背叉式AGV控制系統(tǒng)的有關(guān)安全部件設(shè)計(jì)

文/王 勇 鄒楊波 樊 律

根據(jù)行業(yè)權(quán)威統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)報(bào)告顯示，2019年國內(nèi)叉車AGV銷量達(dá)2700臺(tái)，較之于2018年度增長幅度為80%，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)13億元。其中，背叉式AGV以載重大、速度快、靈活柔性等特點(diǎn)，占據(jù)叉車AGV 市場(chǎng)60%以上的產(chǎn)量。隨著市場(chǎng)發(fā)展，產(chǎn)品迭代更新速度加快，低成本、高效率、安全、可靠等是產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力指標(biāo)，為確保AGV安全性能在產(chǎn)品迭代更新過程中穩(wěn)步提高，以標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)指標(biāo)為支撐，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的控制系統(tǒng)安全功能設(shè)計(jì)，能科學(xué)、有效地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

本文介紹的設(shè)計(jì)方案主要基于行業(yè)公認(rèn)參考標(biāo)準(zhǔn)EN 1525:1998，并結(jié)合產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告分析結(jié)果和實(shí)踐驗(yàn)證，并取得國際專業(yè)機(jī)構(gòu)認(rèn)證。設(shè)計(jì)方案技術(shù)指標(biāo)依照標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 13849-1:2015的規(guī)定。

（注：設(shè)計(jì)方案針對(duì)的是常用類型背叉式AGV最基礎(chǔ)的安全功能設(shè)計(jì)，當(dāng)涉及舉升高度大于1.8m、載重大于5t、載人運(yùn)行或防爆、防腐蝕等特殊設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，采取符合要求的安全功能設(shè)計(jì)。）

憑借載重大、速度快、靈活柔性等特點(diǎn)，背叉式AGV在市場(chǎng)中應(yīng)用廣泛

一、設(shè)計(jì)依據(jù)

AGV控制系統(tǒng)安全功能設(shè)計(jì)應(yīng)遵循國家/國際標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如表1。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文根據(jù)實(shí)際案例推薦一套合理、可行的設(shè)計(jì)方案。

背叉式AGV控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件（SRP/CS）設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：安全類別（Category）與性能等級(jí)（PL），見表2。

其中，速度控制、轉(zhuǎn)向控制、緊急停止、障礙物檢測(cè)、手動(dòng)/自動(dòng)模式切換的安全部件類別均為Category 3。根據(jù)EN ISO 13849-1:2015的定義，Category 3/4屬于冗余的安全邏輯結(jié)構(gòu)，即邏輯結(jié)構(gòu)的部件中的任何一個(gè)單一故障都不會(huì)導(dǎo)致安全功能的喪失，針對(duì)特殊安全要求的控制系統(tǒng)。

值得注意的是，對(duì)于SRP/CS的評(píng)價(jià)Category只是定性的指標(biāo)，而PL才是綜合衡量的指標(biāo)，必須定性指標(biāo)Category與定量指標(biāo)—每小時(shí)危險(xiǎn)失效概率（PFHD）相結(jié)合才能取得綜合、完善的安全性能評(píng)價(jià)。其中PFHD、PL之間的關(guān)系，見表3。

在安全邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全器件選型時(shí)，相關(guān)器件的安全性能參數(shù)：PL、Category、PFHD、危險(xiǎn)故障間隔時(shí)間（MTTFd）、元器件10%樣本發(fā)生失效的操作次數(shù)（B10d）等，將對(duì)設(shè)計(jì)方案最終能達(dá)到的安全性能（PL）起到?jīng)Q定性作用。

1.安全邏輯結(jié)構(gòu)

安全邏輯結(jié)構(gòu)從功能上劃分為輸入、邏輯、輸出三部分；從安全類別與性能等級(jí)劃分為Category 1/PL b、Category 2/PL c、Category 3/PL d三部分。設(shè)計(jì)方案的總體安全邏輯結(jié)構(gòu)，詳見圖2。

2.安全邏輯器件

從簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)復(fù)雜性，模塊化設(shè)計(jì)需求出發(fā)，在安全邏輯結(jié)構(gòu)中采用安全型可編程邏輯控制器（安全PLC）作為安全邏輯器件，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)為Category 2~3/PL c~d的相關(guān)安全功能，安全PLC分為邏輯運(yùn)算模塊、IO模塊、速度監(jiān)控、轉(zhuǎn)向監(jiān)控、通訊模塊。

設(shè)計(jì)指標(biāo)為Category 1/PL b的相關(guān)安全功能建立在以車載控制器為邏輯控制器件的基礎(chǔ)之上。

3.安全輸出器件

（1）背叉式AGV的停車制動(dòng)方式為切斷動(dòng)力電源與驅(qū)動(dòng)器KEY信號(hào)、釋放牽引電機(jī)電磁抱閘，因此與緊急制動(dòng)相關(guān)的安全功能，如：速度控制、轉(zhuǎn)向控制、障礙物檢測(cè)、緊急停止、側(cè)邊防護(hù)、超馳障礙物檢測(cè)、從卸貨方向停止車輛、手動(dòng)/自動(dòng)模式切換的安全輸出器件都是同一部件。為達(dá)到設(shè)計(jì)安全性能，與此相關(guān)的安全輸出器件需設(shè)計(jì)達(dá)到Category 3/PL d的安全性能。動(dòng)力電源的控制采用冗余的直流/交流接觸器（含有輔助NC反饋觸點(diǎn)），驅(qū)動(dòng)器帶有All OK反饋信號(hào)，抱閘控制采用安全繼電器。

圖1 背叉式AGV控制系統(tǒng)安全功能設(shè)計(jì)應(yīng)遵循相關(guān)國家/國際標(biāo)準(zhǔn)

圖2 Category 3安全邏輯結(jié)構(gòu)

圖3 背叉式AGV控制系統(tǒng)安全邏輯結(jié)構(gòu)圖

（2）背叉式A G V液壓控制（Category 2/PL c）安全輸出部件為液壓驅(qū)動(dòng)器、液壓控制閥，安全信號(hào)由安全PLC控制，當(dāng)液壓控制系統(tǒng)鏈路中的故障被檢測(cè)到時(shí)，安全PLC應(yīng)切斷液壓驅(qū)動(dòng)器KEY信號(hào)，關(guān)閉液壓控制閥，同時(shí)激活A(yù)GV停車制動(dòng)措施。

（3）AGV的充電控制與聲光控制（Category 1/PL d）的安全輸出器件，如：指示燈、蜂鳴器、充電接觸器等，通過車載控制器信號(hào)控制。

表1 背叉式 AGV的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)表

表2 與控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件（SRP/CS）的類別（Category）與性能等級(jí)（PL）設(shè)計(jì)指標(biāo)

表3 性能等級(jí)對(duì)照表（PL）

4.安全輸入器件

（1）速度控制（Category 3/PL d）：其目的在于確保AGV行駛在安全的速度范圍之內(nèi)，使AGV緊急制動(dòng)的性能不會(huì)受到干擾降低。為達(dá)到冗余的邏輯結(jié)構(gòu)，且便于安裝，采用內(nèi)部冗余結(jié)構(gòu)的安全型增量編碼器安裝于電機(jī)軸上采集舵輪速度，并通過安全PLC的速度監(jiān)控模塊對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控方式應(yīng)包含：靜止監(jiān)控、超速監(jiān)控、速度梯形監(jiān)控等。

（2）轉(zhuǎn)向控制（Category 3/PL d）：其目的在于確保AGV行駛的速度范圍與舵輪轉(zhuǎn)向角度相對(duì)應(yīng)。采用內(nèi)部冗余結(jié)構(gòu)的安全型編碼器監(jiān)控舵輪角度，安裝于轉(zhuǎn)向齒輪軸上采集舵輪角度，并通過安全PLC轉(zhuǎn)向監(jiān)控模塊對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控方式應(yīng)包含：靜止監(jiān)控、絕對(duì)位置監(jiān)控、角速度梯形監(jiān)控等。

（3）液壓控制（Category 2/PL c）：其目的在于確保AGV貨叉舉升不超出高度限制的范圍，并使貨叉高度調(diào)節(jié)不會(huì)造成AGV的穩(wěn)定性降低。液壓控制的安全輸入器件采用CANopen型拉繩編碼器、高度限位磁開關(guān)，監(jiān)控貨叉高度。

（4）緊急停止C a t e g o r y（Category 3/PL d）：其目的是為特殊情況采用手動(dòng)觸發(fā)AGV緊急制動(dòng)的措施，緊急停止的安全輸入器件為2NC觸點(diǎn)的急停開關(guān)，兩端分別與安全PLC的測(cè)試信號(hào)和數(shù)字輸入信號(hào)相連接，急停開關(guān)的安裝位置應(yīng)便于人員在安全的位置觸發(fā)，當(dāng)多個(gè)急停開關(guān)串聯(lián)時(shí)應(yīng)考慮B10d值較小可能造成整體安全性能等級(jí)的降低。

（5）障礙物檢測(cè)（Category 3/PL d）：其目的是通過非接觸式安全部件檢測(cè)車輛主行駛方向上的障礙物，并通過減速或緊急制動(dòng)的方式停止車輛的措施，障礙物檢測(cè)的安全輸入器件為安全激光掃描儀。安裝位置應(yīng)盡可能靠近地面（建議掃描儀激光面離地100mm左右），安全激光掃描儀與安全PLC之間通過安全總線通訊，掃描儀將根據(jù)AGV的行駛速度、舵輪角度，動(dòng)態(tài)的切換保護(hù)區(qū)域的尺寸，保護(hù)區(qū)域分3類梯次區(qū)域，依次為減速、停止、急停區(qū)域，區(qū)域尺寸應(yīng)考慮車體寬度、行駛速度、行駛減速度、制動(dòng)距離、信號(hào)延時(shí)、邏輯運(yùn)算延時(shí)等因素。

（6）側(cè)面防護(hù)（Category 2/PL c）：其目的是通過接觸式安全部件檢測(cè)車輛轉(zhuǎn)向路徑上的障礙物，并通過緊急制動(dòng)的方式停止車輛的措施。側(cè)面防護(hù)的安全輸入器件為安全觸邊緩沖條與觸邊檢測(cè)繼電器。安全觸邊緩沖條安裝于車頭下方的觸邊緩沖安裝支架上，觸邊信號(hào)通過繼電器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出信號(hào)并與安全PLC的I/O模塊相連接。安全觸邊緩沖條的離地高度應(yīng)不大于35mm，防止人員腳部卷入車底。

（7）超馳（OVERRIDE）障礙物檢測(cè)（Category 2/PL c）：其目的在于當(dāng)AGV處于障礙物檢測(cè)（包括前、后、兩側(cè)的檢測(cè)部件）觸發(fā)使車輛緊急制動(dòng)情況下，提供人員通過手動(dòng)操作解除AGV的緊急制動(dòng)狀態(tài)的特殊功能。超馳障礙物檢測(cè)的安全輸入器件為OVERRIDE功能按鈕與1NC+1NO觸點(diǎn)OVERREIDE使能兩檔鑰匙開關(guān)，超馳障礙物檢測(cè)功能在自動(dòng)模式下無法激活。

（8）從卸貨方向停止車輛（Category 2/PL c）：其目的是通過接觸式安全部件檢測(cè)車輛后退路徑上的障礙物，并通過緊急制動(dòng)的方式停止車輛的措施。從卸貨方向停止車輛的安全輸入器件為安裝于后腿緩沖裝置上的接近檢測(cè)開關(guān)。

（9）手動(dòng)/自動(dòng)模式切換（Category 3/PL d）：其目的是為了覆蓋車輛模式切換時(shí)可能造成非法啟動(dòng)的安全隱患，使模式切換時(shí)車輛緊急制動(dòng)，需手動(dòng)重啟。手動(dòng)/自動(dòng)模式切換的安全輸入器件是2NC觸點(diǎn)兩檔鑰匙開關(guān)，鑰匙開關(guān)安裝于車輛控制面板，開關(guān)兩端分別與安全PLC的輸入模塊測(cè)試信號(hào)和數(shù)字輸入信號(hào)相連接。

（10）充電控制（Category 1/PL b）：其目的是通過電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)電池充電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，BMS通過數(shù)字量輸出信號(hào)與安全PLC的I/O模塊相連。

（11）重啟（Reset）按鈕：在AGV無急停信號(hào)輸入的條件下，解除車輛急停狀態(tài)的功能按鈕。

5.安全功能程序設(shè)計(jì)

安全PLC的程序設(shè)計(jì)按照安全邏輯結(jié)構(gòu)圖的邏輯控制，其中：

（1）非接觸式障礙物檢測(cè)（安全激光掃描儀）信號(hào)采用自動(dòng)復(fù)位方式。

（2）緊急停止、接觸式障礙物檢測(cè)（側(cè)面防護(hù)、從卸貨方向停止車輛）信號(hào)、手動(dòng)/自動(dòng)模式切換檢測(cè)信號(hào)采用手動(dòng)復(fù)位方式。

（3）速度控制、轉(zhuǎn)向控制、液壓(移栽)控制、輸出部件診斷檢測(cè)信號(hào)觸發(fā)安全PLC進(jìn)入安全模式，切斷控制器與驅(qū)動(dòng)器的KEY信號(hào)和所有安全輸出信號(hào)，同時(shí)觸發(fā)黑匣子記錄故障原因。

（4）超馳障礙物檢測(cè)功能僅允許在AGV手動(dòng)模式情況下超馳因接觸/非接觸式障礙物檢測(cè)信號(hào)觸發(fā)的車輛停止?fàn)顟B(tài)，在超馳狀態(tài)下AGV的行駛速度被限制在0.15m/s。

安全功能程序應(yīng)檢查防止程序漏洞，并進(jìn)行故障模擬測(cè)試，避免因程序漏洞導(dǎo)致的輸出部件誤激活，確保程序設(shè)計(jì)的安全完整性。

三、安全完整性驗(yàn)算

安全完整性驗(yàn)算是從理論角度驗(yàn)算設(shè)計(jì)方案的安全性能是否符合預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)。驗(yàn)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于器件供應(yīng)商提供的安全性能數(shù)值，如PL、Category、PFHD、MTTFd、B10d、DCavg等，驗(yàn)算方式依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 13849-1:2015的定義。

驗(yàn)算過程可以利用SISTEMA軟件完成，能有效減少繁瑣的驗(yàn)算過程，并建立項(xiàng)目形式的過程文件，便于查詢、修改、完善。

四、小結(jié)

1.AGV的安全功能設(shè)計(jì)應(yīng)在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)性分析→安全功能邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→安全完整性計(jì)算→安全功能實(shí)驗(yàn)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)化流程來完善產(chǎn)品的安全功能細(xì)節(jié)，從而系統(tǒng)的提升產(chǎn)品本質(zhì)安全性。

2.最終設(shè)計(jì)出的樣車應(yīng)通過相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品安全性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試檢驗(yàn)，如車輛穩(wěn)定性測(cè)試、碰撞沖擊力測(cè)試、剎車距離測(cè)試、超載測(cè)試、抱閘性能測(cè)試等，一方面能更加客觀了解車輛的性能極限，確定產(chǎn)品可應(yīng)用環(huán)境范圍，另一方面也可以更清晰、快速的了解產(chǎn)品的缺陷，為產(chǎn)品改進(jìn)找到目標(biāo)和方向。

3.AGV的安全功能設(shè)計(jì)應(yīng)隨使用環(huán)境的變化，動(dòng)態(tài)的做出改變，以盡可能完整的安全措施覆蓋產(chǎn)品安全風(fēng)險(xiǎn)。

4.AGV的安全功能應(yīng)覆蓋從生產(chǎn)、調(diào)試、裝卸、運(yùn)輸、使用、維護(hù)直到報(bào)廢的完整產(chǎn)品生命周期，同時(shí)應(yīng)編制專業(yè)、完整的指導(dǎo)文件（用戶手冊(cè)）供相關(guān)人員學(xué)習(xí)、培訓(xùn)。

5.AGV的安全功能設(shè)計(jì)應(yīng)符合產(chǎn)品使用單位所在國家、地區(qū)的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)要求，技術(shù)人員應(yīng)在充分了解當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)、標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上開展設(shè)計(jì)、制造工作。