Wie sicher sind fahrerlose Transportsysteme (FTS)? Alles über Sicherheitsnormen, Warneinrichtungen und Sicherheitssensorik

Immer mehr Unternehmen setzen auf fahrerlose Transportsysteme (FTS), um ihre Prozesse in Produktions- und Logistikhallen zu optimieren. Die vollautomatischen mobilen Transportroboter bewegen sich im gleichen Umfeld wie die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Daher hat die Sicherheit beim Einsatz der Geräte oberste Priorität.

Fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF) (engl. Automated Guided Vehicle (AGV)) verfügen über umfangreiche Sicherheitseinrichtungen, die Unfälle mit Personen, anderen Maschinen oder Gegenständen verhindern.

Der Fokus der Sicherheitstechnik liegt dabei eindeutig auf der Vermeidung von Personenschäden. Welche Schutzmaßnahmen es gibt, welchen Normen die Sicherheitstechnik unterliegt und wie sich Sicherheitseinrichtungen von Warnhinweisen unterscheiden, erfahren Sie in diesem Text.

Sicherheitsmaßnahmen im Frühstadium der Entwicklung festlegen:

Beim sicheren Einsatz fahrerloser Transportsysteme in der Intralogistik geht es in erster Linie darum, Risiken zu minimieren. Durch inhärent sichere Konstruktion werden mögliche Risiken von vornherein ausgeschlossen, z. B. durch abgerundete Kanten.

Wenn sich FTS und Personen im Mischverkehr durch Hallen bewegen, können mögliche Sicherheitsrisiken nicht allein durch die Konstruktion gelöst werden. Hier kommen technische Maßnahmen wie Sicherheitssensoren zum Einsatz. Die Sensoren überwachen alle Fahrtrichtungen des FTS und registrieren, sobald sich ein Hindernis innerhalb der definierten Schutzzonen befindet.

Fahrerlose Transportfahrzeuge verfügen zudem über akustische oder optische Warneinrichtungen wie Hupen oder Bluespots. Diese sollen Kollisionen und Unfälle indirekt verhindern, indem sie die Aufmerksamkeit der Mitarbeiter erhöhen.

Verhaltensregeln im Handbuch schulen die Mitarbeiter zusätzlich im Umgang mit fahrerlosen Transportsystemen.

Welche Sicherheitsnormen gibt es?

FTS unterliegen der Maschinenrichtlinie des VDI. Der Einsatz von fahrerlosen Transportsystemen regelt sich über spezifische, sicherheitstechnische Anforderungen. Wichtig ist in diesem Zusammenhang die VDI-Richtlinie 2510, vor allem Blatt 2 zur „Sicherheit von FTS“. Im VDI-Statusreport „Leitfaden Sicherheit“ beschreibt die VDI-Gesellschaft für Produktion und Logistik wichtige Begriffsdefinitionen und beschreibt die Verantwortung der Hersteller und Anwender (Fahrerlose Transportsysteme – Leitfaden Sicherheit | VDI).

In der Maschinenrichtlinie des VDI sind klare Normen zur Sicherheit bei fahrerlosen Transportsystemen definiert, an denen sich AGV-Hersteller orientieren. Anhand dieser Vorgaben können sie die Maßnahmen zur Risikominimierung Ihrer Fahrzeuge herleiten.

Allerdings sind die Normen zur Sicherheit fahrerloser Transportsysteme oft allgemein gehalten und beziehen sich meist auf große, autonom fahrende Stapler. Bei kleinen, wendigen AGVs sind die Gefährdungsszenarien oftmals anders gelagert.

Falls eine Norm nicht eingehalten werden kann, müssen Hersteller eine eigene Risikobetrachtung vornehmen. Dabei erklären sie stringent, wie ihre Sicherheitseinrichtung mögliche Risiken für Menschen oder Objekte in konkreten Anwendungsfällen vermeidet.

Besonders wichtig ist die nachvollziehbare und vollständige Dokumentation, denn Hersteller stellen die CE-Erklärung eines Produkts schlussendlich selbst aus und bestätigen somit, dass die Maschine sicher ist.

Bluespot beim SAFELOG L1  (Bild: © SAFELOG).

Technische Voraussetzungen für eine hohe Performance der Sicherheitseinrichtungen

Sicherheitsvorrichtungen an FTS müssen zu jedem Zeitpunkt und in jedem Szenario zuverlässig funktionieren. Deshalb werden sie in eine Gefahrenstufenskala von A/1 bis E/5 eingeordnet. Die höchste Sicherheitsstufe ist E/5. In diese Kategorie fallen beispielsweise Abkantmaschinen, bei denen das Versagen eines Sicherheitssystems während der Nutzung schwere Verletzungen des Bedieners nach sich ziehen kann.

Die Maschinenrichtlinie wurde für große fahrerlose Transportgeräte verfasst, gilt aber ausnahmslos für alle Größenklassen. Das worst case-Szenario wäre beim Unfall mit einem solchen großen Fahrzeug bspw. einem autonomen Gabelstapler, der Tod der betroffenen Person.

Daraus resultiert die Einstufung in die Gefahrenklasse D/4. Da nicht zwischen großen und kleinen Transportfahrzeugen unterschieden wird, werden mobile Transportroboter ebenfalls in dieser Stufe geführt.  Entsprechend muss die Sicherheitstechnik eines FTS alle Anforderungen des Sicherheitslevels D/4 erfüllen.

Des Weiteren muss die Sicherheitssteuerung permanent alle Sicherheitssysteme überwachen, soweit diese elektronisch überprüfbar sind, und wertet deren Daten aus.

Für die Planung und Konstruktion einer Sicherheitseinrichtung empfiehlt sich für Betreiber folgendes Vorgehen:

• Worin besteht die Gefahr?
• Wie kann das FTS die Gefahrquelle erkennen?
• Wie wertet das Transportsystem die Gefahrensituation aus?
• Auf welche Weise lässt sich die Gefährdung ausräumen oder verhindern?

Beispielsweise muss das Fahrzeug stehenbleiben oder seine Fahrt verlangsamen, wenn eine Person innerhalb der Schutzzonen detektiert wird.

Zur Vermeidung von Fehlern und Ausfällen werden elektrische Sicherheitseinrichtung am FTS entweder zweikanalig oder elektrisch gepulst ausgeführt Bei der zweikanaligen Variante führen zwei Kabel das gleiche Signal. Bei dem elektrischen Impuls wird ein Signal in einer festgelegten Frequenz an die Sicherheitssteuerung geschickt.

Diese wertet die Rückmeldung der Systeme aus und veranlasst beim Fehlen einer Rückmeldung den sofortigen Stopp des Fahrzeugs. Die doppelte Ausführung unterstützt die Ausfallsicherheit bei allen Sicherheitssystemen in FTS.

Berührende Systeme

Sicherheitssensoren unterscheiden sich in berührende und berührungslose Systeme. Bei berührenden Systemen greifen die Sicherheitslösungen, sobald das AGV eine Person oder ein Objekt berührt. Dazu zählen beispielsweise Bumper, Sicherheitsbügel und Nothalt.

Bumper

Bumper wurden gemeinsam mit Sicherheitsbügeln bei der Konstruktion der ersten AGVs eingesetzt. Sie befanden sich an der Front und am Heck eines mobilen Transportroboters und fungierten als mechanische Sicherheitseinrichtungen. Bei einem Zusammenstoß absorbierten sie einen Teil der Wucht des Aufpralls und veranlassten einen Stopp des Fahrzeugs.

Heutzutage verwenden Hersteller Bumper in erster Linie als Schutzeinrichtung für Sensoren und andere empfindliche Teile der Elektronik. Des Weiteren dienen sie als Back-up System zu den Sicherheitssensoren dem Personenschutz, um zu vermeiden, dass Werker mit den Füßen unter ein fahrendes AGV geraten. Die Konstruktion wird in einer Höhe von 30 mm über dem Boden angebracht, sodass ein Überfahren des Fußes beim Tragen von Sicherheitsschuhen unterbunden wird.

Dies bietet den Werkern beim Einsatz von mobilen Transportrobotern als Werkstückträger oder Transportfahrzeug für die Anlieferung von Bauteilen an die Montagelinie zusätzlichen Schutz.

Nahaufnahme Bumper (Bild: © SAFELOG).

Nothalt

Mit dem Nothalt können Lagermitarbeiter in einer akuten Gefahrensituation direkt in das Fahrverhalten des mobilen Roboters eingreifen. Der Nothalt ist ein Sicherheitstaster. Er unterscheidet sich in mehreren Belangen von einem Notausschalter. Der Notausschalter löst das sofortige Abschalten der Energiezufuhr eines Geräts oder einer Maschine aus. Währenddessen bewirkt der Nothalt das sofortige Anhalten des Geräts. Die Stromzufuhr wird nicht gekappt, sondern alle Aktoren sind passiv geschaltet. Dadurch bleibt das AGV sicher und unmittelbar stehen.

Der Nothalt ist in jeder Fahrtrichtung des AGV normativ angebracht und deutlich gekennzeichnet, damit er in einer Gefahrensituation schnell und einfach erreichbar ist. Wird der Nothalt ausgelöst, hält der Transportroboter sofort an. Nach Bereinigung der Gefahrensituation müssen die Mitarbeiter den roten Taster ziehen oder drehen, damit dieser sich entriegelt. Danach quittieren sie den Vorgang und drücken den Taster erneut, damit das AGV wieder in den Fahrtmodus wechselt.

Da der Taster ein bestimmtes Performance-Level erfüllen muss, ist er an die Sicherheitssteuerung angeschlossen. Diese wertet den Zustand des Nothalts aus.

Nahaufnahme Nothalt am SAFELOG S2 (Bild: © SAFELOG).

Berührungslose Systeme

Alle FTS-Hersteller setzen berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen ein, um Personen- und Materialschutz zu garantieren. Berührungslose Systeme erfassen mögliche Kollisionsgefahren über Scanner, die die Umgebung ununterbrochen abtasten. In diese Kategorie zählt unter anderem der Laserscanner.

Laserscanner

Der Laserscanner lotet den Fahrtweg permanent aus und erkennt Hindernisse. Er nimmt Personen oder Gegenstände in der näheren Umgebung des AGVs frühzeitig wahr, so dass das Fahrzeug darauf reagieren kann, um Unfälle zu vermeiden. Maßgeblich für die Reaktion des mobilen Transportroboters sind definierte Warn- und Schutzfelder in jeder Fahrtrichtung des AGVs, die durch den Laserscanner überwacht werden. Die Scanebene des Sicherheitslaserscanners befindet sich bei kompakten AGVs ungefähr 15 Zentimeter über dem Boden.

Die Größe der Warn- und Schutzfelder ist konfigurierbar und wird je nach Anwendungsfall und Bedarf an die Umgebungsbedingungen angepasst. Die meisten Schutzfelder rangieren zwischen drei bis fünf Metern. Das größte, von uns bei SAFELOG konfigurierte Schutzfeld liegt bei viereinhalb Metern. Die optimale Ausformung des Schutzfelds berechnet sich anhand mehrerer Faktoren:

• Gewicht des Transportguts: Wie schwer ist das FTF beladen?
• Bodenverhältnisse: Welchen Haftwert benötigt das AGV zum Bremsen?
• Platzverhältnisse: Wie viel freie Fläche steht zur Verfügung?

Das Schutzfeld muss zu den konkreten Fahrsituationen passen. In industriellen Produktionshallen und Logistiklagern steht aufgrund von engen Gassen, Säulen oder anderen Hindernissen in vielen Situationen nur wenig Platz zur Verfügung. Wenn das Warn- und Schutzfeld sehr groß eingestellt ist, verlangsamt das AGV die Fahrt oder stoppt komplett, sobald es ein Objekt in diesem Bereich erkennt. Das würde bedeuten, dass das fahrerlose Transportfahrzeug in jeder Kurve und an jedem Engpass stehen bliebe oder zumindest Zeit verliert. Deshalb ist es wichtig, das Schutzfeld an die Umgebungsbedingungen anzupassen. Als Richtwert gilt hier: Das Schutzfeld ist nur so groß, wie es wirklich sein muss.

Die Länge des Schutzfeldes berechnet sich aus dem Anhalteweg unter Einbeziehung von Volllast und Bodenverhältnissen, zuzüglich einer Konstante von 265 mm. Unter Idealbedingungen können somit minimale Schutzfeldlängen von 1.200 mm erreicht werden. Je nach Bauart des AGV und des Sensortyps können maximale Schutzfeldlängen von 3 bis 7 m erreicht werden.

Bei der Inbetriebnahme am Einsatzort werden die Einstellungen aller Schutzfelder des AGV noch einmal im Testbetrieb geprüft. Dabei fährt das AGV unter anderem mit maximaler Geschwindigkeit auf ein Hindernis zu. Wenn es unter den gegebenen Rahmenbedingungen vor dem Prüfkörper zuverlässig zum Stehen kommt, ist eine Voraussetzung für den sicheren Betrieb des FTS erfüllt und die Inbetriebnahme kann beginnen.

Einbaubeispiel des Sicherheitslaserscanners von SICK in dem SAFELOG X1 (Bild: © SICK).

Bildverarbeitung, Ultraschallsensoren und Passiv-Infrarotscanner

Ultraschallsensoren, Bildverarbeitung und Infrarotscanner werden ebenfalls als Sicherheitstechnik zur Prävention von Personenschäden, als Kollisionserkennung zur Vermeidung von Zusammenstößen mit Objekten und als Navigationslayer eingesetzt.

Als aktive Sicherheitseinrichtungen können sie durch das Aussenden von Signalen und das Empfangen derer Reflexionen Informationen über die Umgebung des FTF liefern und im Gefahrenfall für eine entsprechende Warnmeldung und Reaktion sorgen.

Die Entwicklung dieser Sicherheitseinrichtungen wird von Spezialfirmen übernommen, die auch für die Zertifizierung der Produkte nach den relevanten Normen und Richtlinien zuständig sind. Die Konstruktion der Sicherheitstechnik und die Programmierung der benötigten Software ist dabei sehr aufwändig und kann viel Zeit in Anspruch nehmen. Die Ultraschallsensoren und Infrarotscanner müssen sicherheitszertifiziert sein, damit sie alle Sicherheitsanforderungen und Ausfallsicherheiten der Sicherheitstechnik bedienen.

Die Bildverarbeitung ist das neueste System unter den Sicherheitseinrichtungen. Dabei wertet das AGV konstant Bilder seiner Umgebung aus. Was bislang noch wie Zukunftsmusik klingt, ist vielleicht bald möglich: Den Unterschied zwischen Menschen und Objekten per Bilddatenanalyse zu erkennen. In Zukunft könnten Betreiber dann den Abstand je nach Art des Hindernisses anpassen. So würde das AGV beispielsweise bei einer Säule im Sichtfeld weiterfahren, während es bei einer Person stehen bliebe. Die Voraussetzung dafür ist, dass die Software die Unterscheidung zwischen einem Menschen und einem Objekt sicherstellt oder im Zweifelsfall immer bremst.

Warneinrichtungen

Warneinrichtungen erfordern im Vergleich mit den Sicherheitseinrichtungen der mobilen Transportroboter ein aktives Mitwirken der Verkehrsteilnehmer. Die Maschinenrichtlinie des VDI fordert mindestens ein akustisches oder optisches Signal als Warneinrichtung in fahrerlosen Transportfahrsystemen. Im Idealfall sind bei den Geräten beide Systeme verbaut. Sie wirken jedoch nur indirekt, da die Verkehrsteilnehmer selbst aktiv auf den Warnhinweis reagieren müssen.

Akustische Warnsignale

Mit akustischen Signalen kündigen die Transportsysteme beispielsweise den Beginn einer Fahrt oder Richtungsänderungen an. Während der Fahrt hupt das AGV dann in zeitlich festgelegten Intervallen, um Mitarbeiter auf sein Kommen aufmerksam zu machen. Diese Lösung ist in der Praxis jedoch nicht sehr anwenderfreundlich. Bei dem Einsatz einer ganzen FTS-Flotte mit beispielsweise 20 Fahrzeugen in einer Halle sind die Mitarbeiter bei dieser Warneinrichtung einem konstanten Lärmpegel ausgesetzt.

Deshalb setzt Safelog bei seinen mobilen Transportrobotern grundsätzlich auf optische Warnanzeigen. Die in den fahrerlosen Transportfahrzeugen verbaute Hupe wird nur auf Kundenwunsch für bestimmte Hinweise verwendet.

Optische Warnsignale

Optische Signale zeigen unterschiedliche Fahrmanöver des AGV an. Dazu ist das Fahrzeug mit festgelegten Blinkabfolgen ausgestattet. Diese signalisieren, in welche Richtung sich das FTF bewegt oder dass das Gerät abbiegt.

Visuelle Warnsignale werden über LED-Blinker und Leisten angezeigt. Beispielsweise blinken zwei Sekunden vor Abfahrt eines Transportroboters alle Richtungsanzeiger des mobilen Roboters. Während der Fahrt blinkt das fahrerlose Transportfahrzeug in einer festgelegten Frequenz.

Eine Richtungsanzeige ist nicht normativ vorgeschrieben, erleichtert als Extra-Feature allerdings die Einschätzung der Fahrmanöver des AGVs. Denn der klar erkennbare Hinweis auf die Fahrtrichtung erleichtert Mitarbeitern die Interaktion mit den mobilen Transportrobotern Dies gilt vor allem für das Anfahren nach einem vollständigen Stopp.

Ältere AGV-Modelle von Safelog zeigen einen Abbiegevorgang an, indem sie den Blinker auf der einen Seite ausschalten, während der andere weiter blinkt. Die Fahrtrichtung demonstrieren sie durch das Ausschalten der Blinker am Heck und das Weiterleuchten der Lampen auf der Vorderseite.

Die neue Gerätegeneration besitzt weitere Anzeigemöglichkeiten. Mit einem Lauflicht über eine LED-Leiste weist das FTF auf den Abbiegevorgang hin. Ein Bremslicht blinkt beim Bremsvorgang. Außerdem zeigen die Transportsysteme die Fahrtrichtung durch weißes Licht an der vorderen Seite und rotes am Heck an. Für Menschen ist die Farbgebung aufgrund der Anlehnung an die Beleuchtungslogik von Automobilen intuitiv verständlich.

Nahaufnahme Warnlicht (Bild: © SAFELOG).

Fazit

In Industrie und Produktion besteht ein inhärentes Unfallrisiko, sobald Menschen und fahrerlose Transportsysteme auf gemischten Flächen agieren. Gesunder Menschenverstand, Schulung und ausgefeilte Sicherheitstechnik verhindern Unfälle und sorgen so für einen reibungslosen Transport in der Intralogistik. Bei der Umfelderkennung dominieren derzeit vor allem Laserscanner den Markt. Akustische und optische Warnsignale gehören quasi zur Grundausstattung aller FTF. Darüber hinaus wird an vielen weiteren Schutzmaßnahmen gearbeitet, um die Zusammenarbeit zwischen mobilen Transportrobotern und Menschen sicherer zu gestalten