Von der zweikanaligen Verkabelung bis zur Abnahmeprüfung: Inbetriebnahme und Validierung von AGV-Servo-STO-Systemen

Einführung: Warum die STO-Inbetriebnahme für moderne AGV-Systeme so wichtig geworden ist

Da fahrerlose Transportfahrzeuge (AGVs) und autonome mobile Roboter (AMRs) zunehmend in Fabriken, Lagerhäusern und Logistikzentren eingesetzt werden, ist die funktionale Sicherheit zu einem der wichtigsten Faktoren bei der Systemintegration geworden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Fördersystemen arbeiten AGVs in dynamischen Umgebungen, in denen sich Menschen, Maschinen und mobile Roboter den gleichen Arbeitsbereich teilen.

Eine Safe Torque Off (STO)-Funktion in AGV-Servoantrieben bietet eine zuverlässige Methode, um die Drehmomenterzeugung des Motors sofort zu stoppen, wenn ein Sicherheitsereignis eintritt, wie z. B. die Aktivierung eines Notstopps, die Erkennung eines Sicherheitsscanners, das Öffnen einer Schutztür oder ein Sicherheits-SPS-Eingriff.

Der einfache Einbau von Servomotoren mit STO-Fähigkeit garantiert jedoch kein sicheres AGV-System. OEM-Hersteller und Systemintegratoren müssen die Sicherheitsarchitektur ordnungsgemäß entwerfen, die Zweikanalverkabelung durchführen, Parameter konfigurieren, Diagnosefunktionen überprüfen und Abnahmetests gemäß den Sicherheitsanforderungen durchführen.

In diesem Artikel wird der komplette Inbetriebnahmeprozess für AGV-Servo-STO erläutert und umfasst Folgendes:

• So verbinden Sie zweikanalige STO-Schaltkreise zwischen Sicherheits-SPS und Servoantrieben

• So testen und validieren Sie STO-Funktionen während der AGV-Inbetriebnahme

• Erforderlicher Diagnosedeckungsgrad (DC) und MTTFd-Werte für AGV-Sicherheitsschaltkreise

• Wie sich die STO-Architektur auf AGVs mit Doppelrad-Differentialantrieb auswirkt

• Wie STO den Bremsweg bei Schwerlast-FTF-Anwendungen beeinflusst

1. So schließen Sie zweikanalige STO-Schaltkreise an AGV-Servoantriebe an

Verständnis Zweikanalige STO-Architektur in AGV-Systemen

Moderne AGV-Servosysteme verwenden typischerweise zweikanalige STO-Eingänge, um ein höheres Maß an funktionaler Sicherheit zu erreichen. Ein zweikanaliger Aufbau bedeutet, dass zwei unabhängige Sicherheitssignale separat überwacht werden müssen.

Anstatt sich auf ein einziges Not-Aus-Signal zu verlassen, überprüft die Sicherheitssteuerung kontinuierlich zwei unabhängige Kanäle:

• STO-Kanal 1 (STO1)

• STO-Kanal 2 (STO2)

Wenn beide Kanäle unterbrochen werden, deaktiviert der Servoantrieb sofort die Motordrehmomentausgabe.

Eine typische AGV-Sicherheitsarchitektur umfasst:

Sicherheitsgeräte → Sicherheits-SPS → STO-Eingänge → Servoantriebe → AGV-Motoren

Zu den gängigen Sicherheitseingabegeräten gehören:

• Not-Aus-Taster

• Sicherheits-Laserscanner

• Sicherheitsstoßstangen

• Sicherheitstürschalter

• Sicherheitslichtvorhänge

Die Sicherheits-SPS wertet diese Signale aus und sendet einen sicheren Abschaltbefehl an die FTS-Servoantriebe.

Typische zweikanalige STO-Verkabelungsmethode

Bei AGV-Anwendungen folgt die STO-Verkabelung normalerweise dieser Struktur:

Im Normalbetrieb:

• STO1 = EIN

• STO2 = EIN

• Servoantrieb ermöglicht Drehmomentabgabe

Während einer Sicherheitsveranstaltung:

• STO1 = AUS

• STO2 = AUS

• Der Servoantrieb unterbindet sofort die Drehmomenterzeugung

Der Motor selbst erhält keinen Bremsbefehl. Stattdessen blockiert die Antriebselektronik die Leistungsstufe und verhindert so die Erzeugung eines elektrischen Drehmoments.

Warum FTS-Hersteller Zweikanal-STO bevorzugen

AGVs werden häufig in folgenden Bereichen eingesetzt:

• Fabrikarbeiter

• Gabelstapler

• Automatisierte Produktionslinien

• Roboterzellen

• Hochwertige Materialien

Eine einkanalige Sicherheitsschaltung weist mehrere Einschränkungen auf:

• Ein Kabelbruch wird möglicherweise nicht erkannt

• Ein ausgefallener Sicherheitskontakt kann unbemerkt bleiben

• Die Diagnosemöglichkeiten sind eingeschränkt

Zweikanaliger STO verbessert:

1. Fehlererkennungsfähigkeit

Das System kann Folgendes identifizieren:

• Fehler bei offenem Stromkreis

• Kurzschlüsse

• Fehler bei Kanalkonflikten

2. Sicherheitsintegrität

Eine redundante Architektur hilft AGV-Herstellern, höhere Sicherheitsleistungsniveaus zu erreichen, wie zum Beispiel:

• PL d

• PL e

abhängig von der kompletten Sicherheitsauslegung.

3. Einfachere Zertifizierung

Für OEM-AGV-Hersteller vereinfacht eine standardisierte Zweikanal-STO-Architektur die Einhaltung von:

• ISO 13849-1

• IEC 61800-5-2

• IEC 62061

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2. So testen und validieren Sie die STO-Funktion während der AGV-Inbetriebnahme

Warum STO-Tests bei der Inbetriebnahme von AGVs von entscheidender Bedeutung sind

Für AGV- und AMR-Hersteller ist die Safe Torque Off (STO)-Validierung einer der wichtigsten Schritte vor der Auslieferung der Ausrüstung und der Massenproduktion. Obwohl Servoantriebe mit integrierten STO-Funktionen das Motordrehmoment während eines Sicherheitsereignisses schnell entfernen können, muss die gesamte Sicherheitskette überprüft werden, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.

Ein vollständiger STO-Inbetriebnahmeprozess bestätigt Folgendes:

• Sicherheitseinrichtungen lösen die STO-Abschaltung korrekt aus

• Die Logik der Sicherheits-SPS funktioniert wie vorgesehen

• Servoantriebe reagieren korrekt auf STO-Befehle

• Beide STO-Kanäle arbeiten unabhängig voneinander

• Das AGV kann nach einem Sicherheitsstopp nicht unerwartet neu starten

• Die Stoppleistung entspricht den Anforderungen der Risikobewertung

Im Gegensatz zu einem Standard-Motorfunktionstest ist der STO-Test ein Validierungsprozess für die funktionale Sicherheit . Es stellt sicher, dass das AGV in einen sicheren Zustand übergehen kann, wenn Bediener, Ausrüstung oder die Umwelt gefährdet sind.

Testprozess für die Inbetriebnahme des AGV STO

Ein professionelles AGV-STO-Validierungsverfahren umfasst normalerweise fünf Hauptphasen:

1. Inspektion der elektrischen Verkabelung

2. Überprüfung der STO-Konfiguration des Servoantriebs

3. Prüfung der Aktivierung der Sicherheitsfunktion

4. Fehlersimulationstests

5. Endgültige Abnahmedokumentation

In jeder Phase wird ein anderer Teil der Sicherheitsarchitektur überprüft.

1. Überprüfen Sie die STO-Verkabelung vor dem Einschalten

Bevor die STO-Funktion getestet wird, sollten Ingenieure zunächst sicherstellen, dass die zweikanalige Sicherheitsverkabelung korrekt installiert ist.

Eine typische AGV-STO-Schaltung umfasst:

Not-Aus / Sicherheitsscanner / Sicherheits-SPS → STO-Kanal 1 und STO-Kanal 2 → Servoantrieb → AGV-Motor

Bei der Inspektion der Verkabelung sollten Ingenieure Folgendes überprüfen:

STO-Kanalunabhängigkeit

Die beiden STO-Kanäle müssen elektrisch unabhängig bleiben.

Beispiele für falsche Verkabelung:

• STO1 und STO2 miteinander verbinden

• Gemeinsamer Sicherheitsausgang für beide Kanäle

• Verwendung eines Standard-SPS-Ausgangs anstelle eines sicherheitsbewerteten Ausgangs

Diese Fehler können dazu führen, dass das System nicht das erforderliche Sicherheitsniveau erreicht.

Durchgangsprüfung der Verkabelung

Überprüfen Sie vor dem Anlegen der Stromversorgung Folgendes:

• Kontinuität des STO1-Signals

• Kontinuität des STO2-Signals

• 24V Sicherheitsversorgungsspannung

• Erdungsreferenzverbindung

• Zustand der Steckerverriegelung

Bei AGVs, die in industriellen Umgebungen eingesetzt werden, sollten Ingenieure außerdem Folgendes prüfen:

• Kabelschutz

• Vibrationsfestigkeit

• Schutz vor elektromagnetischen Störungen

Lose Anschlüsse oder beschädigte Kabel sind häufige Ursachen für STO-Ausfälle während des Feldbetriebs.

2. Bestätigen Sie die STO-Konfiguration des Servoantriebs

Nach der Überprüfung der Verkabelung sollten die Parameter des Servoantriebs überprüft werden.

Moderne AGV-Servoantriebe bieten normalerweise STO-bezogene Überwachungsfunktionen, darunter:

• STO-Eingangsstatus

• Erkennung von Sicherheitsfehlern

• Erkennung von Kanalkonflikten

• Neustartprävention

Ingenieure sollten Folgendes bestätigen:

STO-Eingangsstatus

Wenn sich das AGV im Normalbetrieb befindet:

• STO-Kanal 1 = Aktiv

• STO-Kanal 2 = Aktiv

Der Servoantrieb sollte eine Motordrehmomentabgabe ermöglichen.

Wenn STO ausgelöst wird:

• STO-Kanal 1 = Deaktiviert

• STO-Kanal 2 = Deaktiviert

Der Antrieb sollte die Drehmomenterzeugung sofort unterbrechen.

Überprüfung der Sicherheitsparameter

Überprüfen Sie je nach Servoantriebshersteller Folgendes:

• STO-Aktivierungseinstellung

• Polarität des Sicherheitseingangs

• Fehlerreaktionsmodus

• Automatische Neustartverhinderung

• Diagnose-Feedback-Ausgabe

Falsche Parametereinstellungen können dazu führen, dass sich der Sicherheitseingang ändert, das Motorverhalten jedoch nicht den Erwartungen entspricht.

3. Führen Sie vor dem STO-Test eine Überprüfung des Normalbetriebs durch

Der STO-Test sollte erst beginnen, nachdem bestätigt wurde, dass das AGV normal funktioniert.

Testen Sie vor der Sicherheitsvalidierung Folgendes:

Bewegungssteuerung

Verifizieren:

• Vorwärtsbewegung

• Rückwärtsbewegung

• Drehvorgang

• Geschwindigkeitsregulierung

• Positionsgenauigkeit

Für AGVs mit Differenzialantrieb:

• Linker Motorbetrieb

• Rechter Motorbetrieb

• Radsynchronisation

sollten gesondert geprüft werden.

Encoder- und Feedbacksignale

Bestätigen:

• Encoder-Kommunikation

• Stabilität der Geschwindigkeitsrückmeldung

• Genauigkeit der Positionsrückmeldung

Obwohl STO die Drehmomentausgabe unterbindet, kann eine falsche Encoder-Rückmeldung Auswirkungen auf die Neustartlogik und Diagnosefunktionen haben.

4. Führen Sie STO-Triggertests durch

Nachdem der grundlegende Betrieb bestätigt wurde, sollten die Ingenieure tatsächliche STO-Aktivierungstests durchführen.

Test 1: Not-Aus-Tastentest

Verfahren:

1. Lassen Sie das AGV mit normaler Betriebsgeschwindigkeit laufen

2. Drücken Sie den Not-Aus-Knopf

3. Überwachen Sie die Reaktion des Servoantriebs

Erwartetes Ergebnis:

• Sicherheits-SPS entfernt STO-Signale

• Der Servoantrieb deaktiviert die Drehmomentausgabe

• Der Motor erzeugt keine Antriebskraft mehr

• Der STO-Status wird angezeigt

• AGV kann nicht automatisch neu starten

Dadurch wird die komplette Not-Aus-Sicherheitskette überprüft.

Test 2: Auslösetest des Sicherheitsscanners

AGVs nutzen üblicherweise Sicherheits-Laserscanner, um Hindernisse und Personen zu erkennen.

Verfahren:

1. Betreiben Sie das AGV im Automatikmodus

2. Betreten Sie den Erkennungsbereich des Scanners

3. Lösen Sie die Sicherheitszone aus

Erwartetes Ergebnis:

• Sicherheits-SPS empfängt Scannersignal

• Änderungen am STO-Ausgang

• Servoantriebe gehen in den sicheren Zustand

• Die Fahrzeugbewegung wird entsprechend den Sicherheitsanforderungen gestoppt

Dieser Test ist besonders wichtig für AGVs in Lagern und Fabriken, die in der Nähe von Arbeitern eingesetzt werden.

Test 3: Schutzvorrichtungstest

Für AGVs ausgestattet mit:

• Sicherheitsstoßstangen

• Sicherheitstüren

• Zugangsschalter

Führen Sie eine zusätzliche STO-Validierung durch.

Beispiel:

Wenn ein Sicherheitsstoßfänger gedrückt wird:

Erwartetes Verhalten:

• Die AGV-Bewegung stoppt

• Servodrehmoment wird entfernt

• Sicherheitsalarm erscheint

• Ein Neustart erfordert einen manuellen Reset

5. Führen Sie Fehlersimulationstests für den STO-Kanal durch

Ein professioneller STO-Abnahmetest sollte nicht nur die normale Aktivierung testen, sondern auch die Fehlererkennung überprüfen.

STO-Kanal 1-Fehlertest

Verfahren:

STO-Kanal 1 trennen oder unterbrechen.

Erwartetes Ergebnis:

Das System sollte:

• Erkennen Sie Kanalkonflikte

• Sicherheitsfehler erzeugen

• Verhindern Sie die Bewegung des AGV

STO-Kanal 2-Fehlertest

Wiederholen Sie den gleichen Vorgang für Kanal 2.

Erwartetes Ergebnis:

• Fehler erkannt

• Servoantrieb bleibt deaktiviert

• Es findet keine unsichere Bewegung statt

Kurzschlusserkennungstest

Testen Sie ggf.:

• Kurzschluss von Kanal zu Kanal

• Kurzschluss zwischen Kanal und Stromversorgung

• Erdschlussbedingungen

Das Sicherheitssystem sollte ungewöhnliche Zustände erkennen und in einen sicheren Zustand wechseln.

6. Überprüfen Sie das STO-Neustartverhalten

Ein unerwarteter Neustart nach der STO-Freigabe stellt ein großes Sicherheitsrisiko dar.

Daher muss das Neustartverhalten sorgfältig getestet werden.

Nach STO-Aktivierung:

1. Entfernen Sie den Sicherheitsauslöser

2. Setzen Sie die Sicherheits-SPS zurück

3. Aktivieren Sie das AGV-Steuerungssystem

4. Senden Sie einen neuen Bewegungsbefehl

Das AGV sollte stationär bleiben, bis eine vollständige Neustartsequenz abgeschlossen ist.

Warum ein automatischer Neustart gefährlich ist

Wenn ein AGV nach der STO-Wiederherstellung automatisch neu startet:

Zu den möglichen Risiken gehören:

• Unerwartete Fahrzeugbewegung

• Verletzung des Bedieners

• Kollision mit Ausrüstung

• Sachschaden

Für die meisten industriellen AGV-Anwendungen ist ein manuelles Zurücksetzen oder ein kontrollierter Neustart erforderlich.

7. Messen Sie die STO-Reaktionszeit und den Bremsweg

Die STO-Validierung ist ohne die Bewertung der Stoppleistung nicht vollständig.

Wenn STO aktiviert ist:

Der gesamte Stoppvorgang umfasst:

1. Erkennungszeit der Sicherheitsvorrichtung

2. Verarbeitungszeit der Sicherheits-SPS

3. Übertragungszeit des STO-Signals

4. Drehmomententfernungszeit des Servoantriebs

5. Mechanische Stoppzeit

Faktoren, die den Bremsweg des AGV beeinflussen

Der Bremsweg hängt ab von:

• Gesamtgewicht des AGV

• Nutzlastgewicht

• Reisegeschwindigkeit

• Raddurchmesser

• Bodenreibung

• Zustand der Batteriespannung

• Reaktionszeit der Bremse

Bei Schwerlast-AGVs wird STO oft kombiniert mit:

• Elektromagnetische Bremsen

• Mechanische Haltebremsen

• Kontrollierte Verzögerungsfunktionen

8. Führen Sie abschließende STO-Abnahmetests und Dokumentation durch

Vor der Auslieferung von AGVs sollten Hersteller einen vollständigen STO-Validierungsbericht erstellen.

Das Dokument sollte Folgendes enthalten:

Elektrische Dokumentation

• STO-Schaltplan

• Konfiguration der Sicherheits-SPS

• Sicherheitsparameter des Servoantriebs

Testaufzeichnungen

• Ergebnisse des Not-Aus-Tests

• Ergebnisse des Scanner-Trigger-Tests

• Ergebnisse des STO-Kanalfehlertests

• Verifizierungsergebnisse neu starten

Sicherheitsinformationen

• STO-Spezifikationen für Servoantriebe

• PFHd-Daten

• MTTFd-Wert

• Informationen zur Diagnoseabdeckung

Best Practices für AGV-OEM-Hersteller

So verbessern Sie die STO-Zuverlässigkeit während der Produktion und im Feldbetrieb:

Verwenden Servomotoren mit integrierten STO-Funktionen

Integrierte Servolösungen reduzieren:

• Externe Verkabelung

• Komplexität des Schaltschranks

• Inbetriebnahmezeit

Sie eignen sich besonders für:

• Kompakte AMRs

• Lagerroboter

• Mobile Inspektionsroboter

• Industrielle AGVs

Beziehen Sie STO-Tests in jeden Produktionszyklus ein

Bei massenproduzierten AGVs sollte die STO-Validierung Teil des standardmäßigen Factory Acceptance Test (FAT) werden.

Empfohlene Kontrollen:

• STO-Eingangsüberprüfung

• Sicherheitskommunikationstest

• Not-Aus-Test

• Fehlerdiagnosetest

Abschluss

Das Testen und Validieren der STO-Funktionen während der Inbetriebnahme des AGV ist für die Gewährleistung eines sicheren und zuverlässigen Betriebs von entscheidender Bedeutung. Ein vollständiger STO-Verifizierungsprozess sollte die elektrische Inspektion, die Konfiguration des Servoantriebs, die Prüfung des Sicherheitsauslösers, die Fehlersimulation, die Verhinderung eines Neustarts und die Messung des Bremswegs umfassen.

Für AGV- und AMR-Hersteller bieten ordnungsgemäß in Betrieb genommene STO-Systeme Folgendes:

• Höhere Bedienersicherheit

• Zuverlässigerer Maschinenbetrieb

• Einfachere Einhaltung von Sicherheitsstandards

• Schnellere Kundenakzeptanz

Durch die Integration von STO-Tests in den Workflow zur Inbetriebnahme von AGVs können OEM-Hersteller sicherere autonome Fahrzeuge mit vorhersehbarer und wiederholbarer Sicherheitsleistung liefern.

3. Erforderlicher Diagnosedeckungsgrad (DC) und MTTFd-Werte für AGV-STO-Sicherheitsschaltkreise

Sicherheitsparameter in AGV-Anwendungen verstehen

Beim Entwurf von AGV-Sicherheitssystemen bewerten Ingenieure häufig Folgendes:

• Diagnoseabdeckung (DC)

• Mittlere Zeit bis zum gefährlichen Ausfall (MTTFd)

• Leistungsniveau (PL)

• Sicherheitsintegritätslevel (SIL)

Diese Parameter bestimmen, ob der Sicherheitskreis gefährliche Ausfälle zuverlässig erkennen kann.

Anforderungen an den Diagnoseschutz (DC).

Der Diagnosedeckungsgrad beschreibt, wie effektiv ein Sicherheitssystem Fehler erkennt.

Typische Kategorien:

Für AGV-Servo-STO-Systeme wird im Allgemeinen eine mittlere oder hohe Diagnoseabdeckung bevorzugt.

Beispiele für Diagnosefunktionen sind:

• STO-Kanalüberwachung

• Kanalübergreifender Vergleich

• Rückmeldung von Antriebsfehlern

• Diagnose der Sicherheits-SPS

MTTFd-Anforderungen für AGV-Servosysteme

MTTFd stellt die erwartete Zeit dar, bevor ein gefährlicher Fehler auftritt.

Für AGV-Anwendungen:

Höhere MTTFd-Werte verbessern:

• Systemzuverlässigkeit

• Sicherheitsklassifizierung

• Wartungsintervalle

Servoantriebe mit integrierten STO-Funktionen liefern typischerweise Sicherheitsdaten, darunter:

• MTTFd-Wert

• DC-Bewertung

• PFHd-Wert

Hersteller von OEM-AGVs sollten diese Werte bei der Komponentenauswahl von den Servomotorlieferanten erfragen.

Wie integrierte Servomotoren das FTS-Sicherheitsdesign unterstützen

Integrierte DC-Servomotoren und BLDC-Servomotoren mit STO-Funktionen vereinfachen die Sicherheitsarchitektur durch die Kombination von:

• Motor

• Encoder

• Servoregler

• Sicherheitseingangsschnittstelle

Zu den Vorteilen gehören:

• Reduzierter Verkabelungsaufwand

• Schnellere Inbetriebnahme

• Kleinerer Schaltschrank

• Einfachere Zertifizierung

Bei kompakten AGVs und AMRs werden integrierte Servolösungen immer beliebter, da sie die Systemintegrationszeit verkürzen.

4. Wie sich die STO-Architektur auf die Synchronisierung des linken und rechten Rads in AGVs auswirkt

Warum die STO-Architektur für AGVs mit Differenzialantrieb wichtig ist

Die meisten industriellen AGVs und AMRs verwenden eine Differentialantriebsarchitektur , bei der zwei unabhängige Servomotoren die linken und rechten Antriebsräder steuern. Durch Anpassen des Geschwindigkeitsunterschieds zwischen diesen beiden Motoren kann das Fahrzeug vorwärts, rückwärts, wenden und auf der Stelle rotieren.

Ein typisches AGV mit Differenzialantrieb umfasst:

• Servomotor links

• Servomotor auf der rechten Seite

• Unabhängige Servoantriebe

• Encoder-Feedback-Systeme

• Sicherheits-SPS

• STO-Sicherheitseingänge

Im Normalbetrieb arbeiten beide Motoren über Bewegungssteuerungsalgorithmen zusammen. Wenn jedoch ein Sicherheitsereignis auftritt, bestimmt die STO-Architektur, wie schnell und sicher beide Motoren in einen Drehmoment-abgeschalteten Zustand übergehen.

Ein falsch ausgelegtes STO-System kann zu einem ungleichmäßigen Radverhalten führen, was Folgendes zur Folge hat:

• Unerwartete AGV-Rotation

• Längerer Bremsweg

• Instabilität der Nutzlast

• Reduzierte Sicherheitsleistung

Daher muss beim STO-Design die Synchronisierung sowohl des linken als auch des rechten Radantriebs berücksichtigt werden.

Grundlegendes zur Bewegungssteuerung von FTS mit Differenzialantrieb

Wie linke und rechte Motoren die FTS-Bewegung steuern

Ein AGV mit Differenzialantrieb ändert die Richtung, indem es das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen zwei Rädern steuert.

Beispiele:

Gerade Bewegung

Beide Motoren drehen mit der gleichen Geschwindigkeit:

• Linker Motor = 100 U/min

• Rechter Motor = 100 U/min

Ergebnis:

• AGV bewegt sich direkt vorwärts

Rechts abbiegen

Das linke Rad dreht sich schneller:

• Linker Motor = 120 U/min

• Rechter Motor = 80 U/min

Ergebnis:

• AGV biegt sanft nach rechts ab

Auf der Stelle rotieren

Die Motoren drehen sich gegenläufig:

• Linker Motor = Vorwärts

• Rechter Motor = Rückwärtsgang

Ergebnis:

• Das AGV dreht sich um seine Mittelachse

Da sich beide Motoren direkt auf die Fahrzeugstabilität auswirken, müssen Sicherheitsfunktionen wie STO beide Antriebssysteme koordiniert abschalten.

Wie STO in Dual-Motor-FTF-Systemen funktioniert

Typische zweikanalige STO-Architektur

Eine Standard-FTF-Sicherheitsarchitektur verwendet eine Sicherheits-SPS zur Steuerung beider Servoantriebe.

Beispiel:

Sicherheitsvorrichtungen (Not-Aus / Scanner / Stoßfänger) ↓ Sicherheits-SPS ↓ STO-Kanal 1 ───── Linker Servoantrieb └───── Rechter Servoantrieb STO-Kanal 2 ───── Linker Servoantrieb └───── Rechter Servoantrieb ↓ Linker Motor + Rechter Motor 

Wenn ein Sicherheitsereignis auftritt:

1. Sicherheits-SPS erkennt Gefahr

2. Beide STO-Kanäle sind unterbrochen

3. Der linke Servoantrieb entfernt das Drehmoment

4. Der rechte Servoantrieb entfernt das Drehmoment

5. AGV geht in einen sicheren Zustand über

Ziel ist es, sicherzustellen, dass beide Räder fast gleichzeitig keine Antriebskraft mehr erzeugen.

Warum beide Räder gleichzeitig in STO eintreten müssen

1. Verhindern Sie eine unerwartete AGV-Rotation

Wenn nur ein Motor in den STO-Modus wechselt, während der andere weiterhin Drehmoment erzeugt, dreht sich das AGV möglicherweise unerwartet.

Beispiel:

Vor STO:

• Linker Motor: 200 U/min

• Rechter Motor: 200 U/min

Sicherheitsereignis tritt ein:

• Linker Motor: STO aktiviert

• Rechter Motor: Läuft immer noch mit 200 U/min

Ergebnis:

• Das rechte Rad drückt weiter

• Das AGV dreht sich um das stillstehende Rad

Insbesondere in engen Fabrikgängen kann es zu Kollisionsrisiken kommen.

2. Halten Sie die Stabilität des Fahrzeugs unter schweren Lasten aufrecht

Schwerlast-FTF transportieren häufig:

• Automobilkomponenten

• Paletten

• Rohstoffe

• Industrieausrüstung

Wenn ein Rad vor dem anderen Drehmoment verliert:

Mögliche Folgen:

• Lastverlagerung

• Ungleichmäßige Bremskraft

• Abweichung des Fahrzeugs vom Weg

• Erhöhter Bremsweg

Bei AGVs mit hoher Nutzlast ist eine synchronisierte STO-Reaktion besonders wichtig.

3. Vermeiden Sie ungleichmäßige mechanische Belastungen

Eine asymmetrische Drehmomententfernung kann zu zusätzlicher Belastung führen bei:

• Getriebe

• Radkupplungen

• Antriebswellen

• Mechanische Rahmen

Ein synchronisiertes STO-Design reduziert mechanische Stöße bei Notstopps.

STO-Implementierungsmethoden für linke und rechte Servoantriebe

Methode 1: Gemeinsame zweikanalige STO-Steuerung

Dies ist der gängigste Ansatz für industrielle AGVs.

Beide Servoantriebe empfangen die gleichen STO-Signale.

Beispiel:

Vorteile:

• Einfache Verkabelung

• Einfache Sicherheitsvalidierung

• Konsistenter Shutdown-Timing

Geeignet für:

• Lager-FTFs

• Fabriktransportroboter

• Indoor-AMRs

Methode 2: Individuelle STO-Überwachung

Bei leistungsstärkeren AGVs kann jeder Motorantrieb über eine unabhängige Sicherheitsüberwachung verfügen.

Beispiel:

Sicherheits-SPS ↓ Linke STO-Überwachung → Linker Servoantrieb Rechte STO-Überwachung → Rechter Servoantrieb 

Vorteile:

• Individuelle Fehlerdiagnose

• Bessere Fehlerbehebung

• Höhere Diagnosefähigkeit

Geeignet für:

• Schwerlast-FTF

• Mobile Roboter für den Außenbereich

• Sicherheitskritische Anwendungen

Wie sich die Reaktionszeit des Servoantriebs auf die Radsynchronisation auswirkt

Auch wenn beide Motoren gleichzeitig STO-Befehle empfangen, kann die tatsächliche Drehmomentabbauzeit variieren.

Zu den Faktoren gehören:

• Hardware-Design für Servoantriebe

• Interne Bearbeitungszeit

• Kommunikationsverzögerung

• Motorträgheit

• Ladezustand

Zum Beispiel:

STO-Reaktion des linken Servos:

• 5 ms

STO-Reaktion des rechten Servos:

• 8 ms

Der Unterschied von 3 ms mag gering erscheinen, aber bei hohen AGV-Geschwindigkeiten kann er das Stoppverhalten beeinflussen.

Best Practices zur Verbesserung der STO-Synchronisierung

1. Verwenden Sie aufeinander abgestimmte Servomotoren und Antriebe

Bei AGVs mit Differenzialantrieb trägt die Auswahl identischer Servosysteme dazu bei, Folgendes zu gewährleisten:

• Ähnliche Reaktionszeit

• Ähnliche Drehmomenteigenschaften

• Konsistente Diagnostik

Beispiele:

• Gleiche Motorserie

• Gleicher Encodertyp

• Gleicher STO-bewerteter Servoantrieb

2. Verwenden Sie hardwarebasiertes STO anstelle der Standardkommunikation

Obwohl einige AGVs kommunikationsbasierte Sicherheitsfunktionen verwenden, werden Hardware-STO-Eingänge häufig für Notfallsicherheitsfunktionen bevorzugt.

Vorteile:

• Schnellere Reaktion

• Unabhängig von der Softwarekommunikation

• Einfachere Sicherheitsvalidierung

3. Synchronisieren Sie die Bremssteuerung mit STO

Bei schweren AGVs bietet STO allein möglicherweise nicht genügend Bremskraft.

Eine gemeinsame Sicherheitsstrategie:

Normaler Stopp:

→ Servogesteuerte Verzögerung

Nothalt:

→ Entfernung des Servodrehmoments + Aktivierung der mechanischen Bremse

Das Bremssystem sollte an beiden Rädern gleichmäßig aktiviert werden.

4. Validieren Sie die linke und rechte Stoppleistung

Während der Inbetriebnahme sollten Ingenieure Folgendes messen:

• STO-Auslösezeit

• Stoppzeit des linken Rades

• Stoppzeit des rechten Rades

• Bremsweg des Fahrzeugs

• Abweichung der Fahrzeugrichtung

Das AGV sollte anhalten ohne:

• Übermäßige Rotation

• Seitendrift

• Ladungsinstabilität

STO- und AGV-Sicherheitsstandards

Beim Entwurf von STO-Systemen berücksichtigen AGV-Hersteller häufig Folgendes:

IEC 61800-5-2

Definiert sicherheitsbezogene Funktionen für Antriebe mit einstellbarer Geschwindigkeit, einschließlich:

• Sicher abgeschaltetes Moment (STO)

• Sichere Stoppfunktionen

ISO 13849-1

Wird zur Auswertung verwendet:

• Leistungsniveau (PL)

• Zuverlässigkeit der Sicherheitsschaltung

• Diagnoseabdeckung

IEC 62061

Stellt Sicherheitslebenszyklusanforderungen für Maschinensteuerungssysteme bereit.

Besondere Überlegungen für Hochleistungs-FTFs mit Differenzialantrieb

Für AGVs, die große Nutzlasten befördern, sollten zusätzliche Sicherheitsfaktoren bewertet werden.

Hohe Trägheitslasten

Schwere Lasten bewegen sich nach Entfernung des Drehmoments weiter.

Halten:

• Bremsmoment

• Radreibung

• Bodenzustand

• Geschwindigkeitsbegrenzung

Schrägbetrieb

AGVs, die an Hängen eingesetzt werden, erfordern zusätzliche Aufmerksamkeit.

Ohne richtiges Bremsen:

• Fahrzeug könnte rückwärts rollen

• Die Laststabilität kann abnehmen

Empfohlene Lösungen:

• Servomotoren mit elektromagnetischen Bremsen

• STO kombiniert mit mechanischen Haltebremsen

AGV-Anwendungen im Freien

Bei Outdoor-AGVs kann Folgendes auftreten:

• Unebene Oberflächen

• Temperaturänderungen

• Wasser- und Staubbelastung

Empfohlene Motoreigenschaften:

• Schutzart IP65/IP67

• Hohe Vibrationsfestigkeit

• Stabiler STO-Betrieb unter rauen Umgebungsbedingungen

Abschluss

Die STO-Architektur wirkt sich direkt auf die Sicherheit und Stabilität der linken und rechten Radsynchronisation in FTS mit Differenzialantrieb aus. Da beide Räder die Fahrzeugbewegung und -richtung bestimmen, müssen beide Servoantriebe zuverlässig und gleichzeitig in den STO-Zustand wechseln.

Ein gut konzipiertes AGV-STO-System sollte Folgendes bieten:

• Zweikanalige Sicherheitssteuerung

• Synchronisierte Drehmomententfernung

• Zuverlässige Fehlererkennung

• Kontrolliertes Neustartverhalten

• Verifizierte Stoppleistung

Für FTS- und AMR-Hersteller vereinfacht die Auswahl von Servomotoren mit integrierter STO-Funktionalität das Sicherheitsdesign und verbessert gleichzeitig die Systemzuverlässigkeit, die Inbetriebnahmeeffizienz und die Einhaltung internationaler Anforderungen an die funktionale Sicherheit.

5. Wie STO die Gleitstrecke von Schwerlast-FTFs nach dem Entfernen des Drehmoments beeinflusst

STO bedeutet nicht einen sofortigen mechanischen Stopp

Ein häufiges Missverständnis besteht darin, dass STO das AGV sofort stoppt.

Eigentlich:

STO unterbindet die Drehmomenterzeugung des Motors.

Das AGV kann sich aus folgenden Gründen weiterbewegen:

• Fahrzeugträgheit

• Nutzlastgewicht

• Bodenreibung

• Raddurchmesser

• Geschwindigkeit

• Neigungswinkel

Diese verbleibende Bewegung wird Gleitstrecke genannt.

Faktoren, die die Gleitstrecke des AGV nach STO beeinflussen

1. Gesamtmasse des Fahrzeugs

Ein schwereres AGV erfordert einen längeren Bremsweg.

Beispiel:

Ein 500 kg schweres AGV, das eine Last von 1000 kg trägt, hat eine deutlich höhere Trägheit als ein unbeladenes Fahrzeug.

2. Fahrgeschwindigkeit

Der Bremsweg nimmt etwa mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zu.

Höhere Geschwindigkeit erfordert:

• Längerer Sicherheitsabstand

• Frühere Scannererkennung

3. Rad- und Bodenbedingungen

Zu den Faktoren gehören:

• Reifenmaterial

• Sauberkeit des Bodens

• Oberflächenreibungskoeffizient

Nasse oder staubige Böden erhöhen die Gleitstrecke.

4. Reaktionszeit der mechanischen Bremse

Für Schwerlast-AGVs:

STO wird oft kombiniert mit:

• Federkraftbremsen

• Elektromagnetische Bremsen

Die Bremsverzögerung wirkt sich direkt auf die Bremsleistung aus.

Wie AGV-Ingenieure den STO-Bremsweg validieren

Während der Abnahmeprüfung:

Messen:

1. Fahrgeschwindigkeit des AGV

2. STO-Triggerposition

3. Zeit zum Entfernen des Motordrehmoments

4. Endgültige Halteposition

Der gemessene Abstand muss den Sicherheitsanforderungen entsprechen, die definiert sind durch:

• Risikobewertung

• Konfiguration des Sicherheitsscanners

• AGV-Betriebsumgebung

Zusätzliche Überlegungen zur Akzeptanz des AGV-STO-Systems

Überprüfung der Softwarekonfiguration

Vor der Lieferung sollten Ingenieure Folgendes überprüfen:

• STO-Parameter

• Firmware des Servoantriebs

• Sicherheits-SPS-Logik

• Kommunikationsstatus

• Strategie zur Fehlerbehandlung

Prüfung der Umweltzuverlässigkeit

AGVs sind häufig im Dauerbetrieb im Einsatz.

STO-Systeme sollten getestet werden unter:

• Maximale Nutzlast

• Höchstgeschwindigkeit

• Temperaturschwankungen

• Lange Betriebszyklen

Dokumentation für OEM-Lieferung erforderlich

Ein professionelles AGV-STO-Abnahmepaket sollte Folgendes umfassen:

• Elektrischer Schaltplan

• STO-Schaltplan

• Sicherheitsvalidierungsbericht

• Testaufzeichnungen

• Sicherheitsdaten des Servoantriebs

• Dokumente zur Risikobewertung

Fazit: Zuverlässig bauen AGV-Servo-STO-Systeme von der Verkabelung bis zur Validierung

Ein zuverlässiges AGV-Sicherheitssystem erfordert viel mehr als die Auswahl von Servomotoren mit STO-Funktionalität. Der gesamte Prozess umfasst die korrekte zweikanalige Verkabelung, die Integration der Sicherheits-SPS, Funktionstests, Diagnoseverifizierung und Bremswegvalidierung.

Für AGV- und AMR-Hersteller bieten Servomotoren mit integrierten STO-Funktionen erhebliche Vorteile:

• Vereinfachte Sicherheitsarchitektur

• Reduzierte Verkabelung

• Schnellere Inbetriebnahme

• Höhere Zuverlässigkeit

• Einfachere Einhaltung internationaler Sicherheitsstandards

Durch die Befolgung eines strukturierten STO-Inbetriebnahme- und Abnahmeprozesses können OEM-Hersteller sicherere AGVs mit vorhersehbarem Stoppverhalten und langfristiger Betriebszuverlässigkeit bauen.

FAQs zum Testen und Validieren von AGV-Servo-STO

FAQ 1: Was ist STO-Test in AGV-Servosystemen?

Antwort:

Beim STO-Test in AGV-Servosystemen wird überprüft, ob die Safe Torque Off-Funktion ordnungsgemäß funktioniert, wenn ein Sicherheitsereignis auftritt. Es bestätigt, dass der Servoantrieb das Motordrehmoment sicher entfernen kann, nachdem er Signale von Sicherheitsgeräten wie Not-Aus, Sicherheitsscannern und Sicherheits-SPS empfangen hat.

Während der Inbetriebnahme testen Ingenieure die STO-Verkabelung, die Antriebsreaktion, die Fehlererkennung, die Neustartverhinderung und die Stoppleistung, um sicherzustellen, dass das AGV sicher arbeitet.

FAQ 2: Warum ist die STO-Validierung während der AGV-Inbetriebnahme wichtig?

Antwort:

Die STO-Validierung ist unerlässlich, da die Installation eines STO-fähigen Servomotors nicht automatisch ein sicheres AGV-System garantiert. Die gesamte Sicherheitskette muss getestet werden, einschließlich Sicherheitssensoren, SPS-Logik, STO-Eingänge, Servoantriebe und Motorreaktion.

Eine ordnungsgemäße STO-Validierung hilft, Folgendes zu verhindern:

• Unerwartete AGV-Bewegung

• Fehler im Sicherheitskreis

• Falsches Notbremsverhalten

• Zertifizierungsprobleme während der Kundenakzeptanz

FAQ 3: Wie testet man zweikanalige STO-Eingänge an einem AGV-Servoantrieb?

Antwort:

Beim zweikanaligen STO-Test müssen die Eingänge STO1 und STO2 unabhängig voneinander überprüft werden.

Ein typisches Testverfahren umfasst:

1. Überprüfen Sie die Verkabelung von STO1 und STO2

2. Not-Halt oder Sicherheitsscanner aktivieren

3. Bestätigen Sie, dass beide STO-Kanäle in einen sicheren Zustand wechseln

4. Überprüfen Sie die STO-Statusrückmeldung des Servoantriebs

5. Stellen Sie sicher, dass der Motor kein Drehmoment erzeugen kann

Ingenieure sollten außerdem jeden STO-Kanal separat trennen, um die Fehlererkennungsfähigkeit zu bestätigen.

FAQ 4: Was passiert, wenn STO an einem AGV-Servomotor aktiviert wird?

Antwort:

Wenn STO aktiviert ist, deaktiviert der Servoantrieb sofort die Leistungsstufe und verhindert so, dass der Motor Drehmoment erzeugt.

Der AGV-Motor wird:

• Hören Sie auf, treibende Kraft zu erzeugen

• Stellen Sie einen sicheren Drehmoment-Aus-Zustand ein

• STO-Status oder Sicherheitsfehler melden

Allerdings bremst STO das Fahrzeug nicht aktiv ab. Aufgrund der Trägheit, des Nutzlastgewichts und der Bodenbeschaffenheit kann sich das AGV weiter bewegen.

FAQ 5: Wie wirkt sich STO auf die Synchronisierung der linken und rechten Räder in AGVs mit Differenzialantrieb aus?

Antwort:

Bei AGVs mit Differenzialantrieb sollten sowohl der linke als auch der rechte Servomotor gleichzeitig STO-Befehle empfangen.

Wenn ein Rad vor dem anderen in STO geht:

• Das AGV kann sich unerwartet drehen

• Die Stabilität des Fahrzeugs kann abnehmen

• Schwere Lasten können sich verschieben

• Der Bremsweg kann sich verlängern

Eine synchronisierte zweikanalige STO-Architektur stellt sicher, dass beide Antriebsmotoren nahezu gleichzeitig Drehmoment abführen.

FAQ 6: Kann ein AGV automatisch neu starten, nachdem STO freigegeben wurde?

Antwort:

Im Allgemeinen sollten AGVs nach der STO-Aktivierung nicht automatisch neu starten.

Eine sichere Neustartsequenz erfordert normalerweise:

1. Entfernen Sie den Sicherheitsauslöser

2. Setzen Sie die Sicherheits-SPS zurück

3. Aktivieren Sie das AGV-Steuerungssystem

4. Senden Sie einen neuen Bewegungsbefehl

Durch die Verhinderung eines automatischen Neustarts wird das Risiko unerwarteter Fahrzeugbewegungen in der Nähe des Bedienpersonals verringert.

FAQ 7: Welche Tests sollten in einem AGV STO-Abnahmetest enthalten sein?

Antwort:

Ein vollständiger AGV-STO-Abnahmetest sollte Folgendes umfassen:

• Not-Aus-Test

• Aktivierungstest des Sicherheitsscanners

• Fehlertest des STO-Kanals

• Präventionstest neu starten

• Fehlerdiagnosetest des Servoantriebs

• Bremswegmessung

Durch diese Tests wird vor der Auslieferung überprüft, ob das AGV-Sicherheitssystem die Designanforderungen erfüllt.

FAQ 8: Stoppt STO ein AGV sofort?

Antwort:

Nein. STO entfernt das Drehmoment des Motors, stoppt das Fahrzeug jedoch nicht sofort.

Der tatsächliche Bremsweg hängt ab von:

• AGV-Gewicht

• Nutzlastmasse

• Reisegeschwindigkeit

• Radreibung

• Reaktionszeit der Bremse

• Bodenbedingungen

Bei Schwerlast-FTF wird STO oft mit mechanischen Bremsen oder kontrollierten Verzögerungsfunktionen kombiniert.

FAQ 9: Welche Sicherheitsparameter sollten bei AGV-STO-Systemen überprüft werden?

Antwort:

Wichtige Sicherheitsparameter sind:

• Diagnoseabdeckung (DC)

• Mittlere Zeit bis zum gefährlichen Ausfall (MTTFd)

• Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls pro Stunde (PFHd)

• Leistungsniveau (PL)

• Sicherheitsintegritätslevel (SIL)

Anhand dieser Werte lässt sich feststellen, ob das AGV-Sicherheitssystem die Anforderungen an die funktionale Sicherheit erfüllt.

FAQ 10: Warum entscheiden sich AGV-Hersteller Servomotoren mit integrierter STO-Funktion?

Antwort:

Integrierte STO-Servomotoren vereinfachen das FTS-Sicherheitsdesign, indem sie Motorsteuerung und Sicherheitsfunktionen in einer kompakten Lösung kombinieren.

Zu den Vorteilen gehören:

• Reduzierter Verkabelungsaufwand

• Kleinere Schaltschränke

• Schnellere Inbetriebnahme

• Einfachere Sicherheitsvalidierung

• Verbesserte Systemzuverlässigkeit

Sie werden häufig verwendet in:

• AGVs

• AMRs

• Lagerroboter

• Intelligente Fabrikautomatisierungssysteme