מאחורי הרובוט: חישה, בטיחות ובקרה c-Industry 4.0‏

מערכות רובוטיקה תעשייתיות מודרניות מסתמכות על תשתית יותר ויותר מתוחכמת כדי לתמוך ביכולות מתפתחות של בינה מלאכותית (AI) ולמידת מכונה (ML), חיבוריות חלקה ופריסה מידרגית על פני רצפות מפעלים. מערכות אלו דורשות חיישנים, חומרת בטיחות, הגנת מעגלים ורכיבי בקרה העומדים בדרישות של רוחב פס רחב, תגובה בזמן-אמת ותקני בטיחות פונקציונליים מחמירים.

מאמר זה בוחן את הטכנולוגיות הבסיסיות העומדות מאחורי הרובוטיקה של Industry 4.0, תוך התמקדות באופן שבו פתרונות חיישנים ובטיחות של SICK‏ ורכיבי בקרה תעשייתיים של Eaton‏ תורמים לבקרת תנועה בטוחה, התנהגות מערכת אדפטיבית וקבלת החלטות דטרמיניסטית. הנושאים כוללים גורמים מרכזיים באוטומציה גמישה וחכמה, כגון ארכיטקטורות חישה, תאימות לבטיחות מכונות, אסטרטגיות בקרה עמידות לתקלות ושילוב רשתות אוטומציה מבוזרות בקצה.

מערכות חישה מתקדמות עבור סביבות מפעלים דינמיות

כפי שמוצג באיור 1, רובוטים של Industry 4.0 ממנפים חיישנים מתקדמים כדי לפעול בצורה בטוחה ויעילה על רצפות המפעלים. למרות תנאים קשים, כגון תאורה משתנה, חלקיקים הנישאים באוויר ורעידות מכניות, חיישנים אלה חייבים לעבד במהירות נתונים בזמן-אמת כדי לעקוב במדויק אחר כוח האדם, רובוטים ניידים וקווי הרכבה הנעים במהירות.

איור 1: זרועות רובוטיות רבות-צירים של Industry 4.0‏ משתמשות בחיישנים משולבים ובמשוב בזמן-אמת כדי לפעול בצורה מדויקת ומהירה. (מקור התמונה: Igus‏)

פלטפורמות רובוטיות משלבות מגוון של שיטות חיישנים כדי לתמוך במודעות מרחבית ותגובתיות ברמת מילי-שנייה. אלגוריתמי היתוך חיישנים משלבים את הכניסות הללו כדי ליצור מודל קוהרנטי בזמן-אמת של סביבת הפעולה של הרובוט. מערכות ראייה מנהלות גילוי וקביעת מיקום של אובייקטים, בעוד שסורקי לייזר בדירוג בטיחות עוקבים אחר אזורים מוגבלים לאיתור הפרות קירבה. חיישני זמן טיסה (ToF) בעלי שיהוי קצר קולטים נתונים מרחביים תלת-ממדיים, ומאפשרים התאמות נתיב ראקטיביות והתנהגות מודעת להקשר.

רובוטים מסתמכים גם על חיישנים פנימיים ומבוססי-מגע כדי לשפר את בקרת התנועה והאינטראקציה. חיישנים טקטיליים - כולל חיישני כוח/מומנט ומתגי גבול - מספקים משוב עבור משימות תפיסה, הרכבה ותאימות. חיישני קירבה אינדוקטיביים, קיבוליים ואולטרסאונד מגלים עצמים סמוכים ללא מגע, בדרך כלל בטווחים קצרים יותר ממערכות ToF. אנקודרים ופוטנציומטרים עוקבים אחר מיקום ומהירות המפרק עבור תכנון תנועה מדויק, בעוד שיחידות מדידה אינרציאליות (IMU) מודדות תאוצה ומהירות זוויתית כדי לשמור על כיוון ואיזון. לבסוף, חיישני חשמל עוקבים אחר הזרם והמתח כדי להעריך את עומס המנוע ולזהות תקלות.

בטיחות מבוססת-תקנים עבור רובוטיקה תעשייתית

רובוטי Industry 4.0 חייבים לעמוד בתקני בטיחות בינלאומיים מחמירים כדי להגן על האנשים והציוד. שלושה תקנים עיקריים - ISO 13849‏, IEC 62061‏ ו-ISO 10218‏ - מגדירים את דרישות הבטיחות הפונקציונליות ומערכות הבקרה המסדירות מערכות רובוטיות על רצפת המפעל.

תקן ISO 13849 מתאר קריטריוני תכנים ותיקוף עבור רכיבי בקרה הקשורים לבטיחות. התקן בנוי על מתודולוגיה מבוססת-סיכונים ומשתמש ברמות ביצועים (PL) כדי לסווג את תקינות המערכת על סמך חומרת הסיכון, תדירות החשיפה ומניעה אפשרית. תקן IEC 62061 עוסק בבטיחות פונקציונלית של מערכות בקרה חשמליות, אלקטרוניות וניתנות-לתכנות, תוך יישום רמות תקינות בטיחותית (SIL) כדי לכמת את הפחתת הסיכון הנדרשת. ביחד, תקנים אלה מגדירים כיצד יש לתכנן, ליישם ולתקף פונקציות חישה ובקרה ביישומים קריטיים-לבטיחות.

תקן ISO 10218 מיישם עקרונות אלה ספציפית על רובוטים תעשייתיים. הוא מכסה דרישות בטיחות לתכנון רובוטים, פריסת תאי עבודה, שילוב מערכות ותפעול. זה כולל שימוש בחיישנים בדירוג-בטיחות עבור עצירות חירום, הגנה וניטור תנועה. רכיבים אלה חייבים לעמוד בספי ביצועים ואמינות מוגדרים, המודגמים בדרך כלל באמצעות בדיקות ותיקוף סדורות.

תקני ISO 13849, IEC 62061 ו-ISO 10218 מהווים את ליבת תקני הבטיחות ברובוטיקה. תקנים נוספים, כולל IEC 60204-1‏ עבור בטיחות חשמלית ו-ISO/TS 15066‏ עבור שיתוף פעולה בין אדם לרובוט, מרחיבים את מסגרת העבודה הבסיסית עבור פריסה ואינטגרציה בטוחות.

מערכות בטיחות משולבות לשיתוף פעולה בין אדם לרובוט

מפעילי מפעלים פורסים פתרונות בטיחות מספקים כמו SICK ו-Eaton כדי לעמוד בתקני בטיחות פונקציונליים ובטיחות מכונות. לדוגמה, מערכת Safe EFI-Pro‏ של SICK תומכת בבקרה בזמן-אמת של פונקציות בטיחות ברובוטים נייחים וניידים כאחד, באמצעות חיישנים, בקרים ומפעילים משולבים. כפי שמוצג באיור 2, סורק הלייזר לבטיחות microScan‏ - רכיב מפתח במערכת - מאפשר זיהוי תנועה אדפטיבי ותלוי-מצב בסביבות דינמיות.

איור 2: סורק הלייזר לבטיחות microScan3‏ של SICK מנטר שדות מגנים ומגלה באופן דינמי תנועה כדי לתמוך בהגנה אדפטיבית בסביבות תעשייתיות. (מקור התמונה: SICK)

מפעילים מיישמים גם את מערכת הגנת קצה זרוע (EOAS‏) של SICK כדי לשמור על שדה מגן דינמי סביב ראשי כלים רובוטיים. EOAS ממנפת את טכנולוגיית ToF כדי לאפשר שיתוף פעולה בטוח וללא-מגע בין אדם לרובוט עם זמני תגובה של פחות מ-110 מילי-שניות.

כדי להשלים את המערכות האוטומטיות הללו, SICK מספקת רכיבי בטיחות ידניים והיקפיים. מתג עצירת חירום ES21‏ מאפשר למפעילים לעצור במהירות מכונות במהלך חירום, בעוד שמתג הבטיחות ללא-מגע STR1‏ משתמש בטכנולוגיית RFID לניטור חסינות-התעסקות, תומך ברמות קידוד גבוהות ועומד בתקן EN ISO 14119‏.

אסטרטגיות הגנה עבור בקרת נחשולים ושיאי מתח

אסטרטגיית בטיחות רובוטית מתואמת דורשת גם אמצעי הגנה ברמת התנועה וגם בקרת הספקת-כוח אמינה. משככי מתחים טרנזיינטיים של Eaton‏ מגבילים זמנית נחשולים ושיאי מתח כדי להגן על רכיבים רגישים. כפי שמוצג באיור 3, מפסקי זרם זעירים FAZ-NA, כמו ה-FAZ-C10/2-NA‏, מגנים על חיווט הבקרה ורכיבי עזר מפני אירועי זרם-יתר.

איור 3: מפסק זעיר FAZ-C10/2-NA של Eaton מגן על חיווט הבקרה ורכיבי העזר מפני אירועי זרם יתר במערכות אוטומציה תעשייתיות. (מקור התמונה: Eaton)

כדי לתמוך בבטיחות חשמלית ובתקינות המערכת, Eaton מציעה גם מגוון רחב של התקני הגנת מעגלים ומתגים ידניים, כגון מתג נדנדה BP-SRR‏, בורר M22S-WKV-K11‏ ומתג Toggle‏ BP-STE‏, המבקרים פונקציות ציוד ואופני פעולה.

מגבילי זרם התנעה Power-NTC‏ (ICLs‏) של Eaton‏ ונתיכי PTC‏ מתאפסים עוזרים להגן על מעגלים מפני זרמי התנעה במהלך הפעלה ראשונית ותנאי תקלה. התקני הגנה תרמית - כגון נתיך תרמי TJD‏ - מוסיפים שכבת בטיחות קריטית על ידי ניתוק זרימת הזרם כדי למנוע הצטברות חום גבוהה מדי ומסוכנת במערכות רובוטיות משולבות היטב.

מערכות בקרה עמידות בפני תקלות ומבוזרות

מערכות רובוטיקה במפעלים חייבות לשמור על רציפות פעולה בטוחה במקרה של תקלות בחיישנים, תקלות במפעילים או הפרעות ברשת. יצרנים מסתמכים על ארכיטקטורות מבוזרות של גילוי, בידוד והתאוששות מתקלות (FDIR‏) כדי למזער את זמן ההשבתה ולשפר את חוסן המערכת. על ידי ביזור לוגיקת הבקרה על פני מספר צמתים ואפשרות תגובה מקומית לתקלות, FDIR מפחית את ההשפעה של תקלות ברכיבים בודדים ומסייע במניעת שיבושים רחבים יותר.

אסטרטגיות עמידות לתקלות אלו מיושמות באמצעות מערכות בקרה מבוזרות המשלבות דיאגנוסטיקה בזמן-אמת ויתירות מובנית. מערכות בקרה מבוזרות משתמשות בדיאגנוסטיקה משולבת כדי לנטר ברציפות את בריאותם וביצועיהם של רכיבים קריטיים. חיישנים ונתיבים תקשורתיים יתירים שומרים על שלמות הבקרה במהלך תקלות במערכת הראשית, בעוד שרוטינות טיפול בשגיאות מאפשרות כיבוי מבוקר או מעברים למצבים בטוחים מוגדרים.

FDIR ובקר הבטיחות Flexi Soft

אסטרטגיות אלו מודגשות על ידי בקר הבטיחות Flexi Soft‏ של SICK. כפי שמוצג באיור 4, Flexi Soft תומך ברובוטיקה מבוססת FDIR‏ Industry 4.0 על ידי מתן אפשרות ללוגיקת בטיחות מבוזרת באמצעות הרחבה מודולרית, ופונקציות ניתנות-להגדרה שנועדו לענות על דרישות מערכת ספציפיות.

איור 4: בקר הבטיחות Flexi Soft של SICK מאפשר לוגיקת בטיחות מבוזרת והרחבה מודולרית עבור בקרה מבוזרת ועמידה בפני תקלות במערכות רובוטיוקה Industry 4.0. (מקור התמונה: SICK)

החיישנים ברמה תעשייתית של SICK - כולל אנקודרים, מתמרי לחץ, חיישנים פוטואלקטריים ומצלמות ראייה ממוחשבת כמו ה-Ranger3‏ - מספקים משוב קריטי במערכות רובוטיקה מבוזרות. חיישנים אלה, המשולבים בנקודות בקרה מרכזיות, תומכים בניטור בזמן-אמת, מיקום דינמי, זיהוי עצמים ודיאגנוסטיקה ברמת המערכת. זה מאפשר גילוי תקלות מוקדם, תגובה מקומית ופעולה רציפה בסביבות מבוזרות.

חישה וניטור מבוססי-קצה עבור אוטומציה חכמה יותר

רובוטיקה Industry 4.0 ממנפת יותר ויותר חישה וניטור ברמת הקצה כדי לשפר את תובנות המערכת, התגובה שלה והאוטונומיה שלה. במקום לשלוח את כל הנתונים לפלטפורמות מרכזיות עבור העיבוד, מערכות רובוטיות מתקדמות מבצעות כעת ניתוחים עיקריים קרוב יותר לקצה, ברמת החיישן או ההתקן. זה מאפשר גילוי תקלות מהיר יותר, קבלת החלטות יעילה יותר והתאוששות משופרת במהלך הפרעות ברשת.

התקנים מבוססי-קצה כגון מצלמות תעשייתיות ומנטרי מעגלים מרחיבים את האינטליגנציה המקומית מעבר ללוגיקת הבקרה. הם אוספים נתוני סביבה ופעולה בזמן-אמת, ומספקים נראות ברמת-המכונה לתנאים המשפיעים על הבטיחות, האיכות וזמן הפעולה. פלטפורמות אלו מפחיתות שיהוי (Latency‏), מקלות על דרישות רוחב פס ומשפרות את התיאום בין מערכות רובוטיות מבוזרות.

מחשוב קצה ובינה משובצת

אסטרטגיות מבוססות-קצה אלו באות לידי ביטוי במוצרים כגון ה-SensingCAM SEC100‏ של SICK, המספק איסוף וניתוח תמונות ברמת-הקצה עבור רובוטיקה של Industry 4.0. כפי שמוצג באיור 5, הוא מספק סטרימינג ברזולוציה גבוהה והקלטת וידאו מותנעת-אירועים עבור זיהוי אובייקטים, ניטור תהליכים ובדיקת איכות.

איור 5: ה-SensingCAM SEC100 של SICK מספק איסוף וניתוח תמונות ברמת-הקצה, ומאפשר ניטור בזמן-אמת ואבחון חזותי ביישומי בדיקה רובוטיים. (מקור התמונה: SICK)

המצלמה התעשייתית מאפשרת נראות בזמן-אמת של נקודות מתות ואזורי בדיקה דינמיים, ותומכת בניתוח גורמי השורש על ידי קליטת נתוני תמונה לפני ואחרי אירועי טריגר.

ה-SEC100‏ משתלב בקלות עם מערכות קיימות של ראייה ממוחשבת ותומך בניטור רציף מבלי להעמיס על המשאבים המרכזיים. הוא גם מייצר רשומות חזותיות עבור תיעוד איכות, כגון אימות אריזה ומעקב אחר הרכבת רכיבים. משובץ ברמת-המכונה, ה-SEC100‏ מביא אינטליגנציה ויזואלית קרוב יותר לנקודת הפעולה.

המעבר לעיבוד מקומי ותובנות בזמן-אמת מתרחב לניטור אנרגיה ברמת-המפעל. כפי שמוצג באיור 6, צג מסך-מגע PXBCM-DISP-6-XV‏ של Eaton מתממשק עם Power Xpert Branch Circuit Monitor‏ כדי לספק ויזואליזציה בזמן-אמת של נתוני מתח, זרם והספק ברמת הפאנל.

איור 6: צג מסך-מגע PXBCM-DISP-6-XV של Eaton מספק ויזואליזציה בזמן-אמת של נתוני מתח, זרם והספק לתמיכה בתחזוקה חזויה ואופטימיזציית האנרגיה. (מקור התמונה: Eaton)

משמש במערכות תעשייתיות - כולל תאי עבודה רובוטיים - הוא מסייע למפעילים לגלות אי-סדרים, לאתר תקלות ולמטב את צריכת האנרגיה. הצג תומך בתחזוקה חזויה ומשפר את הנראות התפעולית על ידי מתן אפשרות לגישה במקום לדיאגנוסטיקה ברמת המעגל.

אסטרטגיות ברמת-המערכת עבור רובוטיקה Industry 4.0‏

כדי לפעול בצורה בטוחה ויעילה, מערכות רובוטיות של Industry 4.0 דורשות אסטרטגיית פריסה המאחדת חישה, בטיחות, בקרה ורשת. חיישנים ורכיבי בטיחות חייבים לעמוד בתקנים מחמירים תוך מתן אפשרות להגנה אדפטיבית ותגובתיות בזמן-אמת בסביבות מבוזרות. ביצועים עקביים במערכות מפעלים מגוונות תלויים בתקנים פתוחים ובתקשורת רבת-פרוטוקולים כדי להבטיח יכולת פעולה-הדדית ומדרגיות.

רכיבי בקרה חייבים לעבד כמויות נתונים גבוהות בקצה הרשת באמצעות חיבורים מאובטחים ובעלי שיהוי (Latency‏) קצר למערכות פיקוח. תיאום עיבוד ומשוב בין צמתים מבוזרים דורש סנכרון ותזמון מדויקים. פרוטוקולים דטרמיניסטיים, נתיבי אותות עם ריצוד נמוך וחוגי בקרה מודעי-זמן מסייעים לשמור על התנהגות צפויה בתנאים דינמיים. ארכיטקטורות עמידות לתקלות תומכות במצבי גיבוי בטוחים ובפעולה רציפה, בעוד שמערכות המשלבות בקרה מקומית עם פיקוח מרכזי מאפשרות תהליכי ייצור גמישים וניתנים להגדרה-מחדש.

סיכום

החל מהיתוך חיישנים ובטיחות פונקציונלית ועד מחשוב קצה ובקרה עמידה בפני תקלות, רובוטיקה Industry 4.0 תלויה במערכות משולבות היטב המבטיחות פעולה בטוחה, אמינה ותגובתיות בסביבות מורכבות. פתרונות מספקי DigiKey כמו SICK ו-Eaton מסייעים לאחד תשתיות חישה, הגנת הספקת-כוח ובקרה - ומאפשרים פריסה מידרגית, עמידה בתקנים וביצועים אדפטיביים.