基于功能安全的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計方法及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、數(shù)控技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中具有極其重要的作用，關(guān)乎國家基礎(chǔ)制造業(yè)的水平。為滿足不斷發(fā)展的生產(chǎn)生活的需要，高速、高精、智能、網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。在此發(fā)展方向下，數(shù)控系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床的大腦，其功能越來越強(qiáng)大，系統(tǒng)越來越復(fù)雜。為保證整個制造系統(tǒng)自動化、智能化生產(chǎn)的安全運行，其功能安全問題逐漸成為一個重要的問題。然而，基于功能安全的數(shù)控系統(tǒng)，國內(nèi)目前尚無成熟的設(shè)計經(jīng)驗可循，而國際上安全控制系統(tǒng)大部分是針對流程工業(yè)的PLC或其他形式的

2、控制系統(tǒng)。如何既能滿足數(shù)控系統(tǒng)復(fù)雜功能的需要，又能滿足功能安全的需求，是本文著重要解決的問題。
　　本文從硬件平臺和軟件平臺兩個問題入手，針對以上問題進(jìn)行了研究。通過對基于功能安全的數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計要求的具體分析，硬件方面，確定了在標(biāo)準(zhǔn)硬件平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行功能安全評估、改進(jìn)，以滿足功能安全要求的硬件設(shè)計方法;軟件方面，為滿足柔性的需要，確立了組件式的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。但由于功能安全的組件化數(shù)控系統(tǒng)軟件系統(tǒng)龐大，設(shè)計復(fù)雜，需研究數(shù)控系統(tǒng)安全

3、組件共享機(jī)制，以滿足基于功能安全的數(shù)控系統(tǒng)快速設(shè)計的需求。
　　首先，對數(shù)控系統(tǒng)硬件功能安全評估方法進(jìn)行了研究。通過對特定型號數(shù)控系統(tǒng)在應(yīng)用現(xiàn)場反饋的失效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理，建立了數(shù)控系統(tǒng)硬件的小樣本先驗數(shù)據(jù);對硬件失效數(shù)據(jù)進(jìn)行了常見失效概率分布擬合，通過定量分析得到了數(shù)控系統(tǒng)硬件失效概率分布滿足指數(shù)分布模型特點，確定了安全評估建模所選的數(shù)學(xué)模型。圍繞數(shù)控系統(tǒng)硬件的功能失效，研究并設(shè)計了一種基于故障樹的數(shù)控系統(tǒng)失效模型及基于Mar

4、kov模型的安全完整性分析方法?？紤]到數(shù)控系統(tǒng)部件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，利用Markov方法及故障樹分析方法將數(shù)控系統(tǒng)按照功能劃分為子系統(tǒng)，并采用故障樹方法對每個子系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。之后采用Markov方法模型對系統(tǒng)整體進(jìn)行分析，在模型的建立過程中，引入信息熵作為判別的依據(jù)，實現(xiàn)對各個子模塊失效概率的計算，從而對整體系統(tǒng)所體現(xiàn)的信息權(quán)重進(jìn)行區(qū)別，較好地解決了數(shù)控系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)對整體系統(tǒng)安全失效權(quán)重的影響的問題。
　　其次，在建

5、立的數(shù)控系統(tǒng)硬件分析模型基礎(chǔ)上，使用故障樹方法和Markov方法，計算出了數(shù)控系統(tǒng)硬件中系統(tǒng)擴(kuò)展控制單元、核心處理單元、顯示單元、電源供電單元的要求時危險失效概率PFD、每小時危險失效概率PFH、要求時危險失效平均概率FDavg，以及系統(tǒng)的診斷覆蓋率DC和安全失效分?jǐn)?shù)SFF。參考IEC62061和IEC61508中對功能安全完整性等級SIL要求進(jìn)行評估分析，提出了采用增加冗余設(shè)計、增加檢測電路、采用降額設(shè)計等數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計改進(jìn)原則，對

6、數(shù)控系統(tǒng)硬件進(jìn)行了改進(jìn)，達(dá)到了預(yù)期的功能安全要求。
　　第三，針對功能安全數(shù)控系統(tǒng)軟件，根據(jù)IEC61131-3、IEC61131-6、IEC61508-3、IEC61508-7給出了功能安全的數(shù)控系統(tǒng)軟件模型，并制定了功能安全的數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺實施策略。在制定的實施策略中，為解決借助遵循IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)開發(fā)軟件，對功能安全的數(shù)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行開發(fā)中，數(shù)控系統(tǒng)安全組件資源不足的問題，建立了安全組件的共享機(jī)制。通過對安全組件的知識

7、化方法的研究，設(shè)計了安全組件的共享平臺，構(gòu)建了基于安全組件知識庫的設(shè)計方法，以方便開發(fā)者進(jìn)行開發(fā)協(xié)助和資源共享。在知識庫的構(gòu)建過程中，通過使用本體描述語言O(shè)WL對安全組件進(jìn)行知識化表述，通過安全組件的描述文件以對安全組件的查詢和存儲定位服務(wù)。本體描述引入了推理能力，可對安全組件庫的維護(hù)和查詢使用進(jìn)行處理，為后期安全組件知識庫的大規(guī)模云端存儲和使用提供了基礎(chǔ)。
　　最后，針對數(shù)控系統(tǒng)功能安全的測試，首先介紹了總線式數(shù)控系統(tǒng)功能安全的

8、實現(xiàn)方式，并對可能出現(xiàn)故障的原因進(jìn)行了分析;其次介紹了數(shù)控系統(tǒng)的功能安全測試方法，并對不同類型安全相關(guān)系統(tǒng)的安全功能響應(yīng)時間進(jìn)行了分析和比較;最后針對數(shù)控系統(tǒng)的功能安全測試設(shè)計了數(shù)據(jù)采集卡，并對其采樣原理和實現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)介紹，以此為基礎(chǔ)搭建了數(shù)控系統(tǒng)的功能安全測試平臺，對系統(tǒng)的功能性和故障插入進(jìn)行了測試，為數(shù)控系統(tǒng)的功能安全測試提供了一種參考方案。
　　本文對基于功能安全的數(shù)控系統(tǒng)的硬件安全評估和設(shè)計改進(jìn)、軟件設(shè)計、測試平臺等