Safe Material Flow: Lückenlose Sicherheit bei automatisiertem Materialtransport mit Sick

„Unter Safe Material Flow verstehen wir die sichere Gestaltung von Materialbewegungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette.“ Werner Zipperer, Market Product Manager Safety | Sales & Service Europe North & East/Middle East, Sick GmbH

Herr Zipperer, wie definiert Sick den Begriff Safe Material Flow im Kontext von Produktions- und Logistikprozessen, und welche sicherheitstechnischen Anforderungen ergeben sich daraus?

Unter Safe Material Flow verstehen wir die sichere Gestaltung von Materialbewegungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette. In praktisch jeder Fertigung gibt es Prozessschritte, bei denen Material in Maschinen, Zellen oder Anlagenbereiche ein- oder ausfährt. Genau an diesen Übergabestellen treffen Mensch, Maschine und Material aufeinander. Daraus ergibt sich die zentrale sicherheitstechnische Aufgabe, zuverlässig zu unterscheiden, ob sich regulär zu förderndes Material im Schutzbereich befindet oder ob eine Person in einen Gefahrenbereich eingreift beziehungsweise ihn betritt. Die Anforderungen sind entsprechend hoch: Einerseits muss der Personenschutz jederzeit gewährleistet sein, andererseits darf der Materialfluss nicht unnötig eingeschränkt werden. Ziel ist also immer, Sicherheit und Produktivität miteinander zu verbinden. Das betrifft Produktionslinien ebenso wie Verpackungsprozesse, Palettierung, Intralogistik oder die Kopplung einzelner Fertigungsabschnitte.

Je nach Anwendung kommen unterschiedliche sichere optoelektronische Technologien zum Einsatz. Dazu zählen sichere Mehrstrahlsysteme, Sicherheitslichtgitter und Sicherheits-Laserscanner.

Ein Kernpunkt bei Safe Material Flow ist die Unterscheidung zwischen Personen und Material. Welche Sensortechnologien und Algorithmen setzt Sick hier ein, um diese Differenzierung sicher und zuverlässig zu realisieren?

Je nach Anwendung kommen unterschiedliche sichere optoelektronische Technologien zum Einsatz. Dazu zählen sichere Mehrstrahlsysteme, Sicherheitslichtgitter und Sicherheits-Laserscanner. Welche Lösung am besten geeignet ist, hängt immer von der konkreten Applikation ab, also etwa von Objektgröße, Fördergeschwindigkeit, Platzverhältnissen oder der Art des Materialtransports. Ein wesentlicher Baustein ist dabei die Kontur- beziehungsweise Mustererkennung. Bei Safe-Portal-Lösungen werden beispielsweise definierte Objektkonturen erkannt, damit nur das Material durchfahren kann, während die umgebenden Bereiche weiterhin abgesichert bleiben. Bei Smart Box Detection erkennt das System rechteckige Kartons oder Boxen direkt über das Lichtgitter und erlaubt deren Durchfahrt ohne zusätzliche externe Muting-Sensorik. Darüber hinaus gibt es Smart Pattern Recognition-Verfahren (intelligente Mustererkennung), bei denen definierte Muster oder Konturen eingelernt werden können, um Mensch und Material eindeutig und gezielt zu unterscheiden.

Mobile Fördersysteme bringen zusätzliche Dynamik in die Anwendung. Im Unterschied zu klassischen spurgebundenen Förderstrecken bewegen sich AGV oder AMR flexibler und oft in komplexeren Umgebungen.

Und welche Vor- und Nachteile gibt es bei klassischen Muting-Ansätzen gegenüber neueren Methoden wie intelligenter Mustererkennung oder sensorlosen Systemen?

Klassische Muting-Verfahren wie 2- oder 4-Sensor-Muting sind bewährte und in vielen Anwendungen etablierte Lösungen. Ihr Vorteil liegt in der klar definierten Logik. Das bedeutet, dass das Schutzfeld für den Materialtransport nur dann überbrückt wird, wenn die Sensoren in einer bestimmten Reihenfolge und innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters „auslösen“. Das ist robust und nachvollziehbar, bringt aber auch zusätzlichen Installations- und Verdrahtungsaufwand mit sich, da externe Sensorik montiert, geschützt und parametriert werden muss. Und wie wir alle wissen, ist Platz immer eine Herausforderung. Neuere Ansätze wie die Smart Box Detection reduzieren diesen Aufwand deutlich, weil keine externen Muting-Sensoren erforderlich sind. Das spart Platz, vermeidet mechanisch exponierte Bauteile, die manipulierbar oder störanfällig störanfällig sein können, und erhöht zudem die Verfügbarkeit. Allerdings sind solche Verfahren stärker an bestimmte Objektgeometrien gebunden. Smart Box Detection funktioniert bei rechteckigen, klar definierten kubischen Gebinden.

Sensorlose Lösungen wiederum nutzen sicherheitsbewertete Prozessdaten aus der übergeordneten Steuerung zur Sequenzüberwachung, etwa ein Bandstartsignal in Kombination mit der Fördergeschwindigkeit. Der Vorteil liegt ebenfalls in der reduzierten Hardware. Die Herausforderung ist hier, dass der Prozess sehr stabil und exakt sein muss. Sobald Fördergeschwindigkeit oder Material stark variieren, steigt die Komplexität in der Parametrierung.

Sensorlose Lösungen wiederum nutzen sicherheitsbewertete Prozessdaten aus der übergeordneten Steuerung zur Sequenzüberwachung, etwa ein Bandstartsignal in Kombination mit der Fördergeschwindigkeit.

Wie gestaltet sich die Integration der Safe-Material-Flow-Funktionen in eine bestehende SPS-Umgebung bzw. welche Herausforderungen ergeben sich bei Funktionsbausteinen und Sicherheitslogik?

Die Integration hängt von der jeweiligen Lösung ab. Grundsätzlich sind Safe-Material-Flow-Funktionen inzwischen gut in bestehende Automatisierungsumgebungen integrierbar, insbesondere wenn sichere Steuerungen und standardisierte Feldbuskonzepte vorhanden sind. Für bestimmte Anwendungen stellt Sick zertifizierte Funktionsbausteine zur Verfügung, etwa für Siemens-S7-Umgebungen. Die Herausforderung liegt weniger in der reinen Einbindung als vielmehr in der applikationsgerechten Kommissionierung. Bei Safe-Portal kommt zusätzlich die Auswertung adaptiver Schutzfelder und Konturerkennungsinformationen hinzu. Zertifizierte Funktionsbausteine im Lieferumfang von sensorlosen Muting-Lösungen vereinfachen und erleichtern natürlich die Aufgabe für den Integrator. So bleibt nach der elektrischen und mechanischen Integration als abschließender Schritt nur die Verifizierung und Validierung der Anwendung über.

Kommen wir zu den Sicherheitsanforderungen. Welche Rolle spielen Normen wie EN ISO 13849 oder ISO 13855 bei der Auslegung von Safe-Material-Flow-Lösungen bzw. wie beeinflussen sie die Systemarchitektur im Allgemeinen?

Fest steht: Normen spielen eine zentrale Rolle, denn jede Sicherheitslösung muss auf einer fundierten Risikobeurteilung basieren. Aus dieser ergibt sich wiederum, welches Sicherheitsniveau beziehungsweise Performance-Level erforderlich ist. Die EN ISO 13849 ist dabei wesentlich für die Bewertung sicherheitsbezogener Teile von Steuerungen. Die ISO 13855 ist insbesondere für die Positionierung von berührungslosen Schutzeinrichtungen relevant, also für Mindestabstände unter diversen Zugriffsbetrachtungen. Diese Anforderungen beeinflussen das Sicherheitskonzept. Sie bestimmen, welche Komponenten eingesetzt werden können, wie Schutzfelder auszulegen sind und welche Reaktionszeiten aus der funktionalen Sicherheitskette Sensor-Logik-Aktor letztendlich resultieren.

Ein wichtiger Trend ist die zunehmende Integration von Erkennungs- und Auswertefunktionen direkt in Sicherheitsgeräte.

Sicherheitslichtgitter wie deTec4 mit „smart object pattern recognition“ arbeiten mit intelligenter Konturerkennung. Wie wird dabei Sicherheit gewährleistet und gleichzeitig die Effizienz gesteigert?

Genau darin liegt der große Nutzen solcher Lösungen: Statt ein horizontales Schutzfeld vollständig zwischen Sender und Empfänger freizugeben, wird nur ein erkanntes Objektmuster freigegeben, das dem tatsächlich eingelernten Objekt entspricht. Eine Palette, ein Skid oder aber auch ein AGV kann also durchfahren, wenn es dem Objektmuster entspricht. Die Bereiche vor, nach, sowie zwischen den einzelnen Objekten des Musters bleiben dabei aktiv überwacht. So wird die Effizienz nicht beeinträchtigt, weil Materialbewegungen flüssig möglich bleiben. Gleichzeitig wird die Sicherheit hochgehalten, weil das System nur dann freigibt, wenn die definierte Kontur erkannt wurde. Sobald eine Abweichung auftritt oder sich eine Person im unzulässigen Bereich befindet, greift die Sicherheitsfunktion sofort. Wichtig ist dabei immer die sorgfältige Auslegung auf die jeweiligen Objektmuster und -längen.

Doch wie adressieren Safe-Material-Flow-Lösungen sicherheitsrelevante Aspekte in Kombination mit mobilen Fördersystemen wie AGV oder AMR?

Mobile Fördersysteme bringen zusätzliche Dynamik in die Anwendung. Im Gegensatz zu klassischen spurgebundenen Förderstrecken bewegen sich AGV oder AMR flexibler und oft in komplexeren Umgebungen. Damit steigen auch die Anforderungen an die Übergänge zwischen sicheren und und nicht sicheren Bereichen. Eine besondere Herausforderung besteht darin, den Beladungszustand des mobilen Systems sicher zu erkennen und auszuschließen, dass Personen mitfahren, aufspringen oder sich im Schutzbereich aufhalten. Hier spielen flexible vertikale Muting-Systeme, mit mehreren einfach zu wechselnden Betriebsarten für unterschiedliche partielle Muting-Konfigurationen im Lichtgitter, ihre Stärke aus. Die Lösung zur sicheren Mensch-Material-Unterscheidung muss also nicht nur sicher, sondern auch flexibel genug sein, um mit dynamischen Materialflüssen umgehen zu können.

Können Sie konkrete Praxisbeispiele nennen, bei denen Safe-Material-Flow-Lösungen maßgeblich zur Effizienzsteigerung beigetragen haben?

Ein klassisches Beispiel sind Verpackungs- und End-of-Line-Anwendungen. Dort müssen Kartons, Boxen oder palettierte Einheiten durch Schutzfelder transportiert werden. Mit Smart Box Detection oder Muting-Lösungen lässt sich das effizient realisieren, ohne dass zusätzliche physische Tunnelsysteme nötig sind. Das spart Platz, reduziert mechanischen Aufwand und verbessert oft die Anlagenverfügbarkeit. Ein weiteres Beispiel ist die Automobilindustrie. Dort werden entlang von Fertigungslinien Fahrzeugträger oder Skids in Montage- oder Schweißbereiche transportiert. Mit Safe-Portal-Lösungen lassen sich diese Übergänge so absichern, dass nur die Kontur des Transportguts freigegeben wird. Das erhöht die Sicherheit, ohne den Materialfluss auszubremsen. Auch in der Batterie- und Komponentenfertigung gewinnt das Thema an Bedeutung, insbesondere dort, wo Robotik, mobile Transportsysteme und automatisierte Übergabestationen zusammenkommen.

Wagen wir nun noch einen Blick in die Zukunft: Welche technischen Trends sehen Sie in den nächsten drei bis fünf Jahren in diesem Themenumfeld?

Wir sehen deutlich, dass die Bedeutung von Safe Material Flow weiter zunimmt. Die Automatisierung schreitet voran, Materialflüsse werden komplexer und der Bedarf an flexiblen Sicherheitslösungen wächst in nahezu allen Industriebereichen. Vor allem die Kombination aus klassischer funktionaler Sicherheit und intelligenter Sensorik wird weiter an Relevanz gewinnen. Ein wichtiger Trend ist die zunehmende Integration von Erkennungs- und Auswertefunktionen direkt in Sicherheitsgeräten. Konturerkennung, Objektklassifizierung und applikationsspezifische Parametrierung werden intelligenter und gleichzeitig einfacher nutzbar. Ebenso wird die Einbindung in vernetzte Automatisierungs- und Diagnosestrukturen wichtiger. Langfristig wird auch das Zusammenspiel von Safety, Digitalisierung und datenbasierter Optimierung zunehmen. Entscheidend bleibt dabei aber immer, dass sichere Funktionen beherrschbar bleiben. Das ist gerade im Bereich der Maschinensicherheit und Sicherheitssensorik die Basis jeder Innovation.

Vielen Dank für das Gespräch.