אינטגרציה יעילה ובטוחה של רובוטים AMR בתפעול Industry 4.0 עבור תועלת מקסימלית

בתגובה לשימוש הגובר ברובוטים ניידים אוטונומיים (AMRs), הנקראים גם רובוטים ניידים תעשייתיים בתפעול Industry 4.0, האיגוד לקידום אוטומציה (A3) ביחד עם מכון התקנים הלאומי האמריקאי (ANSI) פרסמו לאחרונה את התוספת השנייה של תקן הבטיחות שלהם עבור רובוטים AMR:‏ ANSI/A3 R15.08-2, המפרט את הדרישות עבור אינטגרציה, הגדרת תצורה והתאמה מיוחדת של AMR או צי של רובוטים AMR באתר. דרישה‏ חיונית היא ביצוע של‏ הערכת סיכונים לפי ANSI/ISO 1210‏ או ANSI B11.0‏. התקן החדש משלים את R15.08-1 שפורסם מקודם והתמקד בתכנון ואינטגרציה בטוחים של רובוטים AMR.

סדרת התקנים R15.08‏ בונה על תקן הבטיחות ANSI/ Industrial Truck Standards Development Foundation (ITSDF) B56.5 עבור כלי רכב תעשייתיים מונחים אוטומטיים (AGVs). התקן החדש יותר מכיר בשלוש קטגוריות של‏ רובוטים AMR בהתבסס על הכללת פונקציות ותכונות ספציפיות.

מאמר זה משווה בקצרה רובוטים AMR ורכבי AGV‏ ו-ANSI/ITSDF B56.5 ו-International Standards Organization (ISO) 3691-4 לעומת ANSI/A3 R15.08. אחר כך הוא סוקר את אסטרטגיות הערכת הסיכונים המתוארות ב-ANSI/International Standards Organization (ISO) 12100 ו-ANSI B11.0‏, כיצד הן מתייחסות לרובוטים AMR וכיצד הן משולבות ב-R15.08-2. בצעד הבא, המאמר סוקר את שלוש הקטגוריות של רובוטים AMR המוגדרות ב-R15.08-2, לפני שמסיים בהצגת שיקולים מעשיים להטמעת AMR, כולל כיצד ליישם מיפוי והכנסה לשירות, כיצד לנהל ציים של רובוטים AMR וכיצד לנווט הזדמנויות חדשות להכנסה לשירות וירטואלית באמצעות סימולציה ותאומים דיגיטליים (digital twins) תוך שימוש בדוגמאות מ-Omron Automation‏ ו-Siemens‏.

רכבי AGV יכולים לנסוע רק לאורך נתיב קבוע מראש ומסומן. אין להם יכולות ניווט עצמאיות. הם עוצרים אם הם מגיעים למכשול ומחכים שהוא יוסר לפני שממשיכים במסלול הקבוע. רובוטים AMR כוללים מערכות ניווט עצמאיות ויכולים לשנות מסלול ולנוע סביב מכשולים (איור 1‏). בגלל‏ הבדלים אלה, רכבי AGV‏ מתאימים יותר עבור סביבות יציבות ובלתי משתנות יחסית, בעוד רובוטים AMR תומכים בפריסות גמישות וניתנות-להרחבה יותר כמו אלו הדרושות בתפעול Industry 4.0.

איור 1‏: רובוטים AMR (שמאל) מנווטים סביב מכשולים בעוד רכבי AGV‏ (ימין) עוצרים כשמגיעים למכשול. (מקור תמונה: Omron)

התפתחות תקנים

תקני AMR מסוימים התפתחו מתקנים שפותחו מקודם עבור רכבי AGV‏ ורובוטים נייחים. לדוגמה, EN 1525:1997 פותח עבור רכבי AGV‏ ולאחר מכן הוחל על רובוטים AMR ללא שינוי. תקן ה-ISO 3691-4‏ החדש יותר מכסה רכבי AGV‏ ויש לו קטעים המוקדשים לרובוטים AMR.

תקן ה-ANSI/ITSDF B56.5‏ הוא תקן בטיחות עבור כלי רכב תעשייתיים מונחים, כלי רכב לא-מאוישים תעשייתיים מונחים, והפונקציות האוטומטיות של כלי רכב תעשייתיים מאוישים; ‏הוא אינו מכסה רובוטים AMR. תקן ה-ANSI/RIA R15.08 החדש יותר הוא‏ תקן‏ בטיחות עבור השימוש ברובוטים AMR בסביבות תעשייתיות. הוא מבוסס על תקן R15.06 ומהווה הרחבה שלו עבור שימוש בטוח בזרועות רובוטיות נייחות.

תקן חשוב נוסף הוא EN ISO 13849‏, שמגדיר את רמות ביצועי הבטיחות (PLs) עבור סוגים שונים של‏ ציוד. ישנן חמש רמות, מ-PLa עד PLe‏, עם דרישות יותר ויותר מחמירות . יצרני AGV‏ ו-AMR חייבים להשיג בטיחות PLd המבטיחה פעולה רציפה בטוחה במקרה של תקלה יחידה, כלומר, על ידי שימוש במערכות יתירות.

ANSI/A3 R15.08-2 דורש‏ הערכת סיכונים עבור פריסה והטמעה של רובוטים AMR. הערכות הסיכונים המוגדרות על ידי ISO 12100 ו-ANSI B11.0-2010 הן דומות מאוד, אם כי לא זהות. ISO 12100 מיועד ליצרני ציוד מקורי, בעוד ANSI B11.0‏ מתמקד יותר במכונות ובטיחות משתמש-סופי. היסודות של הערכת סיכונים הן דומות עבור שני התקנים.

הערכת סיכונים

הערכת סיכונים היא ניתוח מובנה מאוד כדי להגיע לרמת סיכון מקובלת. היא מכירה בכך שאין מערכת או סביבה מושלמת; סיכונים אינהרנטיים ניתנים לניהול אך לא לביטול. היא מתחילה בקביעת מגבלות הפעולה של מכונה ומזהה סיכונים שיכולים להתעורר אם המכונה פועלת בסמוך למגבלות אלו או מחוצה להן.

השלב הבא הוא הערכת‏ סיכון, שבוחנת את חומרת הנזק הסבירה מכל גורם סיכון ואת ההסתברות להתרחשותו. גורם סיכון חמור מאוד עם סבירות נמוכה להתרחשות עשוי לקבל דירוג דומה לסיכון עם תוצאה פחות חמורה שסביר יותר שיקרה. כל הסיכונים שזוהו מוערכים ומדורגים כדי לתעדף מאמצים להפחתת סיכונים. הערכת סיכונים יכולה להיות תהליך‏ איטרטיבי, זיהוי הסיכונים החמורים ביותר והקטנת ההסתברות להתרחשותם ו/או הקטנת חומרת תוצאותיהם עד להשגת רמה מקובלת של סיכון שיורי (איור 2‏).

איור 2: מרכיבי מפתח של הערכת סיכונים כוללים ניתוח סיכונים, הערכה והקטנה. (מקור תמונה: SICK)

סוגי AMR

תקן R15.08 מכיר בשלושה סוגים של‏ רובוטים AMR:

סוג A‏: פלטפורמת AMR בלבד. להבדיל מרכבי AGV, רובוטים AMR מסוג A יכולים לתפקד כמערכות עצמאיות ללא צורך בשינויים סביבתיים. הם יכולים לכלול מאפיינים אופציונליים כמו‏ מערכת ניהול סוללה, היכולת לאתר מטען באופן עצמאי ולטעון את הסוללה שלו, היכולת להשתלב עם תוכנה מרכזית לניהול ציים, וכו'. רובוטים AMR מסוג A משמשים לרוב להעברת חומרים ברחבי מפעל או מחסן.

סוג B:‏ AMR מסוג A עם תוספת של מתקן פסיבי או אקטיבי שאינו manipulator (איור 3‏). תוספות מתקן אופייניות כוללות מסועים, שולחנות רולר, מכלים קבועים או ניתנים להסרה, התקני הרמה, מערכות ראיה, תחנות שקילה, וכו'. רובוטים AMR מסוג B ניתנים לשימוש עבור משימות לוגיסטיות מורכבות יותר. מערכות ראיה ניתנות לשימוש עבור בדיקות וזיהוי מוצרים, שקילת (או הערכת המספר של‏) חלקים, וכו'.

איור 3‏: AMR סוג B עם תוספת שולחן רולר. האיור גם מראה מערכות בטיחות וניווט אופייניות משותפות לכל שלושת הסוגים של רובוטים AMR. (מקור תמונה: Omron)

סוג C:‏ AMR מסוג A עם התוספת של manipulator. ה-manipulator יכול להיות זרוע רובוטית עם‏ שלושה או יותר צירי‏ תנועה. ניתן לתכנן רובוטים AMR סוג C לתפקד כרובוטים שיתופיים (קובוטים) העובדים לצד בני אדם. הם יכולים גם להיות משרתי מכונה, לבצע פעולות Pick-and-Place, להשלים משימות בדיקה מורכבות, לקצור ולנכש עשבים במסגרות חקלאיות, וכו'. תכנים מסוימים יכולים לנוע ממקום למקום ולבצע משימות שונות בכל תחנה.

הכנסה לשירות, מיפוי ותנועה בעקבות האורות

כל שלושת הסוגים של רובוטים AMR מתוכננים לפשט פריסה. בהשוואה לרכבי AGV‏ הדורשים התקנת תשתית נרחבת, ‏אין צורך בבנייה עבור פריסת AMR, וצרכי התכנות יכולים להיות מינימליים. הכנסה לשירות בסיסית‏ היא תהליך של ארבעה צעדים (איור 4‏):

• ה-AMR‏ מסופק עם כל התוכנה הנחוצה מותקנת; המשימה הראשונה היא‏ להתקין ולטעון את הסוללה.
• מיפוי הוא‏ קריטי וניתן ליישום ידני או אוטומטי. עבור מיפוי ידני, טכנאי שולט ב-AMR ולוקח אותו ברחבי המתקן, כך שהוא יכול ללמוד על הסביבה. רובוטים AMR מונחים לייזר יכולים לסרוק אוטומטית עד 1,000 רגל מרובע לדקה כדי ליצור מפה, תוך לכידת כל צורות הגופים בסביבה הקרובה, ולשלוח אלחוטית את המפה המתקבלת למחשב מרכזי. בשני המקרים, מפות ניתנות להתאמה עם מסלולים וירטואליים וקווים אסורים עבור תפעול בטוח, וניתנות לשיתוף בין ציי רובוטים AMR.
• קביעת יעדים כולל את זיהוי מקומות האיסוף ‏וההורדה.
• הקצאת משימות היא הצעד האחרון וכוללת תזמון ותיאום בין רובוטים ה-AMR השונים בצי ואינטגרציה עם תכנון משאבי הארגון (Enterprise Resource Planning‏ (ERP)), מערכת ביצוע הייצור (Manufacturing Execution System ‏(MES)) ומערכת ניהול המחסן (Warehouse Management System‏ (WMS)).

איור 4‏: רובוטים AMR מסופקים עם תוכנה שלמה מותקנת וניתנים להכנסה לשירות ואינטגרציה בסביבת ייצור במהירות. (מקור תמונה: Omron)

בנוסף למיפוי מתקן תוך שימוש בסריקת לייזר, רובוטים Omron AMR מסוימים משתמשים במצלמה כדי לגלות ולשרטט את המיקום של אורות עיליים. הם יוצרים ומצפים‏ “מפת אורות” עם "מפת הרצפה" הסטנדרטית.

איתור בלייזר יכול לסבול סביבות משתנות על הרצפה עד גבול מסוים. לדוגמה, נניח שיותר מ-80%‏ של‏ המאפיינים משתנים ברציף משלוחים שבו משטחים או עגלות מתגלגלות משנים מיקום כל הזמן. במקרה זה, איתור בלייזר‏ הוא פחות שימושי, והוספת מפת אורות מגדילה את אמינות הניווט. שימוש במפת אורות גם מאפשרת לרובוטים AMR לנווט ביתר קלות על פני שטחים פתוחים לרווחה במתקנים גדולים.

ניהול ציי רובוטים

ניהול יעיל של ציי‏ רובוטים יכול להכפיל את היתרונות של‏ שימוש ברובוטים AMR. הוא יכול לתמוך בבקרה מרכזית ותפעול מתואם של‏ סוגים מעורבים של‏ רובוטים AMR ולספק את הנתונים והניתוחים הדרושים כדי למקסם את היעילות התפעולית. מאפיינים נפוצים מסוימים של מערכות ניהול צי‏ AMR כוללים:

הקצאות ממוטבות של משימות מבוססות על היכולות של‏ כל רובוט בצי, המיקום הנוכחי שלהם, וציפייה היכן תמוקם המשימה הבאה שלהם.

ניהול תעבורה כולל תזמון מיקומי איסוף והורדה ומועדים עבור יעילות מקסימלית והודעה לרובוטים על שינויי יעד או מכשולים חדשים, לאפשר להם לחשב מחדש את מסלולם עבור יעילות ובטיחות מרביות.

ניהול טעינה עוקב אחר רמת הטעינה של סוללת כל רובוט בצי, מאפשר טעינה פרואקטיבית וזמן פעולה מרבי.

עדכוני תוכנה מתואמים לרוחב הצי כדי להבטיח שהגרסה העדכנית ביותר זמינה עבור כל סוג של רובוט.

אינטגרציה ברמת הארגון מחברת את תוכנת ניהול הצי למערכות ERP‏, MES‏ ו-WMS כך שניתן להקצות ולתזמן עבודות לצי באופן אוטומטי, בזמן אמת.

הכנסה לשירות וירטואלית

שילוב של‏ תאומים דיגיטליים (digital twins) ותוכנת סימולציה מאפשר הכנסה לשירות וירטואלית. במקרה זה, תאום דיגיטלי‏ (digital twin) הוא ייצוג וירטואלי של AMR. תאומים דיגיטליים (digital twins) יכולים לשמש לתיקוף הביצועים של‏ רובוטים AMR אינדיבידואליים וציים של רובוטים AMR. הכנסה לשירות וירטואלית משתמשת בתוכנת סימולציה רובוטית כדי לשלב את התאומים הדיגיטליים של רובוטים AMR עם תאום דיגיטלי של הסביבה הסובבת (איור 5‏).

איור 5‏: תאומים דיגיטליים AMR ניתנים להכנסה וירטואלית לתוך סביבה מדומה של מפעל עבור הכנסה לשירות וירטואלית. (מקור תמונה: Siemens‏)

הכנסה לשירות וירטואלית של AMR יכולה לשמש גם לשילוב ותאום פעולתם של רובוטים ממספר יצרנים. במהלך תהליך ההכנסה לשירות הווירטואלית, מהנדסים יכולים ליצור במהירות וביעילות תרחישים מרובים כדי לבדוק את העבודה התקינה של המערכת כולה, לא רק של רובוטים AMR בודדים.

בעזרת תאומים דיגיטליים וסימולציה ניתן גם ליישם בדיקות בטיחות וירטואליות וניפוי באגים. רובוטים AMR וירטואליים יכולים להיות נתונים למצבים אנומליים כדי לבדוק מצבים שונים ולהבטיח תפקוד תקין של פרוטוקולים של בטיחות.

היכולת ליישם ניפוי-באגים וירטואלי יכולה להאיץ את הפריסה של ציי AMR. ניפוי-באגים של ציי רובוטים AMR פיזיים לאחר פריסה הוא מאתגר וגוזל זמן. הוא כרוך בעצירות עבודה ומשפיע לרעה על התפוקה של המתקן. אין עצירות עבודה בניפוי-באגים וירטואלי, והמשתמשים מובטחים שהרובוטים יפעלו כצפוי בעולם האמיתי.

סיכום

פריסות AMR הופכות לנפוצות יותר ויותר במגוון רחב של התקנות Industry 4.0. נוף התקנים עבור רובוטים AMR מתפתח כדי לענות על הדרישות לאינטגרציה בטוחה ויעילה, קביעת תצורה והתאמה מיוחדת של AMR או צי של רובוטים AMR באתר. ביצוע‏ הערכת סיכונים הוא דרישת מפתח בתקנים החדשים לפי תקני ANSI ו-ISO. הכלים עבור הכנסה לשירות של AMR גם כן מתפתחים עם הופעת הכנסה לשירות וירטואלית תוך שימוש בתאומים דיגיטליים (digital twins) וסימולציה.

זה היה החלק הראשון של‏ סדרה של שני חלקים ומתמקד בהשלכות של תקן ה-R15.08-2 שפורסם לאחרונה לגבי בטיחות, הערכת סיכונים והכנסה לשירות של‏ רובוטים AMR. המאמר השני נכתב לקראת R15.08-3, שנמצא כעת בפיתוח ויתיחס לנושא של‏ היתוך מידע חיישנים ברובוטים AMR.