Robotin I/O- ja turvaliitäntäpiirilevy hätäpysäytykselle, eristetty I/O, PL ja SIL

Robotin I/O- ja turvaliitäntäpiirilevyt yhdistävät robotin hätäpysäyttimiin, valoverhoihin, turvaskannereihin, aktivointikytkimiin, lukituksiin, teollisuusantureihin, toimilaitteisiin ja ulkoisiin ohjausjärjestelmiin. Nämä piirilevyt toteuttavat usein laitteistopolut, jotka asettavat robotin turvalliseen tilaan, kun ohjelmisto, kenttäjohdotus tai liitetty laite vikaantuu.

Tässä oppaassa käsitellään turva-I/O-kortteja alan aiheena: kaksikanavainen arkkitehtuuri, PL- ja SIL-kohteet, eristetyt teollisuustulot, lähtöohjaimet, analoginen I/O, diagnostiset testipulssit, vianmääritys, dokumentointi ja tuotantotestaus. Usein kysytyt kysymykset on muotoiltu uudelleen sen mukaan, mitä insinöörit ja ostajat normaalisti kysyvät ennen turvallisuuteen liittyvän robottielektroniikan rakentamista.

Mitä robotin turvallisuus-I/O-piirilevyt todellisuudessa tekevät

Rooli robottijärjestelmässä

Robotin I/O- ja turvaliitäntäpiirilevyt käsittelevät robotin ja sen ympäristön välistä yhteyttä – ulkoisia hätäpysäyttimiä, turvaverhoja, valopuomeja, teollisuus-I/O:ta, digitaalisia tuloja ja lähtöjä. Näiden piirilevyjen erityispiirre on se, että ne sisältävät robotin turvallisuusarkkitehtuurin – laitteistopolut, jotka takaavat turvallisen toiminnan myös korkeamman tason ohjelmistojen vikaantuessa. Turva-I/O-korttien erityispiirteitä ovat:

• Kaksikanavainen redundanssi: Turvallisuuteen liittyvät signaalit reititetään kahden toisistaan ​​riippumattoman kanavan kautta. Poikkeamien havaitseminen varmistaa, että molemmat kanavat ovat samaa mieltä.
• Ristiseuranta: Kumpikin kanava valvoo toista. Kummankin kanavan vika havaitaan nopeasti.
• Diagnostiset testipulssit: Säännölliset testipulssit varmistavat turvaketjun toiminnan. Pulssien puuttuminen osoittaa vikaa.
• Eristetyt tulot ja lähdöt: galvaaninen erotus kenttäjohdotuksen ja ohjauselektroniikan välillä. Suojaa ohjauspuolta kenttäpuolen transienteilta.
• Sertifioidut komponentit: Turvallisuusluokitellut komponentit, joilla on määritellyt vikaantumistilat ja diagnostiikka. Täyttää ISO 13849- tai IEC 62061 -standardin vaatimukset.
• Vikasietoiset oletusasetukset: Signaalin menetys, virrankatkos tai vika johtavat turvalliseen tilaan. Älä koskaan vikaannu vaarallisessa tilassa.

Suunnittelun riskit hallittavaksi

Turva-I/O-piirilevyjen valmistettavuuden määrittäminen tulisi tehdä ennen liittimien sijoittelun, kotelon sovituksen, kiinnittimien käytön, lämpöreitit ja johtosarjan reitityksen jäädyttämistä. Näiden yksityiskohtien myöhäiset muutokset johtavat yleensä mekaaniseen uudelleentyöstöön, testikiinnittimien uudelleensuunnitteluun tai luotettavuuden heikkenemiseen, jotka olisi voitu välttää varhaisella DFM-tarkistuksella.

Komponenttien valinnassa tulisi ottaa huomioon elinkaaren tila, hyväksytyt vaihtoehdot, pakkausten saatavuus, lämpötilaluokitus sekä tarvittaessa turvallisuus- tai eristysluokitukset. Turva-I/O-piirilevyt pysyvät usein tuotannossa tai käytössä pidempään kuin kuluttajaelektroniikka, joten ratkaisemattomasta hankintariskistä tulee kenttätukiongelma, ei pelkästään hankintaongelma.

Järjestelmätasolla piirilevy tulisi määrittää toiminnon, ympäristön, käyttöiän ja testien kattavuuden perusteella pelkän kytkentäkaavion sijaan. Tämä estää yleisen virheen, jossa rakennetaan teknisesti oikea piirilevy, jota on vaikea kiinnittää, jota on vaikea huoltaa tai joka ei ole riittävän kestävä robottiin asennettuna.

Turvallisuusarkkitehtuuri on tarkistettava robotin pääohjauselektroniikan ja säänneltyjen järjestelmien lääketieteellisen robotiikan piirilevypaketin kanssa.

Turvallisuusarkkitehtuuri: ISO 13849, IEC 62061, PL, SIL

Turvallisuusarkkitehtuurin arkkitehtuurivalinnat

Robottien I/O-korttien turva-arkkitehtuuri toteuttaa tyypillisesti jonkin vakiomuotoisista turvamalleista. Päämallit ovat:

• Luokka 3 (ISO 13849): Yksittäisvian sieto. Standardi useimmille teollisuusrobotiikan turvatoiminnoille.
• Luokka 4: viat havaitaan ennen seuraavaa vaatimusta. Korkeampi vaatimus; monimutkaisempi arkkitehtuuri.
• SIL 2 (IEC 62061): vastaava prosessiturvallisuusvaatimus. Standardi useimmille teollisille sovelluksille.
• SIL 3: korkeampi prosessiturvallisuusvaatimus. Harvinaisempi robotiikassa.
• Suorituskykytaso d (ISO 13849): vastaava yleinen turvallisuusvaatimus. Standardi yhteistyöroboteille.
• Suorituskykytaso e: Korkein turvallisuusvaatimus. Vakiona vaativimmissa sovelluksissa.

Turvallisuusarkkitehtuurin validointivaatimukset

Luotettavuus riippuu piirilevyyn suunniteltujen marginaalien säilyttämisestä: kuparin leveys, eristysvälit, lämpöpoisto, liittimien kiinnitys, komponenttien kuormituksen alentaminen ja tarkastusten kattavuus. Valmistajan tulisi varmistaa nämä ominaisuudet sen sijaan, että piirilevyä käsiteltäisiin yleisenä kokoonpanona, jolla olisi yleinen läpäisy-/hylkäystesti.

Huollettavuus tulisi varmistaa merkitsemällä liittimet, helposti saavutettavissa olevilla testipisteillä, selkeillä piirilevyversioilla ja sarjanumeron seurannalla. Kun robotti vikaantuu kentällä, hyvä piirilevytason diagnostiikka antaa huoltotiimille mahdollisuuden eristää ongelma nopeasti sen sijaan, että vaihdettaisiin suuria kokoonpanoja tai palautettaisiin koko robotti.

Käytännön sääntönä on valita yksinkertaisin rakenne, joka silti täyttää signaali-, turvallisuus-, lämpö- ja mekaaniset vaatimukset. Ylispesifikaatiot nostavat kustannuksia, kun taas alispesifikaatiot aiheuttavat uudelleentyöstöä testin tai kenttäkäyttöönoton aikana.

Digitaalitulojen käsittely teollisuussignaaleille

Teollisuussignaalien digitaalitulojen käsittelyn keskeiset suunnitteluvalinnat

Teollisuuden I/O-korttien digitaalitulojen käsittely vastaa teollisen tuloympäristön tarpeisiin. Tärkeimmät huomioon otettavat seikat ovat:

• Jännitteen toleranssi: Teollisuuden digitaaliset signaalit, tyypillisesti 24 V DC. Levy sietää laajan jännitealueen ja käänteisen napaisuuden.
• Nykyinen rajoitus: Tulovirta on rajoitettu johdotusvikojen aiheuttamien vaurioiden estämiseksi. Vakiomalliset optoisolaattoritulot, tyypillinen virta 10 mA.
• Suodatus: Tulosuodatus hylkää kohinan ja lyhyet häiriöt. Suodattimen aikavakio valitaan tietylle tulosignaalille.
• Eristäminen: Optinen eristys kenttäjohdotuksen ja ohjauselektroniikan välillä. Standardi teollisuuden turvallisuuteen liittyville tuloille.
• Testauskyky: Tulotilan varmennus testipolkujen kautta. Standardi turvallisuuteen liittyville tuloille.
• Johtimen katkeamisen tunnistus: Jotkin tulot havaitsevat katkenneen johdotuksen vikana. Mahdollistaa kaapelivikojen diagnostiikan.

Valmistus- ja luotettavuusnäkökohdat

Testien kattavuus skaalautuu luotettavuusvaatimusten mukaan. Kuluttajasovellukset tarvitsevat vähemmän kattavuutta kuin teollisuussovellukset; teollisuussovellukset vähemmän kuin lääketieteelliset sovellukset; lääketieteelliset sovellukset vähemmän kuin turvallisuuskriittiset sovellukset. Testien kattavuuden sovittaminen yhteen todellisen tarpeen kanssa säästää kustannuksia ja tarjoaa samalla sovelluksen tarvitseman varmuuden.

Valmistusdokumentaatioon investoidaan usein liian vähän suunnitteluvaiheessa, ja sen laatiminen jälkikäteen on kallista. Tuotannon aikana kerätyt yksikkökohtaiset testitiedot tukevat kenttätutkimuksia vuosia myöhemmin; komponentti-erien jäljitettävyys tukee kenttäpalautusten jälkianalyysia. Ohjelmilla, jotka suunnittelevat dokumentaation varhaisessa vaiheessa, on tarvittavat tiedot; ohjelmilla, jotka lisäävät dokumentaation myöhemmin, menetetään usein tiedot, jotka ne olisivat halunneet.

Digitaalinen lähtö ulkoisten laitteiden ohjaamiseen

Ulkoisia laitteita ohjaavan digitaalisen lähdön keskeiset suunnitteluvalinnat

Digitaalinen lähtöjen käsittely ohjaa ulkoisia laitteita — releitä, kontaktoreita, ilmaisimia ja turvatoimilaitteita. Tärkeimmät huomioon otettavat seikat ovat:

• Nykyinen kapasiteetti: Lähtövirta mitoitettu kytketylle kuormalle. Tyypillisesti 100 mA - 2 A lähtöä kohden; suuremmat virrat ulkoisten kontaktorien kautta.
• Jännitteen lukitus: Vapaakäynnistysdiodit induktiivisilla kuormilla. Standardi rele- ja solenoidikäyttöisille käytöille.
• Eristäminen: Optinen tai magneettinen eristys ohjauselektroniikan ja kenttäjohdotuksen välillä. Vakiona turvallisuuteen liittyvissä lähdöissä.
• Diagnostinen kattavuus: Lähtötilan luku verrattuna komentoon. Jumiutuneiden lähtöjen vianmääritys.
• Testipulssit: Turvaulostulojen säännölliset testipulssit varmistavat lähtöreitin toiminnan. Kuorman on käsiteltävä testipulsseja.
• Oikosulkusuojaus: Lähtösuojaus johdotuksen oikosuluilta. Automaattinen palautus vian poistuttua.

Valmistus- ja luotettavuusnäkökohdat

Toimitusketjun näkyvyys tuotannon aikana vaikuttaa sekä kustannuksiin että luotettavuuteen. Aktiivisen hankintakyvyn omaavat valmistajat ottavat vastaan ​​​​allokaatiosyklejä, jotka muuten aiheuttaisivat tuotannon seisokkeja; valmistajat, joilla ei ole aktiivista hankintaa, siirtävät toimitusongelmat asiakkaille. Aktiivisen hankinnan arvo on suurin toimialanlaajuisten pulatilanteiden aikana ja pienin vakaiden toimitusolosuhteiden aikana.

Suunnittelun iteraatiosyklit hyötyvät tiiviistä suunnittelun ja valmistuksen välisestä palautteesta. Valmistuskumppani, joka antaa nopeaa DFM-palautetta, mahdollistaa nopean iteraation; kumppani, joka antaa hidasta tai pinnallista palautetta, hidastaa iteraatiota suhteellisesti. Ohjelmat, jotka valitsevat valmistuskumppanit osittain palautteen laadun perusteella, etenevät tyypillisesti prototyyppivaiheen läpi nopeammin kuin ohjelmat, jotka valitsevat pelkästään halvimman tarjouksen perusteella.

Analoginen I/O prosessinohjaukseen ja mittaukseen

Analogisten tulojen/lähtöjen keskeiset suunnitteluvalinnat prosessinohjauksessa ja mittauksessa

Analoginen I/O laajentaa digitaalista I/O:ta mittauksella ja analogisella ohjauksella. Yleistä prosessinohjauksessa ja erikoissovelluksissa. Tärkeimmät huomioon otettavat asiat ovat:

• 4-20 mA:n virtasilmukka: Standardi teollisuusanalogi. Silmukkavirta verrannollinen signaaliin. Kestää pitkiä kaapelivetoja ja tarjoaa hyvän kohinanvaimennuksen.
• 0–10 V:n jännite: standardi teollisuusjännite. Lyhyemmät kaapelit kuin virtasilmukat.
• termoelementin: Erityinen analoginen liitäntä lämpötilalle. Kylmäpisteen kompensointi ja linearisointi.
• TTK: platinaresistanssin lämpötilan mittaus. Tarkka lämpötilan mittaus.
• Analoginen lähtö: ulkoisia laitteita ohjaava virta- tai jännitelähtö. Vakio-ohjausliitäntä.
• Eristäminen: galvaaninen erotus analogisissa liitännöissä. Standardi teollisuussovelluksissa.

Valmistus- ja luotettavuusnäkökohdat

Määräluokkien talousnäkökulmat vaikuttavat oikeisiin prosessivalintoihin eri tavoin eri tuotantotasoilla. Käytännöt, jotka maksavat itsensä takaisin 100 000 yksiköllä vuodessa, maksavat harvoin itsensä takaisin 500 yksiköllä; käytännöt, jotka ovat järkeviä prototyypin valmistuksessa, ovat harvoin järkeviä suurilla volyymeilla. Valmistusmenetelmän sovittaminen todelliseen tuotantomäärään tekee kustakin määräluokasta taloudellisesti kannattavan.

Sääntelyyn perustuvat sertifiointivelvoitteet vaihtelevat huomattavasti sovelluksen ja markkinan mukaan. Asiakkaiden toimituksia tukeva valmistustodisteet voivat vaihdella minimaalisista (kuluttajatuotteet sääntelemättömillä markkinoilla) laajoihin (lääkinnälliset laitteet, joilla on tiukat säilytysajat). Ohjelmat, jotka määrittävät sertifiointivaatimukset tarjousvaiheessa, varmistavat valmistuksen oikean käynnin; ohjelmat, jotka lisäävät sertifiointivaatimuksia myöhemmin, vaativat joskus prosessimuutoksia.

Diagnostiikka on merkityksellistä vain, kun sitä tukee dokumentoitu toiminnallinen testausmenettely ja tiedot välitetään luotettavan robotin liitäntäkortin kautta.

Diagnostiikka ja vianmääritys

Turvallisuustoimintojen vaatimukset

Turva-I/O-korttien diagnostiikka- ja testausominaisuudet erottavat turvaluokitellut I/O-kortit tavallisista I/O-korteista. Tärkeimmät diagnostiikkaominaisuudet ovat:

• Ristiseuranta: Jokainen turvakanava valvoo toista. Poikkeama osoittaa vikaa.
• Testipulssit: säännöllisiä testipulsseja turvaketjun läpi. Puuttuvat pulssit osoittavat vikaa.
• Palautteen vahvistus: käskettyä lähtöä verrataan mitattuun lähtöön. Ero osoittaa vikaa.
• Itsetestaus käynnistyksen yhteydessä: Turvaketjun eheys on tarkistettu ennen käyttöä. Käynnistysvika estää vaarallisen käytön.
• Säännöllinen kestotesti: Jotkin turvatoiminnot vaativat säännöllisiä täydellisiä testauksia. Paljastaa viat, jotka automaattinen diagnostiikka ei havaitse.
• Vikareaktio: Määritelty toiminta vian havaitsemisen yhteydessä. Välitön turvallinen tila; hälytys esimiehelle; vikalokin merkintä.

Todisteet, diagnostiikka ja jäljitettävyys

Yhden valmistuskumppanin keskitetty tuotanto säilyttää tuotesukupolvien aikana kertyvän institutionaalisen tiedon. Useita samanlaisten tuotteiden sukupolvia rakentanut kumppani tuntee esiin nousevat erityisongelmat, tuottavuutta parantavat prosessimuutokset ja hyvin valmistavat suunnittelumallit. Tämä tieto ei siirry uusille kumppaneille ilman kustannuksia.

Jatkuva suunnittelun ja valmistuksen välinen vuoropuhelu parantaa sekä tuotteiden että toimittajan suhdetta ajan myötä. Suunnitteluun takaisin virtaava tuottodata ohjaa suunnittelun hienosäätöä; kenttäpalautedata puolestaan ​​ohjaa sekä suunnittelun että valmistuksen parannuksia. Ohjelmat, joissa tämä vuoropuhelu on aktiivista, paranevat tuotesukupolvien välillä.

Katso lisätietoja suunnittelupäätöksistä robotin tietoliikennepiirilevyn eristämisen ja EMC:n oppaasta sekä teollisuusrobottien piirilevyn turvallisuusarkkitehtuurioppaasta.

Turvallisuus-I/O-piirilevyjen valmistus Highleapilla

DFM-tarkistus ennen tuotantoa

Highleap valmistaa turva-I/O-kortteja prosessien turvallisuusluokiteltujen tuotteiden vaatimusten mukaisesti. Erityisominaisuuksiin kuuluvat:

• Sertifioitu komponenttien hankinta: Turvallisuusluokitellut komponentit valtuutetulta jakelijalta, erän jäljitettävyys.
• Kokoaminen turvallisuuden takaamiseksi: erityistä huomiota turvallisuustoimintoja toteuttaviin komponentteihin. Sijoittelun varmennus ja tarkastus.
• Toiminnallinen testi: Turvaketjun varmennus tuotantotestin aikana. Vikainjektiotestit varmistavat turvallisen toiminnan.
• Yksikkökohtainen turvallisuustarkastus: yksikkökohtaisesti varmistetut turvatoiminnot; testitiedot kerätty jäljitettävyyttä varten.
• Dokumentaatio: valmistustiedot asiakkaiden sertifiointihakemusten tueksi. Ensimmäisen artikkelin tarkastus turvallisuuteen keskittyen.
• Eristyksen varmennus: Eristystestaus kenttäpuolen ja ohjauspuolen välillä yksikköä kohden.

Testaus, jäljitettävyys ja koontiversion luovutus

Robotiikan valmistusprosessien kurinalaisuus yhdistää käytäntöjä useista perinteisistä elektroniikan kategorioista. Kulutuselektroniikasta – kustannuskuri ja volyymituotanto. Teollisuuselektroniikasta – luotettavuussuunnittelu ja pitkä käyttöikä. Autoelektroniikasta – tärinä- ja ympäristönsietokyky. Lääketieteellisestä elektroniikasta – dokumentointi ja jäljitettävyys. Robotiikka hyötyy näiden yhdistämisestä.

Valmistusta strategisesti käsittelevät ohjelmat – kuten toimittajasuhteisiin investoiminen, ennustetietojen jakaminen ja kapasiteetin koordinointi – ovat tyypillisesti parempia kuin ohjelmat, jotka käsittelevät valmistusta transaktiopohjaisesti. Transaktiopohjainen lähestymistapa säästää neuvotteluaikaa, mutta menettää pitkäaikaisen toimittajakumppanuuden korkohyödyt.

Robotin I/O- ja turvaliitäntäpiirilevyn usein kysytyt kysymykset

Mikä on robotin I/O- ja turvarajapinnan piirilevy?

Se on piirilevy, joka yhdistää robotin ulkoisiin tuloihin, lähtöihin ja turvalaitteisiin, kuten hätäpysäyttimiin, valoverhoihin, turvaskannereihin, lukituksiin ja teollisuusantureihin. Se voi sisältää erillisiä digitaalisia tuloja/lähtöjä, redundantteja turvakanavia, diagnostiikkapiirejä, lähtöohjaimia ja tiedonsiirron pääohjaimeen tai turvaohjaimeen.

Mitä eroa on vakio-I/O:lla ja turva-I/O:lla?

Vakio-I/O raportoi ja ohjaa normaaleja konesignaaleja. Turva-I/O on suunniteltu siten, että viat havaitaan ja järjestelmä siirtyy turvalliseen tilaan. Turva-I/O hyödyntää usein redundanssia, ristiinvalvontaa, testipulsseja, sertifioituja komponentteja, tunnettujen vikaantumistilojen analyysia ja dokumentaatiota, joka on linjassa vaaditun suorituskykytason tai SIL-tavoitteen kanssa.

Miten PL ja SIL liittyvät robottien turvallisuuspiirilevyihin?

ISO 13849 -standardin mukainen suorituskykytaso ja IEC 62061 -standardin mukainen turvallisuuden eheystaso kuvaavat turvatoimintojen vaadittavaa riskien vähentämistä. Piirilevy ei saavuta pelkästään PL- tai SIL-tasoa; täydellinen turvatoiminto sisältää anturit, logiikan, lähdöt, johdotuksen, diagnostiikan, ohjelmiston ja validoinnin. Piirilevyn on tuettava kohdearkkitehtuuria ja todistevaatimuksia.

Miksi käytetään kaksikanavaisia ​​hätäpysäytyspiirejä?

Kaksikanavaiset hätäpysäytyspiirit mahdollistavat järjestelmän yksittäisen vian havaitsemisen, kuten katkenneen johtimen, hitsautuneen kosketuksen tai kanavien välisen oikosulun. Kahden kanavan yhteensopivuutta ja ajoitusta valvotaan. Jos ne ovat ristiriidassa keskenään tai epäonnistuvat diagnostiikkatarkistuksissa, turvaohjaimen tulisi komentaa turvallinen pysäytys yksittäisen signaalin sijaan.

Milloin robotin I/O tulisi eristää galvaanisesti?

Eristystä suositellaan, kun kenttäjohdotus poistuu kotelosta, kytketään teollisuuslaitteisiin, käytetään eri maadoitusreferenssejä tai siinä voi olla transientteja. Se suojaa ohjauselektroniikkaa jännitepiikeiltä ja maadoitussilmukoilta. Turvallisuuteen liittyvissä signaaleissa käytetään usein eristystä ja diagnostista valvontaa, jotta sähköviat havaitaan piilottamisen sijaan.

Mitä ovat turva-I/O:n diagnostiset testipulssit?

Diagnostiset testipulssit ovat lyhyitä signaaleja, joita käytetään vahvistamaan, että tulo- tai lähtökanava on edelleen kytkettynä eikä oikosulussa tai jumissa. Turvaohjain odottaa tunnettua vastetta. Puuttuvat, viivästyneet tai odottamattomat pulssit voivat viitata johdotusvikoihin, komponenttivikaan tai kanavien välisiin oikosulkuun, jotka vaativat turvallisen tilan vasteen.

Miten turva-I/O-piirilevyjä tulisi testata tuotannossa?

Tuotantotestien tulisi varmistaa tulokynnykset, eristys tarvittaessa, lähtöohjaimen kyky, oikosulkuvasteet, diagnostiikkapulssit, kanavapoikkeamien tunnistus, tiedonsiirto, laiteohjelmiston ohjelmointi ja turvallisen tilan toiminta. Testitietojen tulisi vastata sarjanumeroa, koska turvallisuuteen liittyvät piirilevyt vaativat usein jäljitettävyyttä auditointien tai kenttätutkimusten aikana.

Mitä dokumentaatiota robottien turvallisuusliitäntäkorteille tarvitaan?

Dokumentaatio sisältää yleensä kaavioita, piirilevytiedostoja, hyväksyttyjen turvakomponenttien osaluettelon, eristysluokat, turvallisuustoimintojen kuvauksen, diagnostiikan kattavuusoletukset, testaussuunnitelman, tuotantotestien tiedot, laiteohjelmistoversion, muutoshallintatiedot ja jäljitettävyystiedot. Sertifiointielimet ja loppukäyttäjät saattavat vaatia näitä todisteita koneen täydellisen turvallisuustiedoston laatimiseksi.

Lähetä robotin turvaliitännän piirilevytiedostot DFM:ää ja testitarkastusta varten