Der digitale Zwilling in der Sicherheitstechnik - Factory Innovation
Digitalisierung, Simulation

Der digitale Zwilling in der Sicherheitstechnik

Lesedauer: 8 Minuten

14. Juli 2022 von Sönke Knoch/Daniel Porta/Markus Baumann/Stefan Lehnhoff/Joachim Schwab

Der digitale Zwilling in der Sicherheitstechnik
© Gorodenkoff Productions OU – Adobe Stock

Wandlungsfähige Produktionssysteme stellen eine Herausforderung für die Gefährdungsbeurteilung dar. Zugleich birgt das Konzept des Digitalen Zwillings das Potenzial, den Beurteilungsprozess zu digitalisieren und in allen Lebenszyklusphasen von RAMI 4.0 zu unterstützen. Das Projekt BaSySafe entwickelt dafür eine generalisierbare Lösung einschließlich einer Evaluation in der manuellen Montage.

Herausforderungen für die Gefährdungsbeurteilung in Industrie 4.0

In der industriellen Fertigung ergeben sich aus dem Betrieb von Maschinen Risiken und Gefährdungen. Um die Arbeitssicherheit zu gewährleisten, sind Her-steller und Betreiber von Anlagen gesetzlich verpflichtet, eine Risiko- und Gefährdungsbeurteilung (GBU) zu erstellen. Eine wandelbare Produktion stellt Betriebe jedoch vor ganz neue Herausforderungen, denn integrierte Fertigungssysteme ändern sich ständig und Systemkomponenten werden neu konfiguriert oder umgestellt. Folglich lassen sich aus der wandelbaren Produktion neue Pflichten zur Einhaltung der Sicher-heit ableiten. Wie relevant die Thematik ist, zeigt sich u. a. an dem im April 2021 erschienenen Vorschlag für eine neue EU-Maschinenverordnung. In der heutigen industriellen Praxis treten bei der Umsetzung jedoch oft folgende Schwierigkeiten auf:

Fehlerhafte Entscheidungen im Engineering

Der Prozess zur Risikobeurteilung wird meist nicht bewusst gelebt. Verbreitete Ursachen dafür sind mangelndes Bewusstsein, fehlende Qualifikation und das Fehlen geeigneter Werkzeuge. Die auf Maschinensicherheit spezialisierten Mitarbeiter müssen häufig aktiv und korrigierend in das Engineering eingreifen.

Zu spätes Eingreifen

Sicherheitsexperten werden häufig zu spät eingebunden. Notwendige Korrekturen sind dann oft nur gegen erheblichen Widerstand durchsetzbar. Beispielsweise muss eine eventuell schon beschaffte Maschinenkomponente verworfen werden, weil sie die Sicherheitsanforderungen nicht erfüllt.

Mangelnde IT-Unterstützung und Datenabbildung

Die am Markt verfügbaren Werkzeuge zur Risikobeurteilung haben weder eine Datendurchgängigkeit zu gebräuchlichen Engineering-Tools, noch sind sie befriedigend redundanzarm gestaltet. Dadurch entstehen zeitraubende Datenportierungen, Mehrfacheingaben und ein erhöhter Aufwand in der Daten-pflege.

Das Projekt BaSySafe ist Teil des Förderprogramms zur „Weiterentwicklung des Softwaresystems BaSys 4.0“ des BMBF, adressiert die GBU-spezifischen Herausforderungen in der wandelbaren Produktion und fokussiert dabei die Unterstützung bei der Umsetzung in kleinen und mittleren Unternehmen (KMU). In BaSySafe erweitern die EngRoTec Group und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) die von BaSys 4.0 zur Verfügung gestellte Referenzimplementierung einer quelloffenen Industrie 4.0-Middleware für Produktionsanlagen um einen ganzheitlichen Ansatz zur Integration und Pflege sicherheitsrelevanter Informationen in der industriellen Fertigung.

Gefahrensituation in der wandelbaren Produktion

Bild 1 zeigt Gefährdungssituationen aus der betrieblichen Praxis, die durch Änderung und Erweiterung der Prozessabläufe entstehen können, hier am Beispiel einer Montagestation aus der Automobilzulieferindustrie. In einem ersten Schritt soll die Arbeitsbelastung des Werkers durch das stationäre, automatisierte Einpressen eines Dichtrings verringert werden (1a).

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Bild 1: Demonstrator mit Lineareinheit und einer mobilen robotischen Plattform, abgebildet im 3D-Engineering-Werkzeug Delmia von Dassault Systèmes

Durch diese Prozessänderung erweitert sich der Montagearbeitsplatz um eine mobile Lineareinheit, mit der in einem zusätzlichen Prozessschritt eine Steckwelle montiert werden kann (1b). Der Pressvorgang (1a, 1b) darf nur stattfinden, wenn sich der Werker außerhalb des Gefahrenbereichs befindet. Durch Hinzuziehen von Sicherheitstechnik, beispielsweise durch Installation eines Lichtgitters, kann die Absicherung hinreichend gewährleistet werden. Über die Verwaltungsschale (VWS) des Lichtgitters wird dann die GBU des Gesamtsystems erweitert. Die Funktionalität muss zudem in den Montagepro-zess integriert werden. So ist das Lichtgitter am Anfang des Prozesses zu „muten“ (deaktivieren), um das Ein-legen des Bauteils zu ermöglichen.

Im zweiten Schritt (2) wird mit Hilfe einer assistierenden mobilen robotischen Plattform eine dynamische Gefährdung durch die Verkettung des Montagearbeitsplatzes mit der ergänzten mobilen Lineareinheit abgebildet. Das Gesamtsystem muss dabei kontinuierlich die aktuelle Gefahrensituation neu bewerten und Sicherheitsfunktionen rechtzeitig aktivieren und deaktivieren (siehe Bild 2).

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Bild 2: Dynamische Gefährdungsbeurteilung während des Montageprozesses am Handarbeitsplatz

Anwendungsfälle zur Ergebnis-Evaluierung

Use Case 1 – Permanente Erweiterung des Handarbeitsplatzes um eine feste BaSys-Komponente:

Der Arbeitsplatz wird um eine neue BaSys-Komponente erweitert, die den Prozess absichert (z. B. Integration eines Lichtgitters, siehe Bild 1, 1a) oder neue Gefahrensituationen herbeiführt (z. B. Hinzuziehen einer Lineareinheit, siehe Bild 1, 1b). Dazu muss zunächst der Prozess zur Steuerung angepasst werden. Bei der neuen Planung des Prozesses werden die sicherheitstechnischen Eigenschaften der neuen Komponente in das Gesamtsystem integriert bzw. neue Gefährdungen identifiziert. Durch Hinzufügen der Lineareinheit wird beispielsweise eine Bewegung des Werkers zu dieser notwendig. Dadurch entstehen neue Gefahren, wie z. B. das Stolpern. Alle Abhängigkeiten und Gefahrensituationen, die sich aus dieser neuen „Besetzung“ ergeben, werden in einer wiederauffindbaren GBU abgespeichert.
Use Case 2 – Temporäre Erweiterung des Handarbeitsplatzes um eine mobile BaSys-Komponente:

Eine mobile robotische Plattform steuert den Handarbeitsplatz an. Daraus ergeben sich dynamisch und temporär neue Gefahrensituationen, die vorab durch geeignete Maßnahmen entschärft werden müssen. So wird beispielsweise eine Ausstattung des Roboters mit sicherheitsgerichteter Sensorik oder eine Anpassung der Arbeitsumgebung hinsichtlich Prozessgeschwindigkeiten oder gezielte Notifikationen des Werkers notwendig. Bild 2 zeigt, wie eine Gefahrensituation durch die temporäre Anwesenheit einer mobilen robotischen Einheit neu bewertet und eine entschärfende Maßnahme (Aktivierung des Lichtgitters) eingeleitet wird.

Zentraler Zugriffspunkt für Gefährdungen

Im Projekt wird ein VWS-Teilmodell zur Beschreibung von Gefährdungen und risikomindernden Fähigkeiten entworfen. Dafür entwickeln die Projektpartner in Anlehnung an die DIN EN ISO 12100:2011 eine standardisierte, maschinell gestützte Vorgehensweise bei der Erstellung von GBU für Montagesysteme, die den Funktionsumfang, den Reifegrad und damit die Attraktivität der BaSys-Middleware um die Dimension Sicherheit erweitert.

Wesentlicher Bestandteil des Lösungsansatzes ist die Bereitstellung eines modellbasierten Werkzeugs zur Ansicht, Bearbeitung und Kombination von GBU. Zur leichteren Nutzung in der Praxis soll das modellbasierte Werkzeug mit den heute marktüblichen Engineering-Werkzeugen kompatibel sein. Durch die VWS-gestützte Herangehensweise werden eine sicherere Rekonfiguration des Montagesystems zur Ausführungszeit sowie eine dauerhafte und leicht auffindbare Dokumentation der Sicherheitsaspekte erreicht. Sicherheitstechnisch bedenkliche Maschinen-Konfigurationen können damit frühzeitig detektiert und gestoppt werden.

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Bild 3: BaSySafe und Einordnung in die vier Schichten der BaSys-Architektur (in Grau)

Bild 3 zeigt die Verwendung der einheitlichen Datenschnittstelle über die VWS zur Zeit des Engineerings auf der linken Seite. Da die VWS auch zur Laufzeit (rechts im Bild) als zentraler Zugriffspunkt für alle relevanten Daten eines Assets in der Produktion dient, kann sie die Detektion von Gefährdungen im Rahmen eines Safety Monitorings (1) und die Einleitung von risikomindernden Fähigkeiten/Maßnahmen (2), wie die Notifizierung von Mitarbeiten (3), unterstützen. Maßnahmen lassen sich dabei nicht immer vollautomatisch schalten, sondern erfordern häufig die Autorisierung durch berechtigte MitarbeiterInnen.

Wie mithilfe von Mixed-Reality-Brillen und Smart Watches auf der soeben beschriebenen Grundlage sicherheitsrelevante Informationen eingeblendet werden können, zeigt der im DFKI-Labor für Mensch-Roboter-Kollaboration umgesetzte Demonstrator in Bild 4.

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Bild 4: Sicherheitszonen in der virtuellen Realität (oben links) können über Mixed-Reality-Brillen (oben rechts) eingesetzt werden, um über Augmented Reality virtuelle Sicherheitsbereiche zu visualisieren (unten rechts), die bei Zu-nahe-Kommen Alarme auslösen (unten links)

Mit Hilfe von Wearables erhält der Sicherheitsingenieur ein neues Instrument, um Gefahrensituationen für andere Personen sichtbar zu machen. Damit ergeben sich nicht nur neue Möglichkeiten für die Visualisierung und Warnung vor Gefahren, sondern auch für den vorgelagerten Prozess der Gefährdungsbeurteilung. Daher werden in BaSySafe mit dem oben genannten Engineering-Werkzeug und der Mixed-Reality-Brille neue Werkzeuge bereitgestellt, über die eine Gefährdungsbeurteilung und Risikominimierung unterstützt werden kann.

Ausblick

Im Projekt zeichnen sich bereits jetzt folgende Vorteile für die technische Umsetzung einer GBU ab:

  • Eine leichte Rekonfiguration der Anlagen im Rahmen der bestimmungsgemäßen Verwendung dokumentiert sich selbsttätig in der VWS.
  • Sicherheitstechnisch bedenkliche Rekonfigurationen und Integrationen von Assets werden schon in der Engineering-Phase als solche identifiziert und können frühzeitig vermieden bzw. entschärft werden.
  • Der Aufwand zur GBU im Betrieb bleibt gering, da auf eine tagesaktuelle Modellierung und Dokumentation des Ist-Zustands aufgesetzt werden kann. Aufwendige Informationsbeschaffung oder Reverse Engineering entfällt.
  • Auch eher konservative Bereiche wie die Sicherheitstechnik profitieren von der zunehmenden Digitalisierung.

Diese Arbeit wurde zum Teil vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) durch das Projekt BaSySafe gefördert (Förderkennzeichen 01IS21015B).

Vorgehensweise im Engineering gemäß DIN EN ISO 12100:2011 

  1. Gefährdungen identifizieren: In VWS der Assets hinterlegtes Gefährdungspotenzial
  2. Assets mit risikomindernden Fähigkeiten zusteuern: In VWS standardisiert hinterlegte Fähigkeiten
  3. Diese Assets mit Hilfe von Engineering-Tools und Augmented Reality validieren und konfigurieren
  4. Zuordnung und Verhaltensregel im VWS ablegen (übergeordnete Strukturebene)
  5. Funktionen in Betrieb nehmen und im Feld testen; Zertifikate in VWS ablegen

Vorgehensweise Runtime-Risikominderung

  1. Akute Gefährdungen in Laufzeit durch sensorische Fähigkeiten von Assets identifizieren 
  2. Assets mit risikomindernden Fähigkeiten ansteuern; Funktionsaufrufe in Laufzeit 
  3. Warnung triggern; Funktionsaufrufe in Laufzeit 
  4. Freigabe in Laufzeit durch sensorische Fähigkeiten von Assets entgegennehmen 
  5. Produktive Operation mit Gefährdungspotential ausführen 

Checkliste

  • Standardisierte, maschinell gestützte Vorgehensweise zur Erstellung von Gefährdungsbeurteilungen, basierend auf dem Konzept der Verwaltungsschale 
  • Reduzierte Aufwände im Umgang mit Gefährdungsbeurteilungen 
  • Erhöhte Sicherheit durch strukturiertes Vorgehen 
  • Safety Monitoring zur Laufzeit, um temporär auftretende Gefahrensituationen zu erkennen und zu entschärfen 

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