自動(dòng)導(dǎo)引車的認(rèn)證及安全解決方案

廖雯涓

[摘 ? ?要]隨著自動(dòng)導(dǎo)引車的普及，海內(nèi)外需求的增加以及安全標(biāo)準(zhǔn)的完善，自動(dòng)導(dǎo)引車的安全方案越發(fā)重要。文章主要針對(duì)AGV的安全方案進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析與介紹。

[關(guān)鍵詞]AGV;安全解決方案;CE認(rèn)證

[中圖分類號(hào)]TP391 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）03–0–03

[Abstract]With the popularization of automated guided vehicles， the increasing demand at home and abroad， and the improvement of safety standards， the safety scheme of automated guided vehicles is becoming more and more important. A simple analysis and introduction is mainly aimed at the AGV's safety scheme.

[Keywords]AGV; security solutions; CE certification

1 自動(dòng)導(dǎo)引車的背景介紹

隨著近幾年工控行業(yè)自動(dòng)化程度的提升，使用人力進(jìn)行傳統(tǒng)物料搬運(yùn)的操作逐步傾向于無人化，自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）在制造行業(yè)中除了能替代人力完成搬運(yùn)工作外，同時(shí)搭配協(xié)作機(jī)器人能完成更復(fù)雜的操作。自動(dòng)導(dǎo)引車具有如下優(yōu)勢(shì)。

（1）無需人員駕駛，根據(jù)預(yù)設(shè)的路線自動(dòng)駕駛，完成運(yùn)輸?shù)牟僮鳌?/p>

（2）可提高物流運(yùn)輸及自動(dòng)化效率，AGV除了能完成自身運(yùn)輸任務(wù)外，亦可與其他自動(dòng)裝卸設(shè)備進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)上下料全自動(dòng)化的功能。

（3）使用AGV可大幅降低物流成本，減少叉車、拖車、鏟車等相關(guān)操作人員的投入費(fèi)用;此外，AGV可24h工作，保證生產(chǎn)效率。

2 自動(dòng)導(dǎo)引車的相關(guān)認(rèn)證

隨著AGV的日漸普及，其對(duì)應(yīng)的相關(guān)認(rèn)證以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也日漸完善。此前有EN1525作為自動(dòng)導(dǎo)引車的安全標(biāo)準(zhǔn)，而在2020年，針對(duì)AGV的C類標(biāo)準(zhǔn)ISO3691-4也正式投入使用。ISO3691-4在EN1525的標(biāo)準(zhǔn)框架上，進(jìn)一步完善了安全功能的要求，從應(yīng)用前期的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、系統(tǒng)安全、硬件軟件設(shè)計(jì)以及后期安全功能測(cè)試等各方面都有了更細(xì)化的標(biāo)準(zhǔn)制定。除了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，GB/T30029—2013國(guó)標(biāo)自動(dòng)導(dǎo)引車設(shè)計(jì)通則以及GB/T27544—2011國(guó)標(biāo)工業(yè)車輛電氣設(shè)計(jì)要求也為AGV的安全認(rèn)證提供了較為詳細(xì)的指引標(biāo)準(zhǔn)。在工業(yè)4.0的推動(dòng)下，技術(shù)的發(fā)展速度日益增快，但無論如何發(fā)展，安全始終是一個(gè)需要直視的話題，在推動(dòng)機(jī)器人、AGV快速發(fā)展的同時(shí)，安全標(biāo)準(zhǔn)以及安全方案依然是工業(yè)制造行業(yè)中十分重要的一環(huán)。

2.1 CR認(rèn)證安全解決方案

CR認(rèn)證全稱為China Robot，目前認(rèn)證主要包含各類機(jī)器人以及AGV等。雖然目前CR認(rèn)證與CE認(rèn)證不同，暫時(shí)屬于非強(qiáng)制認(rèn)證，但其意義在于確保AGV以及機(jī)器人的安全性是否達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)部分終端客戶都需要提供設(shè)備或產(chǎn)品的認(rèn)證證書，因此CR證書可作為投標(biāo)的門檻。雖然國(guó)內(nèi)絕大部分終端客戶并不會(huì)將CR證書作為強(qiáng)制條件，但有證書可作為加分項(xiàng)。

2.2 CE認(rèn)證安全解決方案

隨著海外項(xiàng)目數(shù)量的增加，國(guó)內(nèi)AGV出口根據(jù)目標(biāo)國(guó)家的不同，其需要滿足的認(rèn)證也有所差異，例如出口至歐盟需要CE認(rèn)證，出口至美國(guó)則需要UL認(rèn)證等。針對(duì)AGV的出口認(rèn)證，安全認(rèn)證是必不可少的，目前主要參考的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為ISO13849以及IS03691-4，該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)AGV小車的速度監(jiān)控、姿態(tài)控制、急停、貨物裝載以及超限運(yùn)動(dòng)等都提出了相應(yīng)需要滿足的安全等級(jí)（performance level）。只有當(dāng)整車認(rèn)證都滿足標(biāo)準(zhǔn)的安全等級(jí)，第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)才能為AGV廠家提供CE證書。

3 自動(dòng)導(dǎo)引車的安全解決方案

根據(jù)AGV車型的不同，安全解決方案大致分為兩種;一類為單舵輪叉車式AGV安全解決方案;另一類則為雙舵輪潛伏式AGV安全解決方案。

根據(jù)對(duì)ISO3691-4的安全標(biāo)準(zhǔn)的解讀，對(duì)其中與AGV安全相關(guān)程度最高的細(xì)則進(jìn)行了劃分，由此可更有針對(duì)性地做出符合標(biāo)準(zhǔn)的安全解決方案。ISO3691-4標(biāo)準(zhǔn)中部分關(guān)于AGV的風(fēng)險(xiǎn)描述以及對(duì)應(yīng)需要滿足的安全等級(jí)主要分為以下幾大類：

（1）速度監(jiān)控。當(dāng)AGV行駛時(shí)一般存在兩種運(yùn)動(dòng)方式，直線運(yùn)動(dòng)（前進(jìn)或后退）以及拐彎轉(zhuǎn)向的運(yùn)動(dòng)，而AGV在行使時(shí)也存在著空載以及載貨兩種狀態(tài)，根據(jù)以上幾種狀態(tài)，安全標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)規(guī)定了對(duì)應(yīng)不同情況下需要滿足的安全等級(jí)。

（2）姿態(tài)控制。當(dāng)AGV拐彎時(shí)是否能及時(shí)檢測(cè)出對(duì)應(yīng)區(qū)域的障礙物并進(jìn)行報(bào)警減速等操作，針對(duì)這類情況，解決方案需要達(dá)到安全等級(jí)PLd。

（3）當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，需要能及時(shí)按下急停按鈕，解決方案需要達(dá)到PLd。

（4）針對(duì)AGV的貨物裝載動(dòng)作，例如叉車類AGV貨叉的舉升高度是否在限位以內(nèi)，潛伏式AGV載貨側(cè)方是否超出AGV自身的限位，以及在裝載貨物時(shí)是否會(huì)因機(jī)械運(yùn)動(dòng)帶來額外的風(fēng)險(xiǎn)等，解決方案需達(dá)到PLd。

（5）當(dāng)AGV存在貨物超載時(shí)，如存在超速行駛的現(xiàn)象，有極大的可能性發(fā)生貨物傾倒等情況，因此如何確保AGV在超限運(yùn)行時(shí)的安全，此類解決方案需達(dá)到PLd。安全標(biāo)準(zhǔn)中的PLr為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其參考的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為ISO13849，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)共分為5級(jí)，由輕至重為PLa至PLe，如圖1所示。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)判風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)有如下幾點(diǎn)：根據(jù)受傷害的嚴(yán)重程度，可復(fù)原的輕傷為S1，不可逆的重傷為S2;根據(jù)與危險(xiǎn)區(qū)接觸的頻率判斷，每班進(jìn)入機(jī)器兩次，且每次不超過15 min，則頻率較低為F1，而當(dāng)每班進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)大于兩次且每次時(shí)間超過15 min，則頻率較高為F2;根據(jù)一旦危險(xiǎn)發(fā)生能否躲避危險(xiǎn)的可能性判斷，能躲避危險(xiǎn)則為P1，不能則為P2。由此可見在絕大部分的工控環(huán)境中，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)都在PLc之上，因此安全解決方案以及所選用的防護(hù)產(chǎn)品也需要滿足對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

3.1 單舵輪AGV

單舵輪AGV以叉車式AGV為主，通過前方單舵輪控制AGV的行駛速度以及轉(zhuǎn)向角度，叉車式AGV除了獨(dú)立完成運(yùn)輸任務(wù)外，還能通過后方的貨叉進(jìn)行上料下料操作。單舵輪AGV的安全解決方案組成部分如圖2所示。

3.1.1 安全激光掃描儀

單舵輪AGV在行駛過程中，安裝在AGV前方的掃描儀可檢測(cè)前方、左側(cè)以及右側(cè)區(qū)域。安全激光掃描儀可根據(jù)小車當(dāng)前的狀態(tài)切換對(duì)應(yīng)的防護(hù)區(qū)域，當(dāng)有人員由遠(yuǎn)至近進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域時(shí)，AGV可減速，停機(jī)以保證人員的安全。另外，由于叉車式AGV后方有兩個(gè)貨叉，而AGV后方又存在盲區(qū)，當(dāng)貨叉取料并下放時(shí)，一旦有人員在貨叉下方，則存在極大的風(fēng)險(xiǎn)，因此在單舵輪AGV的后方需要同時(shí)配置兩個(gè)安全激光掃描儀檢測(cè)后方區(qū)域，以防止有人員在貨叉下降或AGV倒車時(shí)受到傷害。

3.1.2 安全驅(qū)動(dòng)監(jiān)控

單舵輪AGV在舵輪上通過兩個(gè)安全編碼器分別監(jiān)控小車的行駛速度以及行駛方向，配合速度監(jiān)控模塊可實(shí)現(xiàn)多段速度的監(jiān)控以及安全區(qū)域的切換。例如，當(dāng)AGV直行時(shí)進(jìn)行三段降速，V1段無人員入侵AGV不執(zhí)行降速，V2段在當(dāng)前速度下減30%，V3段在當(dāng)前速度下減70%;當(dāng)人員離開檢測(cè)區(qū)域后，電機(jī)緩慢提升至原速，如此既可以防止人員突然再次闖入?yún)^(qū)域，亦可在當(dāng)AGV有載貨時(shí)，包裝貨物的安全以及保護(hù)電機(jī)的性能。當(dāng)AGV拐彎時(shí)，無論是否有載貨，拐彎速度不可超過300 mm/s，否則通過編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)控速度，當(dāng)超速時(shí)控制指示燈蜂鳴器給出告警信號(hào)。

3.1.3 舵輪零為參考

由于目前市面上安全編碼器以增量型編碼器為主，而增量型編碼器只能監(jiān)控行駛速度而無法監(jiān)控轉(zhuǎn)向角度，因此在國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)中需要通過加入安全接近開關(guān)給出零位參考信號(hào)，當(dāng)舵輪轉(zhuǎn)向后，回到正向零位時(shí)，安全接近開關(guān)給出信號(hào)則控制器可判斷舵輪已回正，由此確保舵輪轉(zhuǎn)向的準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中，曾有設(shè)計(jì)方案缺少安全接近開關(guān)而無法通過CE認(rèn)證的案例，由此可見舵輪零位參考在單舵輪AGV的安全方案中是不可缺少的。

3.1.4 急?？刂?/p>

急停信號(hào)皆為雙路常閉信號(hào)，當(dāng)斷開時(shí)切斷驅(qū)動(dòng)器電源、抱閘電源，并斷開輸出，雙回路冗余設(shè)計(jì)，可保證當(dāng)一路信號(hào)出現(xiàn)問題時(shí)，另一路亦可保證安全。

3.1.5 安全控制器

AGV安全方案中各個(gè)傳感器最終進(jìn)入安全控制器的安全觸點(diǎn)，形成一個(gè)完整的安全回路。安全控制器在輸入以及輸出皆為雙回路的設(shè)計(jì)，除了能實(shí)時(shí)監(jiān)控輸入端的各個(gè)傳感器狀態(tài)是否正常運(yùn)行，亦可監(jiān)控輸出端的停機(jī)觸點(diǎn)是否有粘連的情況，整體安全回路亦可達(dá)到安全等級(jí)PLd。

3.2 雙舵輪AGV

雙舵輪AGV一般以潛伏式，背負(fù)式AGV/AGC為主，通過AGV兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪可監(jiān)控小車目前的行駛方向、速度、狀態(tài)等。雙舵輪AGV安全方案主要有以下幾個(gè)部分組成，如圖3所示。

3.2.1 安全激光掃描儀

在AGV行駛過程中，掃描儀可為AGV提供前方、后方以及側(cè)方防撞以及人員檢測(cè)的功能，并且根據(jù)AGV不同的行駛狀態(tài)切換不同的保護(hù)區(qū)域。當(dāng)有人員進(jìn)入防護(hù)區(qū)域時(shí)，AGV通過自動(dòng)調(diào)整安全距離會(huì)進(jìn)行降速、停車等操作;而當(dāng)人員離開防護(hù)區(qū)域后，小車會(huì)逐步恢復(fù)其正常行駛速度，并按照預(yù)先設(shè)定好的路線繼續(xù)行駛，結(jié)合安全驅(qū)動(dòng)模塊可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡航功能，有效提升運(yùn)輸效率。

3.2.2 安全驅(qū)動(dòng)監(jiān)控

AGV的行駛速度方向等信息一般由AGV控制系統(tǒng)發(fā)出指令信號(hào)，然而從安全標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，單向的信號(hào)并不能組成完整的安全回路，因此安全性較低，且沒有驅(qū)動(dòng)監(jiān)控的AGV一旦發(fā)生滑車，小車出現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)等問題時(shí)無法實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，且在AGV載有貨物時(shí)一旦出現(xiàn)飛車的現(xiàn)象，對(duì)貨物以及周圍的人員都會(huì)帶來較大的傷害。因此需要在AGV的兩個(gè)差速輪上各安裝1個(gè)安全編碼器，通過對(duì)兩個(gè)車輪的差速監(jiān)控，可防止AGV因轉(zhuǎn)彎速度過快而造成飛車的情況，另外通過對(duì)比兩個(gè)差速輪的差速區(qū)間，配合安全激光掃描儀可以更柔性地切換防護(hù)區(qū)域。對(duì)于部分需要控制成本的方案，安全接近開關(guān)也是一個(gè)很好的選擇，通過在差速輪的左右兩邊安裝安全接近開關(guān)，如圖4所示;配合安全控制器，當(dāng)小車處于前進(jìn)狀態(tài)時(shí)安全接近開關(guān)信號(hào)為0，0，而當(dāng)小車左轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)則為1，0。由此可通過閉環(huán)控制確定小車的狀態(tài)。

3.2.3 急?？刂?/p>

急停在AGV的安全回路中起到了在緊急情況下強(qiáng)制停機(jī)的操作，一般急停開關(guān)根據(jù)車型的不同數(shù)量為2～4個(gè)不等，大型的AGV數(shù)量則更多，其安裝標(biāo)準(zhǔn)為需要在任意時(shí)刻及位置都能拍下急停按鈕，以保證在極端情況下，能以最快的速度使AGV停機(jī)。

3.2.4 安全控制器

安全控制器可連接不同的傳感器（如安全激光掃描儀、安全接近開關(guān)、急停等），集成到一個(gè)系統(tǒng)解決方案中，并且其雙回路的設(shè)計(jì)以及帶自檢的功能除了能實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)傳感器是否有故障外，也能確保并可無縫集成至AGV控制系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

在科技快速發(fā)展的同時(shí)，人員安全越發(fā)重要，隨著人們安全意識(shí)的提高，以及國(guó)家國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)的完善，工業(yè)安全在各個(gè)行業(yè)的重要程度與日俱增，針對(duì)不同行業(yè)以及設(shè)備的安全方案也將為工業(yè)安全保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫新.自動(dòng)導(dǎo)引車[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2002（3）：28.