Wózki AGV w transporcie

Automatyczne wózki transportujące AGV (Automated Guided Vehicles) są coraz chętniej wybieranymi produktami, które pozwalają na automatyzowanie procesów produkcyjnych, których celem jest transport surowców, komponentów, półproduktów oraz gotowych wyrobów. Wózki AGV dzięki swoim licznym zaletom, wraz z rozwojem technologii i pojawianiem się nowych możliwości sterowania, zyskują coraz szersze grono zainteresowanych.

Zalety i wady

Należy zastanowić się nad tym, skąd wynika rosnące zainteresowanie automatycznymi wózkami transportującymi. Jednym z podstawowych powodów są coraz częstsze problemy ze znalezieniem pracowników, gotowych w sposób fachowy i rzetelny operować tradycyjnymi wózkami transportującymi. Wózki AGV nie wymagają takich osób, poza tym mogą pracować prawie nieustannie, a jedyne przerwy w ich pracy wynikają z konieczności wymiany akumulatora lub doładowania. Ponadto przerwy mogą się zdarzyć na skutek wystąpienia awarii, ale jest to zdarzenie nieprzewidywalne, które może się również przydarzyć w przypadku wózków wymagających obsługi. Osiąganie bardzo wysokiej dokładności, powtarzalności, dużo mniejsze ryzyko popełnienia błędu oraz możliwość nieustannej pracy powodują, że aplikacje, w których zastosowanie znajdują wózki AGV, są wydajniejsze. Warto również zauważyć, że czynności związane z transportem wymagają częstokroć dużych nakładów siły, ponadto są monotonne. Wskazane cechy są jednymi z kluczowych powodów rozwoju robotyzacji. Ważnym aspektem jest również bezpieczeństwo, które jest zapewniane dzięki spełnianiu przez producentów wózków AGV obowiązujących norm prawnych. Każdy pojazd jest wyposażony w niezbędny i niezawodny system zabezpieczeń, czyniący go bezpieczniejszym niż pojazdy z obsługą. Może wydawać się to nieco dziwne, ale obsługa może okazać się w aspektach bezpieczeństwa bardziej zawodna niż zautomatyzowane systemy zabezpieczeń. Ponadto w wyniku niefrasobliwości operatora może dojść do uszkodzeń, do których praktycznie nie dochodzi w przypadku automatycznych pojazdów bezobsługowych. Inną zaletą wózków AGV jest ograniczenie przestrzeni niezbędnej do wykonywania cyklicznego transportu.

Niewątpliwą wadą stosowania wózków AGV jest konieczność zainwestowania w ich zakup oraz budowę infrastruktury potrzebnej do ich zastosowania w danej aplikacji. Należy pamiętać, że przestrzenie, po których mają poruszać się wózki AGV muszą być przystosowane do tego celu, szczególnie w zakresie jakości posadzki. Omawiane pojazdy bardzo słabo radzą sobie z nierównościami. Ponadto wymagana jest odpowiednia infrastruktura, która wynika bezpośrednio z zastosowanej metody sterowania wózkiem.

Biorąc pod uwagę kilkuletnią perspektywę, należy spodziewać się jednak, że całkowity koszt posiadania wózków z obsługą przewyższa koszt automatycznych wózków transportujących. Koszt inwestycji jest bowiem rekompensowany przez niskie koszty eksploatacji, które ograniczają się do kosztów ładowania oraz prac serwisowych. Nie trzeba ponadto ponosić kosztów związanych z wynagrodzeniem personelu, co stanowi podstawowy element budżetu potrzebnego do posiadania wózków z obsługą.

Typy wózków AGV

Wśród wózków AGV można wyróżnić kilka typów, przyjmując za kryterium rodzaj wykonywanego zadania transportowego. Pierwszym z nich są wózki holownicze, których zadaniem jest holowanie załadowanych wózków i przyczep o wielotonowej masie całkowitej przez element stanowiący robota. Wózki i przyczepy są przyczepiane i odczepiane manualnie w strefach przeładunkowych. Kolejną grupę stanowią wózki widłowe, które mogą transportować towar zarówno w pionie, jak i w poziomie oraz mogą realizować zadania tożsame z ich obsługowymi odpowiednikami. Innym przykładem wózków AGV są pojazdy o budowie kompaktowej stanowiące platformę przygotowaną do przewozu ładunków. Można wśród nich wyróżnić pojazdy z przenośnikiem, który umożliwia bardzo sprawny przeładunek. Przenośnik na robocie oraz przenośniki w liniach produkcyjnych łączą się, tym samym palety czy pudła mogą w prosty sposób wjechać na wózek, a w miejscu docelowym go opuścić.

Metody sterowania

Jednym z podstawowych kryteriów podziału wózków transportujących AGV jest metoda sterowania. Pierwsza z przedstawianych polega na wykorzystaniu pętli indukcyjnej. Przewody znajdujące się w posadzce dostarczają prąd o stałej częstotliwości i są wykrywane przez czujniki magnetyczne znajdujące się na spodzie pojazdu transportującego. Zaletą takiego sposobu sterowania jest jednoczesna możliwość ładowania akumulatora potrzebnego do napędzania wózka. Metoda ta może być zastosowana zarówno na otwartej przestrzeni, jak i wewnątrz pomieszczeń. Wadami są: trudność w usuwaniu potencjalnych uszkodzeń, konieczność ingerencji w posadzkę oraz bardzo mała elastyczność. Każda zmiana trasy wózka wiąże się z potrzebą sporego nakładu pracy związanej z przesuwaniem przewodów znajdujących się w posadzce.

Inną metodą sterowania jest metoda magnetyczna. Jej zasada działania jest zbliżona do pierwszej z przedstawionych, a polega na śledzeniu przez zamontowane na wózku czujniki magnetyczne linii z materiału ferromagnetycznego umieszczonych na posadzce. Omawiana metoda jest dużo bardziej elastyczna – nie wymaga trwałej ingerencji w posadzkę, a trasy przejazdu wózków mogą być modyfikowane z dużą łatwością. Największą wadą magnetycznej metody sterowania jest podatność na uszkodzenia linii magnetycznych, te jest jednak stosunkowo łatwo naprawić. Innym potencjalnym problemem może być obecność w bezpośrednim sąsiedztwie obcych ferromagnetyków.

Grupę metod umożliwiających sterowanie wózkami transportowymi stanowią metody optyczne. Jedna z nich – refleksyjna – zasadą działania przypomina poprzednie, z tą różnicą, że sensorami są czujniki światła odbitego, które umożliwiają podążanie za naklejoną lub namalowaną na posadce linią. Kolejna z optycznych metod sterowania opiera się na obrazach pozyskanych z kamer znajdujących się na sterowanym urządzeniu. Obrazy te są analizowane i przetwarzane zgodnie z wcześniej przyjętym algorytmem. Dla jego uproszczenia stosuje się znaczniki, które wcześniej zostają nanoszone na mapę cyfrową. Innym sposobem sterowania wózków transportowych stosowanym w praktyce jest metoda laserowa. Umożliwia ona optyczne śledzenie punktów odniesienia. Skaner umieszczony na wózku sprawdza otaczającą przestrzeń, poszukując rozmieszczonych w przestrzeni znaczników. Dzięki takiemu działaniu można uzyskać informację o położeniu wózka transportowego w przestrzeni. Metoda laserowa może również nie wymagać znaczników, wtedy skanery tworzą mapę terenu, umożliwiając jednocześnie śledzenie ruchu.

Sposoby zasilania

Samojezdne wózki transportujące AGV można podzielić przyjmując za kryterium sposób ich zasilania. Źródłem zasilania może być klasyczny akumulator ołowiowo-kwasowy. Jest to rozwiązanie najprostsze, a co się z tym wiąże najtańsze. Należy jednak pamiętać o wadach takiego rozwiązania – szybkiego zużycia związanego z ciągłym i cyklicznym obciążeniem. Niekiedy w wózkach AGV stosuje się inne technologie – akumulatory ołowiowo-kwasowe, żelowe lub AGM. Charakteryzują się one większą odpornością na wstrząsy i uderzenia oraz tym, że są bezobsługowe. Wspólną wadą akumulatorów wszystkich technologii klasycznych akumulatorów jest konieczność częstego i czasochłonnego ładowania, co może być problematyczne, a poza tym uniemożliwia zachowanie ciągłości pracy zasilanych w omawiamy sposób pojazdów AGV.

Innym, nieco wydajniejszym, sposobem zasilania wózków transportowych AGV są akumulatory litowe. Charakteryzują się one większą gęstością energii zgromadzonej w danej masie, tym samym masa wózka ulega redukcji w stosunku do wózków z wcześniej wymienionymi akumulatorami klasycznymi. Wyższy koszt zakupu akumulatora litowego rekompensują zalety płynące z jego użytkowania – czas pracy na jednym ładowaniu jest dłuższy, liczba cykli pracy jest większa, czas ładowania akumulatora jest krótszy, zaś doładowanie może nastąpić w dowolnym stanie rozładowania.

Kolejną metodą zasilania wózków transportowych AGV są superkondensatory. Niewątpliwą zaletą tego typu rozwiązania jest ich duża gęstość mocy, która umożliwia ładowanie i rozładowywanie dużymi prądami w niedługim czasie. Superkondensatory są trwalsze od akumulatorów oraz mają większy zakres temperatury pracy. Częstokroć są wykorzystywane jako element wspomagający tradycyjne baterie w przypadku wystąpienia dużego obciążenia. Wtedy metodę zasilania nazywa się hybrydową.

Następna z dostępnych metod zasilania wózków transportowych polega na użyciu ogniwa wodorowego. Ze względu na koszt samego ogniwa, jak i infrastruktury związanej z paliwem wodorowym, jest to metoda stosowana bardzo rzadko. Innym sposobem zasilania wózków AGV jest pętla indukcyjna umieszczonych w posadzce na trasie przejazdu. Przyjęcie takiej koncepcji wymaga odpowiedniego przygotowania infrastruktury, które wiąże się z ingerencją w posadzkę. Wadą tej metody jest niska elastyczność, objawiającą się przede wszystkim wysoką trudnością zmiany trasy wózka transportującego AGV wyposażonego w taki system zasilania.

W obrębie zasilania kryterium podziału można oprzeć na sposobie ładowania wózków transportujących wyposażonych we wcześniej wspomniane zasobniki. Najprostszym i najekonomiczniejszym, a w związku z tym najpowszechniej stosowanym jest ręczna wymiana baterii po rozładowaniu. Cała procedura zajmuje kilka minut, ale wymaga ingerencji operatora oraz dostęp do co najmniej dwóch baterii. W trakcie używania jednej z nich, druga, a w razie potrzeby kolejne, są ładowane i przygotowywane do użytku.

Znaczącym udogodnieniem może okazać się automatyczny zmieniacz baterii. Jego działanie nie wymaga ingerencji operatora. Wózek o specjalnie przygotowanej konstrukcji, w czasie zgodnym z wcześniej przyjętym harmonogramem wjeżdża do strefy wymiany baterii i poddaje się procesowi wymiany zasobników energii. Urządzenie zmieniające odpowiada również za zapewnienie ładowania pobranego z wózka ogniwa, aby było przygotowane do użycia podczas kolejnych wymian. Innym bodźcem do wjazdu wózka transportującego w strefę wymiany może być stwierdzenie przez dedykowany system sterujący niskiego poziomu naładowania baterii aktualnie znajdującej się w wózku AGV.

Zarówno manualna, jak i automatyczna metoda wymiany baterii wymaga odpowiedniej liczby zasobników energii. Ta jest wyliczana na podstawie analizy średniego czasu potrzebnego na pełne naładowanie baterii oraz średniego czasu, przez który wózek może funkcjonować między kolejnym procesami ładowania. Procedury wymiany oraz ładowania należy uwzględnić w harmonogramach produkcyjnych. Należy pamiętać, że proces wymiany baterii zajmuje określony czas, podczas którego wózek nie realizuje swoich podstawowych zadań. Uwzględniając powyższe stwierdzenia, należy odpowiednio zaplanować wielkość floty wózków transportujących oraz liczbę ogniw. W ten sposób procesy produkcyjne bazujące na wózkach transportujących oraz bezpośrednio lub pośrednio powiązane z nimi nie będą narażana na niepożądane i nieprzewidziane przerwy.

Inną metodą ładowania jest ładowanie przewodowe. Dzięki takiemu rozwiązaniu znika konieczność demontowana rozładowanego zasobnika z wózka transportującego. Ten w zaplanowanym w harmonogramie czasie podjeżdża do stacji ładowania i przez określony czas jest ładowany. Dla zoptymalizowania działania systemów transportujących stacja ładująca może znajdować się w punktach przeładunkowych. Wtedy podczas konieczności postoju wózka na czas załadunku lub rozładunku dodatkowo realizowany jest proces ładowania.

Najnowocześniejszym, ale i najdroższym rozwiązaniem, które można wykorzystać do ładowania wózków jest ładowanie bezprzewodowe. Może się ono odbywać na całej trasie przejazdu, dzięki czemu nie wymaga przerw w realizacji przez pojazd zadań transportowych.

Z przedstawionego przeglądu metod zasilania i sposobów ładowania wynika dosyć spodziewany wniosek. Metody i sposoby o wyższym stopniu zautomatyzowania są dużo bardziej ergonomiczne i ograniczają znacząco czas przestojów w procesach związanych z transportem. Zasadniczą ich wadą jest cena, która jest dużo wyższa niż w przypadku rozwiązań manualnych i klasycznych. Może się jednak okazać, że korzyści płynące z braku konieczności ingerencji obsługi w proces zaopatrywania wózków w energię, profity z możliwości ładowania podczas załadunku i rozładunku oraz widocznie zminimalizowanego czasu poświęcanego na procedurę ładowania w ostatecznym rozrachunku są korzystniejsze i bardziej opłacalne.

Zastosowanie w przemyśle

Kolejnym zagadnieniem związanym z wózkami transportującymi AGV jest ich zastosowanie w przemyśle. Im większy stopień zautomatyzowania i zrobotyzowania procesu produkcyjnego, tym więcej zastosowań znajdują wózki AGV. Opisywane pojazdy są stosowane głównie w nowoczesnych centrach dystrybucyjnych oraz fabrykach, w których proces produkcyjny odbywa się w sposób cykliczny i przewidywalny. Wózki transportujące AGV są stosowane głównie wewnątrz pomieszczeń do przemieszczania komponentów między liniami produkcyjnymi oraz transportowania gotowych produktów do stref magazynowych i w ich wnętrzu.

Jedną z branż, która najczęściej korzysta z dobrodziejstw wózków transportujących AGV, jest branża motoryzacyjna. Mnogość elementów i komponentów, które muszą być w sposób ciągły dostarczane do poszczególnych gniazd produkcyjnych, sprawia, że wózki są w tym przypadku idealnym rozwiązaniem zwiększającym wydajność produkcji. Pozwalają na znaczącą jej optymalizację. Przykładowym zastosowaniem jest transport elementów i gotowych komponentów instalacji elektrycznych czy też elementów wyposażenia.

Z dobrodziejstw wynikających z istnienia wózków AGV korzystają również przedstawiciele branż elektrycznej, meblarskiej oraz spożywczej. Wózki transportują pojedyncze elementy i partie produktów, różnego rodzaju komponenty i gotowe elementy, drobne przedmioty, tj. kuwety z wkrętami, oraz całkiem spore między gniazdami produkcyjnymi. Wózki AGV są również pomocne przy rozładunku oraz załadunku surowców i towarów.

Na podstawie powyższego można wśród przykładowych zastosowań wyróżnić logistykę magazynową. Wózki są niezwykle istotnym elementem automatyzacji rozładunku i załadunku towarów i palet. Znajdują również zastosowanie w znajdowaniu, przygotowywaniu oraz składowaniu przesyłek. W dobie rosnącej sprzedaży wysyłkowej i rozwoju logistyki, można zakładać, że rozwój zastosowań wózków AGV związany z tą branżą będzie niegasnący.

Wózki transportujące AGV znajdują również zastosowanie poza przemysłem. Dobrym tego przykładem są lotniska. Wózki służą do transportu bagaży między samolotami oraz budynkami lotniska. Znacząco usprawniają logistykę przewozu bagaży oraz skracają czas oczekiwania na nie.

Przykładem może również posłużyć branża medyczna. Wózki mogą przewozić posiłki i pościel między kuchnią szpitalną, pralnią a oddziałami oraz wywozić z nich śmieci i niebezpieczne odpady medyczne. Pojawiają się również aplikacje, w których pomagają w dostarczaniu i segregacji leków. Wózki AGV są w ramach branży medycznej na razie rzadko spotykane, ale wraz z rozwojem sektora służby zdrowia, taki stan rzeczy ulega powolnej zmianie.

Bezpieczeństwo

W przypadku autonomicznych pojazdów AGV niezwykle ważnym aspektem jest bezpieczeństwo. Brak obsługi mogącej wpłynąć natychmiast na działanie urządzenia implikuje konieczność stosowania odpowiednich systemów zabezpieczeń. W zależności od charakteru strefy, w której przemieszcza się pojazd AGV, należy podjąć różne środki bezpieczeństwa. Strefy można podzielić na dwie główne kategorie – zamknięte i wspólne. W tych pierwszych pojawienie się człowieka nie powinno mieć miejsca. Strefy zamknięte powinny być tak zaprojektowane i wykonane, że dostęp do nich jest niemożliwy w normalnym trybie pracy. Dostanie się do nich wymaga pokonania urządzeń zabezpieczających i przerwania ciągłości obwodu bezpieczeństwa. Mowa tu o otwarciu bramki znajdującej się w ogrodzeniu i wyposażonej w ryglowy zamek bezpieczeństwa. W strefach wspólnych obecność ludzi jest dozwolona i z góry założona, ponadto można spodziewać się ruchu pojazdów obsługiwanych przez ludzi. Obowiązująca norma bezpieczeństwa PN-EN 1525 nie wymaga od projektantów w przypadku stref zamkniętych uwzględniania możliwości pojawienia się człowieka na trasie wózka transportującego AGV. Jednak warto zauważyć, że potencjalnie może zdarzyć się sytuacja, w której człowiek wykonujący prace serwisowe znajdzie się w strefie zamkniętej, a wózek będzie w tym czasie realizować swój z góry założony plan przejazdowy.

Pojawienie się na trasie wózka człowieka, innego pojazdu lub jakiegoś przedmiotu powoduje konieczność zatrzymania pojazdu i poinformowania otoczenia o zaistnieniu takiego faktu. Ewentualna kolizja może być niebezpieczna zarówno w sposób bezpośredni, jak i pośredni dla człowieka. Należy bowiem pamiętać, że kolizja wózka może spowodować jego przewrócenie, a w konsekwencji zniszczenie ładunku, co z kolei może być potencjalną przyczyną kolejnych zniszczeń i pojawienia się innych zagrożeń dla zdrowia i życia ludzi.

Warto pamiętać, że zabezpieczenia, w które wyposażony jest wózek, powinny wykrywać obiekty na całej szerokości i długości wózka, uwzględniając przy tym ewentualne wystawanie ładunku poza obrys wózka. Przy tym należy zwrócić szczególną uwagę na konieczność odpowiedniego zabezpieczenia ładunku, co zapobiegnie jego przesuwaniu się, nawet w przypadku konieczności wywołania procedury zatrzymania awaryjnego. Ponadto w  wózkach z możliwością obrotu, istotne jest zapewnienie zabezpieczenia związanego z ruchem obrotowym. W przypadku stref wspólnych należy zwrócić szczególną uwagę na strefę przypodłogową ze względu na wysokie ryzyko zmiażdżenia stóp.

Normy bezpieczeństwa dotyczące wózków transportujących AGV PN-EN ISO 3691-4 („Wózki jezdniowe – Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i sprawdzanie – Część 4: Wózki jezdniowe bez operatora i ich systemy” oraz PN-EN ISO 13849-1 wskazują na wymagane cechy układu hamulcowego wózka, konieczność odpowiedniego oznakowania połączenia wózka z ewentualną przyczepą, ograniczenia prędkości, które należy zachować w przypadku niemożności dochowania odpowiednich odstępów, konieczność zabezpieczenia infrastruktury powiązanej z procesem ładowania, np. w przypadku automatycznych stacji ładowania zapewnienie możliwości ładowania tylko podczas obecności wózka w stacji. Warto również podkreślić konieczność realizacji funkcji zatrzymania awaryjnego oraz unikania ostrych krawędzi i naroży w procesie projektowania i produkcji wózków.

Podstawową składową systemów bezpieczeństwa wózków transportujących AGV są sensory optyczne, które skanują otoczenie podczas przemieszczania pojazdu. Mogą weryfikować najbliższe otoczenie będącego w ruchu wózka i w razie konieczności odpowiednio wpłynąć na proces reakcji na przeszkodę. Reakcja polega na zatrzymaniu pojazdu oraz zasygnalizowaniu problemu za pomocą sygnału świetlnego lub akustycznego. Kontynuacja ruchu jest możliwa po usunięciu przeszkody z trasy przejazdu wózka.

Sygnały świetlne i akustyczne powinny również być wyzwalane tuż przed rozpoczęciem ruchu w normalnym trybie pracy. Jest to środek ostrzegawczy, a jednocześnie forma dodatkowego środka zabezpieczającego. Ponadto podczas zmiany kierunku ruchu wózek powinien umożliwiać zasygnalizowanie takiego manewru, przykładowo za pomocą kierunkowskazu.

Przemysł 4.0

Rozbudowane systemy sterowania wózków transportujących AGV pozwalają na dynamiczne rekonfigurowanie profilu ruchu i bieżące dostosowywanie do rzeczywistych warunków środowiskowych. Wózki AGV stanowią również jeden z elementów rozbudowanych zinformatyzowanych systemów zarządzania produkcją i transportem wewnętrznym oraz zewnętrznym. Omawiane pojazdy umożliwiają wymianę danych dotyczących zadań produkcyjnych, transportowych oraz logistycznych. Pozyskane dane można potem poddać analizie i na jej podstawie wysnuwać wnioski dotyczące wydajności systemów, których elementami są wózki AGV. W związku z tym można stwierdzić, że omawiane pojazdy wpisują się w koncepcję Przemysłu 4.0, która stanowi fundament dalszego rozwoju automatyzacji i robotyzacji w przemyśle.

Podsumowanie

Postępujący rozwój zainteresowania sterowanymi automatycznie wózkami transportującymi AGV implikuje zainteresowanie nimi coraz szerszego grona odbiorców. Nieustanny rozwój automatyzacji pozytywnie wpływa na segment rynku związany z tymi pojazdami. Szerokie zastosowanie, wysoka elastyczność i powtarzalność, niska zawodność, redukcja koniecznej przestrzeni do realizacji zadań transportowych powodują, że wózki AGV stanowią jeden z tych elementów, których oferta jest wciąż rozbudowywana wśród producentów i dystrybutorów z branży automatyki i robotyki. Jednym z najważniejszych aspektów są oczywiście finanse. Wizja zwrotu kosztów inwestycji w wózki z nawiązką w perspektywie kilku lat jest kuszącą propozycją. Rosnące zainteresowanie wózkami AGV jest gwarantem nieustannego ich rozwoju i ulepszania. 

źródło: Automatyka 7-8/2021