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技術趨勢
機械安全之無人搬運車設計原則簡介
2021.08.12∣瀏覽數:261

機械安全之
無人搬運車設計原則簡介

精密機械研究發展中心 機械安全部 趙偉良

工業4.0,著重在統合現有的工業相關的技術、銷售與產品體驗,透過人工智慧的技術建立具有適應性、資源效率和人因工程學的智慧化工廠,其技術基礎是智慧型整合系統及網際網路。將工業4.0與智慧製造結合,再一起創造出新的商機,已經是全球產業發展的共同趨勢,而隨著科技日新月異和產品製造的複雜性,如何透過智慧化的管理以及相對應的設備配套方案,讓工廠生產效益最佳化達成自動化工廠,是目前自動化產業發展的最新方向,故無人搬運系統是其中一個不可缺少的環節。

無人搬運系統的認證,在國際上有相關標準的要求,例如: SEMI S2/SEMI S17,SEMI的安全標準是參考了ISO、EN、UL、IEC、NFPA等相關國際標準所訂定出的,主要是針對半導體設備及面板設備所通用的,設備涉及到的機械性質/化學性質/電路安全迴路設計等,在SEMI的安全標準裡面都有考量到相關設計要求,PMC可提供SEMI相關認證的服務,例如:文件審查、整體安全功能評估、電氣安全功能評估、LVD 測試、F47測試⋯等。

無人搬運車(AGV)簡介

無人搬運車(Automated Guided Vehicle,簡稱AGV)是指裝備有電磁或光學等自動導引裝置,能夠沿規劃的導引路徑行駛,具有安全保護以及各種移載功能的運輸車,不需搭配駕駛員的搬運車以可充電之蓄電池為其動力來源。AGV導航方式的種類很多,主要包括:電磁感應導引、磁帶、磁點導引、光學導引、雷射導引、視覺導引及慣性導引等,或複合使用的導引種類,各導引方式有其優劣,選擇時應考量環境狀態、行駛路況、工作型態等類型,避免錯誤選擇引發事故。本文即從國際標準SEMI S17當中來介紹機械安全之無人搬運車設計原則,但僅針對無人搬運車的本體進行相關安全設計說明。


無人搬運車-防碰撞裝置

無人搬運車(以下簡稱為車輛)應設有防碰撞功能,目的在於偵測人員和障礙物,針對前行的運動方向中,須確保能安全地停止並防止碰撞發生。車輛在行進的過程中,如偵測到人員或障礙物時應先進行減速然後再做停止的動作,至於是否切斷車輛運行機構的動力源或僅暫停行駛而不斷電,此部分須視當時車輛被觸發的安全裝置決定的,並非所有安全裝置都是切斷車輛所有的動力源。車輛本體的防碰撞安全需求,可參考下列二種方式:

緩衝壓力感測器(bumper)

車輛可安裝緩衝壓力感測器,其寬度應大於或等於行進方向的車身寬度,且緩衝壓力感測器在被撞擊時應觸發斷電停車。此處考量要點在於車輛的作業屬性及外型不同,主要是在行進方向的位置進行安裝,行進方向是需考量現場製程與作業。

緩衝壓力感測器因材質的柔軟性與彈性的不同,靈敏度不應設計成一碰觸就會立即反應需有所謂的緩衝區,此部分可經由選擇型式並透過設計的條件達到緩衝範圍安全的需求,但當緩衝壓力感測器因碰撞後導致安全連鎖啟動此時車輛必須立即切斷危害動力源,且車輛恢復運行必須由人員進行手動復歸,不可於碰撞的壓力釋放後自動恢復行駛狀態。緩衝壓力感測器有許多的類型,針對緩衝壓力感測器型式範例本文提供了二種類型參考(圖1、圖2),但裝置的類型不僅侷限於此二類型,仍需考量製程與作業的需求。

  

區域偵測器(Area scanner)

因緩衝壓力感測器所安裝的型式與位置仍存在可能撞傷人員的風險,故須再加裝區域偵測器來降低人員撞傷的風險,區域偵測器的偵測範圍至少包到含車體總寬度,若有乘載物、拖拉物等設計,則應以最大寬度作為偵測寬度。考量的安裝因素在於車輛撞擊前降速及立即停止運行的兩段式檢測功能,第一段偵測距離較遠的用來作為降速功能,在人員或物體進入到偵測範圍時可讓車輛緩慢的減速,用以避免車輛載物因慣性動能導致載物掉落或飛出,第二段偵測距離較近的功能必須讓車輛進行有效停止避免高速停止時產生傷害,區域偵測器安裝高度因每台車輛的外觀與製程的不同可做適當的調整,建議安裝的高度不高於300mm以避免偵測的盲區,其功能應符合相關的試驗標準。

第一段檢測距離可考量在1000mm距離或以上探測到障礙物或有人員活動時,可使車輛降速行駛,所降低的速度須考量為第二段停止時能避免撞擊。第二段檢測功能可考量在200∼400mm範圍內,應使車輛至完全停止且並不至發生撞擊,而如何設計第一段與第二段的偵測範圍距離則應考量實際作業的狀況作為設計的參考條件。當區域偵測器被觸發的狀況解除後,車輛可自動恢復正常行駛狀態,且行駛前應先發出警報聲響作為警示。針對區域偵測器的偵測範圍與偵測分級範例本文提供了二種類型參考(圖3、圖4)。

  

無人搬運車-緊急裝置

在緊急停止裝置(Emergency stop,E-stop)方面,此處考量是針對車輛本體上的裝置,可參考下列幾點要求:(1)安裝的數量應使用風險評估決定,此處建議可於車輛的對角各安裝一顆。(2)除了緊急斷開裝置(EMO)之外,於所有的功能中為最高權限。(3)必須停止所有運動部件,停止方式0類停止或1類停止。(4)裝置復歸後不得使設備自動行駛。(5)須為紅色蘑菇頭黃色背景且須與EMO有區別,一般可用裝置護圈的顏色及標籤區分。(6)須標示“Emergency stop” or“E-stop”。(7)需設置於容易按壓的位置,此部分尚需考量外型及操作特性。

緊急斷開裝置(Emergency off,EMO),此處考量是針對UTV系統的裝置。緊急斷開裝置必須讓系統進入安全關機狀態,系統係指特定工作區域內運行於該區域內的所有車輛,並非單一車輛的EMO,針對系統的EMO可參考下列設計要求:(1) EMO啟動時,應該中斷設備的所有危害性電壓與所有超過240 伏特-安培的電力,但此部分是有例外是可以不用切斷電源的。例外情況如下:一、使用24 伏特電壓的電路是可以持續運行。二、安全相關的元件可以持續運行(例如:偵煙器、氣體/漏水偵測器、壓力量測元件等。三、執行資料/警報輸入及錯誤回復功能的電腦系統可以持續運行。(2) EMO安裝適當位置則建議如下:靠近UTV系統控制台和操作盒、上料區及工作站、牆上或在UTV系統工作空間內、UTV危險區域的圍籬。

緊急裝置-停止種類

根據歐盟電氣安全法規(EN 60204-1)裡的描述,停止的種類可分為三種:0類停止,立即移除設備的動力源而停止;1類停止,將機器控制停止之後而移除機器的動力源;2類停止,將機器控制停止之後而維持機器的動力源。而緊急裝置的功能是為了確保人員的安全,必須移除所有可能造成危險的能量,因此緊急裝置的停止機器方式,只能是0類停止或是1類停止,至於在設備上應選擇使用0類或是1類停止,則需透過風險評估(ENISO 12100)來決定。

0類停止係指立即移除設備的動力源而停止,可藉由以下四種方法:(1)由機電開關裝置切斷設備的動力源、(2)分離危害元件與致動器之間的機械機構、(3)阻斷液壓或氣壓類型之機械致動器的流體動力供應、(4)使用符合國際法規IEC 61800-5-2動力驅動系統的安全力矩關閉功能,消除在電動機中產生扭矩或力矩所需的動力,以達成0類停止。

1類停止則為藉由設備的電源來停止機構的運動和操作,並在停止之後移除電源。(例如:切斷電源會有慣性能量產生者,必須利用反向電流煞車,達到停止目的後再切斷電源。)可透過以下兩種方法達成1類停止:(1)當經由機電開關停止機械的運動時,減速運動停止設備後移除馬達能源。(2)使用符合國際法規IEC 61800-5-2動力驅動系統「安全停止1」的功能。

無人搬運車-有線操作盒

於手動模式下操作須使用手持操作盒(teaching box)控制車輛,手動操作時車輛速度不得操過 250mm/sec,並符合下列設計要求:(1)手持操作盒操作必須為寸動控制(holdto run control)。(2)須利用硬體裝置(例如:鑰匙)切換到手持操作盒,使用手持操作盒時為最高權限,除了EMO外。(3)有線的手持操作盒必須設置E-stop。(4)使用有線手持操作盒操作,須在車輛的作業空間之外,但不允許於視線範圍外進行操作。

無人搬運車-無線操作盒

當安全距離足夠且風險是能被接受時,就可使用無線裝置操作盒控制車輛,手動操作時車輛速度不得操過 250mm/sec,並符合下列設計要求:(1)無線操作盒在偵測到下列狀況時(接收到停止訊號/無線控制盒故障/當操作盒與車輛之間的通訊未在有效的時間內被檢測到),應自動停止對車輛的操作。(2)無線操作盒電池的電壓不應造成危害,且當電池異常時應及時發出警訊。(3)單個無線操作盒不能同時操作多台車輛,除了停止功能外。

打造人機協作之安全作業環境

隨著自動化設備普及化,在人力的部分被自動化機械取代的機會越高,但完全取代人力仍是有一段需要努力的距離,現階段除了自動化製程,仍會有人機協同的作業空間,對於實現自動化的過程中對於人員的安全要求是不變的,故在設備的安全設計是須因應不同作業製程去做設計調整的,主要目的在於保護人員安全要求為主。


參考文獻
[1] 無人搬運車(UTV)系統之安全基準 SEMI S17-0319 SAFETY GUIDELINE FOR UNMANNED TRANSPORT VEHICLE (UTV) SYSTEM
[2] 半導體製造設備安全衛生及環保基準SEMI S2-0818Ea ENVIRONMENTAL, HEALTH, AND SAFETY GUIDELINE FOR SEMICONDUCTOR MANUFACTURING EQUIPMENT
[3] 緊急停止設計原則EN ISO 13850:2015 Safety of machinery – Emergency stop function – Principles for design
[4] 風險評估 EN ISO 12100:2010 Safety of machinery — General principles for design — Risk assessment and risk reduction
[5] 機械設備電器安全EN 60204-1:2006+A1:2009 Safety of machinery — Electrical equipment of machines