Rozwiązania bezpieczeństwa dla Przemysłu 4.0

Niewątpliwie koncepcja Industry 4.0 zakłada dużą autonomizację procesów wytwórczych, co w założeniu eliminuje człowieka z procesu. Ale czy na pewno? Być może pytanie powinno być raczej sformułowane – w jakim stopniu? W niniejszym artykule podjęto próbę przeanalizowania aspektów zagadnienia bezpieczeństwa ludzi w systemach czwartej rewolucji przemysłowej.

Zdecydowana większość osób związanych z przemysłem na pewno miała okazję zorientować się, że postępujący rozwój technologiczny coraz bardziej osadza nas w tzw. czwartej rewolucji przemysłowej. Przypuszczalnie część z nich zapoznała się w określonym stopniu z jej wymiarem i podstawowymi cechami. Śledząc liczne publikacje i informacje medialne, można dowiedzieć się wiele na temat samej koncepcji i jej filarów.

Z obserwacji firmy Elokon pośród tych rozważań wcale lub bardzo rzadko poruszana jest kwestia bezpieczeństwa. Dla porządku należy zaznaczyć, że samo hasło bezpieczeństwa pojawia się przy czwartej rewolucji przemysłowej, ale prawie tylko w kontekście cyberbezpieczeństwa (z ang. cybersecurity), znacząco upraszczając – ochrony infrastruktury IIoT (Industrial Internet of Things) i danych przed niepożądanym dostępem lub ingerencją. Natomiast te rozważania nie dotyczą wprost bezpieczeństwa człowieka, czyli tego, komu ma służyć nowa technologia.

W dziedzinie bezpieczeństwa maszyn i procesów miarą bezpieczeństwa jest ryzyko. Bezpieczeństwo to stan bez nieakceptowalnego ryzyka. Ryzyko definiuje się jako wypadkową kombinacji prawdopodobieństwa wystąpienia szkody i ciężkości tej szkody. Inaczej rzecz ujmując, jest ono wszędzie tam, gdzie są energie niszczące i w konsekwencji związane z nimi zagrożenia, a na ich styku pojawia się człowiek. Obecność człowieka w strefach zagrożenia jest uwzględniona w większości metod szacowania ryzyka, pod postacią parametru ekspozycji. Dlatego też dobrym sposobem na jego redukcję jest eliminacja lub znaczące ograniczenie udziału człowieka w procesie wytwórczym.

W okresie tzw. trzeciej rewolucji przemysłowej (w której jeszcze niewątpliwe w dużej mierze trwamy) założenie ograniczenia udziału człowieka w procesie dało się wielokrotnie zrealizować dzięki jednemu z jej fundamentów – automatyzacji produkcji. Wiele niebezpiecznych i ciężkich zadań było automatycznie realizowanych przez maszyny i instalacje, co ograniczało ekspozycję operatora w obszarach zagrożenia. Obecność w strefie ograniczała się np. do zadań kontrolnych, nastawiania procesu, korekt i wszelkich aktywności związanych z konserwacją maszyn i ich utrzymaniem w ruchu. Oczywiście zautomatyzowana metoda wytwarzania wykorzystywała szereg rozwiązań cechujących się dużą dynamiką ruchów, olbrzymymi siłami, wysokimi prędkościami itp., co ostatecznie klasyfikowało procesy jako bardzo ryzykowane, właśnie ze względu na stopień ciężkości szkód, które w takich miejscach mogłyby wystąpić. Dla takich rozwiązań konieczne było stosowanie środków obniżających ryzyko do poziomu akceptowalnego przy eksploatacji.

Założenie jak największej autonomiczności systemów wytwarzania według koncepcji Przemysłu 4.0, bazującej na „inteligencji maszynowej” – mającej przejaw w samoczynnym realizowaniu niezautomatyzowanych lub częściowo zautomatyzowanych dotychczas zadań okołoprodukcyjnych, takich jak: rozruch, zasilanie w niezbędne materiały, organizacja produkcji, przezbrajanie, strojenie, korekty czy konserwacje – jeszcze bardziej ogranicza ekspozycję człowieka na zagrożenia pochodzące od energii niszczących występujących w maszynach. W krótkim okresie całkowite wyłączenie człowieka z powyższych zadań wydaje się trudne do wyobrażenia, przynajmniej dla niektórych rodzajów produkcji. Jednocześnie w wielu gałęziach przemysłu zadania ludzi przeniosą się na projektowanie i symulowanie systemów, koordynację i ocenę ich pracy, częściową instalację, pierwsze rozruchy, deinstalację i złomowanie. Niemniej jednak pewne interakcje człowieka w instalacjach Przemysłu 4.0 trzeba zakładać.

Systemy produkcyjne zbudowane w oparciu o filozofię czwartej rewolucji przemysłowej mają służyć ludziom i muszą być dla nich bezpieczne. Wewnątrz obszaru, gdzie usytuowany będzie taki system wytwarzania, istotnym, nierozpatrywanym dotychczas zagrożeniem dla człowieka wydaje się być pewna nieprzewidywalność zdarzeń. Można przypuszczać, że system produkcyjny 4.0, w dążeniu za optymalizacją pracy, będzie wykonywał wymienione wcześniej operacje w oparciu o algorytmy i kolejność działania nie tak zrozumiałe i przewidywalne dla operatora, jak ma to miejsce w dzisiejszych klasycznych zautomatyzowanych ciągach technologicznych.

Przykładowe strefy ostrzegawcze (żółta) i bezpieczeństwa (czerwona), możliwe do ustawienia z systemami bezprzewodowymi. Źródło: Elokon

Drugim istotnym zagrożeniem dla bezpieczeństwa obsługi jest potencjalne przenikanie się obszarów wytwórczych z obszarami wspólnymi dla ludzi. Szczególnym czynnikiem zagrażającym będą tutaj różne środki transportu wewnątrzzakładowego. Samojezdne wózki, rozwiązania AGV już teraz goszczą w wielu fabrykach, powodując szereg wyzwań organizacyjnych oraz związanych z bezpieczeństwem.

W ramach różnych opracowań dotyczących istoty czwartej rewolucji przemysłowej wyróżnia się dwie płaszczyzny architektury systemu. Pierwszą z nich jest ta związana z komunikacją i IT. Tak jak wcześniej zostało wspomniane, z tym nieodłącznie wiążą się zagadnienia cyberbezpieczeństwa. Drugą namacalną płaszczyzną są elementy fizyczne, takie jak: maszyny, roboty, systemy transportu i obrabiane materiały. Oczywiście bezpieczeństwo ludzi musi być zapewnione koherentnie. Niekoniecznie jednak będzie ono gwarantowane tylko przez jeden konkretny element. Niepożądany dostęp lub ingerencja w płaszczyźnie komunikacji i IT będzie skutkować określoną reakcją elementów fizycznych, więc to one będą bezpośrednio zagrażać ludziom. Bardziej pewny wydaje się podział na rozwiązania bezpieczeństwa w obszarze IT i niezależne rozwiązania bezpieczeństwa dla fizycznych elementów systemu.

Rozwiązania, które zagwarantują bezpieczną pracę części fizycznej systemu produkcyjnego 4.0, można podzielić na dwie grupy. Pierwszą z nich są wszelkie rozwiązania bezpieczeństwa instalowane dla lub na elementach wchodzących w skład systemu produkcyjnego 4.0. Drugą, rozwiązania funkcjonalne – związane ze sposobem pracy urządzeń, narzucające im pewne brzegowe parametry bezpieczeństwa.

Zakładając relatywnie niską ekspozycję człowieka w strefach pracy systemów Industry 4.0 oraz potencjalnie wysoką częstość reorganizacji layoutu, można rozważyć najważniejsze właściwości, jakimi powinien się cechować system bezpieczeństwa instalowany dla elementów w aplikacji w technologii 4.0. Należy do nich zaliczyć: duży zasięg działania, łatwość instalacji, elastyczność działania i konfiguracji czy niezawodność transmisji. Rozwiązaniami, które powinny znaleźć szerokie zastosowanie w autonomicznych systemach produkcyjnych, powinny być te, które zapewniają automatyczne wykrywanie pojawienia się człowieka w strefie niebezpiecznej i umożliwiają wprowadzenie aplikacji w stan bezpieczny dla ludzi.

Do takich rozwiązań można zaliczyć innowacyjne systemy, które monitorują sytuacje zagrożenia w czasie rzeczywistym. W chwili gdy osoba wchodzi w obszar strefy ostrzegania, na maszynie uruchamia się sygnalizacja świetlna oraz/i akustyczna, a na znaczniku personalnym, w który wyposażony jest pracownik, dodatkowo uruchamia się sygnalizacja wibracjami. Po przekroczeniu strefy ochronnej (w zależności od indywidualnych ustawień), system wyłącza ruchy niebezpieczne lub całkowicie zatrzymuje maszynę. Po opuszczeniu przez pracownika strefy ostrzegania parametry działania maszyny wracają do pierwotnych ustawień. W przypadku naruszenia stref ochronnych i zatrzymania maszyny ponowne uruchomienie wymaga przeprowadzenia procedur resetowania i ponownego uruchamiania.

Tego rodzaju systemy pozwalają na konfigurowanie stref ostrzegania i stref ochronnych o dowolnych kształtach: prostokątnych, owalnych lub o kształtach indywidualnie dopasowanych do potrzeb danej aplikacji. Dzięki temu uzyskuje się pełną swobodę konfiguracji stref, co przekłada się na możliwość zrealizowania wszystkich wymogów klienta. W zależności od liczby wykorzystanych anten możliwe jest skonfigurowanie strefy o dowolnej wielkości.

Systemy te mogą być wykorzystane wszędzie tam, gdzie nie ma możliwości zastosowania optycznych urządzeń ochronnych (skanery laserowe, kurtyny świetlne) oraz odgradzających systemów ochronnych (wygrodzenia, osłony). Systemy doskonale sprawdzą się jako rozwiązanie do instalacji Przemysłu 4.0. Dzięki dużej elastyczności działania podnoszą bezpieczeństwo ludzi w ciągach technologicznych wyposażonych w systemy transportu wewnątrzzakładowego (przenośniki, windy, wózki samojezdne itp. ), systemach zrobotyzowanych (roboty przemysłowe i nowoczesne roboty współpracujące) czy różnego rodzaju obszarach wyrzutu i składowania materiału.

Znacznik personalny umożliwiający wykrywanie obecności osób w strefach ostrzegawczych i bezpieczeństwa. Źródło: Elokon

Poza rozwiązaniami opartymi na technice radiowej w systemach produkcyjnych fabryki 4.0 na pewno znajdzie się miejsce dla znanych już urządzeń bezpieczeństwa, z powodzeniem stosowanych w maszynach i systemach transportu. Na pewno warte uwagi są skanery laserowe najnowszej generacji oraz różne rozwijane systemy optyczne.

Nie należy pomijać rozwiązań wdrażanych i rozwijanych wraz z robotami współpracującymi. Mowa tutaj o rozwiązaniach posiadających cechy konstrukcji bezpiecznej samej w sobie. Ograniczenie mocy i sił ruchów robota, które są możliwe przy parametryzacji robotów współpracujących, to znakomity środek ochronny, który albo eliminuje zagrożenia, albo zmniejsza ryzyko związane z zagrożeniami, zmieniając właściwości konstrukcyjne lub eksploatacyjne maszyny bez użycia osłon lub urządzeń ochronnych. Dzięki specjalnie zaprojektowanym robotom w wyniku ich kontaktu z ciałem człowieka (lub inną przeszkodą) dochodzi do zatrzymania ruchu bądź wycofania ramienia. To samo wymaganie dotyczy również wyposażenia technologicznego i przedmiotu obrabianego. Z punktu bezpieczeństwa kluczowe jest tutaj ograniczenie parametrów ruchu do wartości progowych przyjętych na etapie oceny ryzyka. Zakładając zastosowanie w systemie Indsutry 4.0 tego typu rozwiązań, redukcja ryzyka w aplikacji jest na pewno prostsza.

Gwarancję bezpieczeństwa będzie zapewniała również właściwa parametryzacja urządzeń wykorzystanych do systemu produkcyjnego 4.0. W celu podwyższenia nienaruszalności bezpieczeństwa warto przemyśleć i ewentualnie zastosować ograniczenia co do zdalnej parametryzacji i nastaw elementów systemu produkcyjnego. Łatwość sieciowej konfiguracji niestety niekoniecznie idzie w parze z bezpieczeństwem. Dla krytycznych elementów racjonalne wydaje się stworzenie niezależnych od infrastruktury IIoT obwodów sterujących, rekonfigurowanych lokalnie przez operatora. Wówczas potencjalne zagrożenia związane z naruszeniem cyberbezpieczeństwa są w stanie zapobiec dramatycznym w skutkach zdarzeniom. Oczywiście tego typu ograniczenia powinny być poprzedzone merytoryczną analizą i symulacją skutków zdarzeń wykonaną przez przyszłych inżynierów 4.0.

Technologia Przemysłu 4.0 stopniowo będzie coraz częściej spotykana w zakładach pracy. W kontekście bezpieczeństwa obsługi jednym z największych wyzwań przy wdrażaniu systemu opartego na założeniach rewolucji 4.0 jest zadbanie o pracowników, którzy pełnią różnego rodzaju funkcje konserwacyjne, nastawcze itp. dla elementów systemu. Dzięki rozwiązaniom elastycznym i łatwo konfigurowalnym, w dużej mierze niezależnym od infrastruktury wnętrza systemu, to wyzwanie będzie możliwe do realizacji.

Wyzwaniem formalnym, które na ten moment nie jest rozpatrywane w żadnych opracowaniach, jest sposób ujmowania systemu produkcyjnego 4.0 jako całości przez pryzmat dzisiejszych wymagań prawnych. Dyrektywa Maszynowa 2006/42/WE nie obejmuje systemów wyposażonych w „inteligencję maszynową”, zdolnych do komunikacji w chmurze, autonomicznej rekonfiguracji, a co za tym może iść, zmiany zakresu zastosowania czy wdrożenia kompletnie nowych zagrożeń. Znamienny jest brak norm bezpieczeństwa w tej dziedzinie. Dlatego też, aby zagwarantować harmoniczny rozwój bezpieczeństwa, system techniczno-prawny w tej dziedzinie również wymaga rewolucji 4.0.


Mariusz Głowicki – wiceprezes zarządu, dyrektor operacyjny w firmie ELOKON Polska; konstruktor systemów bezpieczeństwa. Certyfikowany specjalista w dziedzinie bezpieczeństwa funkcjonalnego (UDT-CERT). Realizował projekty dla klientów m.in. z sektora energetyki, branży spożywczej, budowlanej, AGD i automotive.