Плата інтерфейсу вводу/виводу робота та безпеки для аварійної зупинки, ізольованого вводу/виводу, PL та SIL

Плати вводу/виводу робота та інтерфейсу безпеки підключають робота до аварійних зупинок, світлових завіс, сканерів безпеки, активаційних перемикачів, блокувань, промислових датчиків, виконавчих механізмів та зовнішніх систем керування. Ці плати часто реалізують апаратні шляхи, які переводять робота в безпечний стан у разі збою програмного забезпечення, польової проводки або підключеного пристрою.

У цьому посібнику пояснюється, що плати безпечного вводу/виводу розглядаються як галузева тема: двоканальна архітектура, цільові показники PL та SIL, ізольовані промислові входи, вихідні драйвери, аналоговий ввод/вивод, діагностичні тестові імпульси, виявлення несправностей, документація та виробничі випробування. Розділ поширених запитань (FAQ) було переформульовано з урахуванням того, що інженери та покупці зазвичай запитують перед створенням робототехнічної електроніки, пов'язаної з безпекою.

Що насправді роблять друковані плати вводу/виводу безпеки роботів

Роль у робототехнічній системі

Плати вводу/виводу робота та інтерфейсу безпеки забезпечують зв'язок між роботом та його оточенням — зовнішні аварійні зупинки, захисні шторки, світлові бар'єри, промислові вводи/виводи, цифрові входи та виходи. Ці плати відрізняються тим, що вони несуть архітектуру безпеки робота — апаратні шляхи, які гарантують безпечну поведінку навіть у разі збою програмного забезпечення вищого рівня. Специфічні характеристики плат вводу/виводу безпеки:

• Двоканальне резервування: Сигнали, пов'язані з безпекою, проходять через два незалежні канали. Виявлення розбіжностей забезпечує узгодженість обох каналів.
• Перехресний моніторинг: кожен канал контролює інший. Несправність в будь-якому каналі виявляється швидко.
• Діагностичні тестові імпульси: Регулярні тестові імпульси перевіряють роботу запобіжного ланцюга. Відсутність імпульсів вказує на несправність.
• Ізольовані входи та виходи: Гальванічна розв'язка між польовою проводкою та електронікою керування. Захищає сторону керування від перехідних процесів на стороні поля.
• Сертифіковані компоненти: компоненти з рейтингом безпеки з визначеними режимами відмов та діагностичним покриттям. Відповідає вимогам ISO 13849 або IEC 62061.
• Безвідмовні налаштування за замовчуванням: Втрата сигналу, втрата живлення або несправність створюють безпечний стан. Ніколи не виходьте з ладу в небезпечному стані.

Ризики проектування, які потрібно контролювати

Для друкованих плат вводу/виводу безпеки введення даних щодо технологічності слід здійснювати до того, як будуть заморожені розміщення роз'ємів, посадка корпусу, доступ до кріплень, теплові шляхи та прокладання джгутів. Пізні зміни цих деталей зазвичай призводять до механічної переробки, переробки випробувальних пристроїв або компромісів з надійністю, яких можна було б уникнути за допомогою ранньої перевірки DFM.

Вибір компонентів повинен включати статус життєвого циклу, затверджені альтернативи, наявність корпусу, температурний рейтинг та рейтинги безпеки або ізоляції, де це доречно. Друковані плати вводу/виводу безпеки часто залишаються у виробництві або експлуатації довше, ніж побутова електроніка, тому невирішений ризик постачання стає проблемою польової підтримки, а не лише проблемою закупівлі.

На системному рівні плата повинна визначатися за функцією, середовищем, терміном служби та обсягом тестування, а не лише за схемою. Це запобігає поширеній помилці створення технічно правильної друкованої плати, яку важко кріпити, важко обслуговувати або вона недостатньо міцна після встановлення в робота.

Архітектуру безпеки необхідно переглянути разом з електроніка головного контролера робота а в регульованих системах корпус друкованої плати медичної робототехніки.

Архітектура безпеки: ISO 13849, IEC 62061, PL, SIL

Вибір архітектури для архітектури безпеки

Архітектура безпеки на платах вводу/виводу роботів зазвичай реалізує один зі стандартних шаблонів безпеки. Основні шаблони:

• Категорія 3 (ISO 13849): Допускається одинична несправність. Стандарт для більшості функцій безпеки промислової робототехніки.
• Категорія 4: несправності виявлені до наступного запиту. Вищі вимоги; складніша архітектура.
• Рівень безпеки 2 (IEC 62061): еквівалентна вимога безпеки процесу. Стандарт для більшості промислових застосувань.
• Рівень безпеки 3: вищі вимоги до безпеки процесів. Менш поширений у робототехніці.
• Рівень продуктивності d (ISO 13849): еквівалентна загальна вимога безпеки. Стандарт для колаборативних роботів.
• Рівень продуктивності e: Найвищі вимоги безпеки. Стандарт для найвимогливіших застосувань.

Вимоги до валідації архітектури безпеки

Надійність залежить від збереження запасів, передбачених на платі: ширина міді, відстань між ізоляцією, теплове зняття, утримання роз'ємів, зниження номінальних характеристик компонентів та охоплення інспекцією. Виробник повинен перевіряти ці характеристики, а не розглядати друковану плату як універсальний вузол із типовим тестом «пройшов/не пройшов».

Працездатність слід враховувати за допомогою маркованих роз'ємів, доступних точок тестування, чітких варіантів плат та відстеження серійних номерів. Коли робот виходить з ладу в польових умовах, хороша діагностика на рівні плати дозволяє сервісній команді швидко ізолювати проблему, замість заміни великих вузлів або повернення всього робота.

Практичне правило полягає в тому, щоб вибрати найпростішу конструкцію, яка все ще відповідає вимогам щодо сигналу, безпеки, теплових та механічних характеристик. Надмірні специфікації збільшують вартість, тоді як недостатні специфікації призводять до переробки під час випробувань або польового розгортання.

Обробка цифрових вхідних сигналів для промислових сигналів

Ключові варіанти проектування для обробки цифрових вхідних сигналів для промислових сигналів

Обробка цифрових входів на промислових платах вводу/виводу стосується промислового середовища вводу. Основні міркування:

• Допуск напруги: промислові цифрові сигнали зазвичай 24 В постійного струму. Плата витримує широкий діапазон напруги та зворотну полярність.
• Обмеження струму: обмежений вхідний струм для запобігання пошкодженню через несправності проводки. Стандартні оптоізоляторні входи типово 10 мА.
• Фільтрація: Вхідна фільтрація відхиляє шум та короткі збої. Постійна часу фільтра вибирається для конкретного вхідного сигналу.
• Ізоляція: Оптична ізоляція між польовою проводкою та керуючою електронікою. Стандарт для вхідних даних, пов'язаних з промисловою безпекою.
• Тестові можливості: Перевірка стану вхідних даних за допомогою тестових шляхів. Стандарт для вхідних даних, пов'язаних з безпекою.
• Виявлення обриву дроту: деякі входи виявляють обрив проводки як несправність. Забезпечує діагностику несправностей кабелю.

Міркування щодо виробництва та надійності

Дисципліна покриття тестування масштабується залежно від вимог до надійності. Споживчі програми потребують менше покриття, ніж промислові; промислові – менше, ніж медичні; медичні – менше, ніж критично важливі для безпеки. Зіставлення покриття тестування з фактичними вимогами зберігає бюджет витрат, водночас забезпечуючи гарантію, необхідну програмі.

Виробнича документація часто недостатньо фінансується на етапі проектування, а її ретроактивне створення є дорогим. Записи випробувань кожної одиниці, отримані під час виробництва, підтримують польові дослідження роками пізніше; відстеження партії компонентів підтримує посмертний аналіз повернень польових матеріалів. Програми, які планують документацію на ранній стадії, мають необхідні записи; програми, які додають документацію пізніше, часто втрачають потрібні дані.

Цифровий вихід, керування зовнішніми пристроями

Ключові варіанти проектування для керування зовнішніми пристроями з цифровим виходом

Обробка цифрових виходів керує зовнішніми пристроями — реле, контакторами, індикаторами, запобіжними виконавчими механізмами. Основні міркування:

• Поточна потужність: вихідний струм, розрахований на підключене навантаження. Типово від 100 мА до 2 А на вихід; вищі струми через зовнішні контактори.
• Фіксація напруги: Діоди вільного ходу на індуктивних навантаженнях. Стандарт для релейних та соленоїдних приводів.
• Ізоляція: Оптична або магнітна ізоляція між керуючою електронікою та польовою проводкою. Стандарт для виходів, пов'язаних з безпекою.
• Діагностичне покриття: Зчитування стану виходу порівняно з командою. Виявлення несправностей для застряглих виходів.
• Тестові імпульси: Регулярні тестові імпульси на виходах безпеки перевіряють роботу вихідного шляху. Навантаження повинно обробляти тестові імпульси.
• Захист від короткого замикання: захист виходу від короткого замикання. Автоматичне відновлення після усунення несправності.

Міркування щодо виробництва та надійності

Прозорість ланцюга поставок під час виробництва впливає як на вартість, так і на надійність. Виробники з можливостями активного постачання поглинають цикли розподілу, які в іншому випадку спричинили б зупинки виробництва; виробники без активного постачання перекладають проблеми з постачанням на клієнтів. Цінність активного постачання є найвищою під час галузевого дефіциту та найнижчою під час стабільних умов постачання.

Цикли ітерацій проектування виграють від чіткого зворотного зв'язку між проектуванням та виробництвом. Партнер-виробник, який надає оперативний зворотний зв'язок DFM, забезпечує швидку ітерацію; партнер, який надає повільний або поверхневий зворотний зв'язок, пропорційно уповільнює ітерацію. Програми, які обирають партнерів-виробників частково на основі якості зворотного зв'язку, зазвичай проходять фазу прототипу швидше, ніж програми, які обирають виключно на основі найнижчої вартості.

Аналоговий ввід/вивід для керування процесами та вимірювання

Ключові варіанти проектування аналогових входів/виходів для керування процесами та вимірювань

Аналоговий ввід/вивід розширює цифровий ввід/вивід за допомогою вимірювань та аналогового керування. Поширений у системах керування процесами та спеціальних застосуваннях. Основні міркування:

• Струмова петля 4-20 мА: стандартний промисловий аналоговий. Струм петлі пропорційний сигналу. Справляється з довгими кабельними трасами з хорошою завадостійкістю.
• Напруга 0-10 В: стандартна промислова аналогова напруга. Коротші кабельні лінії, ніж для струмових петель.
• Термопара: спеціальний аналоговий інтерфейс для вимірювання температури. Компенсація холодного спаю та лінеаризація.
• RTD: Вимірювання температури платинового опору. Точне вимірювання температури.
• Аналоговий вихід: Вихід струму або напруги для керування зовнішніми пристроями. Стандартний інтерфейс керування.
• Ізоляція: гальванічна розв'язка аналогових інтерфейсів. Стандарт для промислового застосування.

Міркування щодо виробництва та надійності

Економіка діапазону обсягів по-різному впливає на правильний вибір процесу в різних масштабах виробництва. Практики, які окупаються при 100 000 одиниць на рік, рідко окупаються при 500 одиницях; практики, які мають сенс на етапі прототипу, рідко мають сенс при великих обсягах. Відповідність виробничого підходу фактичному обсягу виробництва робить кожен діапазон обсягів економічно вигідним.

Вимоги до нормативної сертифікації суттєво різняться залежно від застосування та ринку. Докази виробництва, що підтверджують заявки клієнтів, можуть варіюватися від мінімальних (споживчі товари на нерегульованих ринках) до обширних (медичні вироби з обмеженими термінами зберігання). Програми, які визначають вимоги до сертифікації під час котирування, забезпечують правильне налаштування виробництва; програми, які додають вимоги до сертифікації пізніше, іноді потребують змін у процесі.

Діагностичне покриття має сенс лише тоді, коли воно підкріплене документально підтвердженим процедура функціонального тестування та передавалися через надійний плата інтерфейсу робота.

Діагностичне покриття та виявлення несправностей

Вимоги до функції безпеки

Можливості діагностики та тестування плат безпечного вводу/виводу відрізняють плати безпечного вводу/виводу від звичайних. Основні діагностичні функції:

• Перехресний моніторинг: кожен канал безпеки контролює інший. Розбіжність вказує на несправність.
• Тестові імпульси: регулярні тестові імпульси через ланцюг безпеки. Відсутність імпульсів вказує на несправність.
• Перевірка зворотного зв'язку: Заданий вихідний сигнал порівняно з виміряним вихідним сигналом. Різниця вказує на несправність.
• Самотестування при запуску: Перед початком роботи перевірено цілісність ланцюга безпеки. Помилка запуску запобігає небезпечній роботі.
• Періодичні контрольні випробування: Деякі функції безпеки вимагають періодичного повного тестування. Виявляє несправності, які пропускає автоматична діагностика.
• Реакція на несправність: визначена поведінка при виявленні несправності. Негайний безпечний стан; тривога для керівника; запис у журналі несправностей.

Докази, діагностика та відстеження

Консолідоване виробництво в одного виробничого партнера зберігає інституційні знання, що накопичуються протягом поколінь продукції. Партнер, який створив кілька поколінь подібної продукції, знає конкретні проблеми, що виникають, коригування процесу, що підвищують вихід продукції, та шаблони проектування, що забезпечують якісне виробництво. Ці знання не передаються новим партнерам без жодних витрат.

Постійний діалог між інженерами та виробництвом з часом покращує як продукцію, так і відносини з постачальниками. Дані про врожайність, що надходять назад до інженерів, допомагають удосконалити конструкцію; дані з польових досліджень, що надходять назад, допомагають покращити як конструкцію, так і виробництво. Програми, де цей діалог активний, удосконалюються протягом усіх поколінь продукції.

Щодо суміжних дизайнерських рішень див. Ізоляція друкованих плат та посібник з електромагнітної сумісності роботів і Посібник з безпеки архітектури друкованих плат промислових роботів.

Виробництво друкованих плат вводу/виводу безпеки в Highleap

Огляд DFM перед виробництвом

Highleap виробляє плати безпечного вводу/виводу з вимогами до продуктів з рейтингом безпеки технологічних процесів. Конкретні можливості включають:

• Сертифіковане постачання компонентів: компоненти з рейтингом безпеки від авторизованого дистриб'ютора з можливістю відстеження партії.
• Збірка для безпеки: Особлива увага до компонентів, що реалізують функції безпеки. Перевірка та огляд розміщення.
• Функціональний тест: Перевірка ланцюга безпеки під час виробничих випробувань. Випробування на наявність несправностей підтверджують безпечну поведінку.
• Перевірка безпеки кожного блоку: функції безпеки перевірені для кожного блоку; дані випробувань зібрані для відстеження.
• Документація: виробничі записи, що підтверджують подання заявок на сертифікацію клієнтами. Перевірка першої продукції з акцентом на безпеку.
• Перевірка ізоляції: випробування ізоляції між польовою стороною та стороною керування для кожного блоку.

Тестування, відстеження та передача збірки

Дисципліна виробничого процесу для робототехніки поєднує практики з кількох традиційних категорій електроніки. Від побутової електроніки — економічна дисципліна та серійне виробництво. Від промислової електроніки — надійність інженерії та тривалий термін служби. Від автомобільної електроніки — вібрація та стійкість до впливу навколишнього середовища. Від медичної електроніки — документація та відстеження. Робототехніка виграє від поєднання цих методів.

Програми, які розглядають виробництво як стратегічний підхід — інвестування у відносини з постачальниками, обмін прогнозною інформацією, координація потужностей — зазвичай перевершують програми, які розглядають виробництво транзакційно. Транзакційний підхід економить час на переговори, але втрачає комплексні переваги довгострокового партнерства з постачальниками.

Найчастіші запитання щодо друкованої плати інтерфейсу вводу/виводу робота та безпеки

Що таке плата інтерфейсу вводу/виводу робота та безпеки?

Це плата, яка з'єднує робота із зовнішніми входами, виходами та пристроями безпеки, такими як аварійні зупинки, світлові завіси, сканери безпеки, блокування та промислові датчики. Вона може включати ізольовані цифрові входи/виходи, резервні канали безпеки, діагностичні схеми, вихідні драйвери та зв'язок з головним контролером або контролером безпеки.

Яка різниця між стандартним вводом/виводом та безпечним вводом/виводом?

Стандартний ввід/вивід повідомляє та керує звичайними машинними сигналами. Безпечний ввід/вивід розроблений таким чином, щоб виявляти несправності та переводити систему в безпечний стан. Безпечний ввід/вивід часто використовує резервування, перехресний моніторинг, тестові імпульси, сертифіковані компоненти, аналіз відомих режимів відмови та документацію, що відповідає необхідному рівню продуктивності або цільовому показнику SIL.

Як PL та SIL пов'язані з друкованими платами безпеки роботів?

Рівень продуктивності згідно з ISO 13849 та рівень цілісності безпеки згідно з IEC 62061 описують необхідне зниження ризику для функцій безпеки. Друкована плата не досягає лише рівня продуктивності (PL) або рівня безпеки (SIL); повна функція безпеки включає датчики, логіку, виходи, проводку, діагностику, програмне забезпечення та валідацію. Плата повинна підтримувати цільову архітектуру та вимоги до доказів.

Чому використовуються двоканальні схеми аварійної зупинки?

Двоканальні схеми аварійної зупинки дозволяють системі виявляти окрему несправність, таку як обрив дроту, зварений контакт або коротке замикання між каналами. Два канали контролюються на предмет узгодженості та часу. Якщо вони розходяться або не проходять діагностичні перевірки, контролер безпеки повинен наказати безпечну зупинку, а не довіряти одному сигналу.

Коли введення/виведення робота слід гальванічно ізолювати?

Ізоляція рекомендується, коли польова проводка виходить за межі корпусу, підключається до промислового обладнання, використовує різні опорні точки заземлення або може переносити перехідні процеси. Це захищає електроніку керування від стрибків напруги та контурів заземлення. Сигнали, пов'язані з безпекою, часто використовують ізоляцію плюс діагностичний моніторинг, щоб електричні несправності виявлялися, а не були приховані.

Що таке діагностичні тестові імпульси в системі безпеки вводу/виводу?

Діагностичні тестові імпульси – це короткі сигнали, що використовуються для підтвердження того, що вхідний або вихідний канал все ще підключений, а не має короткого замикання або застрягання. Контролер безпеки очікує відомої відповіді. Відсутні, затримані або неочікувані імпульси можуть свідчити про несправності проводки, вихід компонента з ладу або короткі замикання між каналами, що потребують реагування на безпечний стан.

Як слід тестувати друковані плати безпеки вводу/виводу у виробництві?

Виробничі випробування повинні перевіряти вхідні пороги, ізоляцію, де це зазначено, можливості керування виходами, реакцію на коротке замикання, діагностичні імпульси, виявлення розбіжностей каналів, зв'язок, програмування прошивки та поведінку в безпечному стані. Записи випробувань повинні бути пов'язані з серійним номером, оскільки плати, пов'язані з безпекою, часто потребують відстеження під час аудитів або польових досліджень.

Яка документація потрібна для інтерфейсних плат безпеки роботів?

Документація зазвичай включає схеми, файли друкованих плат, перелік матеріалів із затвердженими компонентами безпеки, рейтинги ізоляції, опис функцій безпеки, припущення щодо діагностичного покриття, план випробувань, записи виробничих випробувань, версію прошивки, записи контролю змін та дані відстеження. Органи сертифікації та кінцеві клієнти можуть вимагати ці докази для повного файлу безпеки машини.

Надсилайте файли друкованої плати інтерфейсу безпеки робота для DFM та перевірки тестами