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文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1003-0492（2023）07-067-05中圖分類號：TP273

★陳晨，邢志祥（常州大學(xué)，江蘇常州213000）

關(guān)鍵詞：ISO13849-1；自動引導(dǎo)車；風(fēng)險(xiǎn)評估；性能等級

1　引言

近年來，在工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等熱潮的席卷下，眾多企業(yè)紛紛開展了智能化工廠的建設(shè)，因此如何提高生產(chǎn)線的智能化以及設(shè)備的自動化就成為了研究的主要課題。很多企業(yè)使用AGV來推進(jìn)智能工廠的變革，通過AGV來實(shí)現(xiàn)物料的配送。但是在實(shí)踐過程中，也帶來了一些安全風(fēng)險(xiǎn)，例如：撞擊、傾覆、觸電、電池爆炸等，AGV的安全問題亟待解決。

隨著AGV市場的不斷發(fā)展，越來越多的生產(chǎn)廠商開始重視AGV的安全認(rèn)證。國外對于AGV參考的安全標(biāo)準(zhǔn)有歐洲CE標(biāo)準(zhǔn)，而隨著EN ISO 13849標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和推行，機(jī)械安全實(shí)現(xiàn)了從元器件到系統(tǒng)、從定性到定量的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械設(shè)備的全面性的安全評估，這對于AGV的安全評估和制造來說是一個(gè)重大的進(jìn)步。

中國作為制造大國，AGV的安全評估和制造也需要走在前列。我們需要借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)結(jié)合國內(nèi)實(shí)際情況，制定符合國情的AGV安全標(biāo)準(zhǔn)。在制定標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，我們還需要加強(qiáng)對AGV的安全評估，以確保AGV的安全性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2　有關(guān)AGV安全控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前，AGV行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)體系并不健全，現(xiàn)行的可參考的國家標(biāo)準(zhǔn)有：

（1）GB/T 25181-2010《自動導(dǎo)引車》標(biāo)準(zhǔn)：這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了AGV的基本要求和試驗(yàn)方法，包括車輛的電氣系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器和安全裝置等方面的要求。

（2）GB/T 30499-2013《智能物流系統(tǒng)自動導(dǎo)引車》標(biāo)準(zhǔn)：這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了AGV的基本要求和試驗(yàn)方法，包括車輛的電氣系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器和安全裝置等方面的要求，并且增加了對AGV的性能參數(shù)、測試方法和試驗(yàn)規(guī)程的詳細(xì)規(guī)定。

（3）GB/T 26772-2011《AGV安全要求及試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)：這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了AGV的安全性能要求和試驗(yàn)方法，包括車輛的電氣系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感器和安全裝置等方面的要求。

以上這些標(biāo)準(zhǔn)是中國規(guī)范AGV的安全性能的標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相對較少，特別是AGV產(chǎn)品的安全評估和檢測標(biāo)準(zhǔn)還處于缺失的狀態(tài)，這給AGV行業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用帶來了一定的風(fēng)險(xiǎn)和隱患。因此，AGV行業(yè)相關(guān)的機(jī)構(gòu)和企業(yè)需要一起研究和開拓AGV產(chǎn)品的檢測標(biāo)準(zhǔn)，以確保AGV產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，我們還需要加強(qiáng)對AGV行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定和推廣，完善AGV行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，以提高AGV行業(yè)的規(guī)范化水平和競爭力。

ISO 13849-1是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）發(fā)布的機(jī)器安全標(biāo)準(zhǔn)之一，其全稱為《安全相關(guān)部件的設(shè)計(jì)和評估—第1部分：通用原則》（Safety of machinery-Safety-related parts of control systems-Part 1:General principles）。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了機(jī)器的安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和評估的通用原則，包括對安全相關(guān)部件的分類、性能等級的確定和驗(yàn)證方法等。它是機(jī)器安全性設(shè)計(jì)和評估的重要參考標(biāo)準(zhǔn)，旨在確保機(jī)器的安全性能符合人類健康和安全的要求。

ISO 13849-1是機(jī)器安全的國際標(biāo)準(zhǔn)，其具體內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）安全性設(shè)計(jì)原則：該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了機(jī)器的安全控制系統(tǒng)應(yīng)該滿足的基本原則，包括風(fēng)險(xiǎn)評估、安全性能級別、與安全有關(guān)的部件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和布局等。

（2）安全性能級別：該標(biāo)準(zhǔn)定義了五個(gè)安全性能級別，從PLa到PLe，對應(yīng)不同的風(fēng)險(xiǎn)等級和要求。安全性能級別的確定需要綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)等級、人員暴露時(shí)間、機(jī)器運(yùn)行環(huán)境等因素。

（3）安全相關(guān)部件：該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了機(jī)器安全控制系統(tǒng)中的安全相關(guān)部件的分類、標(biāo)記、尺寸和功能要求等，包括開關(guān)、傳感器、控制器、執(zhí)行器等。

（4）設(shè)計(jì)驗(yàn)證：該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了機(jī)器安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證要求，包括硬件設(shè)計(jì)驗(yàn)證、軟件設(shè)計(jì)驗(yàn)證和整個(gè)系統(tǒng)的驗(yàn)證等。

（5）故障和故障排除：該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了故障的分類和故障排除的方法，以確保機(jī)器在出現(xiàn)故障時(shí)能夠安全停機(jī)或進(jìn)入安全狀態(tài)。

通過ISO 13849-1標(biāo)準(zhǔn)，我們可以對AGV的安全回路設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的安全評估，確保其符合安全要求。同時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)還提供了性能等級的評估和指導(dǎo)，以便我們更好地評估和比較各種安全回路設(shè)計(jì)方案的安全性能。所以，對AGV的安全評估完全可以參考ISO 13849-1標(biāo)準(zhǔn)。

3　AGV的主要安全功能

AGV是一種自動導(dǎo)引運(yùn)輸車，裝備有電磁或光學(xué)等自動導(dǎo)引裝置，通過電池驅(qū)動，按照規(guī)定的路線行駛。AGV是輪式移動機(jī)器人WMR（Wheel Mobile Robot）的特殊應(yīng)用，可以自主完成運(yùn)輸、搬運(yùn)、裝卸等各種移載任務(wù)，并具有靈活性和可擴(kuò)展性。

AGV的自動導(dǎo)引裝置可以通過各種傳感器來感知周圍環(huán)境，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和避免障礙物，確保運(yùn)行的安全性。同時(shí)，AGV還可以根據(jù)預(yù)定的路徑和節(jié)奏，按照用戶的需求和實(shí)際情況進(jìn)行定制和改造，能滿足不同場景和應(yīng)用的需求。由于AGV具有高效、智能、安全等特點(diǎn)，因此在工業(yè)生產(chǎn)、物流倉儲、醫(yī)療健康、商業(yè)服務(wù)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對于提高生產(chǎn)效率和降低成本具有重要意義。AGV已經(jīng)成為創(chuàng)建智能化工廠的不二選擇，為制造業(yè)的自動化和智能化發(fā)展提供了重要支撐。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，AGV在制造業(yè)生產(chǎn)線上的應(yīng)用前景更加廣闊，將會進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，降低成本，推動制造業(yè)的自動化和智能化發(fā)展。

我國AGV小車產(chǎn)業(yè)正處于蓬勃發(fā)展階段，具有巨大的潛力，在日益激烈的競爭環(huán)境下，難免會出現(xiàn)產(chǎn)品參差不齊的情況，提高AGV的安全性成為行業(yè)亟待解決的問題。

AGV包括機(jī)械本體、安全裝置、控制裝置、負(fù)載搬運(yùn)裝置、驅(qū)動裝置、電池和電機(jī)。其中AGV安全相關(guān)控制系統(tǒng)是保證AGV在運(yùn)行過程中安全可靠的關(guān)鍵，主要包括模式開關(guān)、區(qū)域檢測、碰撞檢測開關(guān)、速度監(jiān)控和安全力矩關(guān)斷、緊急停止等功能。模式開關(guān)功能是用于小車手動和自動模式的切換，控制系統(tǒng)需要確保只有一種模式被選中。區(qū)域檢測功能是在小車行駛過程中，如果人員進(jìn)入報(bào)警或停止區(qū)域，小車檢測到信號并減速或安全停止，以防止發(fā)生意外。碰撞檢測開關(guān)功能是當(dāng)小車與人員或物體發(fā)生碰撞時(shí)，確保小車立刻停止運(yùn)行，以避免造成人員傷害或設(shè)備損壞。速度監(jiān)控功能是小車行駛過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控小車的運(yùn)行速度，保證在手動模式下小車的運(yùn)行速度不能超過0.3m/s的安全速度，在自動模式下小車的運(yùn)行速度不能超過最大運(yùn)行速度。安全力矩關(guān)斷（STO）功能是當(dāng)安全功能被觸發(fā)時(shí)，控制系統(tǒng)需要按照指令安全關(guān)閉伺服驅(qū)動，以降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。緊急停止功能是在緊急情況下，人員按下急停按鈕時(shí)，控制系統(tǒng)需要立刻停止小車運(yùn)行，以保證人員安全。以上這些安全相關(guān)控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，可以大大提高AGV的安全性和可靠性，保證了生產(chǎn)過程中的安全性和穩(wěn)定性。

本文研究AGV最重要的三個(gè)安全功能，包括：人員檢測、速度控制和急停。

4　ISO 13849-1的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

4.1　風(fēng)險(xiǎn)評估

在對AGV的控制系統(tǒng)的安全性能評估之前必須進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，從而確定所需性能等級（PLr）。PLr是根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)圖表，從傷勢的嚴(yán)重性（S）、暴露于危險(xiǎn)的頻率（F）、規(guī)避危險(xiǎn)的可行性（P）等方面進(jìn)行評估，由此將PLr按風(fēng)險(xiǎn)的大小劃分為從a到e的指標(biāo)，風(fēng)險(xiǎn)圖如圖1所示。

圖1  風(fēng)險(xiǎn)圖

圖中的字母和數(shù)字分別表示：

S1：輕傷

S2：重傷

F1：偶爾/短時(shí)間

F2：頻繁/長時(shí)間

P1：可能

P2：不可能

4.2  確定基本參數(shù)

（1）安全類別Cat

安全類別的基本形態(tài)是特定的結(jié)構(gòu)，是安全相關(guān)功能運(yùn)行情況的基本參數(shù)，一共分為五類：B、1、2、3、4^[1]。

類別B，僅可實(shí)現(xiàn)PL=b的性能等級

類別1，最高可實(shí)現(xiàn)PL=c的性能等級

類別2，最高可實(shí)現(xiàn)PL=d的性能等級

類別3，最高可實(shí)現(xiàn)PL=e的性能等級

類別4，最高可實(shí)現(xiàn)PL=e的性能等級

（2）MTTFd

MMTFd（Mean Time to Dangerous Failure）表示安全相關(guān)部件發(fā)生危險(xiǎn)側(cè)故障為止的平均時(shí)間，分為三個(gè)區(qū)間：

高：30年以上100年以下

中：10年以上30年以下

低：3年以上10年以下

無數(shù)據(jù)時(shí)，假定MTTFd為10年

但是，開關(guān)和繼電器等僅在有操作要求時(shí)動作，并且發(fā)生磨損的部件的危險(xiǎn)側(cè)故障概率與其動作次數(shù)有關(guān)。此類部件通常會提供名為B10d的數(shù)據(jù)，B10d表示10%的部件發(fā)生危險(xiǎn)側(cè)故障為止的運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)。MTTFd值可以通過B10d計(jì)算得到。

（3）診斷覆蓋率DC

檢測到安全相關(guān)部件的危險(xiǎn)側(cè)故障后，表示有效性的單體部件稱為DC（Diagnostic Coverage），安全相關(guān)部件或子系統(tǒng)全體的平均值稱為DCavg。DC分為4檔：

高：DC≥99%

中：90%≤DC≤99%

低：60%≤DC≤90%

無：DC＜60%

（4）共因失效CCF

共因失效CCF通常是指多個(gè)系統(tǒng)由于某一共同原因而均受到損失的故障模式。CCF被用作表示對通道的同時(shí)故障的耐受性高低的指標(biāo)。對照ISO 13849-1的附錄表F.1進(jìn)行評估，目標(biāo)值為65%或以上即能符合。

4.3　計(jì)算性能等級

根據(jù)以上的Cat、MTTFd、DC、CCF等數(shù)值，結(jié)合以下圖表可以得到相應(yīng)的性能等級PL，如圖2所示。

圖2  通過參數(shù)計(jì)算性能等級PL

5　執(zhí)行驗(yàn)證

現(xiàn)有一臺國產(chǎn)AGV，這臺AGV為某公司最新研發(fā)出的產(chǎn)品。車體尺寸為950×650×360mm，額定載重為600kg，通過激光SLAM、視覺語義、墻面二維碼三者結(jié)合進(jìn)行定位，支持運(yùn)動障礙物檢測和低矮視覺避障，電池類型為三元鋰電池。除此以外，這臺AGV的安全防護(hù)包括：聲音報(bào)警、燈光報(bào)警、防撞觸邊、急停開關(guān)和360°避障。

這臺AGV的主要工作任務(wù)是配合員工運(yùn)輸產(chǎn)品，流程如下：

（1）員工將產(chǎn)品放在料車上，并將料車推放在指定位置，然后通過PDA呼叫AGV，并選擇目的地。

（2）AGV系統(tǒng)調(diào)度AGV前往上料點(diǎn)，然后自動對接料架車。

（3）AGV自動導(dǎo)航到達(dá)相應(yīng)的下料點(diǎn)，自動卸載料架車。

（4）AGV任務(wù)完成，回到停車區(qū)，等待下一次任務(wù)。

從AGV的工作任務(wù)中我們不難發(fā)現(xiàn)，AGV運(yùn)行時(shí)撞人是最主要的危險(xiǎn)，這就需要對AGV撞人的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。結(jié)合ISO 13849-1，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)圖可知，AGV撞人可能會導(dǎo)致重傷，故選S2；AGV在運(yùn)行時(shí)，人員暴露在危險(xiǎn)中的頻率低，故選F1；AGV撞人時(shí)人員很難躲避，故選F2，將以上三個(gè)系數(shù)相乘得到AGV所需性能等級PLr要求達(dá)到PL=d級別^[2]。風(fēng)險(xiǎn)圖如圖3所示。

圖3  AGV風(fēng)險(xiǎn)圖

所以，必須采用可靠的安全回路設(shè)計(jì)對AGV運(yùn)行時(shí)的撞人風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制，一般可以采用雙通道來保證AGV在發(fā)生單一故障時(shí)能繼續(xù)運(yùn)行。以下對人員檢測、速度控制和急停的安全要求進(jìn)行規(guī)定。

5.1　人員檢測

（1）人員檢測裝置的安全相關(guān)部件應(yīng)符合安全等級3的要求，該裝置應(yīng)檢測在AGV路徑內(nèi)垂直設(shè)置的直徑為70mm、高度為400mm的試件。激光雷達(dá)掃描范圍有限，還需在側(cè)面安裝傳感器，并將信號輸入安全PLC中。

（2）當(dāng)人員從叉車的路徑離開時(shí)，在發(fā)生適當(dāng)警告后，至少推遲2秒鐘后，自動運(yùn)行功能可自動重新啟動。

（3）在操作危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)逃生空間不足時(shí)，人員檢測裝置應(yīng)啟動，以確保探測到ESPE安全區(qū)域邊緣和周圍物體之間180毫米范圍以檢查該區(qū)域是否有人員。

（4）在自動模式下，當(dāng)速度大于0.3米/秒時(shí)，不能屏蔽人員檢測裝置。

（5）使用激光掃描儀，推薦型號：SICK S3000安全掃描儀。

5.2　速度控制

（1）機(jī)器的減速和制動器啟動距離速度相關(guān)，應(yīng)符合安全等級3的要求。

（2）使用安全的激光雷達(dá)，滿足安全等級3的要求，且激光雷達(dá)的信號接入安全PLC。

（3）PLC和回路的接線方式滿足安全等級3的要求。

（4）使用安全編碼器，推薦型號：SICK DFS60S安全編碼器。

5.3　急停

（1）至少安裝兩個(gè)急停開關(guān)，當(dāng)機(jī)器滿載時(shí)，其他方向也要能夠觀察和觸及急停。

（2）使用有兩副觸點(diǎn)的急停開關(guān)，急停信號接入安全PLC，符合安全等級3的要求。

（3）拍下急停按鈕時(shí)，AGV必須可靠停止運(yùn)行，且只能通過人工手動操作復(fù)位才能快速恢復(fù)運(yùn)行。

（4）對于安裝位置較低的急停開關(guān)，推薦使用腳踢式的觸發(fā)頭。

（5）急停推薦型號：OMRON A22E-M-02B急停開關(guān)。

6　展望

結(jié)合ISO 13849-1對AGV進(jìn)行安全評估對AGV的安全性能提高有著舉足輕重的作用，實(shí)現(xiàn)了AGV安全從定性到定量的轉(zhuǎn)變，讓風(fēng)險(xiǎn)變成一個(gè)可以衡量的數(shù)字，讓安全措施變得更加具象化。另外，AGV的安全標(biāo)準(zhǔn)也是隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用的不斷推廣而不斷更新的，安全元器件也要與時(shí)俱進(jìn)。國產(chǎn)AGV還有很長的路要走，希望通過借鑒國際的標(biāo)準(zhǔn)ISO13849-1，開發(fā)和制造出更加安全可靠的AGV，讓中國制造走在世界前列。

未來，AGV安全將會得到更多重視和加強(qiáng)。首先，隨著AGV應(yīng)用場景的增多，安全需求將越來越高。其次，隨著技術(shù)的進(jìn)步，AGV將會具備更加智能化和自主化的特點(diǎn)。最后，AGV安全管理和標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范將逐漸完善。

綜上所述，未來可以通過技術(shù)進(jìn)步以及標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范和管理體系的建立，實(shí)現(xiàn)AGV的安全性和可靠性，為物流和制造業(yè)的發(fā)展提供更加穩(wěn)定和可持續(xù)的保障。

作者簡介：

陳　晨（1993-），女，江蘇常州人，學(xué)士，現(xiàn)就讀于常州大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，研究方向?yàn)樵O(shè)備安全。

邢志祥（1967-），男，江蘇南通人，教授，博士，現(xiàn)任教于常州大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，研究方向?yàn)榛ぐ踩⒂蜌鈨\(yùn)安全、消防安全等。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB/T 16855.1-2018, 機(jī)械安全 控制系統(tǒng)安全相關(guān)部件 第1部分: 設(shè)計(jì)通則[S].

[2] GB/T 16855.2-2015, 機(jī)械安全 控制系統(tǒng)安全相關(guān)部件 第2部分: 確認(rèn)[S].

摘自《自動化博覽》2023年7月刊