Sensorik, Datenanalyse und automatisierte Sicherheitsprotokolle, wodurch eine neue Ära der industriellen Sicherheit eingeleitet wird. Sie stellen eine zusätzliche Safety-Layer dar, die die klassischen Safety-Konzepte ergänzt.

In herkömmlichen Produktionsumgebungen sind Sicherheitssysteme oft statisch konfiguriert. Im Falle einer Gefahr würde das gesamte System somit automatisch angehalten werden. Dies erfordert eine manuelle Quittierung und einen Neustart des Systems, welches zu erheblichen Produktionsverzögerungen führt. Zudem können solche Unterbrechungen erhebliche finanzielle Verluste verursachen und den Verschleiß der Maschinen erhöhen. Statische Sicherheitssysteme bieten keine Flexibilität zur dynamischen Anpassung an veränderte Produktionsbedingungen, wie sie in der Industrie 4.0 und der modularen Produktion anzutreffen sind. Daher stellen sie ein wesentliches Hindernis für die Effizienz und Reaktionsfähigkeit moderner Produktionsanlagen dar.

Modulare Produktionsinseln: flexibel, sicher, innovativ

Eine Produktionsinsel steht repräsentativ auch für eine eigenständige Produktionsstätte innerhalb des Ökosystems. In der Realität wäre eine Produktionsinsel beispielsweise ein Unternehmen als Teil einer Lieferkette. Diese Produktionsinsel basiert auf dem Prinzip der flexiblen Modulkonfiguration, bei welcher die Module untereinander mit einem Transportsystem verbunden sind. Oft besitzen solche Produktionsinseln ein schienengeführtes Track-System, auf dem sich mehrere Transporteinheiten, sogenannte Shuttles, simultan in unterschiedliche Richtungen bewegen können.

An dieses Track-System können Module mit unterschiedlichen Fähigkeiten nach Bedarf mittels Plug and Produce in das Produktionssystem integriert werden. Als Grundlage der modularen Produktion dienen unter anderem das Kommunikationsprotokoll OPC UA, das Verwaltungsschaleninformationsmodell, Künstliche Intelligenz (KI), Digitale Zwillinge, 5G und Industrial-Edge-Cloud-Anwendungen. Um einen reibungslosen Wechsel der Module ohne kompletten Systemstillstand zu realisieren, kann ein semantisch-dynamisches Sicherheitssystem integriert werden, das sich intelligent an verschiedene Zustände und Sicherheitsanforderungen anpasst.

Dynamische Sicherheitslösungen fördern den Produktionsfluss

Ein praktisches Beispiel für das dynamische Sicherheitssystem ist die Modulabkopplung während des laufenden Betriebs, die für Wartungen oder zum Austausch von Modulen erforderlich sein kann, um die Produktionskapazitäten und Produktionsfähigkeiten anzupassen. Üblicherweise würde dieser Prozess den Sicherheitskreis der Anlage öffnen und einen Produktionsstopp erzwingen. Durch die dynamische Überwachung der Modulregionen kann die Anlage dennoch trotz offener Gefahrenstelle Betriebsfähigkeit gewährleisten. Hierfür können Sensorik und Datenanalysen eingesetzt werden, um die kontinuierliche Überwachung der Umgebung zu gewährleisten.

So kann das System während eines Modulwechsels potenzielle Gefahren identifizieren und gezielt die Sicherheitsprotokolle aktivieren, die auf die spezifische Situation abgestimmt sind. Dies ermöglicht die Fortsetzung der Produktion in anderen Bereichen der Insel, während im betroffenen Bereich angemessene Sicherheitsmaßnahmen umgesetzt werden. Wenn sich eine Person der entstandenen offenen Stelle nähert, wird die Maschine nicht vollständig angehalten, sondern passt ihre Betriebsgeschwindigkeit oder andere Parameter basierend auf der Position und den Aktionen der Person intelligent an.

Laserscanner und KI-gestützte Radarsensoren erhöhen Sicherheit

Für eine solche Überwachung können zertifizierte Laserscanner verwendet werden, die in die Fertigungsinsel integriert sind und die genaue Position der Personen ermittelt. Über diesen Modulen werden zusätzlich Radarsensoren installiert, die die Radarsignaturen mittels KI anhand von Radar Point Cloud Features auswerten. Diese Radarinformationen werden zur semantischen Unterscheidung von Personen und Objekten sowie zur Bestimmung des Geschwindigkeitsvektors benötigt. Auf dieser Basis kann bestimmt werden, ob sich eine Person in der Gefahrenzone befindet und ob sie sich auf diese zu- oder von ihr wegbewegt.

Die Umgebung des Moduls ist in drei Gefahrenzonen unterteilt: die freie Zone (grün), die Aufmerksamkeitszone (gelb) und die Gefahrenzone (rot). Diese Zonen regeln das Verhalten der Transporteinheiten je nach Nähe und Aktion (Geschwindigkeitsvektor) zur Gefahrenstelle. In der grünen Zone kann das System mit voller Geschwindigkeit weiterproduzieren. Wenn sich eine Person mit einer gewissen Geschwindigkeit in Richtung der Gefahrenstelle in die gelbe Zone bewegt, erkennt das System dies und verlangsamt die Geschwindigkeit der Shuttles an der Gefahrenstelle.

Die Transporteinheiten können die offene Gefahrenstelle in dieser Phase noch durchfahren. Bewegt sich die Person weiter auf die Gefahrstelle zu (roter Bereich), sperrt das System die Durchfahrt durch die offene Gefahrstelle, sodass keine Gefahr für die Person entstehen kann. Der Rest des Systems kann parallel mit voller Geschwindigkeit weiterproduzieren.

Eine zusätzliche Differenzierung zwischen autonomen mobilen Robotern (AMR) des Intralogistiksystems und dem Menschen ist besonders hilfreich, damit ein AMR im gelben Bereich das System nicht verlangsamt und mit voller Geschwindigkeit weiterproduziert werden kann. Im roten Bereich wird die Durchfahrt in beiden Fällen aufgrund von Sicherheitsbestimmungen gesperrt. 

Die beschriebene Technologie bietet erhebliche Vorteile für die Sicherheit und Effizienz der Produktion, indem sie durch automatische Anpassungen Unfälle verhindert und das Risiko von Verletzungen und Maschinenausfällen verringert. Darüber hinaus bietet das System eine hohe Flexibilität durch die schnellen und intelligenten Anpassungen, die für moderne Produktionsumgebungen unerlässlich ist. Produzierende Unternehmen kommen zukünftig daher nicht umhin, von Anfang an dynamische Sicherheitsstrategien in ihre Safety-Konzepte einzubinden.

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