Leiterplatte für Roboter-I/O und Sicherheitsschnittstelle mit Not-Aus, isolierten I/O, PL und SIL

Die I/O- und Sicherheitsschnittstellen-Leiterplatten verbinden den Roboter mit Not-Aus-Schaltern, Lichtvorhängen, Sicherheitsscannern, Freigabeschaltern, Verriegelungen, Industriesensoren, Aktoren und externen Steuerungssystemen. Diese Platinen implementieren häufig die Hardwarepfade, die den Roboter in einen sicheren Zustand versetzen, wenn Software, Feldverdrahtung oder ein angeschlossenes Gerät ausfällt.

Dieser Leitfaden erläutert Sicherheits-I/O-Boards als branchenrelevantes Thema: Zweikanalarchitektur, PL- und SIL-Ziele, isolierte industrielle Eingänge, Ausgangstreiber, analoge I/O, Diagnosetestimpulse, Fehlererkennung, Dokumentation und Produktionstests. Die FAQ wurden überarbeitet und orientieren sich an den typischen Fragen von Ingenieuren und Einkäufern vor der Entwicklung sicherheitsrelevanter Roboterelektronik.

Was Robotersicherheits-I/O-Leiterplatten tatsächlich leisten

Rolle im Robotersystem

Die I/O- und Sicherheitsschnittstellen-Leiterplatten für Roboter stellen die Verbindung zwischen dem Roboter und seiner Umgebung her – externe Not-Aus-Schalter, Sicherheitsvorhänge, Lichtschranken, industrielle I/O-Schnittstellen, digitale Ein- und Ausgänge. Das Besondere an diesen Platinen ist, dass sie die Sicherheitsarchitektur des Roboters beinhalten – die Hardwarepfade, die ein sicheres Verhalten auch bei Softwarefehlern höherer Ebenen gewährleisten. Die spezifischen Merkmale von Sicherheits-I/O-Platinen sind:

• Zweikanalige Redundanz: Sicherheitsrelevante Signale werden über zwei unabhängige Kanäle geleitet. Die Abweichungserkennung stellt die Übereinstimmung beider Kanäle sicher.
• Querüberwachung: Jeder Kanal überwacht den anderen. Fehler in einem der Kanäle werden schnell erkannt.
• Diagnostische Testimpulse: Regelmäßige Testimpulse überprüfen die Funktion der Sicherheitskette. Fehlende Impulse deuten auf einen Fehler hin.
• Isolierte Ein- und Ausgänge: Galvanische Trennung zwischen Feldverdrahtung und Steuerelektronik. Schützt die Steuerseite vor feldseitigen Transienten.
• Zertifizierte Komponenten: Sicherheitszertifizierte Komponenten mit definierten Ausfallmodi und Diagnoseabdeckung. Erfüllt die Anforderungen der ISO 13849 oder IEC 62061.
• Ausfallsichere Standardeinstellungen: Signalverlust, Stromausfall oder Fehler führen zu einem sicheren Zustand. Ein Ausfall im gefährlichen Zustand ist unbedingt zu vermeiden.

Zu kontrollierende Designrisiken

Bei sicherheitsrelevanten I/O-Leiterplatten sollte die Herstellbarkeit geprüft werden, bevor die Platzierung der Steckverbinder, die Gehäusepassung, der Zugang zu den Testvorrichtungen, die Wärmeleitwege und die Kabelbaumführung endgültig festgelegt werden. Nachträgliche Änderungen an diesen Details führen in der Regel zu mechanischen Nacharbeiten, einer Neukonstruktion der Testvorrichtungen oder Kompromissen bei der Zuverlässigkeit, die durch eine frühzeitige DFM-Prüfung hätten vermieden werden können.

Die Bauteilauswahl sollte den Lebenszyklusstatus, zugelassene Alternativen, die Verfügbarkeit von Gehäusen, die Temperaturbeständigkeit sowie gegebenenfalls Sicherheits- oder Isolationswerte berücksichtigen. Leiterplatten für sicherheitsrelevante Ein-/Ausgabegeräte verbleiben oft länger im Einsatz als Unterhaltungselektronik, sodass ungelöste Beschaffungsrisiken nicht nur den Einkauf, sondern auch den Kundendienst betreffen.

Auf Systemebene sollte die Leiterplatte anhand ihrer Funktion, Umgebungsbedingungen, Lebensdauer und Testabdeckung spezifiziert werden, nicht nur anhand des Schaltplans. Dadurch wird der häufige Fehler vermieden, eine technisch korrekte Leiterplatte zu fertigen, die sich jedoch nur schwer montieren, warten oder nach dem Einbau in den Roboter nicht ausreichend robust ist.

Die Sicherheitsarchitektur muss mit dem Hauptelektronik der Robotersteuerung und in regulierten Systemen die Leiterplattenpaket für medizinische Robotik.

Sicherheitsarchitektur: ISO 13849, IEC 62061, PL, SIL

Architekturoptionen für Sicherheitsarchitektur

Die Sicherheitsarchitektur von Roboter-I/O-Boards implementiert typischerweise eines der Standard-Sicherheitsmuster. Die wichtigsten Muster sind:

• Kategorie 3 (ISO 13849): Einzelfehler toleriert. Standard für die meisten Sicherheitsfunktionen in der Industrierobotik.
• Kategorie 4: Fehler werden vor der nächsten Anforderung erkannt. Höhere Anforderungen; komplexere Architektur.
• SIL 2 (IEC 62061): Gleichwertige Prozesssicherheitsanforderung. Standard für die meisten industriellen Anwendungen.
• SIL 3: Höhere Anforderungen an die Prozesssicherheit. Weniger verbreitet in der Robotik.
• Leistungsstufe d (ISO 13849): Gleichwertige allgemeine Sicherheitsanforderung. Standard für kollaborative Roboter.
• Leistungsstufe e: Höchste Sicherheitsanforderungen. Standard bei anspruchsvollsten Anwendungen.

Validierungsanforderungen für Sicherheitsarchitektur

Die Zuverlässigkeit hängt von der Einhaltung der in die Leiterplatte integrierten Toleranzen ab: Kupferbreite, Isolationsabstand, Wärmeableitung, Steckverbinderbefestigung, Bauteilreduzierung und Inspektionsabdeckung. Die Fertigung sollte diese Merkmale überprüfen, anstatt die Leiterplatte als generische Baugruppe mit einem allgemeinen Gut/Schlecht-Test zu behandeln.

Die Wartungsfreundlichkeit sollte durch beschriftete Anschlüsse, leicht zugängliche Testpunkte, eindeutige Platinenvarianten und die Nachverfolgung der Seriennummern gewährleistet werden. Wenn ein Roboter im Einsatz ausfällt, ermöglicht eine gute Diagnose auf Platinenebene dem Serviceteam, das Problem schnell zu isolieren, anstatt große Baugruppen auszutauschen oder den gesamten Roboter zurückzusenden.

Grundsätzlich gilt: Wählen Sie die einfachste Konstruktion, die dennoch die Anforderungen an Signalgebung, Sicherheit, Wärmeentwicklung und Mechanik erfüllt. Eine Überdimensionierung erhöht die Kosten, während eine Unterdimensionierung Nacharbeiten bei Tests oder im Feldeinsatz verursacht.

Digitale Eingangsverarbeitung für industrielle Signale

Wichtige Designentscheidungen für die digitale Eingangsverarbeitung industrieller Signale

Die digitale Eingangsverarbeitung auf industriellen I/O-Karten ist auf die Anforderungen industrieller Eingangsumgebungen zugeschnitten. Die wichtigsten Aspekte sind:

• Spannungstoleranz: Industrielle digitale Signale, typischerweise 24 V DC. Die Platine ist für einen weiten Spannungsbereich und umgekehrte Polarität ausgelegt.
• Strombegrenzung: Der Eingangsstrom ist begrenzt, um Schäden durch Verdrahtungsfehler zu vermeiden. Standardmäßige Optokoppler-Eingänge mit typischen 10 mA.
• Filterung: Die Eingangsfilterung unterdrückt Rauschen und kurze Störungen. Die Filterzeitkonstante wird für das jeweilige Eingangssignal gewählt.
• Isolationswerte: Optische Trennung zwischen Feldverdrahtung und Steuerelektronik. Standard für industrielle sicherheitsrelevante Eingänge.
• Testfähigkeit: Eingangszustandsprüfung über Testpfade. Standard für sicherheitsrelevante Eingänge.
• Drahtbrucherkennung: Einige Eingänge erkennen Kabelbrüche als Fehler. Ermöglicht die Diagnose von Kabelfehlern.

Fertigungs- und Zuverlässigkeitsaspekte

Der Umfang der Tests skaliert mit den Zuverlässigkeitsanforderungen. Anwendungen für Endverbraucher benötigen einen geringeren Umfang als industrielle Anwendungen, industrielle Anwendungen einen geringeren als medizinische Anwendungen und medizinische Anwendungen einen geringeren als sicherheitskritische Anwendungen. Die Anpassung des Testumfangs an die tatsächlichen Anforderungen schont das Kostenbudget und gewährleistet gleichzeitig die für die Anwendung notwendige Zuverlässigkeit.

Die Fertigungsdokumentation wird in der Designphase oft vernachlässigt und ist nachträglich teuer zu erstellen. Einzelstückprüfprotokolle, die während der Produktion erfasst werden, unterstützen Felduntersuchungen Jahre später; die Chargenrückverfolgbarkeit von Komponenten ermöglicht die Analyse von Retouren aus dem Feld. Programme, die die Dokumentation frühzeitig planen, verfügen über die benötigten Aufzeichnungen; Programme, die die Dokumentation später hinzufügen, verlieren oft die gewünschten Daten.

Digitalausgang zur Ansteuerung externer Geräte

Wichtige Designentscheidungen für digitale Ausgänge zur Ansteuerung externer Geräte

Digitale Ausgangssignale steuern externe Geräte wie Relais, Schütze, Anzeigegeräte und Sicherheitsaktoren. Dabei sind folgende Punkte zu beachten:

• Aktuelle Leistungsfähigkeit: Der Ausgangsstrom ist auf die angeschlossene Last ausgelegt. Typischerweise 100 mA bis 2 A pro Ausgang; höhere Ströme über externe Schütze.
• Spannungsbegrenzung: Freilaufdioden bei induktiven Lasten. Standard für Relais- und Magnetantriebe.
• Isolationswerte: Optische oder magnetische Trennung zwischen Steuerelektronik und Feldverdrahtung. Standard bei sicherheitsrelevanten Ausgängen.
• Diagnostische Abdeckung: Ausgabestatus wird mit dem Befehl verglichen. Fehlererkennung bei hängenden Ausgängen.
• Testimpulse: Regelmäßige Testimpulse an den Sicherheitsausgängen überprüfen die Funktion des Ausgangspfads. Die Last muss die Testimpulse verarbeiten können.
• Kurzschlussschutz: Ausgangsschutz gegen Kurzschlüsse. Automatische Wiederherstellung nach Fehlerbehebung.

Fertigungs- und Zuverlässigkeitsaspekte

Die Transparenz der Lieferkette während der Produktion beeinflusst sowohl Kosten als auch Zuverlässigkeit. Hersteller mit aktiver Beschaffungskompetenz können Engpässe abfangen, die andernfalls zu Produktionsausfällen führen würden; Hersteller ohne aktive Beschaffungskompetenz geben Lieferengpässe an ihre Kunden weiter. Der Nutzen aktiver Beschaffung ist bei branchenweiten Engpässen am höchsten und bei stabiler Versorgungslage am niedrigsten.

Iterationszyklen im Designprozess profitieren von einem engen Feedback zwischen Design und Fertigung. Ein Fertigungspartner, der zeitnahes DFM-Feedback liefert, ermöglicht schnelle Iterationen; ein Partner mit langsamem oder oberflächlichem Feedback verlangsamt den Iterationsprozess entsprechend. Projekte, die Fertigungspartner unter anderem nach der Qualität des Feedbacks auswählen, durchlaufen die Prototypenphase in der Regel schneller als Projekte, die sich ausschließlich am günstigsten Angebot orientieren.

Analoge Ein-/Ausgänge für Prozesssteuerung und Messung

Wichtige Designentscheidungen für analoge Ein-/Ausgänge zur Prozesssteuerung und Messung

Analoge Ein-/Ausgänge erweitern die digitalen Ein-/Ausgänge um Mess- und analoge Steuerungsmöglichkeiten. Sie werden häufig in der Prozesssteuerung und in Spezialanwendungen eingesetzt. Die wichtigsten Aspekte sind:

• 4-20 mA Stromschleife: Standardmäßige industrielle Analogschaltung. Schleifenstrom proportional zum Signal. Geeignet für lange Kabelstrecken mit guter Störfestigkeit.
• 0-10 V Spannung: Standardmäßige industrielle Analogspannung. Kürzere Kabelwege als bei Stromschleifen.
• Thermoelement: Spezielle analoge Schnittstelle für Temperaturmessung. Kaltstellenkompensation und Linearisierung.
• FTE: Temperaturmessung mit Platin-Widerstandsthermometern. Präzise Temperaturmessung.
• Analogausgang: Strom- oder Spannungsausgang zur Ansteuerung externer Geräte. Standard-Steuerschnittstelle.
• Isolationswerte: Galvanische Trennung an analogen Schnittstellen. Standard für industrielle Anwendungen.

Fertigungs- und Zuverlässigkeitsaspekte

Die Wirtschaftlichkeit verschiedener Produktionsvolumina beeinflusst die Wahl der richtigen Prozesse in unterschiedlichen Produktionsgrößen. Verfahren, die sich bei 100,000 Einheiten pro Jahr amortisieren, sind selten schon bei 500 Einheiten rentabel; Verfahren, die bei Prototypen sinnvoll sind, erweisen sich bei hohen Stückzahlen selten als sinnvoll. Die Anpassung des Fertigungsansatzes an das tatsächliche Produktionsvolumen ist entscheidend für die wirtschaftliche Rentabilität jedes Produktionsvolumens.

Die Anforderungen an die behördliche Zertifizierung variieren je nach Anwendung und Markt erheblich. Die von Kunden einzureichenden Nachweise aus der Fertigung können von minimal (Konsumgüter in unregulierten Märkten) bis umfangreich (Medizinprodukte mit kurzen Aufbewahrungsfristen) reichen. Programme, die Zertifizierungsanforderungen bereits bei der Angebotserstellung festlegen, gewährleisten eine korrekte Einrichtung der Fertigung; Programme, die Zertifizierungsanforderungen später hinzufügen, erfordern mitunter Prozessanpassungen.

Eine diagnostische Abdeckung ist nur dann sinnvoll, wenn sie durch eine dokumentierte Funktionstestverfahren und kommunizierten über eine zuverlässige Verbindung Roboterschnittstellenplatine.

Diagnoseabdeckung und Fehlererkennung

Sicherheitsfunktionsanforderungen

Die Diagnose- und Testfunktionen von Sicherheits-I/O-Karten unterscheiden diese von herkömmlichen I/O-Karten. Die wichtigsten Diagnosefunktionen sind:

• Querüberwachung: Jeder Sicherheitskanal überwacht den anderen. Abweichungen deuten auf einen Fehler hin.
• Testimpulse: Regelmäßige Testimpulse durch die Sicherheitskette. Fehlende Impulse deuten auf einen Fehler hin.
• Feedback-Verifizierung: Sollwert mit Messwert verglichen. Die Differenz deutet auf einen Fehler hin.
• Selbsttest beim Start: Die Integrität der Sicherheitskette wurde vor dem Betrieb überprüft. Ein Anlauffehler verhindert einen unsicheren Betrieb.
• Regelmäßige Funktionsprüfung: Einige Sicherheitsfunktionen erfordern regelmäßige Funktionsprüfungen. Dadurch werden Fehler aufgedeckt, die von automatischen Diagnosen übersehen werden.
• Fehlerreaktion: Definiertes Verhalten bei Fehlererkennung. Sofortiger sicherer Zustand; Alarmierung des Vorgesetzten; Eintrag im Fehlerprotokoll.

Nachweise, Diagnostik und Rückverfolgbarkeit

Die gebündelte Produktion bei einem einzigen Fertigungspartner sichert das über Produktgenerationen hinweg angesammelte institutionelle Wissen. Ein Partner, der bereits mehrere Generationen ähnlicher Produkte hergestellt hat, kennt die spezifischen Probleme, die auftreten, die Prozessoptimierungen zur Ertragssteigerung und die bewährten Konstruktionsmuster. Dieses Wissen lässt sich nicht ohne Kosten auf neue Partner übertragen.

Der kontinuierliche Dialog zwischen Entwicklung und Fertigung verbessert langfristig sowohl die Produkte als auch die Lieferantenbeziehung. Die an die Entwicklung zurückgemeldeten Ausbeutedaten tragen zur Designoptimierung bei; die aus dem Feld zurückgemeldeten Daten ermöglichen Verbesserungen in Design und Fertigung. Programme, in denen dieser Dialog aktiv gepflegt wird, verbessern sich über Produktgenerationen hinweg.

Für angrenzende Gestaltungsentscheidungen siehe Leitfaden zur Roboterkommunikation auf Leiterplatten, Isolation und EMV und der Leitfaden zur sicheren Architektur von Leiterplatten für Industrieroboter.

Fertigung von Sicherheits-I/O-Leiterplatten bei Highleap

DFM-Prüfung vor der Produktion

Highleap fertigt Sicherheits-I/O-Karten, die die für sicherheitszertifizierte Produkte erforderliche Prozessdisziplin gewährleisten. Zu den spezifischen Funktionen gehören:

• Zertifizierte Komponentenbeschaffung: Sicherheitsgeprüfte Komponenten aus autorisiertem Vertrieb mit Chargenrückverfolgbarkeit.
• Montage aus Sicherheitsgründen: Besonderes Augenmerk gilt den Komponenten, die Sicherheitsfunktionen implementieren. Überprüfung und Inspektion der Platzierung.
• Funktionstest: Überprüfung der Sicherheitskette während des Produktionstests. Fehlereinspeisungstests bestätigen das sichere Verhalten.
• Sicherheitsprüfung pro Einheit: Sicherheitsfunktionen pro Einheit geprüft; Testdaten zur Rückverfolgbarkeit erfasst.
• Dokumentation: Fertigungsdokumentation zur Unterstützung der Kundenzertifizierung. Erstmusterprüfung mit Fokus auf Sicherheit.
• Isolationsprüfung: Isolationsprüfung zwischen Feldseite und Steuerseite pro Einheit.

Test, Rückverfolgbarkeit und Build-Übergabe

Die Fertigungsprozesse in der Robotik vereinen Methoden aus verschiedenen traditionellen Elektronikbereichen: Kostendisziplin und Serienfertigung aus der Unterhaltungselektronik, Zuverlässigkeitstechnik und lange Lebensdauer aus der Industrieelektronik, Vibrations- und Umweltverträglichkeit aus der Automobilelektronik sowie Dokumentation und Rückverfolgbarkeit aus der Medizintechnik. Die Robotik profitiert von dieser Kombination.

Programme, die die Fertigung als strategische Komponente betrachten – Investitionen in Lieferantenbeziehungen, Austausch von Prognoseinformationen, Kapazitätskoordination – erzielen in der Regel bessere Ergebnisse als Programme, die die Fertigung transaktionsorientiert angehen. Der transaktionsorientierte Ansatz spart zwar Verhandlungszeit, verzichtet aber auf die langfristigen Vorteile einer partnerschaftlichen Zusammenarbeit mit Lieferanten.

Häufig gestellte Fragen zu Roboter-I/O- und Sicherheitsschnittstellen-Leiterplatten

Was ist eine Roboter-I/O- und Sicherheitsschnittstellen-Leiterplatte?

Es handelt sich um die Platine, die einen Roboter mit externen Ein- und Ausgängen sowie Sicherheitseinrichtungen wie Not-Aus-Schaltern, Lichtvorhängen, Sicherheitsscannern, Verriegelungen und Industriesensoren verbindet. Sie kann isolierte digitale Ein-/Ausgänge, redundante Sicherheitskanäle, Diagnoseschaltungen, Ausgangstreiber und die Kommunikation mit der Hauptsteuerung oder der Sicherheitssteuerung umfassen.

Worin besteht der Unterschied zwischen Standard-E/A und Sicherheits-E/A?

Standard-E/A meldet und steuert normale Maschinensignale. Sicherheits-E/A ist so ausgelegt, dass Fehler erkannt und das System in einen sicheren Zustand versetzt wird. Sicherheits-E/A nutzt häufig Redundanz, gegenseitige Überwachung, Testimpulse, zertifizierte Komponenten, bekannte Fehlermodusanalysen und eine auf das erforderliche Leistungsniveau oder SIL-Ziel abgestimmte Dokumentation.

In welchem ​​Zusammenhang stehen PL und SIL mit sicherheitstechnischen Leiterplatten für Roboter?

Die Leistungsstufen (Performance Level, PL) nach ISO 13849 und die Sicherheitsintegritätsstufen (Safety Integrity Level, SIL) nach IEC 62061 beschreiben die erforderliche Risikominderung für Sicherheitsfunktionen. Die Leiterplatte allein erreicht weder PL noch SIL; die vollständige Sicherheitsfunktion umfasst Sensoren, Logik, Ausgänge, Verdrahtung, Diagnosefunktionen, Software und Validierung. Die Leiterplatte muss die Zielarchitektur und die Nachweisanforderungen erfüllen.

Warum werden Zweikanal-Not-Aus-Schaltungen verwendet?

Zweikanalige Not-Aus-Schaltungen ermöglichen es dem System, einzelne Fehler wie Kabelbrüche, verschweißte Kontakte oder Kurzschlüsse zwischen den Kanälen zu erkennen. Die beiden Kanäle werden auf Übereinstimmung und Timing überwacht. Bei Abweichungen oder Fehlern in der Diagnose sollte die Sicherheitssteuerung einen sicheren Stopp auslösen, anstatt sich auf ein einzelnes Signal zu verlassen.

Wann sollte die Roboter-E/A galvanisch getrennt sein?

Eine galvanische Trennung wird empfohlen, wenn die Feldverdrahtung das Gehäuse verlässt, an Industrieanlagen angeschlossen wird, unterschiedliche Masseanschlüsse verwendet oder transiente Spannungen übertragen kann. Sie schützt die Steuerelektronik vor Spannungsspitzen und Erdschleifen. Sicherheitsrelevante Signale werden häufig galvanisch getrennt und zusätzlich diagnostisch überwacht, um elektrische Fehler zu erkennen und nicht zu verbergen.

Was sind diagnostische Testimpulse in Sicherheits-E/A?

Diagnosetestimpulse sind kurze Signale, die bestätigen, dass ein Eingangs- oder Ausgangskanal noch angeschlossen und nicht kurzgeschlossen oder blockiert ist. Die Sicherheitssteuerung erwartet eine definierte Reaktion. Fehlende, verzögerte oder unerwartete Impulse können auf Verdrahtungsfehler, Bauteilausfälle oder Kurzschlüsse zwischen Kanälen hinweisen, die eine Reaktion im sicheren Zustand erfordern.

Wie sollten sicherheitsrelevante I/O-Leiterplatten in der Produktion getestet werden?

Die Produktionsprüfung sollte Eingangsschwellenwerte, die spezifizierte Isolation, die Ausgangstreiberfähigkeit, das Kurzschlussverhalten, Diagnoseimpulse, die Kanalabweichungserkennung, die Kommunikation, die Firmware-Programmierung und das Verhalten im sicheren Zustand überprüfen. Die Prüfprotokolle sollten der Seriennummer zugeordnet werden, da sicherheitsrelevante Platinen bei Audits oder Felduntersuchungen häufig eine Rückverfolgbarkeit erfordern.

Welche Dokumentation wird für Robotersicherheitsschnittstellenplatinen benötigt?

Die Dokumentation umfasst üblicherweise Schaltpläne, Leiterplattendateien, Stücklisten mit zugelassenen Sicherheitskomponenten, Isolationskennwerte, Beschreibungen der Sicherheitsfunktionen, Annahmen zum Diagnoseumfang, Testplan, Produktionsprüfprotokolle, Firmware-Version, Änderungsdokumentation und Rückverfolgbarkeitsdaten. Zertifizierungsstellen und Endkunden können diese Nachweise für die vollständige Maschinensicherheitsdokumentation verlangen.

Senden Sie die PCB-Dateien für die Robotersicherheitsschnittstelle zur DFM- und Testprüfung.