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Common architecture and characteristics of robot safety loop

Time:2020-09-19 14:12:50 CTR:

Common architecture and characteristics of robot safety loop

     在机器人的设计过程中,为了提高产品安全性,或者通过欧盟的CEMD或者SIL认证,往往会增加很多安全回路,例如紧急停止、使能、障碍物检测、速度控制、安全光栅、轴限位、供电等等。很多相关标准中都提出了这些安全回路的架构需求,那么这些安全回路应该遵循什么架构呢?怎样才算满足这些架构呢?本文将重点介绍ISO13849-1-2015中所涉及的5种架构。为机器人的设计者设计和论证安全回路满足相关标准要求提供指导。

ISO 13849-1中介绍了5种安全回路的架构,这些架构可以用于整条安全回路的设计,也可以用于回路中各组成部分的设计,例如输入单元(传感器、开关、按钮等)、逻辑控制单元(安全PLC、安全继电器、控制板等)和输出单元(接触器、继电器等),对于比较简单的安全回路,往往是整体条回路满足架构要求即可。对于比较复杂的安全回路,输入单元、逻辑控制单元和输出单元可以单独满足架构的要求,再组合到一起判定。目前来看,逻辑控制单元在设计时单独满足架构的要求比较多,而且往往都要通过SIL认证。

下文将详细介绍每一种架构、架构特点以及如何满足:

1、 CB 架构

a)典型的图样



im连接方式;

 I 输入装置,例如传感器;

 L 逻辑单元;

 O 输出装置,如主接触器。

b)架构特点:

Ø  单故障即可导致安全功能失去;

Ø  没有诊断覆盖率要求(DC);

Ø  大可实现的性能等级PL=b

c)判定条件

Ø  回路的设计应该满足基本的安全原则(见ISO 13849-2 2013附录表A.1(机械回路),B.1(气动传动回路),C.1(液压传动回路)D.1(电子电气回路)的要求)。这些原则可以根据回路实际情况使用,对于不适用的应说明理由。

Ø  每个通道的平均危险失效时间MTTFd至少三年。这个指标需要通过计算满足,计算常用Sistema的免费软件进行。

Ø  应该通过必要的环境测试。需要根据实际使用环境条件,制定测试计划,并选择有资质的实验室执行测试,出具试验报告。

2、 C1架构

a) 典型的图样


im连接方式;

 I 输入装置,例如传感器;

 L 逻辑单元;

 O 输出装置,如主接触器。

b) 架构特点

Ø  要求使用经过验证的或遵循安全原则(ISO 13849-2附录A.3D.3)的元器件。

Ø  没有诊断覆盖率(DC);

Ø  大可实现的PL=C.

c) 判定条件

Ø  满足CB的架构要求;

Ø  要求使用经过验证的或遵循安全原则(ISO 13849-2 附录A.3D.3)的元器件;

Ø  要求使用经过证明的比较的好的安全原则(见13849-2 附录表A.2(机械回路),B.2(气动传动回路),C.2(液压传动回路)D.2(电子电气回路)的要求)。这些原则可以根据回路实际情况使用,对于不适用的应说明理由;

Ø  MTTFd至少30年,这个指标需要通过计算满足,计算常用Sistema的免费软件进行。必要时,需要进行失效模式及影响分析(FMEA)来计算。

3、 C2架构

a) 典型的图样


im连接方式;

 I 输入装置,例如传感器;

 L 逻辑单元;

 O 输出装置,如主接触器;

监测;

 TE  测试设备;

 OTE 测试设备的输出。

b) 结构特点

Ø  在两次诊断测试的间隔期间发生故障,会导致安全功能的失去;检查频率的设计为重要(测试率应是需求率的100倍或安全功能需要时立刻检测,但检测+拒绝时间应小于导致隐患存在的时间)

Ø  大的可实现的PL=d

Ø  测试设备可以集成进SRP/CS 或分开;

Ø  检测出故障之后的响应时间的确定非常重要;

Ø  共因失效CCF需要考虑(见ISO 13849-1 2015附录F;

Ø  不需要检测出所有故障. 诊断覆盖率(DC)应达到60%-99%

c) 判定条件

Ø  满足架构CB的要求;

Ø  要求使用经过证明的比较的好的安全原则(见13849-2 附录表A.2(机械回路),B.2(气动传动回路),C.2(液压传动回路)D.2(电子电气回路)的要求)。这些原则可以根据回路实际情况使用,对于不适用的应说明理由;

Ø  监测设备在检查出安全回路的故障后,应激发一个安全状态,如果不可能的话,则需要报警。

Ø  监测设备本身不能引入一个非安全状态,这个可以通过借助失效模式及影响分析FMEA,避免测试设备故障影响安全回路;

Ø  监测设备需要在设备启动时和运营过程中周期性在线监测;

Ø  安全回路的平均危险失效时间MTTFd至少3年,这个指标需要通过计算满足,计算常用Sistema的免费软件进行。必要时,需要进行失效模式及影响分析(FMEA)来计算。

Ø  监测设备的平均危险失效时间MTTFd至少大于安全回路的MTTFd的一半;

Ø  测试频率大于100倍的需求率,安全功能的需求率可以通过计算设备本体的危险失效率来得到;

Ø  诊断覆盖率(DC)至少60%

Ø  共因失效CCF得分至少大于65分(打分表见ISO 13849-1 附录F)。

4、 C3架构

a) 架构图样


im连接方式;

I1I2输入装置,例如传感器;

 L1L2逻辑单元;

 O1O2输出装置,如主接触器;

c交叉监测;

 m监测;

虚线代表合理的故障诊断即可。

b) 架构特点

Ø  任何单故障不能导致安全功能丧失;

Ø  诊断覆盖率(DC)至少是low

Ø  共因失效CCF得分至少大于65分(打分表见ISO 13849-1 附录F;

Ø  大可实现PL=e

c) 判定条件

Ø  满足CB的要求;

Ø  要求使用经过证明的比较的好的安全原则(见13849-2 附录表A.2(机械回路),B.2(气动传动回路),C.2(液压传动回路)D.2(电子电气回路)的要求)。这些原则可以根据回路实际情况使用,对于不适用的应说明理由;

Ø  单故障不能导致安全功能的丢失;

Ø  单故障应该被检测;

Ø  每个通道的MTTFd至少3年,安全回路的平均危险失效时间MTTFd至少3年,这个指标需要通过计算满足,计算常用Sistema的免费软件进行。必要时,需要进行失效模式及影响分析(FMEA)来计算。

Ø  诊断覆盖率(DC)至少60%

Ø  共因失效CCF得分至少大于65分(打分表见ISO 13849-1 附录F)。

5、 C4架构

a) 架构图样

im连接方式;

I1I2输入装置,例如传感器;

 L1L2逻辑单元;

 O1O2输出装置,如主接触器;

c交叉监测;

 m监测;

实线代表故障诊断要求比架构3高。

b) 架构特点

Ø  诊断覆盖率要求为High 90%-99%.

Ø  平均危险失效时间MTTFd 要求为High

Ø  CCF需要考虑(附录F;

Ø  任何单点故障都不能导致安全功能丧失,响应时间也应足够;

Ø  不可检测的累积故障也应考虑。

c) 判定条件

Ø  满足CB的要求;

Ø  要求使用经过证明的比较的好的安全原则(见13849-2 附录表A.2(机械回路),B.2(气动传动回路),C.2(液压传动回路)D.2(电子电气回路)的要求)。这些原则可以根据回路实际情况使用,对于不适用的应说明理由;

Ø  单故障不能导致安全功能的丧失;

Ø  单故障应该被诊断,诊断覆盖率至少99%

Ø  如果单故障的诊断覆盖率不到99%,则累积故障应该被考虑;

Ø  MTTFd至少30年,这个指标需要通过计算满足,计算常用Sistema的免费软件进行。必要时,需要进行失效模式及影响分析(FMEA)来计算;

Ø  共因失效CCF得分至少大于65分(打分表见ISO 13849-1 附录F)。

以上是机器人安全标准中常提到安全回路的架构,这些架构在安全回路的设计时是要糅合到设计中的。这样既能提高机器人的安全性,降低事故发生的频率,也为后续的CE\MD\SIL认证打好基础。

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