AGV系統的安全設計研究

文/李明儒

自動導引車(Automated guided vehicle，AGV）是自動導引車系統（Automated guided vehicle systems，AGVS）的主要組成部分。由于AGV具有自主運行，自動移載或輔助裝配等功能，所以設計時應對其安全進行風險評估及相應的安全設計。AGV的安全設計內容包括機械安全和電氣安全。

我們目前討論的主要是預定路徑的AGV，它由非接觸式導引系統自動控制和導引。由于AGV的運行為自主獨立運行，因此設計時安全保護檢測部件及控制安全邏輯算法是其必要的設計元素，安全設計也是AGV安全生產的保障。

AGV由機械本體、安全裝置（如急停按紐、激光雷達、安全控制、安全速度模塊等）、控制裝置、負載搬運裝置、驅動裝置、電池（或其他動力源如非接觸供電、超級電容等）和電機等組成。 AGV外觀如圖1， AGV內部構成如圖2。

控制方面，由功能控制（如指令解析、無線通信、導航數據處理、圖像處理等）、動力控制（如電源、充電控制等）、安全控制（如障礙物檢測、速度和轉向控制等）等組成。

適用AGV安全標準的指令主要有：機械指令、電磁兼容、無線指令。如果用于防爆場合，還應符合防爆指令。

AGV適用的歐洲標準主要有EN 1175-1和EN 1525。適用的中國標準有GB/T 27544-2011工業車輛電氣要求，GB/T 30029-2013自動導引車（AGV）設計通則，GB5226.1-2008機械安全機械電氣設備第1部分：通用技術條件，GB/T 8196-2003 機械安全防護裝置固定式和活動式防護裝置設計與制造一般要求等，其安全要求可分為機械安全、電氣安全和控制安全等三部分。

機械安全要求，包括負載搬運裝置設計要求、穩定性要求、機械制動安全要求、機械狹縫安全距離等。

電氣安全要求，包括充電系統，如電池、電池連接器、充電樁、電機、接觸器、導線、電氣保護、試驗等。

控制安全要求，包括安全裝置要求（如緊急停止、警告裝置、人員檢測裝置等），控制安全要求（如充電控制、搬運控制、轉向控制、速度控制、行駛控制、失效保護等），以及低電壓、參數錯誤、機殼故障等。

為確保AGV在運行過程中自身安全，特別是現場人員的安全及各類設備的安全，應采取多級安全措施

圖1：AGV外觀

圖2： AGV內部構成

一、機械制動系統

1.AGV機械制動系統應在下列情況工作：

（1）在斷電的情況下執行制動；

（2）電源中斷、故障時工作；

（3）小車失去速度或轉向時工作。

2.制動時應具備以下功能：

制動裝置要保證AGV及其允許的最大負載，能夠保持在制造商規定的工作坡度上，即不溜械車。

考慮到負載械、速動、摩擦、坡度和磨損的情況，制動系統在激光區域掃描的檢測范圍能夠停止AGV。

當車輛處于手動模式時，制動器應符合ISO6292的要求。

二、穩定性

1.速度控制：

（1）當安全停車時，需要降低速度；

（2）速度控制系統的安全相關部分應符合EN 954-1類別1；

（3）如果控制系統中的速度，負載處理或轉向控制系統在公共區域或危險區域的舉升高度高于1.8m時、可能導致失去穩定性時，則這些控制系統的安全相關部分應符合EN 954-1類別2。

2.穩定性要求：

在所有操作位置，在負載搬運和行駛過程（包括緊急停止）中，應確保AGV的穩定性。

3.控制系統的安全相關部分：

當用于負載搬運，速度控制和轉向控制的控制系統故障，可能導致穩定性喪失時，這些控制系統的安全相關部分應符合ISO 13849-1：2015： Cat.2。

三、充電系統

1.充電連接

（1）應能防止意外觸及AGV和充電樁上充電連接；

（2）自動充電系統，應設計為：

①只有AGV連接到充電系統時(設計有辨別充電位置的裝置），才能啟動充電連接；

②當車輛從充電系統離開時，應關閉充電連接；

③充電系統安全部分，應符合EN954-1 Cat.1。

2.電池：

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

（2）對于其他類型的電池，需要滿足相應標準要求。

3.電池連接器：

應符合EN1175-1附錄A的相關要求。

四、人員檢測裝置

1.每個行駛方向上，應至少能檢測AGV或貨物的整個寬度。

2.應產生一個信號，在AGV的剛性部件/貨物與人接觸之前，使AGV能夠被制動系統停止。

3.應盡可能靠近地面檢測人員，至少可以檢測以下試件：

（1）直徑200mm，長度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。 測試塊的動作力不得超過750N；

（2）直徑70mm，高度400 mm的試件，垂直放置，在AGV路徑內。該試件的觸發力不得超過250N,保險杠從最大速度和負荷壓縮到達緩沖器止動位置時的力不得超過400N。

4.控制系統安全相關部分：人員檢測裝置的安全相關部件應符合EN954-1： Cat3。

五、緊急停止

1.急停裝置：

（1）緊急停止裝置的執行器應易于從AGV的兩端和兩側看到，可識別和接近；

（2）在AGV在端部承載負載的情況下，僅需要從另一端接近急停裝置；

（3）自動的激光區域掃描用于急停安全功能不允許自動屏蔽；

（4）急停器件的按鈕應為紅色，周圍襯托色應為黃色。

2.急停功能：

（1）應提供符合EN 13850標準的0類（斷電）緊急停止裝置；

（2）切斷所有運動部件的危險電源；

（3）它應該能夠通過下列方法之一，中斷正常的最大電流（包括電動機起動電流）：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手動隔離器件，至少斷開一極；③手動操作的控制開關，切斷電源接觸器線圈的電源；同時切斷開關電源電路（例如逆變器或單獨電機的控制器）。

3. 控制系統安全相關部分：

急停裝置的安全相關部件應符合EN954-1： Cat.3。

六、控制系統其它的安全相關部分

為確保AGV在運行過程中自身安全，特別是現場人員的安全及各類設備的安全，AGVS應采取多級安全措施：

1.軟件保護

包括：偏離導航線保護，地標丟失保護，導航帶缺損保護，部件故障保護，通訊故障保護，光靶丟失保護，超差保護，失速保護等。

2.硬件保護

在AGV車的前部設有急停防撞保險杠（或非接觸式激光區域掃描），在受到一定的壓力變形后（區域檢測障礙時）將切斷AGV驅動電源，使AGV小車立即停止運動。在AGV車體四角有急停開關，任何時間按下這一開關AGV立即停止運行。AGV安裝醒目的信號燈和聲音報警裝置，以提醒周圍的操作人員。

3.AGV電氣設計

可以采用安全繼電器控制驅動回路，提升了控制的安全等級。當AGV急停信號被觸發后，需要人工確認并復位，AGV才可以繼續運行，增加了操作的安全性。一旦計算機系統發生故障，離線保護單元、防撞安全單元、應急開關及速度監控模塊將控制AGV停車或完成基本操作。發生故障時，AGV自動用聲光報警。同時可以通過無線通訊系統通知AGV監控系統。AGV監控系統在控制臺上顯示當前狀態和文字提示。監控人員可以根據提示的信息，指揮現場人員排除故障。發生故障的AGV可以使用手控操作器操縱AGV離開工作區到安全位置，手控單元在設計上也應該考慮對AGV限速及切斷自動運行的回路設計。

七、結論

目前國內AGV存在的最大問題是，未考慮控制系統安全相關部分相應的安全要求，將普通控制功能和安全控制功能混為一談，安全設計遠遠達不到標準要求。而本文通過有效的設計理念，可以保證AGV系統使用的安全、穩定和高效。