运动控制的集成和分布式安全

运动控制洞察力

• 移动自动化可以帮助制造商改善他们的安全操作，自动移动机器人(amr)和自动引导车辆(agv)的机器人已经变得更加自动化。
• 通过为非安全系统提供安全信息，可以在必要时减慢生产速度，减少潜在的伤害，从而提高整体生产。

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随着新兴的机器人和移动工业自动化技术，维护操作员的安全变得越来越具有挑战性。传统的安全方法无法保护操作员免受与他们共享工厂车间的自动设备的伤害。为了使工人免受伤害和伤害，安全需要一个综合和分布式的方法。

与其将安全功能集中在控制器中，不如将安全功能分布在整个系统中，例如分散到各个驱动器上。蜂窝安全功能还必须能够适应自动引导车辆(agv)和自主移动机器人(amr)等移动系统进入和离开蜂窝。当以集成的方式实施时，安全系统还可以为非安全系统提供数据，提高整体生产的可靠性和效率。

移动自动化的兴起

虽然一些公司在过去几年里推迟了大规模的资本支出，但许多公司加快了在自动化方面的投资。例如，2021年移动机器人行业有大幅增长。interactive Analysis预测，到2025年，全球将安装近200万台机器人，到2030年，移动机器人的收入将超过300亿美元。随着移动机器人的风险投资在2021年达到10亿美元，机器人对工厂的积极影响也将增加。

综合安全效益

在工厂车间使用更多机器人的一个后果是，它们将更频繁地与人类共享工作空间。这意味着该行业需要重新思考如何实施安全措施。

公司安全产品经理克里斯•沃勒表示:“机器传统上是单独解决的，安全问题也是单独解决的。Beckhoff自动化。“问题是机器变得越来越复杂。看看移动机器人。当他们进入一个工作空间时，他们就成为了它的一部分。

“在倍福自动化，我们专注于综合安全。这个想法是，当一台机器具有多个安全功能时，从财务和工程效率的角度来看，将它们集成到控制系统中是有意义的。例如，一台具有协调e-stop、安全运动功能、静音、光屏障等功能的机器几乎无法通过继电器逻辑进行管理。”

与移动机器人一起工作只会变得更加复杂。沃勒说:“当一个机器人进入一个工作空间时，它需要通过网络与其他机器连接，这样它们就可以协调它们的安全功能。”

“装瓶生产线可能有灌装机、盖瓶机、贴标机和包装机，每台机器都在不同的单元中工作。根据不同的功能，每一种都有不同的安全隐患，一个人走进那个牢房会触发特定的安全反应。然而，这些细胞并不是独立的。如果作为安全响应，标签机的速度突然降低，可能会导致生产线上的备份。”

通过向非安全系统提供安全信息，有可能提高整体生产。例如，线路可以重新路由，以补偿已经减慢了特定单元的安全事件。这样，来自安全事件的延迟可以通过负载平衡在全线上“吸收”。

沃勒说:“通过综合方法，安全性也可以更加灵活。”“假设我们有一个6轴机器人。它可能有几个带有板载控制的末端执行器，一个用于铣削，另一个用于切削，等等。随着机器人功能的变化，它需要实现和管理不同的安全要求。这对于控制器来说是很复杂的。通过将安全性集成到工具本身并分布逻辑，它可以在操作前和操作期间与机器人协调自身的安全功能。”

“集中安全意味着必须创建一个庞大而复杂的程序，这可能让人难以理解和修改。通过将安全逻辑分布到所有I/O终端和驱动器，功能可以在更容易维护的小而简单的块中实现。”

综合安全的优势不仅仅是提高安全性。Woller表示:“当安全系统和非安全系统连接起来时，我们也可以提高效率。跟踪安全性将使您能够识别特定机器经历了更多的安全事件。这可能意味着作业者在作业过程中面临挑战，或者工作空间需要进行新的风险评估。”

将安全信息放在云端也可以使这些数据用于离线分析。沃勒说:“想象一下，能够回顾一年的安全事件，以确定如何改变机器设计以减少安全问题。你不仅提高了安全性，同时还提高了效率。”

分布式安全方法

提高移动机器人安全性的另一个方面是采用分布式方法。

“传统上，工业安全要求是在机器制造商层面，”Andy Sklierenko说穆恩斯工业(穆恩斯)，运动控制和安全方面的专家，每年生产超过3000万台电机。典型的安全装置包括光幕、联锁和安全围栏。然而，随着机器人、协作机器人、agv和amr与人类共享工作空间的增加，对分布式安全的需求也越来越大。”

Sklierenko说:“设想一个安全的场景，一个人走进合作机器人的工作单元。“当人破坏光幕时，细胞控制系统会指示机器人减速或停止响应。不幸的是，这一系列的反应可能不够快，不足以防止受伤。采用分布式安全方法使机器人本身能够解释场景，并在需要时执行紧急响应。现在机器人能够以最快的速度独立防止事故发生。对于合作机器人来说，这一点更加关键，因为与人类的互动在物理上更加紧密，在过程中更加交织。”

分布式安全方法有几个优点。也许最重要的是实时响应。协作机器人不需要等待来自控制器的详细指令，因为控制器可能同时被其他几个系统占用。另一个优点是系统可以根据实际情况采取适当的行动。例如，如果合作机器人正在移动，当另一个物体开始靠近时，它可以降低速度。在安全关键情况下，例如操作员走到距离协作机器人一米以内的地方，协作机器人甚至可以切断所有电机相位的电源，不给任何额外的运动提供动力。

安全转矩关闭(STO)是一种基于硬件的停止功能，在触发时从电机中物理移除电源。使用基于软件的停止，即使电机停止，电力仍被输送到电机相位。如果发生错误，这种电源可能会驱动电机，可能会使操作人员处于危险之中。由于STO的电源被物理移除，因此一旦停止，电机就无法继续运行。

Sklierenko表示:“除了提供更高的可靠性外，使用STO还简化了安全认证。“对于使用基于固件的停止或外部安全电路的系统，所有涉及停止电机和保持其停止的系统都必须经过安全认证。根据系统架构的复杂程度，这可能涉及大量的时间、精力和成本。由于STO分布在各个轴上，因此移除电源意味着在安全认证和实施方面的工作要少得多。”

将STO这样的分布式安全构建到每个轴中也简化了系统设计。Sklierenko说:“STO不需要在控制器中实现所有安全功能，它可以卸载到驱动器本身。“考虑一个具有四个功能/轴的合作机器人，每个功能/轴都有一个电机和驱动器。由于STO内置于每个轴或功能块，控制器不再需要管理每个安全响应细节。每条轴都可以为自己的‘安全’负责。”

原始设备制造商不必设计和实现自己的电路，从而节省时间和金钱。软件复杂性、布线和系统认证的降低增加了这些节省，从而降低了总拥有成本(TCO)。

知识就是安全

集成和分发安全性的最重要方面之一是提高运营商诊断的清晰度。根据沃勒的说法，“有时安全反应很难诊断，操作员会想，‘为什么我的机器不运行了?他说，如果他们无法解决这个问题，就很有可能无视安全机制以保持生产继续进行。集成安全，设备可以更清楚地告诉操作人员安全事件发生的原因。然后，作业者就可以解决问题，确保在不牺牲正常运行时间的情况下满足安全要求。”

移动机器人的灵活性使得工厂生产效率更高。同时，这种灵活性增加了保持工作空间安全的复杂性。通过采用集成和分布式的安全方法，原始设备制造商可以利用机器人自动化的许多好处，同时提高操作人员的安全性、系统可靠性，甚至生产效率。

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