Плата интерфейса ввода/вывода и безопасности робота для аварийной остановки, изолированного ввода/вывода, PL и SIL.

Платы ввода-вывода и интерфейса безопасности робота соединяют его с системами аварийной остановки, световыми завесами, сканерами безопасности, переключателями включения, блокировками, промышленными датчиками, исполнительными механизмами и внешними системами управления. Эти платы часто реализуют аппаратные пути, которые переводят робота в безопасное состояние в случае сбоя программного обеспечения, полевой проводки или подключенного устройства.

В этом руководстве рассматриваются платы ввода-вывода для обеспечения безопасности как важная отраслевая тема: двухканальная архитектура, целевые уровни PL и SIL, изолированные промышленные входы, выходные драйверы, аналоговый ввод-вывод, диагностические тестовые импульсы, обнаружение неисправностей, документация и производственное тестирование. Раздел часто задаваемых вопросов был переформулирован с учетом вопросов, которые обычно задают инженеры и покупатели перед созданием электроники для роботов, обеспечивающей безопасность.

Что на самом деле представляют собой платы ввода-вывода для обеспечения безопасности роботов?

Роль в робототехнической системе

Платы ввода-вывода и интерфейса безопасности робота обеспечивают связь между роботом и окружающей средой — внешними аварийными остановками, защитными шторками, световыми барьерами, промышленным вводом-выводом, цифровыми входами и выходами. Отличительной особенностью этих плат является наличие архитектуры безопасности робота — аппаратных путей, гарантирующих безопасное поведение даже при сбоях программного обеспечения более высокого уровня. Специфические характеристики плат ввода-вывода и безопасности:

• Двухканальное резервирование: Сигналы, связанные с безопасностью, передаются по двум независимым каналам. Функция обнаружения расхождений гарантирует согласованность показаний обоих каналов.
• Перекрестный мониторинг: Каждый канал отслеживает работу другого. Неисправность в любом из каналов обнаруживается быстро.
• Диагностические тестовые импульсы: Регулярные контрольные импульсы подтверждают работоспособность защитной цепи. Отсутствие импульсов указывает на неисправность.
• Изолированные входы и выходы: Гальваническая изоляция между полевой проводкой и управляющей электроникой. Защищает сторону управления от переходных процессов на стороне поля.
• Сертифицированные компоненты: Компоненты с высоким уровнем безопасности, с определенными режимами отказов и широким спектром диагностических возможностей. Соответствуют требованиям ISO 13849 или IEC 62061.
• Отказоустойчивые настройки по умолчанию: Потеря сигнала, отключение питания или неисправность приводят к безопасному состоянию. Никогда не допускайте сбоев в опасной ситуации.

Риски проектирования, подлежащие контролю

Для плат ввода-вывода с защитой от повреждений в процессе производства необходимо учитывать технологичность изготовления до окончательного утверждения расположения разъемов, размеров корпуса, доступа к измерительным приспособлениям, тепловых путей и трассировки жгутов проводов. Позднее внесение изменений в эти детали обычно влечет за собой доработку конструкции, перепроектирование тестовых приспособлений или компромиссы в отношении надежности, которых можно было бы избежать при раннем анализе технологичности изготовления.

При выборе компонентов следует учитывать их жизненный цикл, утвержденные альтернативы, доступность корпусов, температурный диапазон, а также, где это применимо, требования к безопасности или изоляции. Платы ввода-вывода с защитой часто остаются в производстве или эксплуатации дольше, чем бытовая электроника, поэтому нерешенные риски, связанные с поставками, становятся проблемой технической поддержки, а не только проблемой закупок.

На системном уровне печатная плата должна определяться по функциям, условиям эксплуатации, сроку службы и охвату тестирования, а не только по принципиальной схеме. Это предотвращает распространенную ошибку, когда технически корректная печатная плата с трудом крепится, сложно обслуживается или оказывается недостаточно надежной после установки в робота.

Архитектуру безопасности необходимо пересмотреть с учетом следующих аспектов: электроника главного контроллера робота а в регулируемых системах корпус печатной платы для медицинской робототехники.

Архитектура безопасности: ISO 13849, IEC 62061, PL, SIL

Выбор архитектурных решений для обеспечения безопасности

Архитектура безопасности на платах ввода-вывода роботов обычно реализует один из стандартных шаблонов безопасности. Основные шаблоны следующие:

• Категория 3 (ISO 13849): Допускается единичная неисправность. Стандарт для большинства функций безопасности промышленной робототехники.
• Категория 4: Неисправности обнаружены до следующего запроса. Более высокие требования; более сложная архитектура.
• SIL 2 (IEC 62061): Эквивалентные требования к безопасности технологического процесса. Стандарт для большинства промышленных применений.
• SIL 3: Более высокие требования к технологической безопасности. Менее распространено в робототехнике.
• Уровень производительности d (ISO 13849): Эквивалентные общие требования к безопасности. Стандарт для коллаборативных роботов.
• Уровень производительности e: Высочайшие требования безопасности. Стандарт для самых сложных задач.

Требования к проверке архитектуры безопасности

Надежность зависит от сохранения заложенных в конструкцию платы параметров: ширины медных проводников, расстояния между изоляционными слоями, теплоотвода, фиксации разъемов, снижения номинальной мощности компонентов и охвата зоны контроля. Производители должны проверять эти характеристики, а не рассматривать печатную плату как стандартную сборку с стандартным тестом «прошел/не прошел».

При оценке ремонтопригодности следует учитывать маркировку разъемов, доступность контрольных точек, понятные варианты печатных плат и отслеживание по серийным номерам. В случае поломки робота в полевых условиях качественная диагностика на уровне платы позволяет сервисной команде быстро выявить проблему, вместо замены крупных узлов или возврата всего робота.

Практическое правило заключается в выборе простейшей конструкции, которая при этом отвечает требованиям к передаче сигналов, безопасности, тепловым характеристикам и механическим свойствам. Избыточные характеристики увеличивают стоимость, а недостаточные — приводят к необходимости доработок во время испытаний или эксплуатации в полевых условиях.

Цифровая обработка входных сигналов для промышленных систем

Ключевые проектные решения для обработки цифровых входных сигналов в промышленных системах.

Обработка цифрового ввода на промышленных платах ввода-вывода учитывает особенности промышленной среды ввода. Основные моменты, которые необходимо учитывать:

• Допуск по напряжению: Промышленные цифровые сигналы, как правило, 24 В постоянного тока. Плата выдерживает широкий диапазон напряжений и обратную полярность.
• Текущее ограничение: Входной ток ограничивается во избежание повреждений из-за неисправностей проводки. Стандартные входы оптоизолятора рассчитаны на типичный ток 10 мА.
• Фильтрация: Фильтрация входного сигнала подавляет шум и короткие помехи. Постоянная времени фильтра выбирается для конкретного входного сигнала.
• изоляция: Оптическая изоляция между полевой проводкой и управляющей электроникой. Стандарт для входов, связанных с промышленной безопасностью.
• Возможности тестирования: Проверка состояния входных данных с помощью тестовых трактов. Стандартная процедура для входных сигналов, связанных с безопасностью.
• Обнаружение обрыва провода: Некоторые входы обнаруживают обрыв проводки как неисправность. Обеспечивает диагностику неисправностей кабеля.

Вопросы производства и надежности

Дисциплина тестового покрытия масштабируется в зависимости от требований к надежности. Потребительским приложениям требуется меньшее покрытие, чем промышленным; промышленным — меньше, чем медицинским; медицинским — меньше, чем приложениям, критически важным для безопасности. Согласование тестового покрытия с фактическими требованиями позволяет сохранить бюджетные затраты, обеспечивая при этом необходимую для приложения уверенность.

В проектирование производственной документации часто вкладывается недостаточно средств, а ее создание задним числом обходится дорого. Протоколы испытаний отдельных изделий, собранные в процессе производства, позволяют проводить полевые исследования спустя годы; отслеживаемость партий компонентов обеспечивает посмертный анализ возвращенных в производство изделий. Программы, которые планируют документацию на ранних этапах, имеют необходимые записи; программы, которые добавляют документацию позже, часто теряют данные, которые им были бы нужны.

Цифровой выход для управления внешними устройствами

Ключевые конструктивные решения для цифрового вывода сигнала на внешние устройства.

Цифровая обработка выходных сигналов управляет внешними устройствами — реле, контакторами, индикаторами, исполнительными механизмами безопасности. Основные моменты, которые следует учитывать:

• Текущие возможности: Выходной ток рассчитывается исходя из подключенной нагрузки. Типичный выходной ток составляет от 100 мА до 2 А; более высокие токи достигаются при использовании внешних контакторов.
• Ограничение напряжения: Диоды свободного хода на индуктивных нагрузках. Стандартные компоненты для приводов реле и соленоидов.
• изоляция: Оптическая или магнитная изоляция между управляющей электроникой и полевой проводкой. Стандартная функция для выходов, связанных с обеспечением безопасности.
• Диагностическое покрытие: Считывание состояния выходных данных в сравнении с командой. Обнаружение неисправностей при застревании выходных сигналов.
• Тестовые импульсы: Регулярные контрольные импульсы на защитных выходах проверяют работоспособность выходного тракта. Нагрузка должна выдерживать эти контрольные импульсы.
• Защита от короткого замыкания: Защита выходного сигнала от короткого замыкания. Автоматическое восстановление после устранения неисправности.

Вопросы производства и надежности

Прозрачность цепочки поставок во время производства влияет как на стоимость, так и на надежность. Производители, обладающие возможностью активного поиска поставщиков, компенсируют циклы распределения ресурсов, которые в противном случае привели бы к простоям производства; производители без такой возможности перекладывают проблемы с поставками на клиентов. Ценность активного поиска поставщиков наиболее высока во время общеотраслевого дефицита и наименьша в условиях стабильных поставок.

Циклы итераций проектирования выигрывают от тесной обратной связи между проектированием и производством. Производственный партнер, оперативно предоставляющий обратную связь по DFM (проектированию с учетом технологичности изготовления), обеспечивает быструю итерацию; партнер, предоставляющий медленную или поверхностную обратную связь, пропорционально замедляет итерацию. Программы, которые выбирают производственных партнеров частично на основе качества обратной связи, обычно быстрее проходят фазу прототипирования, чем программы, которые выбирают только по самой низкой цене.

Аналоговые входы/выходы для управления технологическими процессами и измерениями.

Ключевые проектные решения для аналоговых входов/выходов в системах управления технологическими процессами и измерения.

Аналоговый ввод/вывод расширяет возможности цифрового ввода/вывода за счет измерений и аналогового управления. Широко используется в системах управления технологическими процессами и специализированных приложениях. Основные моменты, которые следует учитывать:

• Токовая петля 4-20 мА: Стандартный промышленный аналоговый сигнал. Ток в петле пропорционален сигналу. Обеспечивает работу с длинными кабелями и хорошую помехоустойчивость.
• Напряжение 0-10 В: Стандартное промышленное аналоговое напряжение. Более короткие кабельные трассы, чем токовые петли.
• Термопара: Специальный аналоговый интерфейс для измерения температуры. Компенсация холодного спая и линеаризация.
• РДТ: Измерение температуры с помощью платинового резистивного датчика. Точное измерение температуры.
• Аналоговый выход: Выходной ток или напряжение для управления внешними устройствами. Стандартный интерфейс управления.
• изоляция: Гальваническая изоляция на аналоговых интерфейсах. Стандарт для промышленного применения.

Вопросы производства и надежности

Экономические аспекты объемных диапазонов по-разному влияют на выбор оптимальных технологических процессов в зависимости от масштаба производства. Методы, окупаемые при объеме в 100 000 единиц в год, редко окупаются при объеме в 500 единиц; методы, имеющие смысл на этапе прототипирования, редко оказываются целесообразными при больших объемах производства. Именно соответствие производственного подхода фактическому объему производства делает каждый объемный диапазон экономически целесообразным.

Обязательства по сертификации со стороны регулирующих органов существенно различаются в зависимости от области применения и рынка. Доказательства, подтверждающие производство и предоставляемые заказчиком, могут варьироваться от минимальных (потребительские товары на нерегулируемых рынках) до обширных (медицинские изделия с жесткими сроками хранения). Программы, в которых требования к сертификации указаны в коммерческом предложении, обеспечивают правильную организацию производства; программы, в которые требования к сертификации добавляются позже, иногда требуют изменений в технологическом процессе.

Диагностическое обслуживание имеет смысл только в том случае, если оно подкреплено документально подтвержденным результатом. процедура функционального тестирования и осуществлялась связь по надежному каналу. плата интерфейса робота.

Диагностическое покрытие и обнаружение неисправностей

Требования к функциям безопасности

Возможности диагностики и тестирования на платах ввода-вывода с защитой отличают платы с защитой от обычных плат ввода-вывода. Основные диагностические функции:

• Перекрестный мониторинг: Каждый канал безопасности контролирует другой. Расхождение указывает на неисправность.
• Тестовые импульсы: Регулярные контрольные импульсы проходят через цепь безопасности. Отсутствие импульсов указывает на неисправность.
• Проверка обратной связи: Разница между заданным и измеренным выходным сигналом указывает на неисправность.
• Самотестирование при запуске: Целостность цепи безопасности проверяется перед началом работы. Ошибка при запуске предотвращает небезопасную эксплуатацию.
• Периодическая проверка работоспособности: Для некоторых функций безопасности требуется периодическое полноценное тестирование. Выявляет неисправности, которые пропускает автоматическая диагностика.
• Реакция на неисправность: Заданное поведение при обнаружении неисправности. Немедленное переход в безопасное состояние; оповещение руководителя; запись в журнал неисправности.

Доказательства, диагностика и отслеживаемость

Консолидация производства у одного партнера позволяет сохранить накопленные за несколько поколений продукции институциональные знания. Партнер, который выпускал несколько поколений аналогичной продукции, знает специфические проблемы, которые возникают, оптимизации процессов, повышающие производительность, и конструктивные решения, обеспечивающие качественное производство. Эти знания не передаются новым партнерам без затрат.

Постоянное взаимодействие между инженерным отделом и производственным отделом улучшает как продукцию, так и отношения с поставщиками с течением времени. Данные о выходе годной продукции, поступающие в инженерный отдел, способствуют усовершенствованию конструкции; данные о возврате продукции с места эксплуатации, поступающие обратно, способствуют улучшению как конструкции, так и производства. Программы, в которых активно ведется такое взаимодействие, улучшаются на протяжении всего жизненного цикла продукции.

Для принятия смежных проектных решений см. раздел Руководство по изоляции печатных плат для связи с роботами и обеспечению электромагнитной совместимости. и Руководство по архитектуре безопасности печатных плат промышленных роботов.

Производство защитных печатных плат ввода-вывода в компании Highleap

Проверка DFM перед началом производства

Компания Highleap производит платы ввода-вывода с защитой от сбоев в работе, что соответствует требованиям безопасности для продукции, имеющей соответствующий производственный процесс. В частности, компания обладает следующими возможностями:

• Поставка сертифицированных компонентов: Компоненты, соответствующие стандартам безопасности, от авторизованных дистрибьюторов с возможностью отслеживания партии.
• Сборка в целях безопасности: Особое внимание следует уделить компонентам, обеспечивающим функции безопасности. Проверка и осмотр места установки.
• Функциональный тест: Проверка цепочки безопасности в ходе производственных испытаний. Тесты с внедрением ошибок подтверждают безопасное поведение.
• Проверка безопасности на единицу продукции: Функции безопасности проверяются для каждого устройства; данные испытаний фиксируются для обеспечения прослеживаемости.
• Документация: Производственная документация, подтверждающая соответствие требованиям сертификации заказчика. Первичная проверка образцов с акцентом на безопасность.
• Проверка изоляции: Проверка изоляции между полевой и контрольной сторонами для каждого блока.

Передача результатов тестирования, отслеживаемости и сборки

В робототехнике производственный процесс сочетает в себе методы из нескольких традиционных категорий электроники. Из потребительской электроники — контроль затрат и серийное производство; из промышленной электроники — проектирование надежности и длительный срок службы; из автомобильной электроники — устойчивость к вибрации и воздействию окружающей среды; из медицинской электроники — документирование и отслеживаемость. Робототехника выигрывает от объединения этих подходов.

Программы, рассматривающие производство как стратегическое направление — инвестиции в отношения с поставщиками, обмен прогнозной информацией, координация производственных мощностей — как правило, превосходят программы, рассматривающие производство как транзакционный подход. Транзакционный подход экономит время на переговорах, но лишает возможности извлечь выгоду из долгосрочного партнерства с поставщиками.

Часто задаваемые вопросы о печатных платах интерфейсов ввода-вывода и безопасности роботов

Что такое печатная плата интерфейса ввода-вывода и безопасности робота?

Это плата, которая соединяет робота с внешними входами, выходами и устройствами безопасности, такими как аварийные остановки, световые завесы, сканеры безопасности, блокировки и промышленные датчики. Она может включать изолированные цифровые входы/выходы, резервные каналы безопасности, диагностические схемы, драйверы выходов и связь с главным контроллером или контроллером безопасности.

В чём разница между стандартным вводом/выводом и безопасным вводом/выводом?

Стандартные входы/выходы отображают и управляют нормальными сигналами работы оборудования. Входы/выходы безопасности предназначены для обнаружения неисправностей и перехода системы в безопасное состояние. В системах ввода/вывода безопасности часто используются резервирование, перекрестный мониторинг, тестовые импульсы, сертифицированные компоненты, анализ известных режимов отказов и документация, соответствующая требуемому уровню производительности или целевому уровню SIL.

Как связаны PL и SIL с печатными платами безопасности роботов?

Уровень производительности согласно ISO 13849 и уровень целостности безопасности согласно IEC 62061 описывают требуемое снижение риска для функций безопасности. Печатная плата сама по себе не достигает уровня производительности или уровня целостности безопасности; полная функция безопасности включает в себя датчики, логику, выходы, проводку, диагностику, программное обеспечение и валидацию. Плата должна поддерживать целевую архитектуру и соответствовать требованиям к доказательствам.

Зачем используются двухканальные цепи аварийной остановки?

Двухканальные цепи аварийной остановки позволяют системе обнаруживать единичную неисправность, такую ​​как обрыв провода, сварной контакт или короткое замыкание между каналами. Согласованность и синхронизация сигналов двух каналов контролируются. Если они не совпадают или не проходят диагностические проверки, контроллер безопасности должен подать команду на безопасную остановку, а не полагаться на один сигнал.

В каких случаях следует применять гальваническую изоляцию ввода-вывода робота?

Изоляция рекомендуется, когда полевая проводка выходит за пределы корпуса, подключается к промышленному оборудованию, использует разные точки заземления или может передавать переходные процессы. Она защищает управляющую электронику от скачков напряжения и контуров заземления. В сигналах, связанных с безопасностью, часто используется изоляция в сочетании с диагностическим мониторингом, чтобы обнаруживать электрические неисправности, а не скрывать их.

Что представляют собой диагностические тестовые импульсы в системах ввода-вывода безопасности?

Диагностические тестовые импульсы — это короткие сигналы, используемые для подтверждения того, что входной или выходной канал по-прежнему подключен и не закорочен или не заблокирован. Контроллер безопасности ожидает известного ответа. Отсутствие, задержка или неожиданные импульсы могут указывать на неисправности проводки, отказ компонентов или короткое замыкание между каналами, требующее перехода в безопасное состояние.

Как следует тестировать платы ввода-вывода с защитой в процессе производства?

В ходе производственного тестирования необходимо проверить пороговые значения входного сигнала, изоляцию (где это указано), выходную мощность, реакцию на короткое замыкание, диагностические импульсы, обнаружение несоответствия каналов, связь, программирование встроенного ПО и поведение в безопасном режиме. Протоколы тестирования должны соответствовать серийному номеру, поскольку платы, связанные с безопасностью, часто требуют прослеживаемости во время проверок или полевых исследований.

Какая документация необходима для плат интерфейса безопасности роботов?

Документация обычно включает в себя схемы, файлы печатных плат, спецификацию материалов с утвержденными компонентами безопасности, показатели изоляции, описание функций безопасности, предположения о покрытии диагностическими процедурами, план испытаний, протоколы производственных испытаний, версию микропрограммного обеспечения, записи об изменениях и данные прослеживаемости. Органы по сертификации и конечные заказчики могут потребовать эти доказательства для полного комплекта документации по безопасности оборудования.

Отправьте файлы печатной платы интерфейса безопасности робота для DFM-проектирования и тестирования.