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基于故障樹分析的數(shù)控裝置硬件平臺功能安全設計與實現(xiàn)

文檔作者：袁曉慧尹震宇黃祖廣王帥華文檔來源： 1．中國科學院大學 2．中國科學院沈陽計算技術研究所總線實驗室3．沈陽高精數(shù)控技術有限公司 4．山東大學機械工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月05日
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第8期
2015年8月
組合機床與自動化加工技術
M odular M achine Tool&amp;amp; Automatic M anufacturing Technique
No．8
Aug．2015
文章編號：1001—2265(2015)08—0070—04 DOI：10．13462／j．cnki．mmtamt．2015．08．018
基于故障樹分析的數(shù)控裝置硬件平臺功能
安全設計與實現(xiàn)木
袁曉慧 ，一，尹震宇 ，黃祖廣 ，王帥華 '
(1．中國科學院大學，北京 100049；2．中國科學院沈陽計算技術研究所總線實驗室，沈陽 110168；
3．沈陽高精數(shù)控技術有限公司，沈陽 110168；4．山東大學機械工程學院，濟南 250061；5．國家機
床質(zhì)量監(jiān)督檢測中心，北京 100102)
摘要：針對國產(chǎn)數(shù)控裝置硬件平臺安全性能不足且缺乏有效定量評估方法的現(xiàn)狀，提出基于故障模
式影響診斷分析和簡化故障樹法的數(shù)控裝置硬件失效評估模型。通過計算裝置硬件失效概率及失
效原因重要度分析的結果，對影響裝置失效的薄弱模塊增加冗余、診斷設計。驗證改進后的數(shù)控裝
置硬件平臺可達到IEC62061標準中sIL2等級要求，在工程上具有很好的應用價值。
關鍵詞：數(shù)控裝置；功能安全；故障樹分析法；IEC62061；安全完整性等級
中圖分類號：TH122；TG506 文獻標識碼：A
Design and Im plementation of Functional Safety of the Hardware Platform of
Domestic Numerical Control Device Based on FTA
YUAN Xiao-hui r，YIN Zhen．yu ，HUANG Zu guang ．一，WANG Shuai—hua ，
(1．University of Chinese Academy of Science，Beijing 100049，China；2．NC Bus Lab，Shenyang Institute of
Computing Technology，Chinese Academy of Science，Shenyang 1 10168，China)
Abstract：Considering the current situation of the hardware platform of domestic numerical control device
has an insufi cient safety perform ance and lack of effective quantitative evaluation method，Coming up with
a numerical control device hardware platform failure assessment model based on failure model effect diagnostic
analysis an d simplify fault tree method．After the analysis of computing device hardware failure probabili—
ty and the importance of failure cause，redundant and diagnose measures are taken for the weak part which
causes the platform failure．Experiments verified that the improved numerical control device hardware plat—
fo rm achieved IEC62061 standard and it has a good application value in engineering．
Key words：numerical control device；functional safety；failure tree analysis；IEC62061；safe integrity level
O 引言
機床安全是現(xiàn)代制造業(yè)賴以生存和發(fā)展的基礎，
涉及到國民經(jīng)濟各個部門及人們的安全與健康。據(jù)有
關部門統(tǒng)計，我國制造工業(yè)的大中型企業(yè)中，由于機床
安全性不足而引起的不同程度人員傷亡事故每年都能
達到數(shù)百起 。同時，機床的安全性能對國產(chǎn)數(shù)控機
床能否走出國門，進軍國際市場也起到了至關緊要的
作用 。
眾所周知，數(shù)控裝置作為數(shù)控系統(tǒng)乃至機床的控
制中樞，為保證數(shù)控機床正常工作，數(shù)控裝置必須具有
安全功能以控制機床在出現(xiàn)隨機失效時能依舊降級運
行，不造成停機損失。目前，國外先進的安全數(shù)控系統(tǒng)
開發(fā)廠商Siemens、FANUC、PILZ等公司都陸續(xù)推出了
自己經(jīng)第三方認證的安全數(shù)控產(chǎn)品 。如西門子達到
SIL3等級認證的840D數(shù)控系統(tǒng)中運用安全集成技
術，通過改進軟、硬件的設計在原有數(shù)控系統(tǒng)中集成了
安全控制功能，從而保正機床的安全需求：如安全停
車，即當機床出現(xiàn)意外時能安全可靠的停車；或安全速
度監(jiān)控，在設定方式下，監(jiān)控各軸的移動速度不超過安
全速度等 。然而，我國由于功能安全標準引入時間
較晚，相較于歐美國家已經(jīng)研制出成熟的SIL3等級高
檔數(shù)控系統(tǒng)，及國內(nèi)目前技術、成本、需求等現(xiàn)實因素
的綜合考量，開發(fā)滿足IEC62061標準SIL2等級的中
檔安全數(shù)控裝置已經(jīng)能夠滿足現(xiàn)實生產(chǎn)需求，成為業(yè)
內(nèi)要突破的首要任務。因此，本文以中科院沈陽計算
收稿日期：2014—10—23；修回日期：2014—11—24
基金項目：國家科技重大專項課題：高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”數(shù)控系統(tǒng)功能安全技術研究”(2014ZX04009031)
作者簡介：袁曉慧(199O一)，女，山東東營人，中國科學院大學碩士研究生，研究方向為數(shù)控系統(tǒng)硬件功能安全，(E—mm1)471716311@qq．corn。
2015年8月 袁曉慧，等：基于故障樹分析的數(shù)控裝置硬件平臺功能安全設計與實現(xiàn) ．71．
所自主研發(fā)的LT—B10數(shù)控系統(tǒng)為平臺，研究適用于數(shù)
控裝置硬件平臺的功能安全評估及實現(xiàn)方法，為進一
步研制國產(chǎn)安全數(shù)控系統(tǒng)提供探索方向。
1 功能安全概述
1．1 功能安全概念及標準
數(shù)控裝置的功能安全，是指數(shù)控裝置具備故障安
全處理的行為。即當出現(xiàn)故障時，能夠進入安全狀態(tài)
或進行故障消除的數(shù)控裝置，又稱之安全數(shù)控裝置[5]。
換句話說，當安全數(shù)控系統(tǒng)滿足以下條件時就認為是
功能安全的：當任一隨機故障、系統(tǒng)故障或共因失效發(fā)
生時，都不會導致安全系統(tǒng)故障，從而避免引發(fā)人員的
傷亡、設備財產(chǎn)的損失。
近年來，隨著安全相關控制系統(tǒng)功能安全這一課
題的研究深入，有關國際組織陸續(xù)出臺了一系列有關
控制系統(tǒng)功能安全的標準，例如IEC功能安全標準系
列：功能安全基礎標準IEC61508、針對過程工業(yè)的
IEC6151 1、機械工業(yè)領域的IEC62061、IEC60204等 。
我國相關部門也積極開展了國際標準的轉化工作，如
國家標準化委員會于2012年發(fā)布的我國首部數(shù)控系
統(tǒng)功能安全強制性標準GB 28526．2012《機械電氣安
全一安全相關電氣、電子和可編程電子控制系統(tǒng)的功
能安全》。此類標準的出臺，對數(shù)控裝置功能安全的
研究起到了極大的推動及指導作用。
1．2 功能安全評估參數(shù)及指標
在研制安全數(shù)控裝置的過程中，將安全完整性等
級SIL作為總體設計的依據(jù)和衡量數(shù)控裝置安全性能
的指標，SIL等級越高，裝置發(fā)生失效的概率越低，安
全性能越好。安全完整性等級是一定條件下安全功能
得到正確執(zhí)行的概率，其數(shù)值代表著風險降低的數(shù)量
級 。IEC62061標準中將對安全相關控制功能的安
全完整性等級SIL要求，等效為裝置每小時危險失效
概率P朋，兩者對應關系如下表1所示 。
表1 SIL等級對照表
3
2
l
≥10一 到<10一’
≥10一’到<10‘
≥1O 到<10
同時，硬件的最高安全完整性等級還受限于硬件
的故障裕度和安全失效分數(shù)SFF。硬件結構約束表示
在安全失效分數(shù)確定下，安全完整性等級與最低硬件
故障裕度之間的關系，所以，硬件最高安全完整性等級
與硬件的故障裕度和安全失效分數(shù)密切相關。由于本
文所討論的數(shù)控裝置屬于IEC62061標準中定義的B
類子系統(tǒng)，其結構約束如下表2所示。
表2 B類相關子系統(tǒng)結構約束表
安全失效分數(shù) Js 硬件故障裕度
O l 2
<6O％ 不允許 SILl SIL2
60％ ～ <90％ S也l SI【2 SIL3
90％ ～ <99％ SIL2 SIL3 SIL3
>99％ SIL3 SIL3 SII3
注：SFF指系統(tǒng)中不會導致危險狀態(tài)的失效占全部失效的比率。
1．3 功能安全評估模型
功能安全基礎標準IEC61508附錄c中對于如何
計算裝置的失效概率給出了如下幾種可用方法：簡化
公式法、馬爾可夫模型法、故障樹分析法FTA、可靠性
框圖法RBD及蒙特卡勒仿真法等 ]，但具體的方法則
要專業(yè)人員根據(jù)實際情況進行選擇確定。對比上述幾
種方法可知，對于運行時間較長的數(shù)控裝置而言，馬爾
可夫模型雖然計算結果精度高，但在計算時存在狀態(tài)
轉移矩陣指數(shù)爆炸的風險，計算量大甚至無法計算，在
工程計算上不適合應用；簡化公式法相較馬爾可夫模
型計算量小但結果精度較低，有時不能滿足工業(yè)現(xiàn)場
需要。權衡計算復雜度與結果精度的雙重要求，本文
選用簡化的}-"FA分析法對數(shù)控裝置硬件進行失效概
率的計算。
}-TA分析法是在裝置設計過程中，通過對可能造
成裝置失效的各種原因進行分析，畫出邏輯框圖，自上
而下建立從現(xiàn)象到原因的有向邏輯圖的方法 。通
過確定引起失效的各基本事件發(fā)生概率，計算頂事件
的發(fā)生概率即要求時的平均失效概率及各底事件的重
要度。該方法在驗證裝置是否滿足相應安全完整性等
級的同時，亦能確定影響裝置失效貢獻度最大的基本
原因，為后續(xù)裝置的改進設計提供科學依據(jù)。傳統(tǒng)
FTA分析法通過確定故障樹的全部最小割集，再利用
不交布爾代數(shù)法計算求得頂事件的發(fā)生概率F( )：
，(r)=ΣA。一ΣhiA + Σ AIA A +
? +(一1) 一。AfA／-．A (1)
注：表示第i個底事件的發(fā)生概率。
考慮到數(shù)控裝置各模塊的失效概率一般都控制在
1O 數(shù)量級以下，故本文在故障樹計算過程中采取適
當簡化的方法，計算精度完全能夠滿足現(xiàn)場設備要求。
即設對于“或門”連接的頂事件發(fā)生概率近似為：
F( )=ΣA (2)
由于裝置發(fā)生危險失效主要有兩種模式：檢測到
的危險失效和未檢測到的危險失效。因此，對于單通
道1oo1結構裝置，即裝置的各模塊均為串聯(lián)結構，任
一模塊發(fā)生失效均導致裝置失效，此結構要求時失效
概率PFD計算公式 ：
PED =Aoo×MTTR+A。 ×TI (3)
平均要求時失效概率JP肋?計算公式：
P肋 = “6J (A肋×MTTR+A × )dt
1 ， l”
= 1(A ×MTTR+ 1 A ×t。)l
11 l 0
=A ×MTTR+ ×T1 (4)
公式中A舳、A跗、Aoo、AOV分別表示檢測到的安全
失效、未檢測到的安全失效、檢測到的危險失效和未檢
測到的危險失效概率。 表示裝置測試周期，MTTR
表示故障平均維修時間。
· 72· 組合機床與自動化加工技術 第8期
2 數(shù)控裝置失效分析
2．1 數(shù)控裝置硬件結構
根據(jù)LT—B10數(shù)控裝置的功能結構特點可將其劃
分為四個主要的功能模塊，如下圖1所示。
口
[— [—I]二
購匿 圓豳
圖1 數(shù)控裝置功能結構示意圖
四模塊在功能上構成串聯(lián)結構，即其中任一模塊
發(fā)生危險失效，將導致裝置發(fā)生故障，停止工作。
2．2 硬件模塊失效模式影響及診斷分析
失效模式影響及診斷分析FMEDA是計算裝置失
效概率的基礎，它通過對裝置中的元件逐一進行詳細
的失效分析，以表格的形式列出各元件的失效模式、失
效影響、重要性及各類失效數(shù)據(jù)，從而得到各功能模塊
的失效數(shù)據(jù)、診斷覆蓋率DC及安全失效分數(shù)SFF，為
后續(xù)的功能安全評估提供必要的信息。
分別對LT-B10數(shù)控裝置的底板、電源模塊、核心
板模塊及顯示板進行FMEDA分析。采用國軍標GJB／
Z299C一2006(電子設備可靠性預計手冊》中的數(shù)據(jù)作
為失效數(shù)據(jù)來源 ，元器件失效模式按照機械安全標
準IEC62061中的失效模式劃分。由于FMEDA分析
過程過于復雜，篇幅有限，本文只列出各模塊最終分析
結果如表3所示。
表3 裝置FMEDA匯總表
模塊 失效模式 (1E-9／h)
A A A。。 A。
底板 0 l885．444 l37．8104 1262．432
顯示板 0 348．465 O 958．845
核心板 0 614．8632 244．326 905．0941
電源 0 125．601 28．862 93．953
3 數(shù)控裝置功能安全評估建模
3．1 底板模塊故障樹構建算例
由LT—B10數(shù)控裝置的硬件結構可知，造成裝置危
核心板危險失效及顯示板危險失效。首先，對底板模
塊進行FTA分析，底板模塊失效是由電源單元、控制
單元、NCSF總線單元、外圍接口單元及BOOT選擇單
元的失效造成，因此構建底板模塊故障樹模型如圖2
所示。
結合圖2中基本失效事件及核心板FMEDA分析
所得的失效數(shù)據(jù)，代入公式(3)、公式(4)，計算可得：
PFD底板= 137．8104 X 10一 ×8 + 1262．432 × 10一 ×
8760 = 1．106 × 10一
PFDm 底板= 137．8104 × 10一 × 8 + 1262．432 × 10一 ×
8760／2 = 5．531 × 10一
用要求時失效概率除以檢測周期” 得到底板每
小時危險失效概率：
PFD底板= 1．106 x 10_ ／8760 = 1．263 × 10 ‘
同理，分別再對電源模塊、核心板及顯示板進行故
障樹構建，并計算相應模塊的要求時平均失效概率
P肋及每小時失效概率P刪值。由于篇幅限制，本文
只給出最終計算結果，模型構建及計算過程不再贅述。
3．2 評估結果
將上述各模塊FTA分析計算所得的結果匯總于
表4中，并將各模塊失效數(shù)據(jù)相加得到LT．B10數(shù)控裝
置各項失效概率指標如下：
表4 數(shù)控裝置各模塊失效率核對表
對應表1，LT—B10數(shù)控裝置在高要求操作模式下
的每小時失效概率為各模塊PF日之和3．284×10一，
即可達到標準中定義的安全完整性SILl等級。
4 改進及驗證
4．1 改進方案
通過表4各功能模塊FMEDA分析可知，影響數(shù)
控裝置功能安全等級的模塊依次為：底板、顯示裝置、
圖2 底板故障樹分析圖
對各模塊進行改進設
計，通過提高各模塊
危險自診斷能力或
增加冗余裝置來提
高裝置的安全完整
性等級。具體改進
措施如下：
(1)由于底板的
診斷覆蓋率DC(診
斷覆蓋率指檢測出
的危險失效率與總
危險失效率的比值)
僅為9．84％ ，結合底
板的FMEDA分析，
在對失效率貢獻較
2015年8月 袁曉慧，等：基于故障樹分析的數(shù)控裝置硬件平臺功能安全設計與實現(xiàn) ．73．
大的電源單元、控制單元及NCSF總線單元增加診斷
電路。底板電源單元主要指3．3V部分，除了正常的
故障排查外，增加了指示電路，可通過LED的狀態(tài)直
觀的判斷出3．3V電源故障，如圖3所示。
控制單元中FPGA上電加載程序是通過主串模式
由專用的配置芯片完成的，如圖4，增加了配置完成標
志狀態(tài)DONE指示電路，每次配置完成且配置成功時，
該指示燈點亮。
NCSF總線單元中，如圖5，對總線接收到的差分
信號對RD+／一增加差分放大及檢測電路，當差分信
號RD+／一進入電路時，輸出信號在正、負兩狀態(tài)之間
轉變，產(chǎn)生方波輸出Signa1．A；若輸入端差分信號RD
+／一有噪聲來回多次穿越臨界電壓時，輸出端即受到
干擾，其正負狀態(tài)產(chǎn)生不正常轉換，即可視為故障狀
態(tài)。
y DgDSV i： i 1 3 U17 '2 ．．．．+3 3V． ．． ．．．
圖3 底板電源診斷電路圖
圖4 底板控制單元診斷電路圖
圖5 底板NCSF總線單元診斷電路圖
(2)顯示裝置的安全失效分數(shù)SFF =26．66％ ，達
不到標準中對硬件的結構約束。應提高危險自診斷能
力，如圖6，對顯示板液晶屏接口的行同步信號、場同
步信號、像素時鐘信號增加故障診斷電路，將其光耦隔
離、反相驅動輸出的信號接人底板的控制單元，通過內(nèi)
置計數(shù)器功能，監(jiān)控顯示板的故障。
(3)核心板在對失效率貢獻較大的控制單元和時
鐘電路增加診斷電路，即對核心板CPU加WDG看門
狗復位電路，由專門的芯片MAX813L實現(xiàn)，如圖7，
MAX813L芯片和CPU的一個10引腳相連，通過程序
控制該引腳在小于1．6s的時間間隔內(nèi)發(fā)送一個脈沖
信號，若程序超過1．6s發(fā)送脈沖信號，則內(nèi)部定時器
溢出。
(4)電源模塊增加冗余配置，將原設計的1ool結
構改為1002結構。本文所涉及的電源模塊中，主要是
指VCC5V低壓冗余電源，采用傳統(tǒng)的冗余電源設計方
案即由2個5V電源分別連接二極管陽極，以“或門”
的方式并聯(lián)輸出至電源總線上。如圖8所示，可以讓
1個電源單獨工作，也可以讓多個電源同時工作。當
其中1個電源出現(xiàn)故障時，由于二極管的單向導通特
性，不會影響電源總線的輸出。
圖6 顯示模塊診斷電路圖
MAX813L
圖7 核心板診斷電路圖
D l】
DIODE
圖8 電源模塊示意圖
4．2 評估結果
再次構建改進后BlO數(shù)控裝置故障樹，計算裝置
P肋、pFD。 及P朋值，所得的結果匯總于表5中：
表5 數(shù)控裝置各模塊失效率核對表
對比表4，表5數(shù)據(jù)可知，改進后的數(shù)控裝置在
P肋、PFD? 及 日值上都降低了一個數(shù)量級達到
10一 ，且安全失效分數(shù)SFF滿足標準中對B類系統(tǒng)的
結構約束。對應表1得改進后的LT．BIO數(shù)控裝置硬
件平臺可達到SIL2等級，達到改進目的0
5 結束語
改進后的LT．B10數(shù)控裝置采用雙通道帶診斷
10o2D結構，通過提高各模塊的危險自診斷能力或增
加冗余配置使裝置的安全完整性等級從SILl提升至
SIL2，滿足國內(nèi)中檔市場設備安全要求。本文對數(shù)控
裝置硬件平臺的安全完整性等級評估(下轉第78頁)
· 78· 組合機床與自動化加工技術 第8期
的最大長度與回轉角的函數(shù)關系圖。 與 的長
度數(shù)據(jù)均為在理想半徑的基礎上疊加相應轉角的偏心
距與圓度誤差構成的。
調(diào)用Matlab中工具箱函數(shù)計算，在區(qū)間(0，2,rr)
上，兩個函數(shù)關系圖的最大值均為65．100mm，最小值
均為64．9081mm。最大值與最小值的差值為該截面徑
向圓跳動誤差0．1919mm。在截面偏心距為0．05mrn，
圓度誤差為0．1mm之內(nèi)時，兩種測量方法達到的效果
一致。在橋殼實際測量中，徑向圓跳動要求在0．1mm
之內(nèi)，要求截面偏心距的2倍與圓度誤差相加的數(shù)
值≤0．1mm，上述分析極限性的假設了截面偏心距為
0．05mm，截面圓度為0．1mm，兩者相加為0．2mm，所
以，在實際測量c型橋殼徑向圓跳動測量中，兩種測
量方法的測量數(shù)據(jù)之差更小，在小誤差理論基礎上，測
量效果一致。
圖12 測量數(shù)據(jù)與轉角的函數(shù)關系圖
4 結束語
大型軸類工件不僅尺寸大、形狀復雜，而且還要考
慮生產(chǎn)加工節(jié)拍的需求，現(xiàn)今的測量手段不能夠滿足
生產(chǎn)加工過程中的測量任務。考慮到實際工程應用，
針對大型軸類工件徑向圓跳動誤差，提出了兩種測量
方法，從國家標準中的定義出發(fā)，在理論與實際環(huán)境中
進行了分析證明，以重卡驅動橋殼為例，建立了測量數(shù)
據(jù)疊加多種誤差之后與工件轉角的函數(shù)關系圖。結果
表面了兩種測量方法的可行性，實現(xiàn)了快速又不失準
確的測量橋殼軸頸徑向圓跳動誤差，并為求解此類工
程問題提供了一種新的思路。
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(編輯趙蓉)
(上接第73頁)方法及改進方案進行了探索性研究，
為下一步研制具有自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)功能安全數(shù)控
產(chǎn)品提供了有效方法。
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(編輯趙蓉)

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