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【沃德检测 | 质检】机器人功能安全评估知多少?

目录:公司新闻点击率:发布时间:2018-11-10 13:40:22

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在工业机器人、AGV等产品的设计过程中,为了保证产品的安全性,我们通常会增加很多安全回路。在这些回路的设计过程中,我们也会选择很多厂家的提供的组件或者自己设计的组件,例如速度传感器、安全继电器、急停开关、安全PLC等。在这些组件的选型中,很多认证标准或者业主往往会要求需要使用经过功能安全评估,获得SIL证书的产品。那么究竟什么是功能安全评估,什么是SIL的吗?本文将详细介绍。

■ 功能安全评估的定义

 

功能安全评估指的是由独立于设计方的组织或个人,通过审查设计方提供的产品技术文件,找出与功能安全标准要求的差异,促使设计方改进产品,满足标准的要求,并出具证书或者报告证明产品符合了特定标准。

 

■ 功能安全评估的对象

 

功能安全评估的对象一般分为两类,一类是针对安全回路中的组件的评估,这类评估将根据标准中SIL或PL的要求审核组件的功能安全管理、架构设计、软件设计、硬件设计和测试等内容,找出差异,要求企业改进产品。例如机器人的驱动器、安全控制器、安全继电器、安全光栅等;另一类是针对安全回路集成的评估,目的是通过对集成之后的安全回路评估,判断整体的安全功能是否达到了标准中相应的SIL或PL要求。

 

■ 功能安全评估对企业的益处

 

对于一个机器人的研发型企业来说,功能安全评估具有以下益处:

 a)提高机器人产品的安全性,减少产品应用中安全事故。功能安全评估依据的是国际上的技术标准,例如IEC61508,ISO 13849,ISO12100,这些标准是国际该行业的精华所在,通过评估,可以发现设计中的缺陷,提高产品的安全水平;

 b)提升企业产品安全设计的技术和管理水平。在评估过程中,评估人员会提出各种各样的安全技术或者管理问题,例如产品架构、元器件选型、降额设计、编码、测试和配置管理、验证确认管理、质量管理等方面的问题,这些问题的解决有助于企业提升设计人员的技术水平,提升产品设计的安全管理水平。

c)降低机器人产品的成本,提升企业的核心竞争力。在很多企业里面,安全回路中的器件大多是直接采购的,例如安全继电器、传感器以及驱动器、安全控制器,这些器件本身已通过功能安全评估,价格比较昂贵。如果企业自己设计,并且通过评估,既能满足客户的要求,也能减少大量的成本。

 

■ 什么是PL和SIL

 

对机器人行业来说,功能安全评估中最常听到的一个术语SIL或者PL,SIL是Safety integrity level的缩写,又叫安全完整性等级,是安全功能发生危险失效的概率的一个衡量指标,SIL的分级见表1和表2。

 

 

表1 安全完整性等级:在低要求运行模式下安全功能的目标失效量

安全完整性等级/SIL

安全功能在要求时的危险失效平均概率/PFD

4

≥10-5  to<10-4

3

≥10-4  to<10-3

2

≥10-3 to<10-2

1

≥10-2  to<10-1

 

表2 安全完整性等级:在高要求或连续运行模式下安全功能的目标失效量

安全完整性等级/SIL

安全功能的每小时危险失效平均频率/PFH

4

≥10-9  to<10-8

3

≥10-8  to<10-7

2

≥10-7 to<10-6

1

≥10-6  to<10-5

 

PL是 Performance level的缩写,又称性能等级,也是安全功能发生危险失效的概率的一个衡量指标,PL在机器人行业用的比较多。其分级见表3.

 

表3 PL等级的定义

PL

每小时平均危险失效概率

A

≥10-5  to<10-4

B

≥3×10-6  to<10-5

C

≥10-6  to<3×10-6

D

≥10-7  to<10-6

E

≥10-8  to<10-7

 

■ 功能安全评估的内容

 

对于机器人安全回路的组件的评估,功能安全评估是对安全回路相关产品设计的评估,评估可通过两种方式证明产品符合了SIL或PL的要求:

 

a)一种方式是对整个设计过程进行评估,这样评估应在设计的早期就要开展,而且要贯穿整个设计过程。例如计划、需求、架构设计、详细设计、单元测试、集成测试等各个阶段,如图1。评估会将会对设计的每一阶段产生的文件进行详细评估,并提出技术问题,保证整个设计都符合功能安全标准的要求。如果在产品设计完成之后再进行评估,将会给产品设计带来大量的改进,增加企业时间和人力成本。

图1功能安全评估涵盖的阶段

b)第二种方式,采用经使用证明。对于长期运行经验的产品,企业可收集产品的运行数据,例如故障数据、运行环境等,并对数据进行一定的计算,对差异进行详细的分析,也可证明产品满足了要求的SIL或PL等级。

 

对于安全回路的集成的评估,功能安全评估应在集成的过程中,对技术文件进行详细的审核,以判断集成后的安全回路整体上是否满足SIL或PL要求,在此不再详细介绍。

 

■ 功能安全评估的步骤

 

对于组件级别的功能安全评估,通常分为两步。

 

首先是对功能安全管理的评估,主要集中在设计的早期阶段,评估内容及核心如下图所示:

图2 功能安全初步评估

其次,是对设计过程中技术方面的评估。评估将重点关注产品架构、详细设计以及编程、FMEA分析、元器件选型、测试等方面。评估的核心和内容如下图所示:

图3 功能安全详细技术评估

最后,结合作者多年的经验,本文想谈一下功能安全评估过程中第三方咨询的重要性。由于功能安全评估是对组件(继电器、安全控制器和驱动器)的设计审核,尤其是对于包含软件、硬件的产品,评估会涵盖从概念、架构、详细设计、编程、测试等方方面面的内容。对于一个从未接触过功能安全的企业来说,阅读、理解和应用标准将是一个非常大的负担,IEC61508大概有700多页。而且,由于咨询和评估的独立性规则要求,评估方也很少对企业在评估过程中的遇到的问题进行积极的指导。此时,如果能够有一个具有良好的功能安全经验的第三方介入,将对指导企业文档的编写、解决设计人员遇到的技术问题、协助与评估方的沟通具有重要意义,能够协助企业加快整个评估过程。但是,由于功能安全在国内属于新兴领域,发展时间短,优秀人才匮乏,一定要选择专业的咨询公司来做指导。

 

谈了这么多,您对功能安全评估还有疑问吗?欢迎随时来电沟通!

 

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