AGV系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)研究

文/李明儒

自動(dòng)導(dǎo)引車(Automated guided vehicle，AGV）是自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng)（Automated guided vehicle systems，AGVS）的主要組成部分。由于AGV具有自主運(yùn)行，自動(dòng)移載或輔助裝配等功能，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)其安全進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及相應(yīng)的安全設(shè)計(jì)。AGV的安全設(shè)計(jì)內(nèi)容包括機(jī)械安全和電氣安全。

我們目前討論的主要是預(yù)定路徑的AGV，它由非接觸式導(dǎo)引系統(tǒng)自動(dòng)控制和導(dǎo)引。由于AGV的運(yùn)行為自主獨(dú)立運(yùn)行，因此設(shè)計(jì)時(shí)安全保護(hù)檢測(cè)部件及控制安全邏輯算法是其必要的設(shè)計(jì)元素，安全設(shè)計(jì)也是AGV安全生產(chǎn)的保障。

AGV由機(jī)械本體、安全裝置（如急停按紐、激光雷達(dá)、安全控制、安全速度模塊等）、控制裝置、負(fù)載搬運(yùn)裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、電池（或其他動(dòng)力源如非接觸供電、超級(jí)電容等）和電機(jī)等組成。 AGV外觀如圖1， AGV內(nèi)部構(gòu)成如圖2。

控制方面，由功能控制（如指令解析、無(wú)線通信、導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理、圖像處理等）、動(dòng)力控制（如電源、充電控制等）、安全控制（如障礙物檢測(cè)、速度和轉(zhuǎn)向控制等）等組成。

適用AGV安全標(biāo)準(zhǔn)的指令主要有：機(jī)械指令、電磁兼容、無(wú)線指令。如果用于防爆場(chǎng)合，還應(yīng)符合防爆指令。

AGV適用的歐洲標(biāo)準(zhǔn)主要有EN 1175-1和EN 1525。適用的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 27544-2011工業(yè)車輛電氣要求，GB/T 30029-2013自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）設(shè)計(jì)通則，GB5226.1-2008機(jī)械安全機(jī)械電氣設(shè)備第1部分：通用技術(shù)條件，GB/T 8196-2003 機(jī)械安全防護(hù)裝置固定式和活動(dòng)式防護(hù)裝置設(shè)計(jì)與制造一般要求等，其安全要求可分為機(jī)械安全、電氣安全和控制安全等三部分。

機(jī)械安全要求，包括負(fù)載搬運(yùn)裝置設(shè)計(jì)要求、穩(wěn)定性要求、機(jī)械制動(dòng)安全要求、機(jī)械狹縫安全距離等。

電氣安全要求，包括充電系統(tǒng)，如電池、電池連接器、充電樁、電機(jī)、接觸器、導(dǎo)線、電氣保護(hù)、試驗(yàn)等。

控制安全要求，包括安全裝置要求（如緊急停止、警告裝置、人員檢測(cè)裝置等），控制安全要求（如充電控制、搬運(yùn)控制、轉(zhuǎn)向控制、速度控制、行駛控制、失效保護(hù)等），以及低電壓、參數(shù)錯(cuò)誤、機(jī)殼故障等。

為確保AGV在運(yùn)行過(guò)程中自身安全，特別是現(xiàn)場(chǎng)人員的安全及各類設(shè)備的安全，應(yīng)采取多級(jí)安全措施

圖1：AGV外觀

圖2： AGV內(nèi)部構(gòu)成

一、機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)

1.AGV機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)在下列情況工作：

（1）在斷電的情況下執(zhí)行制動(dòng)；

（2）電源中斷、故障時(shí)工作；

（3）小車失去速度或轉(zhuǎn)向時(shí)工作。

2.制動(dòng)時(shí)應(yīng)具備以下功能：

制動(dòng)裝置要保證AGV及其允許的最大負(fù)載，能夠保持在制造商規(guī)定的工作坡度上，即不溜械車。

考慮到負(fù)載械、速動(dòng)、摩擦、坡度和磨損的情況，制動(dòng)系統(tǒng)在激光區(qū)域掃描的檢測(cè)范圍能夠停止AGV。

當(dāng)車輛處于手動(dòng)模式時(shí)，制動(dòng)器應(yīng)符合ISO6292的要求。

二、穩(wěn)定性

1.速度控制：

（1）當(dāng)安全停車時(shí)，需要降低速度；

（2）速度控制系統(tǒng)的安全相關(guān)部分應(yīng)符合EN 954-1類別1；

（3）如果控制系統(tǒng)中的速度，負(fù)載處理或轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)在公共區(qū)域或危險(xiǎn)區(qū)域的舉升高度高于1.8m時(shí)、可能導(dǎo)致失去穩(wěn)定性時(shí)，則這些控制系統(tǒng)的安全相關(guān)部分應(yīng)符合EN 954-1類別2。

2.穩(wěn)定性要求：

在所有操作位置，在負(fù)載搬運(yùn)和行駛過(guò)程（包括緊急停止）中，應(yīng)確保AGV的穩(wěn)定性。

3.控制系統(tǒng)的安全相關(guān)部分：

當(dāng)用于負(fù)載搬運(yùn)，速度控制和轉(zhuǎn)向控制的控制系統(tǒng)故障，可能導(dǎo)致穩(wěn)定性喪失時(shí)，這些控制系統(tǒng)的安全相關(guān)部分應(yīng)符合ISO 13849-1：2015： Cat.2。

三、充電系統(tǒng)

1.充電連接

（1）應(yīng)能防止意外觸及AGV和充電樁上充電連接；

（2）自動(dòng)充電系統(tǒng)，應(yīng)設(shè)計(jì)為：

①只有AGV連接到充電系統(tǒng)時(shí)(設(shè)計(jì)有辨別充電位置的裝置），才能啟動(dòng)充電連接；

②當(dāng)車輛從充電系統(tǒng)離開時(shí)，應(yīng)關(guān)閉充電連接；

③充電系統(tǒng)安全部分，應(yīng)符合EN954-1 Cat.1。

2.電池：

（1）鉛酸和堿性（鎳鎘或鎳鐵）型電池，應(yīng)符合EN1175-1 5.1的要求。

（2）對(duì)于其他類型的電池，需要滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.電池連接器：

應(yīng)符合EN1175-1附錄A的相關(guān)要求。

四、人員檢測(cè)裝置

1.每個(gè)行駛方向上，應(yīng)至少能檢測(cè)AGV或貨物的整個(gè)寬度。

2.應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，在AGV的剛性部件/貨物與人接觸之前，使AGV能夠被制動(dòng)系統(tǒng)停止。

3.應(yīng)盡可能靠近地面檢測(cè)人員，至少可以檢測(cè)以下試件：

（1）直徑200mm，長(zhǎng)度600mm的試件，與AGV路徑的路徑成直角，且位于行駛路徑上任何位置。 測(cè)試塊的動(dòng)作力不得超過(guò)750N；

（2）直徑70mm，高度400 mm的試件，垂直放置，在AGV路徑內(nèi)。該試件的觸發(fā)力不得超過(guò)250N,保險(xiǎn)杠從最大速度和負(fù)荷壓縮到達(dá)緩沖器止動(dòng)位置時(shí)的力不得超過(guò)400N。

4.控制系統(tǒng)安全相關(guān)部分：人員檢測(cè)裝置的安全相關(guān)部件應(yīng)符合EN954-1： Cat3。

五、緊急停止

1.急停裝置：

（1）緊急停止裝置的執(zhí)行器應(yīng)易于從AGV的兩端和兩側(cè)看到，可識(shí)別和接近；

（2）在AGV在端部承載負(fù)載的情況下，僅需要從另一端接近急停裝置；

（3）自動(dòng)的激光區(qū)域掃描用于急停安全功能不允許自動(dòng)屏蔽；

（4）急停器件的按鈕應(yīng)為紅色，周圍襯托色應(yīng)為黃色。

2.急停功能：

（1）應(yīng)提供符合EN 13850標(biāo)準(zhǔn)的0類（斷電）緊急停止裝置；

（2）切斷所有運(yùn)動(dòng)部件的危險(xiǎn)電源；

（3）它應(yīng)該能夠通過(guò)下列方法之一，中斷正常的最大電流（包括電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流）：①96V以下（含96V），可使用附錄A Range1中定義的電池連接器；高于96V電池連接器不得用于緊急斷開；②手動(dòng)隔離器件，至少斷開一極；③手動(dòng)操作的控制開關(guān)，切斷電源接觸器線圈的電源；同時(shí)切斷開關(guān)電源電路（例如逆變器或單獨(dú)電機(jī)的控制器）。

3. 控制系統(tǒng)安全相關(guān)部分：

急停裝置的安全相關(guān)部件應(yīng)符合EN954-1： Cat.3。

六、控制系統(tǒng)其它的安全相關(guān)部分

為確保AGV在運(yùn)行過(guò)程中自身安全，特別是現(xiàn)場(chǎng)人員的安全及各類設(shè)備的安全，AGVS應(yīng)采取多級(jí)安全措施：

1.軟件保護(hù)

包括：偏離導(dǎo)航線保護(hù)，地標(biāo)丟失保護(hù)，導(dǎo)航帶缺損保護(hù)，部件故障保護(hù)，通訊故障保護(hù)，光靶丟失保護(hù)，超差保護(hù)，失速保護(hù)等。

2.硬件保護(hù)

在AGV車的前部設(shè)有急停防撞保險(xiǎn)杠（或非接觸式激光區(qū)域掃描），在受到一定的壓力變形后（區(qū)域檢測(cè)障礙時(shí)）將切斷AGV驅(qū)動(dòng)電源，使AGV小車立即停止運(yùn)動(dòng)。在AGV車體四角有急停開關(guān)，任何時(shí)間按下這一開關(guān)AGV立即停止運(yùn)行。AGV安裝醒目的信號(hào)燈和聲音報(bào)警裝置，以提醒周圍的操作人員。

3.AGV電氣設(shè)計(jì)

可以采用安全繼電器控制驅(qū)動(dòng)回路，提升了控制的安全等級(jí)。當(dāng)AGV急停信號(hào)被觸發(fā)后，需要人工確認(rèn)并復(fù)位，AGV才可以繼續(xù)運(yùn)行，增加了操作的安全性。一旦計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障，離線保護(hù)單元、防撞安全單元、應(yīng)急開關(guān)及速度監(jiān)控模塊將控制AGV停車或完成基本操作。發(fā)生故障時(shí)，AGV自動(dòng)用聲光報(bào)警。同時(shí)可以通過(guò)無(wú)線通訊系統(tǒng)通知AGV監(jiān)控系統(tǒng)。AGV監(jiān)控系統(tǒng)在控制臺(tái)上顯示當(dāng)前狀態(tài)和文字提示。監(jiān)控人員可以根據(jù)提示的信息，指揮現(xiàn)場(chǎng)人員排除故障。發(fā)生故障的AGV可以使用手控操作器操縱AGV離開工作區(qū)到安全位置，手控單元在設(shè)計(jì)上也應(yīng)該考慮對(duì)AGV限速及切斷自動(dòng)運(yùn)行的回路設(shè)計(jì)。

七、結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)AGV存在的最大問(wèn)題是，未考慮控制系統(tǒng)安全相關(guān)部分相應(yīng)的安全要求，將普通控制功能和安全控制功能混為一談，安全設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。而本文通過(guò)有效的設(shè)計(jì)理念，可以保證AGV系統(tǒng)使用的安全、穩(wěn)定和高效。