Fahrerlose Transportsysteme: Worauf Entwickler und Einkäufer achten sollten

Fahrerlose Transportsysteme (FTS) steigern in vielen Branchen bereits die Effizienz und damit die Produktivität in der Produktion von Gütern. Dabei übernehmen die autonomen Fahrzeuge zunehmend wichtige Transportaufgaben: Bei der automatisierten Fertigung bringen sie Bauteile und Komponenten zu den Maschinen, in der Intralogistik sorgen sie für reibungslosen Materialfluss sowie effiziente Lagerhaltung und auch Smart-Factory- sowie Industrie-4.0-Konzepte profitieren von der hohen Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Fahrzeuge.

Fahrerlose Transportsysteme bergen auch Gefahren

Im Betrieb können FTS jedoch auch eine Quelle für Gefahren sein: Ein typisches Beispiel sind die Akkus – da die Energiespeicher meist viel Leistung bringen, eine hohe Energiedichte aufweisen und für schnelle Ladevorgänge mit hohen Ladeströmen ausgelegt sind, müssen die Hersteller der FTS Vorkehrungen treffen, um elektrische Schläge, Brände oder Explosionen durch Selbstentzündung der Akkuzellen effektiv zu unterbinden. Je nach Wirtschaftsraum gelten dabei unterschiedliche Standards und Normen, um die elektrische Sicherheit zu gewährleisten.

Wege durch den Normendschungel

In der europäischen Union (EU) sind dies Normen, die unter der Europäischen Richtlinie zur elektromagnetischen Verträglichkeit (2014/30/EU) harmonisiert sind. Fahrerlose Transportsysteme fallen grundsätzlich unter die Maschinenrichtlinie. Hier sind dann folgende Normen gelistet: Die EN 1175 für elektrische Komponenten, die jedoch keine Vorgaben für den fahrerlosen Betrieb umfasst, sowie die ISO 3691-4 und die IEC 60204-1. Die EN ISO 3691-4 ist jedoch (noch) nicht unter der Maschinenrichtlinie harmonisiert. Für Antriebe mit Frequenzumrichtern wiederum sind vor allem die internationalen Normen IEC 61800 und UL 61800 relevant. Die IEC/UL 61800 gilt für das Antriebssystem ohne Motor. Für Letzteren gelten wiederum andere Normen.

Redundanz für höhere Zuverlässigkeit

Sicherheitsfunktionen wie das Bremsen nach Personenerkennung sollten redundant ausgelegt sein (Laserscanner, Steuerung, Bremse). Zudem müssen die Komponenten, die viel Energie speichern können, so konstruiert sein, dass sie sich einfach und gefahrlos austauschen oder entfernen lassen. Automatische Ladesysteme sollten so dimensioniert sein, dass sich die elektrischen Anschlüsse automatisch deaktivieren und nur dann Strom fließt, wenn das Transportfahrzeug und die Ladestation verbunden sind (konduktiv oder induktiv).

Fahrerlose Transportsysteme – aber bitte explosionssicher

Bei Unfällen, bei denen die Akkus beschädigt werden können, wächst die Gefahr einer Explosion. Das Design der Akkus und ihre Widerstandsfähigkeit sollten deshalb unter den Umgebungs- und Nutzungsbedingungen geprüft werden, für deren Einsatz- und Bestimmungszweck sie ausgelegt sind. Zudem muss der Hersteller meist Nachweise erbringen, dass sich die Akkus bei physischer Beschädigung akzeptabel verhalten und eben keine Explosionsgefahr von ihnen ausgeht. Diese lässt sich unter anderem durch den Transporttest nach „UN 38.3 Test“ verifizieren.

Einkäufer sind gefordert, autonom fahrende Fahrzeuge zu beschaffen, deren Akkus für den konkreten Einsatz- und Bestimmungszweck geeignet sind. Denn für die Bauweise der Akkus, ihre Aufnahmemittel und das Design der Schutzeinrichtungen ist entscheidend, in welcher Umgebung und unter welchen Bedingungen das Fahrzeug betrieben wird. Daher gilt es, sich vorab über wichtige Rahmenbedingungen im geplanten Einsatzbereich zu informieren: Soll das Fahrzeug nur in geschlossenen Räumen fahren oder auch im Außenbereich, wo es Niederschlägen, Frost und Hitze ausgesetzt ist? Sind die Temperaturen besonders niedrig (etwa im Kühlhaus) oder besonders hoch (beispielsweise in der Metallfertigung)?

Betriebsbewährte Steuersoftware

Ebenso kann eine fehlerhaft programmierte beziehungsweise fehleranfällige Steuerungssoftware gefährliche Situationen verursachen – zum Beispiel, wenn das fahrerlose Transportfahrzeug nicht rechtzeitig stoppt und mit Menschen, Maschinen, Rohren oder Einrichtungen in den Produktions- beziehungsweise Lagerhallen kollidiert. Hier ist es Aufgabe des Herstellers eine für das Modell geeignete, robuste und betriebsbewährte Steuerungssoftware zu verwenden. Das verursacht im Vergleich zu einer selbstprogrammierten Software oder einer einfach verfügbaren, lizenzfreien Software zwar meist höhere Kosten, doch meist lohnt sich diese Investition in hochwertige, lizensierte Software, da sie die Sicherheit auf allen Ebenen erhöht. Die Vorteile sind eine geringere Ausfall- und Fehlerrate (Safety), eine bessere Performance und insgesamt eine höhere Verfügbarkeit des FTS.

Zudem hat eine hochwertige Software meist auch ein hohes Schutzniveau, was die Verarbeitung, Speicherung und Sicherheit von Daten betrifft (Etwa Informationen über Standort, Fracht oder Zielort des FTS). So kann effektiv einer Manipulation oder kompletten Übernahme der Systeme durch Dritte (Hacker, Saboteure) vorgebeugt werden. „Best Practices“ sind hier eine direkte Zuordnung von IP-Adressen der FTS oder standardisierte Schnittstellen.

Bestehende und bewährte Programmbausteine zu verwenden und zu konfigurieren ist meist sicherer, als die Steuerungssoftware neu zu programmieren und zu erproben. Die Normenreihe IEC 62443 liefert zusätzlich wichtige Design- und Bewertungskriterien.

Zuverlässige Kollisionsverhinderung

Sensoren, Kameras, Laser und andere optische und/oder mechanische Schutzreinrichtungen sind notwendig, damit das FTS zuverlässig Personen und andere Hindernisse in seinem Fahrweg erkennt. Sich dabei ausschließlich auf ein physikalisches Messprinzip und ein Sensorsystem zu verlassen, beispielsweise die Distanz per Laser zu ermitteln, ist dazu allerdings nicht ausreichend. Beispielsweise könnten Reflexionen an glänzenden Oberflächen dazu führen, dass die Erkennung von möglichen Hindernissen nicht immer zuverlässig funktioniert.

Deshalb sollten stets verschiedene physikalische Messprinzipien genutzt werden. Die Daten aus den unterschiedlichen Sensorsystemen können dann parallel ausgewertet, miteinander verknüpft und auf Konsistenz geprüft werden. Industriekameras, 3D-Laserscanner oder Ultraschallsensoren sind hier ebenfalls Optionen.

Einige Systeme, die die Umgebung detailliert räumlich und zeitlich erfassen, ermöglichen dem FTS ein hochaufgelöstes, dreidimensionales Bild vom Hindernis zu bekommen und zu reagieren (etwa Bremsweg oder Ausweichmanöver anpassen). Genauso zuverlässig können Hindernisse von Sensorsystemen erkannt werden, die die Umgebung lediglich in zwei Dimensionen „erkunden“. Ihre Stärke ist meist die FTS-zentrierte Perspektive mit einer punktuell sehr genauen Positionsbestimmung des FTS und des Hindernisses.

Fahrerlose Transportsysteme brauchen kombinierte Messsysteme

Neben den gewählten Messsystemen ist auch das Design der Sicherheitsfelder wichtig. Das sind die Bereiche, die von den Sensoren erfasst werden. Sie müssen sich überlappen, damit es keine toten Winkel gibt, in denen das FTS mögliche Hindernisse übersehen könnte. Gleichzeitig darf das nicht dazu führen, dass ein Hindernis in einem überlappten Bereich widersprüchliche oder inkonsistente Daten erzeugt. Das kann beispielsweise durch Fehler bei der dynamischen Parametrierung geschehen.

Auch, wenn die Sicherheitsfelder fortlaufend angepasst werden und häufig zwischen Ihnen hin und her geschaltet wird, können Hindernisse unter Umständen nicht richtig erkannt und lokalisiert werden. Besonders kritisch ist dieser Aspekt zu bewerten, wenn sich das FTS im Raum zusammen mit Menschen bewegt, sodass jederzeit Personen in den Sicherheitsbereich hineintreten könnten. In diesem Fall ist besondere Sorgfalt und ein hohes Sicherheitsniveau beim Auslegen der Sicherheitsfelder geboten.

Etablierte Kommunikationssysteme

Viele Unternehmen und Betreiber diversifizieren ihren FTS-Fuhrpark – häufig auch weil für verschiedene Transportaufgaben unterschiedliche Systeme nötig sind, die nicht beliebig am Markt verfügbar sind. Doch wenn zu viele IT-Systeme und Kommunikationswege wie Funk, W-LAN, Lasernavigation, Indoor-GPS oder magnetische Bodenmarkierungen etabliert und parallel genutzt werden, wird das Gesamtsystem rasch unübersichtlich. Ein sicheres, reibungsloses Zusammenarbeiten der Systeme unterschiedlicher Hersteller ist unter Umständen nicht mehr gewährleistet.

Fazit

TÜV Süd Product Service empfiehlt, sich vorab über die verschiedenen Systeme, ihre Vor- und Nachteile sowie Einsatzgebiete zu informieren und standardisierte Lösungen zu bevorzugen. Um die zahlreichen länderspezifischen Normen und gesetzlichen Regelungen zu erfüllen, sollten frühzeitig international aufgestellte Experten für fahrerlose Transportsysteme eingebunden werden.

Der Autor Matthias Hartl ist Projektleiter Smart Automation bei TÜV Süd Product Service in München.

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