Hinter dem Roboter: Sensorik, Sicherheit und Steuerung in der Industrie 4.0

Moderne Industrierobotersysteme sind auf eine immer ausgefeiltere Infrastruktur angewiesen, um die Weiterentwicklung der künstlichen Intelligenz (KI) und des maschinellen Lernens (ML), die nahtlose Vernetzung und den skalierbaren Einsatz in den Fabriken zu unterstützen. Diese Systeme erfordern Sensoren, Sicherheitshardware, Schutzschaltungen und Steuerungskomponenten, die den Anforderungen an hohe Bandbreite, Echtzeit-Reaktionsfähigkeit und strenge funktionale Sicherheitsstandards genügen.

Dieser Artikel befasst sich mit den grundlegenden Technologien der Robotik in der Industrie 4.0 und zeigt auf, wie Sensor- und Sicherheitslösungen von SICK und industrielle Steuerungskomponenten von Eaton zu einer sicheren Bewegungssteuerung, einem adaptiven Systemverhalten und einer deterministischen Entscheidungsfindung beitragen. Zu den Themen gehören wichtige Voraussetzungen für eine robuste, intelligente Automatisierung, wie z. B. Sensorarchitekturen, Einhaltung der Maschinensicherheit, fehlertolerante Steuerungsstrategien und die Integration verteilter Automatisierungsnetze.

Moderne Sensorsysteme für dynamische Fabrikumgebungen

Wie in Abbildung 1 dargestellt, nutzen Roboter für Industrie 4.0 moderne Sensoren, um sicher und effizient in den Produktionshallen zu arbeiten. Trotz widriger Bedingungen, wie z. B. wechselnde Lichtverhältnisse, Partikel in der Luft und mechanische Vibrationen, müssen diese Sensoren schnell Echtzeitdaten verarbeiten, um menschliches Personal, mobile Roboter und sich schnell bewegende Montagelinien genau zu verfolgen.

Abbildung 1: Mehrachsige Roboterarme für Industrie 4.0 nutzen integrierte Sensoren und Echtzeit-Feedback, um präzise und schnell zu arbeiten. (Bildquelle: Igus)

Roboterplattformen integrieren mehrere Sensormodalitäten, um räumliches Bewusstsein und Reaktionsfähigkeit im Millisekundenbereich zu unterstützen. Algorithmen zur Sensorfusion kombinieren diese Eingaben, um ein kohärentes Echtzeitmodell der Betriebsumgebung des Roboters zu erstellen. Bildverarbeitungssysteme sorgen für die Erkennung und Ortung von Objekten, während sicherheitsrelevante Laserscanner die Sperrzonen auf Verstöße gegen Vorschriften überwachen. Laufzeitsensoren mit geringer Latenz erfassen dreidimensionale räumliche Daten, die reaktive Pfadanpassungen und kontextbezogenes Verhalten ermöglichen.

Roboter verlassen sich auch auf interne und kontaktbasierte Sensoren, um die Bewegungssteuerung und Interaktion zu verfeinern. Taktile Sensoren – darunter Kraft-/Drehmomentsensoren und Endschalter – liefern Rückmeldungen für Greif-, Montage- und Konformitätsaufgaben. Induktive, kapazitive und Ultraschall-Näherungssensoren erkennen nahegelegene Objekte berührungslos und in der Regel mit geringerer Reichweite als ToF-Systeme. Encoder und Potentiometer erfassen die Gelenkposition und -geschwindigkeit für eine präzise Bewegungsplanung, während Trägheitsmesseinheiten (IMUs) die Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit messen, um die Orientierung und das Gleichgewicht zu erhalten. Schließlich überwachen elektrische Sensoren Strom und Spannung, um die Motorlast zu bewerten und Fehler zu erkennen.

Normenbasierte Sicherheit für die Industrierobotik

Roboter für Industrie 4.0 müssen strenge internationale Sicherheitsstandards erfüllen, um Menschen und Geräte zu schützen. Drei wichtige Normen - ISO 13849, IEC 62061 und ISO 10218 - definieren die Anforderungen an die funktionale und steuerungstechnische Sicherheit von Robotersystemen in der Produktion.

Die ISO 13849 beschreibt die Entwurfs- und Validierungskriterien für sicherheitsrelevante Steuerungskomponenten. Es folgt einer risikobasierten Methodik und verwendet Leistungsstufen (PL: Performance Levels) zur Klassifizierung der Systemintegrität auf der Grundlage der Schwere der Gefahr, der Häufigkeit der Exposition und der möglichen Vermeidung. Die IEC 62061 befasst sich mit der funktionalen Sicherheit elektrischer, elektronischer und programmierbarer Steuerungssysteme und wendet Sicherheitsintegritätsstufen (SIL) an, um die erforderliche Risikominderung zu quantifizieren. Zusammen definieren diese Normen, wie Sensor- und Steuerungsfunktionen in sicherheitskritischen Anwendungen entwickelt, implementiert und verifiziert werden müssen.

Die ISO 10218 wendet diese Grundsätze speziell auf Industrieroboter an. Sie umfasst Sicherheitsanforderungen für die Konstruktion von Robotern, die Auslegung von Arbeitszellen, die Systemintegration und den Betrieb. Dazu gehört der Einsatz von sicherheitsrelevanten Sensoren für Notausschaltung, Absicherung und Bewegungsüberwachung. Diese Komponenten müssen bestimmte Leistungs- und Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllen, die in der Regel durch strukturierte Tests und Validierung nachgewiesen werden.

ISO 13849, IEC 62061 und ISO 10218 bilden den Kern der Sicherheitsstandards für Roboter. Weitere Normen, darunter IEC 60204-1 für elektrische Sicherheit und ISO/TS 15066 für die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter, erweitern den grundlegenden Rahmen für den sicheren Einsatz und die Integration.

Integrierte Sicherheitssysteme für die Mensch-Roboter-Kollaboration

Fabrikbetreiber setzen Sicherheitslösungen von Anbietern wie SICK und Eaton ein, um die Normen für funktionale Sicherheit und Maschinensicherheit zu erfüllen. Das System Safe EFI-Pro von SICK unterstützt beispielsweise die Echtzeitsteuerung von Sicherheitsfunktionen bei stationären und mobilen Robotern mit integrierten Sensoren, Steuerungen und Aktoren. Wie in Abbildung 2 dargestellt, ermöglicht der Sicherheitslaserscanner microScan - eine Schlüsselkomponente des Systems - eine adaptive, situationsabhängige Bewegungserkennung in dynamischen Umgebungen.

Bild 2: Der Sicherheits-Laserscanner microScan3 von SICK überwacht Schutzfelder und erkennt dynamisch Bewegungen zur Unterstützung der adaptiven Absicherung im industriellen Umfeld. (Bildquelle: SICK)

Bediener implementieren außerdem den End-of-Arm-Safeguard (EOAS) von SICK, um ein dynamisches Schutzfeld um die Roboterwerkzeugköpfe aufrechtzuerhalten. EOAS nutzt die ToF-Technologie, um eine sichere, berührungslose Mensch-Roboter-Kollaboration mit Reaktionszeiten unter 110 Millisekunden zu ermöglichen.

Als Ergänzung zu diesen automatisierten Systemen bietet SICK manuelle und perimetrische Sicherheitskomponenten an. Der Not-Aus-Schalter ES21 ermöglicht dem Bediener ein schnelles Anhalten der Maschine im Notfall, während der berührungslose Sicherheitsschalter STR1 die RFID-Technologie für eine manipulationssichere Überwachung der Schutzeinrichtung nutzt und hohe Codierungsstufen sowie die Einhaltung der EN ISO 14119 unterstützt.

Schutzstrategien für Überspannungsschutz und Spannungssteuerung

Eine koordinierte Sicherheitsstrategie für Roboter erfordert sowohl Sicherheitsvorkehrungen auf der Bewegungsebene als auch eine zuverlässige Energiekontrolle. Eatons Transienten-Spannungsunterdrücker begrenzen vorübergehende Überspannungen und Spannungsspitzen, um empfindliche Komponenten zu schützen. Wie in Abbildung 3 dargestellt, schützen die Miniatur-Schutzschalter FAZ-NA, wie der FAZ-C10/2-NA, die Steuerleitungen und Hilfskomponenten vor Überstromereignissen.

Bild 3: Der Miniatur-Schutzschalter FAZ-C10/2-NA von Eaton schützt Steuerleitungen und Hilfskomponenten vor Überstromereignissen in industriellen Automatisierungssystemen. (Bildquelle: Eaton)

Zur Unterstützung der elektrischen Sicherheit und der Systemintegrität bietet Eaton auch eine breite Palette von Schaltungsschutz und Schaltern an, wie z.B. den Wippschalter BP-SRR, den Selektor M22S-WKV-K11 und den Kippschalter BP-STE, die Gerätefunktionen und Betriebsarten steuern.

Eatons Power-NTC-Einschaltstrombegrenzer (ICLs) und rücksetzbare PTC-Sicherungen schützen Stromkreise vor hohen Einschaltströmen beim Einschalten und im Fehlerfall. Thermische Schutzvorrichtungen - wie die TJD-Thermosicherung - bieten eine zusätzliche Sicherheitsebene, indem sie den Stromfluss unterbrechen, um einen übermäßigen und gefährlichen Wärmestau in eng integrierten Robotersystemen zu verhindern.

Fehlertolerante und verteilte Steuerungssysteme

Fabrikrobotersysteme müssen bei Sensorausfällen, Fehlfunktionen von Aktoren oder Netzwerkunterbrechungen eine sichere Betriebskontinuität aufrechterhalten. Hersteller verlassen sich auf verteilte Fehlererkennungs-, Isolierungs- und Wiederherstellungsarchitekturen (FDIR), um Ausfallzeiten zu minimieren und die Systemstabilität zu verbessern. Durch die Dezentralisierung der Steuerungslogik auf mehrere Knotenpunkte und die Möglichkeit der lokalen Fehlerbehebung verringert FDIR die Auswirkungen von Ausfällen einzelner Komponenten und trägt dazu bei, Störungen auf breiter Ebene zu verhindern.

Diese fehlertoleranten Strategien werden durch verteilte Steuerungssysteme mit Echtzeitdiagnose und eingebauter Redundanz umgesetzt. Verteilte Steuerungssysteme nutzen integrierte Diagnosen, um den Zustand und die Leistung kritischer Komponenten kontinuierlich zu überwachen. Redundante Sensoren und Kommunikationspfade sorgen für die Aufrechterhaltung der Steuerungsintegrität bei Ausfällen des Primärsystems, während Fehlerbehandlungsroutinen kontrollierte Abschaltungen oder Übergänge in definierte sichere Zustände ermöglichen.

FDIR und der Sicherheitscontroller Flexi Soft

Diese Strategien werden durch den Sicherheitscontroller Flexi Soft von SICK unterstrichen. Wie in Abbildung 4 dargestellt, unterstützt Flexi Soft die FDIR-basierte Robotik der Industrie 4.0, indem es eine dezentrale Sicherheitslogik durch modulare Erweiterung und konfigurierbare Funktionen ermöglicht, die auf spezifische Systemanforderungen zugeschnitten sind.

Bild 4: Der Sicherheitscontroller Flexi Soft von SICK ermöglicht dezentrale Sicherheitslogik und modulare Erweiterung für fehlertolerante, verteilte Steuerung in Industrie-4.0-Robotersystemen. (Bildquelle: SICK)

Die industrietauglichen Sensoren von SICK - darunter Encoder, Druckmessumformer, fotoelektrische Sensoren und Bildverarbeitungskameras wie der Ranger3 - liefern wichtiges Feedback für verteilte Robotersysteme. Diese Sensoren, die an wichtigen Kontrollpunkten integriert sind, unterstützen Echtzeitüberwachung, dynamische Positionierung, Objekterkennung und Diagnose auf Systemebene. Dies ermöglicht eine frühzeitige Fehlererkennung, eine lokale Reaktion und einen kontinuierlichen Betrieb in verteilten Umgebungen.

Edge-basierte Sensorik und Überwachung für eine intelligentere Automatisierung

Die Robotik für Industrie 4.0 nutzt in zunehmendem Maße Sensorik und Überwachung am Netzwerkrand (Edge), um den Einblick in das System, die Reaktionsfähigkeit und die Autonomie zu verbessern. Anstatt alle Daten zur Verarbeitung an zentrale Plattformen zu senden, führen modernee Robotersysteme jetzt wichtige Analysen näher am Rande der Sensor- oder Geräteebene durch. Dies ermöglicht eine schnellere Fehlererkennung, eine effizientere Entscheidungsfindung und eine bessere Ausfallsicherheit bei Netzunterbrechungen.

Edge-fähige Geräte wie Industriekameras und Schaltkreisüberwachungen erweitern die lokale Intelligenz über die Steuerlogik hinaus. Sie erfassen Umwelt- und Betriebsdaten in Echtzeit und bieten so auf Maschinenebene Einblick in Bedingungen, die sich auf Sicherheit, Qualität und Betriebszeit auswirken. Diese Plattformen reduzieren die Latenzzeit, verringern die Bandbreitenanforderungen und verbessern die Koordination zwischen verteilten Robotersystemen.

Edge-Computing und eingebettete Intelligenz

Diese edge-basierten Strategien spiegeln sich in Produkten wie der SensingCAM SEC100 von SICK wider, die für die Industrie-4.0-Robotik Bilderfassung und -analyse am Netzwerkrand bietet. Wie in Abbildung 5 dargestellt, liefert sie hochauflösendes Streaming und ereignisgesteuerte Videoaufzeichnung für Objekterkennung, Prozessüberwachung und Qualitätskontrolle.

Bild 5: Die SensingCAM SEC100 von SICK liefert Bilderfassung und -analyse am Netzwerkrand und ermöglicht so Echtzeitüberwachung und visuelle Diagnose in Roboterinspektionsanwendungen. (Bildquelle: SICK)

Die Industriekamera ermöglicht Echtzeiteinblicke in tote Winkel und dynamische Prüfbereiche und unterstützt die Ursachenanalyse durch die Erfassung von Bilddaten vor und nach auslösenden Ereignissen.

Die SEC100 lässt sich leicht in bestehende Bildverarbeitungssysteme integrieren und unterstützt eine kontinuierliche Überwachung ohne Überlastung zentraler Ressourcen. Außerdem werden visuelle Aufzeichnungen für die Qualitätsdokumentation erstellt, z. B. für die Überprüfung der Verpackung und die Verfolgung der Komponentenmontage. Eingebettet in die Maschinenebene, bringt die SEC100 die visuelle Intelligenz näher an den Ort des Geschehens.

Die Verlagerung hin zu lokaler Verarbeitung und Echtzeit-Einblicken erstreckt sich auch auf die Energieüberwachung auf Anlagenebene. Wie in Abbildung 6 dargestellt, ist Eatons Touchscreen-Display PXBCM-DISP-6-XV mit dem Power Xpert Branch Circuit Monitor verbunden, um eine Echtzeit-Visualisierung von Spannungs-, Strom- und Leistungsdaten auf Schaltschrankebene zu ermöglichen.

Abbildung 6: Eatons Touchscreen-Display PXBCM-DISP-6-XV bietet eine Echtzeit-Visualisierung von Spannungs-, Strom- und Leistungsdaten auf Schaltschrankebene zur Unterstützung der vorausschauenden Wartung und Energieoptimierung. (Bildquelle: Eaton)

Es wird in allen Industriesystemen - einschließlich Roboterarbeitszellen - eingesetzt und hilft den Bedienern, Unregelmäßigkeiten zu erkennen, Fehler zu entdecken und den Energieverbrauch zu optimieren. Das Display unterstützt die vorausschauende Wartung und verbessert die Betriebstransparenz, indem es den Zugriff auf die Diagnose auf Schaltkreisebene vor Ort ermöglicht.

Strategien auf Systemebene für die Industrie-4.0-Robotik

Um sicher und effizient arbeiten zu können, benötigen Robotersysteme der Industrie 4.0 eine Einsatzstrategie, die Sensorik, Sicherheit, Steuerung und Vernetzung vereint. Sensoren und Sicherheitskomponenten müssen strenge Normen erfüllen und gleichzeitig adaptive Sicherheitsmaßnahmen und Echtzeit-Reaktionsfähigkeit in verteilten Umgebungen ermöglichen. Eine konsistente Leistung über verschiedene Fabriksysteme hinweg hängt von offenen Standards und Multiprotokollkommunikation ab, um Interoperabilität und Skalierbarkeit zu gewährleisten.

Steuerungskomponenten müssen große Datenmengen am Netzwerkrand verarbeiten und sichere Verbindungen mit geringer Latenzzeit zu übergeordneten Systemen herstellen. Die Koordinierung von Verarbeitung und Rückmeldung über verteilte Knoten hinweg erfordert eine präzise Synchronisierung und Zeitsteuerung. Deterministische Protokolle, Signalpfade mit geringem Jitter und zeitabhängige Regelkreise tragen dazu bei, dass das Verhalten unter dynamischen Bedingungen vorhersehbar bleibt. Fehlertolerante Architekturen unterstützen sichere Fallback-Zustände und einen kontinuierlichen Betrieb, während Systeme, die eine dezentrale Steuerung mit zentraler Überwachung kombinieren, flexible, rekonfigurierbare Fertigungsprozesse ermöglichen.

Zusammenfassung

Von Sensorfusion und funktionaler Sicherheit bis hin zu Edge-Computing und fehlertoleranter Steuerung - die Industrie-4.0-Robotik ist auf eng integrierte Systeme angewiesen, die einen sicheren, zuverlässigen und reaktionsschnellen Betrieb in komplexen Umgebungen gewährleisten. Lösungen von DigiKey-Anbietern wie SICK und Eaton helfen bei der Vereinheitlichung von Sensorik, Stromversorgungsschutz und Steuerungsinfrastruktur - und erleichtern so die skalierbare Bereitstellung, die Einhaltung von Standards und die Anpassung der Performance.