非標自動(dòng)化設備如何做好本質(zhì)安全--安全設計？

1.   工業(yè)設備設計面臨的挑戰

當你設計制造一臺工業(yè)機器、設備或者生產(chǎn)線(xiàn)的時(shí)候，工程領(lǐng)域涉及許多學(xué)科，機械、電氣和自動(dòng)化學(xué)科等，不同學(xué)科之間的溝通和協(xié)作非常重要。學(xué)科必須盡可能無(wú)縫地工作，以實(shí)現他們的共同目標。

傳統的工程流程是串行工程，機械、電氣和自動(dòng)化工程之間手動(dòng)同步，它風(fēng)險大、耗時(shí)且容易出錯。生產(chǎn)設備的自動(dòng)化程度和變化程度越來(lái)越高，從項目開(kāi)始到結束，整個(gè)過(guò)程中不同學(xué)科都在進(jìn)行變更的迭代和人工信息交互。迫于制造效率和上市速度的壓力，從而將現有的串行工程方法推向了極限。所以，我們需要尋找新的多學(xué)科協(xié)同的方法。

處理工程中的錯誤，以免造成大量返工。所以，工業(yè)設備制造商必須盡早使用虛擬調試方法識別問(wèn)題，或者更好地利用協(xié)同工具來(lái)避免問(wèn)題發(fā)生。

2.非標自動(dòng)化設備的設計流程

（1）確定開(kāi)發(fā)項目，了解客戶(hù)需求，包括產(chǎn)品品質(zhì)要求、設備生產(chǎn)效率要求、設備工作環(huán)境。

（2）分析產(chǎn)品，了解產(chǎn)品生產(chǎn)工藝，了解產(chǎn)品各方面尺寸要求及來(lái)料情況，與客戶(hù)溝通產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的注意事項，設備使用地點(diǎn)的技術(shù)參數。

（3）擬定方案。由工程人員討論、分析作出設備方案，方案包括：設備示意圖、各部分機構簡(jiǎn)介、動(dòng)作說(shuō)明、設備技術(shù)參數。

（4）方案審核。由工程人員組成審核組，對方案進(jìn)行審核，審核內容包括：設備可行性評估、設備成本評估、設備生產(chǎn)效率的評估、各部分結構可行性評估。

（5）方案整改。對方案審核中討論出的問(wèn)題進(jìn)行整改。

（6）客戶(hù)確定設計方案。設計方案交由客戶(hù)，客戶(hù)根據需求，對方案進(jìn)行最后確定。

（7）設計開(kāi)發(fā)。由工程部安排工程師進(jìn)行機構設計，作出機器裝配圖、零件圖，選出執行元器件、電控配件，并列出加工零件清單和標準件請購單，動(dòng)作說(shuō)明書(shū)。

3.如何做好非標自動(dòng)化設備的設計

非標自動(dòng)化設備雖然沒(méi)有標準設備量大，但品種繁雜，五花八門(mén)，服務(wù)于各種各樣的部門(mén)。當今社會(huì )科學(xué)迅猛發(fā)展，新技術(shù)革命對機械設計提出了更高的要求。由于非標準自動(dòng)化設備的品種繁雜，設計工作的難度更大。這就要求非標準設計工程師必須具有良好的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)，有寬廣的知識面，有良好的變通性和獨創(chuàng )性，善于舉一反三，能有較多的點(diǎn)子，有獨出心裁的見(jiàn)解，能將別的機構移植并融匯貫通在自己的設計意圖中。

(1)非標設備的生產(chǎn)都是以單件進(jìn)行小批量生產(chǎn)，對相關(guān)的設計人員，有著(zhù)經(jīng)驗和技術(shù)上的要求。非標設備在設計方面，主要采用非標設備中國標準體系和標準體系，遵循“一次薄膜應力或最大直接應力不得超過(guò)許用應力”的原則，在安全系數上非標設備的設計主要考慮應力集中及其類(lèi)型、應力評估方法的復雜程度、材料的不均勻性、幾何因素、焊接接頭中存在的缺陷等因素。

(2)在非標設備的設計上，首先，在標準零部件的選擇上，盡量采用成品件，以便有效降低非標產(chǎn)品在原材物料消耗、管理費用、成品率等方面的成本。采用成品件還能使設備在投入市場(chǎng)后有更好的可靠性能，延長(cháng)設備的設計制造周期，提高設計效率。其次，非標設備的設計，還要在滿(mǎn)足工藝設計條件的基礎上，認真研究設備的技術(shù)方案，確定先進(jìn)、合理且運行穩定的非標設備。

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3.多學(xué)科系統設計

可以將機械、電氣和自動(dòng)化三個(gè)學(xué)科都引入一個(gè)系統的同一個(gè)界面中，用相應的電氣和自動(dòng)化對象增強機械模型，通過(guò)將機械、電氣和自動(dòng)化設計鏈接在一起，實(shí)現機電一體化對象的自動(dòng)生成，消除接口和數據傳輸。在自動(dòng)化設計器界面中可以看到機械設計的三維模型，電氣設計的結果等，能夠通過(guò)與機械工程并行啟動(dòng)來(lái)節省時(shí)間。在NX自動(dòng)化設計器中有多個(gè)視角的導航器，方便用戶(hù)查看不同學(xué)科的過(guò)程數據，例如功能導航器中的功能設計可以包括自動(dòng)化數據，例如PLC代碼塊等；位置導航器讓電氣設計人員進(jìn)行電氣部件的參考指派，指定其位置；產(chǎn)品導航器也可用于構造其數據，查看所有購買(mǎi)的設備及元器件清單。該工具還可以預覽集成到模型中的EPLAN 電氣示意圖信息。這三個(gè)方面允許通過(guò)拖放基于 IEC 81346 規范構建參考指定。另外，NX自動(dòng)化設計器集成了自動(dòng)化硬件和軟件，并為自動(dòng)化工程師提供自動(dòng)化導航器，以便他們可以在博圖中熟悉的結構中查看數據。數據交叉高亮顯示使工程師能夠有效地傳達項目中的數據。所有學(xué)科都可以在同一重用庫中存儲和管理各自的數據。允許每個(gè)學(xué)科單獨管理自己的數據又保持一致性，幫助各學(xué)科進(jìn)一步協(xié)同。自動(dòng)化設計器可以鏈接到自動(dòng)化軟件博圖全局庫。有了這個(gè)集成模型，電氣工程師只需做自己的工作，并配有集成的自動(dòng)化數據，即可完成自動(dòng)化工作。參見(jiàn)圖5.多學(xué)科系統設計。

4. 多學(xué)科系統設計的價(jià)值.

所有學(xué)科之間協(xié)作，提高了工程效率。用戶(hù)可以同時(shí)查看同一個(gè)項目，并擁有所需的所有數據。從機電模板快速創(chuàng )建大部分電氣和自動(dòng)化設計，消除重復數據輸入或傳輸，保持機械、電氣和自動(dòng)化工程之間的數據一致性。

安全風(fēng)險分析

安全分析的目標是充分了解設計對隨機硬件故障的敏感性，以及必須采取的步驟，以實(shí)現由更高級別的ASIL等級定義的安全指標。

我們采用了幾種分析技術(shù)來(lái)確定與目標安全指標相關(guān)的設計安全性。結構檢查是一種行之有效的方法，用于及時(shí)計算和驗證在創(chuàng )建FMEDA過(guò)程中進(jìn)行的FIT估計。

通過(guò)結構分析和影響分析，量化安全機制對隨機硬件故障捕捉的有效性，實(shí)現了估計的診斷覆蓋率（DC）。FIT和DC代替了原始的專(zhuān)家分析驗證和FMEDA差距分析。

例如，將對包含模塊備份的設計進(jìn)行結構分析。然后，根據備份模塊和相關(guān)檢查程序覆蓋的設計結構評估診斷覆蓋率。計算的診斷覆蓋率驗證了從總體到具體的FMEDA診斷覆蓋率評價(jià)（圖2）。

安全注入

安全機制具有多種優(yōu)點(diǎn)，在檢測隨機硬件故障方面，每一種安全機制都具有其獨特的的有效性。通常，人們會(huì )認為安全機制就是失效安全或失效運行。失效安全機制能夠進(jìn)行隨機故障檢測。失效運行機制能夠糾正隨機的硬件故障；因此，失效安全機制通常需要更高的資源利用率（電源、性能、面積），而且要滿(mǎn)足最嚴格的安全目標（指定為ASIL D）。

· 允許對機器生成的代碼進(jìn)行安全增強，比如高階的圖形化設計。

· 端到端奇偶校驗和循環(huán)冗余校驗。

3）.工程師可從上述一套硬件安全機制中選擇

安全機制注入后，必須使原始設計和增強設計邏輯等效，以確保沒(méi)有引入功能偏差。

安全驗證

一旦故障緩解邏輯增強了設計，就必須通過(guò)故障注入證明該設計可以安全地避免硬件故障。故障注入的目標是對故障列表中的每個(gè)故障進(jìn)行全面分類(lèi)，并驗證安全分析期間估計的診斷覆蓋率指標。

在第一部分中，采用在安全分析中使用的相同分析技術(shù)自動(dòng)生成故障列表。故障列表一旦生成，一系列的故障優(yōu)化工作可將故障列表減少到最小的問(wèn)題集。第一個(gè)優(yōu)化確定了安全關(guān)鍵影響錐中包含的邏輯，消除了不影響安全目標的邏輯（圖4）。