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文獻標識碼：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，江蘇常州213000）

關鍵詞：ISO13849-1；自動引導車；風險評估；性能等級

1　引言

近年來，在工業4.0、工業互聯網、云計算等熱潮的席卷下，眾多企業紛紛開展了智能化工廠的建設，因此如何提高生產線的智能化以及設備的自動化就成為了研究的主要課題。很多企業使用AGV來推進智能工廠的變革，通過AGV來實現物料的配送。但是在實踐過程中，也帶來了一些安全風險，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市場的不斷發展，越來越多的生產廠商開始重視AGV的安全認證。國外對于AGV參考的安全標準有歐洲CE標準，而隨著EN ISO 13849標準的發布和推行，機械安全實現了從元器件到系統、從定性到定量的轉變，實現了機械設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重大的進步。

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驗和標準，同時結合國內實際情況，制定符合國情的AGV安全標準。在制定標準的同時，我們還需要加強對AGV的安全評估，以確保AGV的安全性能符合標準要求。

2　有關AGV安全控制系統的標準

當前，AGV行業的標準體系并不健全，現行的可參考的國家標準有：

（1）GB/T 25181-2010《自動導引車》標準：這個標準規定了AGV的基本要求和試驗方法，包括車輛的電氣系統、機械系統、驅動系統、傳感器和安全裝置等方面的要求。

（2）GB/T 30499-2013《智能物流系統自動導引車》標準：這個標準規定了AGV的基本要求和試驗方法，包括車輛的電氣系統、機械系統、驅動系統、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、測試方法和試驗規程的詳細規定。

（3）GB/T 26772-2011《AGV安全要求及試驗方法》標準：這個標準規定了AGV的安全性能要求和試驗方法，包括車輛的電氣系統、機械系統、控制系統、傳感器和安全裝置等方面的要求。

以上這些標準是中國規范AGV的安全性能的標準，產品技術標準相對較少，特別是AGV產品的安全評估和檢測標準還處于缺失的狀態，這給AGV行業的發展和應用帶來了一定的風險和隱患。因此，AGV行業相關的機構和企業需要一起研究和開拓AGV產品的檢測標準，以確保AGV產品的質量和安全性能達到標準要求。同時，我們還需要加強對AGV行業標準的制定和推廣，完善AGV行業標準體系，以提高AGV行業的規范化水平和競爭力。

ISO 13849-1是國際標準化組織（ISO）發布的機器安全標準之一，其全稱為《安全相關部件的設計和評估—第1部分：通用原則》（Safety of machinery-Safety-related parts of control systems-Part 1:General principles）。該標準規定了機器的安全控制系統的設計和評估的通用原則，包括對安全相關部件的分類、性能等級的確定和驗證方法等。它是機器安全性設計和評估的重要參考標準，旨在確保機器的安全性能符合人類健康和安全的要求。

ISO 13849-1是機器安全的國際標準，其具體內容主要包括以下幾個方面：

（1）安全性設計原則：該標準規定了機器的安全控制系統應該滿足的基本原則，包括風險評估、安全性能級別、與安全有關的部件和系統的設計和布局等。

（2）安全性能級別：該標準定義了五個安全性能級別，從PLa到PLe，對應不同的風險等級和要求。安全性能級別的確定需要綜合考慮風險等級、人員暴露時間、機器運行環境等因素。

（3）安全相關部件：該標準規定了機器安全控制系統中的安全相關部件的分類、標記、尺寸和功能要求等，包括開關、傳感器、控制器、執行器等。

（4）設計驗證：該標準規定了機器安全控制系統的設計驗證要求，包括硬件設計驗證、軟件設計驗證和整個系統的驗證等。

（5）故障和故障排除：該標準規定了故障的分類和故障排除的方法，以確保機器在出現故障時能夠安全停機或進入安全狀態。

通過ISO 13849-1標準，我們可以對AGV的安全回路設計進行全面的安全評估，確保其符合安全要求。同時，該標準還提供了性能等級的評估和指導，以便我們更好地評估和比較各種安全回路設計方案的安全性能。所以，對AGV的安全評估完全可以參考ISO 13849-1標準。

3　AGV的主要安全功能

AGV是一種自動導引運輸車，裝備有電磁或光學等自動導引裝置，通過電池驅動，按照規定的路線行駛。AGV是輪式移動機器人WMR（Wheel Mobile Robot）的特殊應用，可以自主完成運輸、搬運、裝卸等各種移載任務，并具有靈活性和可擴展性。

AGV的自動導引裝置可以通過各種傳感器來感知周圍環境，及時發現和避免障礙物，確保運行的安全性。同時，AGV還可以根據預定的路徑和節奏，按照用戶的需求和實際情況進行定制和改造，能滿足不同場景和應用的需求。由于AGV具有高效、智能、安全等特點，因此在工業生產、物流倉儲、醫療健康、商業服務等領域得到了廣泛應用，對于提高生產效率和降低成本具有重要意義。AGV已經成為創建智能化工廠的不二選擇，為制造業的自動化和智能化發展提供了重要支撐。隨著技術的不斷進步和應用的不斷擴展，AGV在制造業生產線上的應用前景更加廣闊，將會進一步提高生產效率，降低成本，推動制造業的自動化和智能化發展。

我國AGV小車產業正處于蓬勃發展階段，具有巨大的潛力，在日益激烈的競爭環境下，難免會出現產品參差不齊的情況，提高AGV的安全性成為行業亟待解決的問題。

AGV包括機械本體、安全裝置、控制裝置、負載搬運裝置、驅動裝置、電池和電機。其中AGV安全相關控制系統是保證AGV在運行過程中安全可靠的關鍵，主要包括模式開關、區域檢測、碰撞檢測開關、速度監控和安全力矩關斷、緊急停止等功能。模式開關功能是用于小車手動和自動模式的切換，控制系統需要確保只有一種模式被選中。區域檢測功能是在小車行駛過程中，如果人員進入報警或停止區域，小車檢測到信號并減速或安全停止，以防止發生意外。碰撞檢測開關功能是當小車與人員或物體發生碰撞時，確保小車立刻停止運行，以避免造成人員傷害或設備損壞。速度監控功能是小車行駛過程中實時監控小車的運行速度，保證在手動模式下小車的運行速度不能超過0.3m/s的安全速度，在自動模式下小車的運行速度不能超過最大運行速度。安全力矩關斷（STO）功能是當安全功能被觸發時，控制系統需要按照指令安全關閉伺服驅動，以降低事故發生的風險。緊急停止功能是在緊急情況下，人員按下急停按鈕時，控制系統需要立刻停止小車運行，以保證人員安全。以上這些安全相關控制系統功能的實現，可以大大提高AGV的安全性和可靠性，保證了生產過程中的安全性和穩定性。

本文研究AGV最重要的三個安全功能，包括：人員檢測、速度控制和急停。

4　ISO 13849-1的結構和應用

4.1　風險評估

在對AGV的控制系統的安全性能評估之前必須進行風險評估，從而確定所需性能等級（PLr）。PLr是根據風險圖表，從傷勢的嚴重性（S）、暴露于危險的頻率（F）、規避危險的可行性（P）等方面進行評估，由此將PLr按風險的大小劃分為從a到e的指標，風險圖如圖1所示。

圖1  風險圖

圖中的字母和數字分別表示：

S1：輕傷

S2：重傷

F1：偶爾/短時間

F2：頻繁/長時間

P1：可能

P2：不可能

4.2  確定基本參數

（1）安全類別Cat

安全類別的基本形態是特定的結構，是安全相關功能運行情況的基本參數，一共分為五類：B、1、2、3、4^[1]。

類別B，僅可實現PL=b的性能等級

類別1，最高可實現PL=c的性能等級

類別2，最高可實現PL=d的性能等級

類別3，最高可實現PL=e的性能等級

類別4，最高可實現PL=e的性能等級

（2）MTTFd

MMTFd（Mean Time to Dangerous Failure）表示安全相關部件發生危險側故障為止的平均時間，分為三個區間：

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

無數據時，假定MTTFd為10年

但是，開關和繼電器等僅在有操作要求時動作，并且發生磨損的部件的危險側故障概率與其動作次數有關。此類部件通常會提供名為B10d的數據，B10d表示10%的部件發生危險側故障為止的運轉次數。MTTFd值可以通過B10d計算得到。

（3）診斷覆蓋率DC

檢測到安全相關部件的危險側故障后，表示有效性的單體部件稱為DC（Diagnostic Coverage），安全相關部件或子系統全體的平均值稱為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通常是指多個系統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故障的耐受性高低的指標。對照ISO 13849-1的附錄表F.1進行評估，目標值為65%或以上即能符合。

4.3　計算性能等級

根據以上的Cat、MTTFd、DC、CCF等數值，結合以下圖表可以得到相應的性能等級PL，如圖2所示。

圖2  通過參數計算性能等級PL

5　執行驗證

現有一臺國產AGV，這臺AGV為某公司最新研發出的產品。車體尺寸為950×650×360mm，額定載重為600kg，通過激光SLAM、視覺語義、墻面二維碼三者結合進行定位，支持運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的安全防護包括：聲音報警、燈光報警、防撞觸邊、急停開關和360°避障。

這臺AGV的主要工作任務是配合員工運輸產品，流程如下：

（1）員工將產品放在料車上，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系統調度AGV前往上料點，然后自動對接料架車。

（3）AGV自動導航到達相應的下料點，自動卸載料架車。

（4）AGV任務完成，回到停車區，等待下一次任務。

從AGV的工作任務中我們不難發現，AGV運行時撞人是最主要的危險，這就需要對AGV撞人的風險進行風險評估。結合ISO 13849-1，根據風險圖可知，AGV撞人可能會導致重傷，故選S2；AGV在運行時，人員暴露在危險中的頻率低，故選F1；AGV撞人時人員很難躲避，故選F2，將以上三個系數相乘得到AGV所需性能等級PLr要求達到PL=d級別^[2]。風險圖如圖3所示。

圖3  AGV風險圖

所以，必須采用可靠的安全回路設計對AGV運行時的撞人風險進行控制，一般可以采用雙通道來保證AGV在發生單一故障時能繼續運行。以下對人員檢測、速度控制和急停的安全要求進行規定。

5.1　人員檢測

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

（2）當人員從叉車的路徑離開時，在發生適當警告后，至少推遲2秒鐘后，自動運行功能可自動重新啟動。

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

（4）在自動模式下，當速度大于0.3米/秒時，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）機器的減速和制動器啟動距離速度相關，應符合安全等級3的要求。

（2）使用安全的激光雷達，滿足安全等級3的要求，且激光雷達的信號接入安全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）至少安裝兩個急停開關，當機器滿載時，其他方向也要能夠觀察和觸及急停。

（2）使用有兩副觸點的急停開關，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，AGV必須可靠停止運行，且只能通過人工手動操作復位才能快速恢復運行。

（4）對于安裝位置較低的急停開關，推薦使用腳踢式的觸發頭。

（5）急停推薦型號：OMRON A22E-M-02B急停開關。

6　展望

結合ISO 13849-1對AGV進行安全評估對AGV的安全性能提高有著舉足輕重的作用，實現了AGV安全從定性到定量的轉變，讓風險變成一個可以衡量的數字，讓安全措施變得更加具象化。另外，AGV的安全標準也是隨著技術的不斷發展和應用的不斷推廣而不斷更新的，安全元器件也要與時俱進。國產AGV還有很長的路要走，希望通過借鑒國際的標準ISO13849-1，開發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。首先，隨著AGV應用場景的增多，安全需求將越來越高。其次，隨著技術的進步，AGV將會具備更加智能化和自主化的特點。最后，AGV安全管理和標準化規范將逐漸完善。

綜上所述，未來可以通過技術進步以及標準化規范和管理體系的建立，實現AGV的安全性和可靠性，為物流和制造業的發展提供更加穩定和可持續的保障。

作者簡介：

陳　晨（1993-），女，江蘇常州人，學士，現就讀于常州大學安全科學與工程學院，研究方向為設備安全。

邢志祥（1967-），男，江蘇南通人，教授，博士，現任教于常州大學安全科學與工程學院，研究方向為化工安全、油氣儲運安全、消防安全等。

參考文獻：

[1] GB/T 16855.1-2018, 機械安全 控制系統安全相關部件 第1部分: 設計通則[S].

[2] GB/T 16855.2-2015, 機械安全 控制系統安全相關部件 第2部分: 確認[S].

摘自《自動化博覽》2023年7月刊