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安全繼電器的安全驗(yàn)證技術(shù)

文檔作者：吳寧寧劉進(jìn) 云建軍唐侃文檔來源：北京航天微機(jī)電技術(shù)研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月14日
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安全繼電器的安全驗(yàn)證技術(shù) 吳寧寧，等
安全繼電器的安全驗(yàn)證技術(shù)
吳寧寧，劉進(jìn)，云建軍，唐侃
(北京航天微機(jī)電技術(shù)研究所 北京，1 0 0 O 9 4)
摘要：應(yīng)用于功能安全領(lǐng)域的安全繼電器，需要依據(jù)IEC61 508：2010和ISO1 3849標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一系列的安全驗(yàn)證，
以確保安全繼電器的設(shè)計(jì)和安全需求規(guī)范的一致性。
關(guān)鍵詞：安全繼電器安全驗(yàn)證；IEC61 508；I S01 3849
Abstract：Usedinfunction securityfield safety relays，accordingtoIEC61508：2010 andISO13849 standardona seriesof safetytest,
to ensure safety relays design and safety needs ofthe consistency ofthe standard．
Keywords：Safety relays；Securityverification；IEC61508；ISO13849
中圖分類號：TM588 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1 001-9227(201 2)03-0082-03
1 安全系統(tǒng)控制設(shè)備一安全繼電器
隨著工業(yè)生產(chǎn)過程中安全問題的頻繁發(fā)生，工業(yè)安
傘R益受到人們的重視。各國政府也推出相關(guān)法令法規(guī)，
以減少類似事件的發(fā)生。在中國機(jī)床行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)
GB22998—2008《機(jī)床安全大規(guī)格數(shù)控車床與車削中心》于
2 0 0 9年1 0月1日開始強(qiáng)制執(zhí)行；注塑機(jī)行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)
GB2253O 2008《橡膠塑料注射成型機(jī)安全要求》于2009年
11月1日開始強(qiáng)制執(zhí)伉2011年7月29日，國家頒布了基于
歐盟EN 1 1 5 1標(biāo)準(zhǔn)的新版自動扶梯和自動人行道的制造與
安裝安全規(guī)范GB16899—201 1。為了盡量避免類似北京地鐵
4號線扶梯事故的再次發(fā)生，新版GB 1 6899標(biāo)準(zhǔn)中引用了功
能安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 62061《機(jī)械安全一與安全有關(guān)的電氣、電
予和可編程電子控制系統(tǒng)的功能安全》。
基于功能安全標(biāo)準(zhǔn)I Ec61 508設(shè)計(jì)的安全系統(tǒng)應(yīng)用于
上述各個(gè)領(lǐng)域。安全系統(tǒng)的安全完整性等級(SafetY In—
tegrity Level，簡稱SIL)的驗(yàn)證和評估是對系統(tǒng)中各個(gè)
器件部分的驗(yàn)證和評估。如圖1所示，典型的安全系統(tǒng)包
括輸入裝置(如安全光幕、安全門鎖開關(guān)、急停按鈕、安
全地毯、雙于開關(guān)等傳感器)，控制裝置和輸出裝置。安全
繼電器作為整個(gè)安全回路的控制裝置，廣泛地應(yīng)用于一些
低等或者中等復(fù)雜程度的機(jī)械設(shè)備和控制系統(tǒng)中，起著至
關(guān)重要的作用。
r————] I輸入裝置L__Jr E—／—E—／P—E—控—制——裝—置]L r————]
— I 蘭：I l ：竺蘭竺!蘭：l _JI輸：竺出蘭 裝置：l
圖1 安全系統(tǒng)框圖
所謂的“安全繼電器”，并不是“沒有故障的繼電器”，
是發(fā)生故障時(shí)做出預(yù)期的動作，它具有強(qiáng)制導(dǎo)向接點(diǎn)結(jié)
構(gòu)，一旦發(fā)生接點(diǎn)熔結(jié)現(xiàn)象也能確保安全。如圖2所示，典
型的安全繼電器多采用1 00 2D的電路冗余結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)
包括兩個(gè)并行的通道，通常情況下，需要通道1和通道2都
收稿日期：2 01 2一O1—0 5
作者簡介：吳寧寧，碩士，主要從事安全繼電器的研發(fā)和認(rèn)證
以及功能安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究工作。
82
工作，才能保證安全繼電器的正常啟動。當(dāng)診斷測試到其
中任何一個(gè)通道出現(xiàn)故障時(shí)，安全繼電器的輸出就會由另
一個(gè)通道的輸出決定。當(dāng)診斷測試到兩個(gè)通道均發(fā)生故障
時(shí)，則輸出就會轉(zhuǎn)換為安全狀態(tài)。
圖2 1002D電路冗余結(jié)構(gòu)
關(guān)于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)，僅僅按照相應(yīng)的流程研
制成功是不夠的，還必須按照機(jī)械指令、低壓電氣指令和
EMC指令以及功能安全標(biāo)準(zhǔn)IEC61508和ISO13849進(jìn)行安全
驗(yàn)證。最后在通過第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)的評估之后，產(chǎn)品粘貼
CE標(biāo)識和相應(yīng)的功能安全Mark。
具體的驗(yàn)證流程包括應(yīng)用分析，編寫驗(yàn)證計(jì)劃以及
執(zhí)行與之對應(yīng)的測試。另外，需要驗(yàn)證安全繼電器的性能
等級(Performance Leve1，簡稱PL)和安全完整性等級是
否達(dá)到經(jīng)過風(fēng)險(xiǎn)識別后要求的等級。假如經(jīng)過風(fēng)險(xiǎn)識別和
分析后，安全繼電器的安全完整性等級S I L r需要達(dá)到
SIL3、性能等級PLr需要達(dá)到PLe的等級，那么最終計(jì)算得
出的SIL和PL需要滿足：SIL≥S1L，， ≥ ，。
2 驗(yàn)證分析技術(shù)和驗(yàn)證試驗(yàn)
失效模式和影響分析技術(shù)(FMEA)是一種白下而上的
風(fēng)險(xiǎn)分析和設(shè)計(jì)技術(shù)，同時(shí)也是一種可以應(yīng)用于產(chǎn)品、系
統(tǒng)和過程的驗(yàn)證技術(shù)。是 種既可定性又可定量的分析技
術(shù)。
具體應(yīng)用上，首先需要確定安全繼電器的安全功能，
在確定安全功能的前提下，定義安全繼電器的安全失效和
危險(xiǎn)失效。然后分析產(chǎn)品每一個(gè)元器件的各種失效模式對
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《自動化與儀器儀表》2012年第3期(總第161期)
所在通道以及最終產(chǎn)品的影響，確定此種失效模式是安全
失效還是危險(xiǎn)失效并由此計(jì)算診斷到的危險(xiǎn)失效率 、
未診斷到的危險(xiǎn)失效率 ，、診斷到的安全失效率 、未
診斷到的安今失效率 等。
與FMEA不同的是，故障樹分析技術(shù)(FTA)是一種自下
而上的分析技術(shù)，相對于FMEA的單點(diǎn)故障分析特點(diǎn)，F(xiàn)TA
可做多故障分析。圖3是FTA技術(shù)的一種示例。
輸出回路
無法斷開
Top
觸點(diǎn)粘接
繼電器 KI I I觸繼點(diǎn)電粘器接K2
舍
同樣可以利用Multi Sim仿真技術(shù)，建立安全繼電器的
模型，針對安全繼電器的各種正常功能和可以預(yù)見的異常
狀況進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)仿真，驗(yàn)證安全繼電器在特定輸入的
情況下，有與之對應(yīng)的準(zhǔn)確的輸出信號。
當(dāng)通過分析無法充分驗(yàn)證時(shí)，需要通過試驗(yàn)來進(jìn)一一
步驗(yàn)證。驗(yàn)證測試需要邏輯有序的進(jìn)行。包括編寫測試計(jì)
劃，做出相應(yīng)的測試記錄，最終測試結(jié)果與安全需求規(guī)范
中指定結(jié)果的比較等等。
3 驗(yàn)證PL是否達(dá)到系統(tǒng)要求的PL r
針對安全繼電器每 個(gè)獨(dú)立的安全功能，需要驗(yàn)證
其P L是否滿足要求的PLr。如果沒有滿足要求，需要進(jìn)行
重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。P L由以下 個(gè)參數(shù)決定：產(chǎn)品所屬結(jié)構(gòu)類
別、危險(xiǎn)失效的診斷覆蓋率Dc、共因失效因子CCF、和平均
危險(xiǎn)失效故障時(shí)『日]MTTF d。其中PL和四個(gè)參數(shù)的關(guān)系可以
用圖4表示。
Cat．B Cat．1 Cat．2 Cat．2 Cat．3 Cat．3 Cat．4
D 忡 Dc呻r帥 Dc Dc d m 0c． low DC- tm-,dl~ Oc ’
圖4 PL~HCategory，DCavg，MTTFd之問的關(guān)系
其中：l 每個(gè)通道的MTTFd：低
2 每個(gè)通道的MTTFd=中
3 每個(gè)通道的MTTFd：高
安拿繼電器的結(jié)構(gòu)是決定P L的‘個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。針對
每一個(gè)結(jié)構(gòu)類別，可以繪制出相應(yīng)的方框圖，總共有C a t—
egory B、l、2、3、4四個(gè)類別。根據(jù)各個(gè)類別的具體要求，
得出安全繼電器所屬結(jié)構(gòu)類別為4。
安全繼電器整個(gè)模塊危險(xiǎn)失效的診斷覆蓋率D C可以
通過F M E A或者其他類似方法得到。模塊中各個(gè)元器件的
DC與診斷到的危險(xiǎn)失效率和未診斷到的危險(xiǎn)失效率之
間的關(guān)系可以用公式(1)表示。此參數(shù)代表發(fā)生危險(xiǎn)失效
時(shí)被系統(tǒng)診斷到的概率，有時(shí)也可用參數(shù)S F F(安全失效
因子)表示。D C．以百分?jǐn)?shù)的形式表示，有：無、低、中、高
共四個(gè)等級。安全繼電器模塊選用的繼電器元器件都是采
用強(qiáng)制導(dǎo)向繼電器，此種結(jié)構(gòu)繼電器能夠保證繼電器的N 0
(常開)觸點(diǎn)和N C(常閉)觸點(diǎn)不能同時(shí)處于同一個(gè)狀態(tài)，
實(shí)現(xiàn)機(jī)械聯(lián)動。強(qiáng)制導(dǎo)向繼電器的診斷覆蓋率D C可以達(dá)
到9 9％。經(jīng)過最終評估，安全繼電器整個(gè)模塊的診斷覆蓋
率DC大于99％。
： — —
im
九m
在標(biāo)準(zhǔn)IS01 3849—1中，MTTFd考慮的是單通道情況，共
有低、中、高三個(gè)類別。針對具體各個(gè)元器件的MTTFd值，
經(jīng)?？梢酝ㄟ^以下有兩種方法獲得，一種是通過公式(2)，
一種是通過公式(3)。最終整個(gè)安全繼電器的MTTFd值是將
各個(gè)通道的值代入相應(yīng)公式獲得。經(jīng)過計(jì)算得到，安全繼
電器的MTTFd=高
1
(2)
MFTFd： 0 1 (3)
．
× 力 ＼u／
d x h x 3600 s ．
其中17op=．_= — ——
E
cyc]
B Od 1 0％的安全繼電器達(dá)到危險(xiǎn)失效時(shí)安全繼電器的
動作次數(shù)
h OD 一安全繼電器的平均工作時(shí)間，單位以小時(shí)每天計(jì)
d o D一安全繼電器平均工作時(shí)間，單位以天每年計(jì)
t c y cl e一安全繼電器兩個(gè)相繼動作周期的起始點(diǎn)之間的
平均工作時(shí)間，單位以秒每周期計(jì)
C C F表示由于同一事件引起的不同通道的失效，這些
失效相互之間沒有因果關(guān)系。C C F主要衡量產(chǎn)品在隔離設(shè)
計(jì)、差異性設(shè)計(jì)、以及設(shè)計(jì)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、環(huán)境、評估、能力
培訓(xùn)和環(huán)境等方面的好壞情況，最終確定一個(gè)最終分值，
分值在6 5分以上為推薦值。
經(jīng)過最終評估，結(jié)合圖4，驗(yàn)證得到PL為PLe，滿足PLr
等級要求。
4 驗(yàn)證s l L是否達(dá)到系統(tǒng)要求的S I L r
針對安全繼電器的安全功能，需要驗(yàn)證其S I L等級是
否達(dá)到需要的S I L r等級。我們首先要判斷產(chǎn)品結(jié)構(gòu)屬于
何種冗余結(jié)構(gòu)，針對相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，找到對應(yīng)的PFH(高要求
或者連續(xù)操作模式下，安全功能每小時(shí)危險(xiǎn)失效的概率)
計(jì)算公式，計(jì)算得到安全繼電器的S I L等級。其中針對機(jī)
械制造等連續(xù)操作模式下，S I L 3等級就足夠了。針對化工
等低要求操作模式，最高要求達(dá)到sIL4等級。1O02D結(jié)構(gòu)
的PFH計(jì)算公式如(4)所示。值得注意的是，相對于
(下轉(zhuǎn)第8 9頁)
83
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基于超聲波的預(yù)防汽車追尾碰撞報(bào)警系統(tǒng) 萬國峰
主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順
序的控制以及液晶的顯示。
定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成每隔一段時(shí)間超聲波的輪
流發(fā)射，當(dāng)超聲波模塊的探頭收到超聲波時(shí)，給單片機(jī)
P 3．2口提供了一個(gè)低電平，使單片機(jī)進(jìn)入外部中斷服務(wù)子
程序，主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、語音提示報(bào)警
等工作。
為了方便，其中的安全距離可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)
定，使系統(tǒng)更加完善。
3 結(jié)束語
在設(shè)訓(xùn) 過程中充分考慮了系統(tǒng)的實(shí)用性與創(chuàng)新，采
用了目前被廣泛應(yīng)用于倒車時(shí)防撞系統(tǒng)中的超聲波技術(shù)，
可以借助預(yù)防碰撞系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，開發(fā)起來也比
較容易。當(dāng)遇到危險(xiǎn)時(shí)可實(shí)現(xiàn)語音實(shí)時(shí)提示駕駛員危險(xiǎn)存
在，而且用指示燈蜂鳴器報(bào)警，方便使用?？蓮V泛應(yīng)用于
高速公路和擁擠的城市交通中，不僅適用于疲勞駕駛、酒
后駕駛、在一些司機(jī)反應(yīng)不及以及誤操作交通事故中，也
能起到很大作用。
參考文獻(xiàn)
[1]吳昌東，江樺，吳學(xué)杰．預(yù)防汽車追尾系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．微計(jì)算機(jī)
信息，2008，24(17)：125—127．
[2]賀樂廳，孫利生．汽車防撞雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制[J]，工業(yè)儀表
與自動化裝置，2003，03：17—19．
[3]張謙琳．超聲波檢測原理和方法[M]．北京：中國科技大學(xué)出版
社，1993．
[4]胡萍．超聲波測距儀的研制[J]．計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2003，(10)：
130—132．
[5]丁鎮(zhèn)生．傳感及遙控遙測技術(shù)應(yīng)用[M]．北京：國防工業(yè)出版社，
2003．
[6]黃繼昌．傳感器工作原理及應(yīng)用實(shí)例[M]．北京：人民郵電出版
社，1998．
[7]郭天祥．新概念5 1單片機(jī)C語言教程入門、提高、開發(fā)[M]．北
京：電子工業(yè)出版社，2009．
(上接第8 3頁)
IEC61508：2002標(biāo)準(zhǔn)，IEC61508：2010在針對lO02D結(jié)構(gòu)的
PFH計(jì)算時(shí)，增加了～ 個(gè)新的參數(shù)K。K代表內(nèi)部通道之間
比較／轉(zhuǎn)換機(jī)制的有效性，也就是當(dāng)一個(gè)通道檢測到故障
時(shí)輸出保持為200 2冗余結(jié)構(gòu)狀態(tài)。經(jīng)過計(jì)算，安全繼電器
的SIL=3，滿足SILr等級要求。
PFHc,
： 2(1一 x，。l(1一 i+l＼一8 s |cE 2(t一 )D 0 ) 4、
圖5是航安安全繼電器。
圖5 航安安全繼電器
航安安全繼電器經(jīng)過國際權(quán)威第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)的功
能安全測試和評估，是目前國內(nèi)第一個(gè)通過功能安全認(rèn)證
的安全繼電器產(chǎn)品。其結(jié)構(gòu)類別(A r c h i t e c t U r a 1
category)為4，安全完整性等級為SIL3，性能等級為PL e，
目前己廣泛應(yīng)用于注塑機(jī)、機(jī)床、紡織機(jī)械等領(lǐng)域。
ISO13849和IEc61 508標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了安全繼電器的
驗(yàn)證和確認(rèn)過程，從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就要開展相應(yīng)的驗(yàn)證
工作，其貫穿了產(chǎn)品開發(fā)的始終。只有經(jīng)過了充分的驗(yàn)證，
并且最后通過第三方權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)的評估之后，才是一 款
合格的安全繼電器產(chǎn)品，才能得到市場的準(zhǔn)入和認(rèn)可。
參考文獻(xiàn)
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of control systems—Par t 1：General principles for design．
[2]IS013849-2：2006 Safety of machinery—Safety—related parts
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[3]IEC61508—1：2010 Functional safety of electrical／elec—
tronic／programmable electronic safety—related systems
— Part 1： General requirements．
[4]IEC61508—6：2010 Funct ional safety of electrical／elec—
tronic／programmabie electronic safety related systems
— Part 6： Guidelines on the application of IEC61508—2
and IEC 61 508—3．
(上接第8 5頁)
200mm VI徑流量計(jì)流量范圍130~2500m。／h，工況使用流量
范圍下限Qgmin：145m。／h>流量表130m。／h(Qmin)，滿足流
量下限要求，最終確定流量計(jì)口徑選為2 0 0 mm，可以滿足
使用要求。
4 結(jié)論
計(jì)量系統(tǒng)安裝投運(yùn)后運(yùn)行穩(wěn)定，計(jì)量準(zhǔn)確度大幅提
高，杜絕了貿(mào)易糾紛，為公司創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)
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