背叉式AGV控制系統的有關安全部件設計

文/王 勇 鄒楊波 樊 律

根據行業權威統計機構報告顯示，2019年國內叉車AGV銷量達2700臺，較之于2018年度增長幅度為80%，市場規模達13億元。其中，背叉式AGV以載重大、速度快、靈活柔性等特點，占據叉車AGV 市場60%以上的產量。隨著市場發展，產品迭代更新速度加快，低成本、高效率、安全、可靠等是產品競爭力指標，為確保AGV安全性能在產品迭代更新過程中穩步提高，以標準為基礎，數據指標為支撐，進行標準化、模塊化的控制系統安全功能設計，能科學、有效地實現這一目標。

本文介紹的設計方案主要基于行業公認參考標準EN 1525:1998，并結合產品風險評估報告分析結果和實踐驗證，并取得國際專業機構認證。設計方案技術指標依照標準EN ISO 13849-1:2015的規定。

（注：設計方案針對的是常用類型背叉式AGV最基礎的安全功能設計，當涉及舉升高度大于1.8m、載重大于5t、載人運行或防爆、防腐蝕等特殊設計要求的產品時，應依據相關標準，采取符合要求的安全功能設計。）

憑借載重大、速度快、靈活柔性等特點，背叉式AGV在市場中應用廣泛

一、設計依據

AGV控制系統安全功能設計應遵循國家/國際標準，相關標準如表1。

二、系統結構

本文根據實際案例推薦一套合理、可行的設計方案。

背叉式AGV控制系統有關安全部件（SRP/CS）設計方案的關鍵技術指標：安全類別（Category）與性能等級（PL），見表2。

其中，速度控制、轉向控制、緊急停止、障礙物檢測、手動/自動模式切換的安全部件類別均為Category 3。根據EN ISO 13849-1:2015的定義，Category 3/4屬于冗余的安全邏輯結構，即邏輯結構的部件中的任何一個單一故障都不會導致安全功能的喪失，針對特殊安全要求的控制系統。

值得注意的是，對于SRP/CS的評價Category只是定性的指標，而PL才是綜合衡量的指標，必須定性指標Category與定量指標—每小時危險失效概率（PFHD）相結合才能取得綜合、完善的安全性能評價。其中PFHD、PL之間的關系，見表3。

在安全邏輯結構設計、安全器件選型時，相關器件的安全性能參數：PL、Category、PFHD、危險故障間隔時間（MTTFd）、元器件10%樣本發生失效的操作次數（B10d）等，將對設計方案最終能達到的安全性能（PL）起到決定性作用。

1.安全邏輯結構

安全邏輯結構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劃分為Category 1/PL b、Category 2/PL c、Category 3/PL d三部分。設計方案的總體安全邏輯結構，詳見圖2。

2.安全邏輯器件

從簡化設計復雜性，模塊化設計需求出發，在安全邏輯結構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，實現設計指標為Category 2~3/PL c~d的相關安全功能，安全PLC分為邏輯運算模塊、IO模塊、速度監控、轉向監控、通訊模塊。

設計指標為Category 1/PL b的相關安全功能建立在以車載控制器為邏輯控制器件的基礎之上。

3.安全輸出器件

（1）背叉式AGV的停車制動方式為切斷動力電源與驅動器KEY信號、釋放牽引電機電磁抱閘，因此與緊急制動相關的安全功能，如：速度控制、轉向控制、障礙物檢測、緊急停止、側邊防護、超馳障礙物檢測、從卸貨方向停止車輛、手動/自動模式切換的安全輸出器件都是同一部件。為達到設計安全性能，與此相關的安全輸出器件需設計達到Category 3/PL d的安全性能。動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），驅動器帶有All OK反饋信號，抱閘控制采用安全繼電器。

圖1 背叉式AGV控制系統安全功能設計應遵循相關國家/國際標準

圖2 Category 3安全邏輯結構

圖3 背叉式AGV控制系統安全邏輯結構圖

（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動器、液壓控制閥，安全信號由安全PLC控制，當液壓控制系統鏈路中的故障被檢測到時，安全PLC應切斷液壓驅動器KEY信號，關閉液壓控制閥，同時激活AGV停車制動措施。

（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控制。

表1 背叉式 AGV的相關標準表

表2 與控制系統有關安全部件（SRP/CS）的類別（Category）與性能等級（PL）設計指標

表3 性能等級對照表（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，使AGV緊急制動的性能不會受到干擾降低。為達到冗余的邏輯結構，且便于安裝，采用內部冗余結構的安全型增量編碼器安裝于電機軸上采集舵輪速度，并通過安全PLC的速度監控模塊對采集的數據進行監控，監控方式應包含：靜止監控、超速監控、速度梯形監控等。

（2）轉向控制（Category 3/PL d）：其目的在于確保AGV行駛的速度范圍與舵輪轉向角度相對應。采用內部冗余結構的安全型編碼器監控舵輪角度，安裝于轉向齒輪軸上采集舵輪角度，并通過安全PLC轉向監控模塊對采集的數據進行監控，監控方式應包含：靜止監控、絕對位置監控、角速度梯形監控等。

（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，并使貨叉高度調節不會造成AGV的穩定性降低。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，監控貨叉高度。

（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觸發AGV緊急制動的措施，緊急停止的安全輸入器件為2NC觸點的急停開關，兩端分別與安全PLC的測試信號和數字輸入信號相連接，急停開關的安裝位置應便于人員在安全的位置觸發，當多個急停開關串聯時應考慮B10d值較小可能造成整體安全性能等級的降低。

（5）障礙物檢測（Category 3/PL d）：其目的是通過非接觸式安全部件檢測車輛主行駛方向上的障礙物，并通過減速或緊急制動的方式停止車輛的措施，障礙物檢測的安全輸入器件為安全激光掃描儀。安裝位置應盡可能靠近地面（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AGV的行駛速度、舵輪角度，動態的切換保護區域的尺寸，保護區域分3類梯次區域，依次為減速、停止、急停區域，區域尺寸應考慮車體寬度、行駛速度、行駛減速度、制動距離、信號延時、邏輯運算延時等因素。

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

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

（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車輛后退路徑上的障礙物，并通過緊急制動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開關。

（9）手動/自動模式切換（Category 3/PL d）：其目的是為了覆蓋車輛模式切換時可能造成非法啟動的安全隱患，使模式切換時車輛緊急制動，需手動重啟。手動/自動模式切換的安全輸入器件是2NC觸點兩檔鑰匙開關，鑰匙開關安裝于車輛控制面板，開關兩端分別與安全PLC的輸入模塊測試信號和數字輸入信號相連接。

（10）充電控制（Category 1/PL b）：其目的是通過電池管理系統（BMS）對電池充電狀態進行監控，BMS通過數字量輸出信號與安全PLC的I/O模塊相連。

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

5.安全功能程序設計

安全PLC的程序設計按照安全邏輯結構圖的邏輯控制，其中：

（1）非接觸式障礙物檢測（安全激光掃描儀）信號采用自動復位方式。

（2）緊急停止、接觸式障礙物檢測（側面防護、從卸貨方向停止車輛）信號、手動/自動模式切換檢測信號采用手動復位方式。

（3）速度控制、轉向控制、液壓(移栽)控制、輸出部件診斷檢測信號觸發安全PLC進入安全模式，切斷控制器與驅動器的KEY信號和所有安全輸出信號，同時觸發黑匣子記錄故障原因。

（4）超馳障礙物檢測功能僅允許在AGV手動模式情況下超馳因接觸/非接觸式障礙物檢測信號觸發的車輛停止狀態，在超馳狀態下AGV的行駛速度被限制在0.15m/s。

安全功能程序應檢查防止程序漏洞，并進行故障模擬測試，避免因程序漏洞導致的輸出部件誤激活，確保程序設計的安全完整性。

三、安全完整性驗算

安全完整性驗算是從理論角度驗算設計方案的安全性能是否符合預期的技術指標。驗算的基礎數據來源于器件供應商提供的安全性能數值，如PL、Category、PFHD、MTTFd、B10d、DCavg等，驗算方式依據標準EN ISO 13849-1:2015的定義。

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

四、小結

1.AGV的安全功能設計應在實踐經驗基礎上依照相關標準要求，結合產品風險性分析→安全功能邏輯結構設計→安全完整性計算→安全功能實驗測試的標準化流程來完善產品的安全功能細節，從而系統的提升產品本質安全性。

2.最終設計出的樣車應通過相對應的產品安全性能實驗測試檢驗，如車輛穩定性測試、碰撞沖擊力測試、剎車距離測試、超載測試、抱閘性能測試等，一方面能更加客觀了解車輛的性能極限，確定產品可應用環境范圍，另一方面也可以更清晰、快速的了解產品的缺陷，為產品改進找到目標和方向。

3.AGV的安全功能設計應隨使用環境的變化，動態的做出改變，以盡可能完整的安全措施覆蓋產品安全風險。

4.AGV的安全功能應覆蓋從生產、調試、裝卸、運輸、使用、維護直到報廢的完整產品生命周期，同時應編制專業、完整的指導文件（用戶手冊）供相關人員學習、培訓。

5.AGV的安全功能設計應符合產品使用單位所在國家、地區的法規、標準要求，技術人員應在充分了解當地法規、標準的基礎上開展設計、制造工作。