Keba Industrial Automation Germany GmbH

So wird eine kabelfreie Maschinenbedienung sicher umgesetzt.

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Industrielles Tablet oder sichere mobile Bedienung? Beides! Grenzenlose Freiheit bei der Maschinenbedienung

28.09.2020

Die aktuelle Konjunkturlage erlaubt vielen Unternehmen, über neue Konzepte und kostenoptimierte Lösungen nachzudenken – das gilt auch für das HMI von Maschinen. Als moderne, flexible und IoT-taugliche Lösung bieten sich industrielle Tablets an. Doch was ist mit der Safety? Wer hier auf die richtige Lösung setzt, kann die Maschinenbedienung drahtlos und sicher realisieren.

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Für die nächste Generation der Maschinenbedienung können Unternehmen auf eine sichere, kabellose HMI-Lösung von Keba setzen. Hierfür konzipierte der Hersteller ein mobiles 10-Zoll-Bediengerät (in Hoch- und Querformat erhältlich) mit vollwertigem Windows 10 IoT Enterprise. Dank getrennter Funkstrecken (WLAN und Bluetooth) können hohe Visualisierungsbandbreiten genutzt, sowie zeitkritische Sicherheitsfunktionen und verzögerungsfreie Achsenbewegungen (Tippbetrieb ohne Nachlauf) realisiert werden. Konkret heißt das, dass Latenzen im WLAN nicht zu einem ungeplanten Not-Halt oder eine erst später stoppenden Achse führen.

Grenzenlose Freiheit?

Die Funkreichweite eines drahtlosen Bediengerätes ist typisch größer als die aus einer Gefahrenanalyse resultierende Kabellänge. Diese begrenzt man, um gefährliche Bewegungen außerhalb des Sichtbereiches nicht freigeben zu können. Üblicherweise werden hier 5 oder 10 m (manchmal 20 m) bewusst gewählt. Man handelt sich durch den Wegfall des Kabels also eine neue zu lösende Fragestellung ein. Wie stellt man sicher, dass man nur bei Gefahreneinsicht auch bedienen darf?

Konstruktive Lösungen sind hier laut Norm organisatorischen (Unterweisung, Markierungen etc.) gemäß dem 3-stufigen TOP-Prinzip vorzuziehen. Dank Wirkbereichsbegrenzung sind – beispielsweise konstruktive – zusätzliche Vorkehrungen, die verhindern, dass bei guter Funkreichweite von zu großer Entfernung gefahrbringende Bewegungen ausgelöst werden, hinfällig und die Integration somit denkbar einfach.

Hier existiert ein wählbarer Warnbereich, in dem die Not-Halt-Beleuchtung in ein pulsierendes Verhalten wechselt und das Gerät mittels Vibration zusätzlich dem Bediener signalisiert, dass er sich wieder näher zur Maschine begeben soll. Durch die Pulsier- und Vibrationsfrequenz wird dem Benutzer eine zusätzliche Orientierung (sinkt/steigt die Entfernung zur Basisstation) gegeben. Auf ein unmittelbares Wegnehmen des Zustimmtasters beim Erreichen der Wirkbereichsgrenze wurde bewusst verzichtet, um die Usability zu gewährleisten.

Eine sichere Maschinenbedienung wird durch bewusste Annäherung an die Basisstation berührungslos und schnell initiiert und auch wieder beendet (Paaren /Trennen). Alternativ kann das Paaren auch von größerem Abstand mittels Sicherheitsüberprüfung, ob der Bediener sich tatsächlich mit der richtigen Gegenstelle verbinden will, realisiert werden.

Eine sichere, zuverlässige Bedienung ist ein Muss, aber entscheidend für die Differenzierung des HMI ist häufig die Applikation. Multitouch und Windows ermöglichen modernste UX und somit State of the Art Maschinen- und Überblicksvisualisierungen. Dies ist perfekt für die neue Generation der Maschinenbedienung. Aber was ist nun mit den industriellen Tablets im Shopfloor? Hier ist es wichtig, die unterschiedlichen Einsatzmöglichkeiten und Szenarien der Bedienlösung zu beleuchten.

Kabelersatz

Die einfachste Lösung kann man mit dem Namen „Kabelersatz“ titulieren. Dieser Einsatzzweck entspricht am ehesten der Funktion eines kabelgebundenen Gerätes. Nur im gepaarten Zustand, bei dann entsprechend aktiven Sicherheitsfunktionen, sind auch die Funkverbindungen aufrecht. Arbeitsabläufe, aber auch Überlegungen zur Einhaltung definierter Security-Anforderungen oder die schrittweise Einführung von Funktionen können der Grund sein, diesen restriktiven Ansatz zu wählen.

Da alle benötigten Funkstrecken von der Basisstation zur Verfügung gestellt werden, ist keine Funkinfrastruktur erforderlich und kann in dieser Konfiguration auch nicht genutzt werden. Im getrennten Zustand kann, dank Akku, das Gerät beispielsweise auch zum Lesen von lokal gespeicherten Dokumenten verwendet werden. Im gepaarten Zustand sind die verzögerungsfreien Achsbewegungsfunktionen („schnelle Tasten“) und die Überwachung des Wirkbereiches nutzbar.

Industrielles Tablet

Spannender und vielseitiger wird der Einsatzbereich allerdings, wenn ein Hallennetz verfüg- und nutzbar ist. Hier ist es naheliegend, im von der Maschine getrennten Mode, das Hallennetz zu nutzen. Dies eröffnet gegenüber der kabelgebundenen Lösung völlig neue Bedienkonzepte.

Das eingangs erwähnte (industrielle) Tablet, mit dem eben die sichere Maschinenbedienung nicht möglich ist, hat eventuell bereits wertvolle Tasks übernommen, wie beispielsweise prozessübergreifende Abläufe, ERP-Anbindung, Maschinenmanagement, maschinenübergreifende Bedienerführung aber auch dank Konnektivität zum Edge Controller weitere IoT-Anwendungen.

Trotzdem musste der Bediener bisher, um bei der Maschine die notwendigen Prozessschritte durchführen zu können, das Gerät und damit vollständig den Kontext (haptisch und toolseitig) wechseln. Dies muss aber nicht so sein. Ein drahtloses Bediengerät, welches seitens Rechnerkapazität und Betriebssystem offen für oben beschriebene Tablet-Anwendungen ist, kann die Aufgaben des industriellen Tablets und die der Maschinenbedienung übernehmen.

Zum einen erspart sich der Bediener den vollständigen Kontextwechsel, zum anderen der Betreiber einiges an Hardware, da ja für verschiedene Use Cases nur noch ein Gerät verwendet werden muss. Zu bedenken sind auch die sehr kurzen Produktlebenszyklen von auch häufig verwendeten Consumer Tablets, die Betreiber vor besondere Herausforderungen in der Kompatibilität stellen. In der Detailbetrachtung lassen sich auch hier wieder zwei Hauptanwendungsszenarien unterscheiden, Maschinenfokus und Überblicksfokus.

Maschinenfokus

Hier wird für den Nutzer automatisiert zwischen den Modi Kabelersatz und industriellem Tablet gewechselt und unterschieden. Das Hallennetz ist also im getrennten Mode der Kommunikationspartner. Sämtliche Tablet-Anwendungen können genutzt werden.

Führt beispielsweise eine dieser Anwendungen den Bediener zu einer Maschine, um einen Werkzeugwechsel durchzuführen, muss nun nur noch der Paarungsvorgang initiiert werden und der Bediener kann nahtlos und effizient die nötigen Arbeitsschritte an der Maschine ausführen. Durch den Paarungsvorgang werden natürlich wieder die Sicherheitsfunktionen aktiviert und die WLAN-Kommunikation wechselt automatisch vom Hallennetzwerk zum lokalen Maschinennetzwerk, welches über die Basisstation zur Verfügung gestellt wird.

Die Applikation wird typischerweise auch so konfiguriert, dass sie automatisch in den Vordergrund wechselt. Bei Bedarf sind natürlich die schnellen Tasten zur verzögerungsfreien Achsbewegung und die Wirkbereichsüberwachung automatisch mit aktiviert. Beim Trennen kehrt sicher der Vorgang um, das heißt, das Hallennetzwerk und die maschinenunabhängige Visualisierung werden aktiv beziehungsweise treten in den Vordergrund und der beleuchtete Not-Halt wechselt auf unbeleuchtet, also inaktiv.

Diese optimale Benutzerführung dient natürlich der Effizienz, aber auch der Vermeidung von Fehlern. Durch die bewussten Handlungsschritte „Paaren“ und „Trennen“ muss der Benutzer nicht nachdenken, in welchem Mode er sich nun befindet.

Überblicksfokus

Es wird aber auch Architekturen geben, in denen man ausschließlich das Hallennetzwerk nutzen möchte. Dies wird im Folgenden mit Überblicksfokus bezeichnet. Das heißt, die Maschinenvisualisierung wird über das Hallennetzwerk (WLAN) zur Verfügung gestellt.

Auch sämtliche Sicherheitsfunktionen via dem Hallennetzwerk zu kommunizieren wäre denkbar, aber Signalunterbrechungen bei einer nicht prognostizierbaren Auslastung des WLANs könnten zu unerwünschten Not-Halt-Auslösungen führen. Dies ist zwar der sichere Zustand, reduziert aber die Verfügbarkeit und führt zur mangelnden Akzeptanz derartiger Lösungen.

Hier zeigt sich wieder die Stärke der getrennten Funkstrecken, dass es eben sehr wohl praktisch gut umsetzbar ist, das Hallennetzwerk für die Visualisierung zu nutzen, aber die sicherheitsgerichtete Kommunikation direkt vom Bediengerät zur Basisstation via Bluetooth läuft.

Die beschriebenen Modi und Vorkehrungen wie der An- und Abmeldeprozess dienen der Simplifizierung und Strukturierung von wiederkehrenden Arbeitsprozessen. Hier ist es wichtig darauf zu fokussieren, dass der Bediener sich dank bewusster und unmissverständlicher Handlungen immer im Klaren ist, in welchem Zustand sich das Bediengerät befindet.

Durch die vielfältigen Anwendungsszenarien lässt sich das KeTop T15x safe wireless sehr einfach im eigenen Umfeld integrieren. Auch wenn die Sicherheit via „black Channel“ vergleichsweise einfach zu gewährleisten ist, ist es erforderlich, sich vor Augen zu führen, dass Verfügbarkeit und Usability über die Akzeptanz beim Bediener entscheiden werden. Wichtig ist es zu wissen, dass der Wegfall des Kabels zu neuen Konzepten führt und bei weitem nicht nur ein Kabelersatz ist.

Die Funktion von Tablets kann nicht zuletzt auch wegen einer zusätzlichen inte­­grierten Kamera vielfach „mitgenommen“ werden, was eine erste Kostenreduktion mit sich bringt. Tendenziell wird die Anzahl der drahtlosen Bediengeräte im Vergleich zu kabelgebundenen sinken, da sie mit dem Bediener den Einsatzort mitwechseln, was in der Gesamtbetrachtung in vielen Fällen in Summe zu einer weiteren Kosteneinsparung führen kann.

Bildergalerie

  • Das mobiles 10-Zoll-Bediengerät KeTop T15x Safe Wireless arbeitet mit einem vollwertigem Windows 10 IoT Enterprise.

    Bild: Keba

  • Über einen einstellbarer Warnbereich wechselt die Not-Halt-Beleuchtung in ein pulsierendes Verhalten und das Gerät signalisiert mittels Vibration zusätzlich dem Bediener, dass er sich wieder näher zur Maschine begeben soll.

    Bild: Keba

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