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安全繼電器的安全驗證技術(shù)

文檔作者：吳寧寧劉進云建軍唐侃文檔來源：北京航天微機電技術(shù)研究所		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月14日
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安全繼電器的安全驗證技術(shù) 吳寧寧，等
安全繼電器的安全驗證技術(shù)
吳寧寧，劉進，云建軍，唐侃
(北京航天微機電技術(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標準進行一系列的安全驗證，
以確保安全繼電器的設(shè)計和安全需求規(guī)范的一致性。
關(guān)鍵詞：安全繼電器安全驗證；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 文獻標識碼：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。在中國機床行業(yè)安全標準
GB22998—2008《機床安全大規(guī)格數(shù)控車床與車削中心》于
2 0 0 9年1 0月1日開始強制執(zhí)行；注塑機行業(yè)安全標準
GB2253O 2008《橡膠塑料注射成型機安全要求》于2009年
11月1日開始強制執(zhí)伉2011年7月29日，國家頒布了基于
歐盟EN 1 1 5 1標準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標準中引用了功
能安全標準IEC 62061《機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》。
基于功能安全標準I Ec61 508設(shè)計的安全系統(tǒng)應(yīng)用于
上述各個領(lǐng)域。安全系統(tǒng)的安全完整性等級(SafetY In—
tegrity Level，簡稱SIL)的驗證和評估是對系統(tǒng)中各個
器件部分的驗證和評估。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
低等或者中等復雜程度的機械設(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)生故障時做出預(yù)期的動作，它具有強制導向接點結(jié)
構(gòu)，一旦發(fā)生接點熔結(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)和認證
以及功能安全相關(guān)標準的研究工作。
82
工作，才能保證安全繼電器的正常啟動。當診斷測試到其
中任何一個通道出現(xiàn)故障時，安全繼電器的輸出就會由另
一個通道的輸出決定。當診斷測試到兩個通道均發(fā)生故障
時，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，還必須按照機械指令、低壓電氣指令和
EMC指令以及功能安全標準IEC61508和ISO13849進行安全
驗證。最后在通過第三方認證機構(gòu)的評估之后，產(chǎn)品粘貼
CE標識和相應(yīng)的功能安全Mark。
具體的驗證流程包括應(yīng)用分析，編寫驗證計劃以及
執(zhí)行與之對應(yīng)的測試。另外，需要驗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
否達到經(jīng)過風險識別后要求的等級。假如經(jīng)過風險識別和
分析后，安全繼電器的安全完整性等級S I L r需要達到
SIL3、性能等級PLr需要達到PLe的等級，那么最終計算得
出的SIL和PL需要滿足：SIL≥S1L，， ≥ ，。
2 驗證分析技術(shù)和驗證試驗
失效模式和影響分析技術(shù)(FMEA)是一種白下而上的
風險分析和設(shè)計技術(shù)，同時也是一種可以應(yīng)用于產(chǎn)品、系
統(tǒng)和過程的驗證技術(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
危險失效。然后分析產(chǎn)品每一個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
失效還是危險失效并由此計算診斷到的危險失效率 、
未診斷到的危險失效率 ，、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的單點故障分析特點，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
觸點粘接
繼電器 KI I I觸繼點電粘器接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
狀況進行靜態(tài)和動態(tài)仿真，驗證安全繼電器在特定輸入的
情況下，有與之對應(yīng)的準確的輸出信號。
當通過分析無法充分驗證時，需要通過試驗來進一一
步驗證。驗證測試需要邏輯有序的進行。包括編寫測試計
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 驗證PL是否達到系統(tǒng)要求的PL r
針對安全繼電器每 個獨立的安全功能，需要驗證
其P L是否滿足要求的PLr。如果沒有滿足要求，需要進行
重新進行設(shè)計。P L由以下 個參數(shù)決定：產(chǎn)品所屬結(jié)構(gòu)類
別、危險失效的診斷覆蓋率Dc、共因失效因子CCF、和平均
危險失效故障時『日]MTTF d。其中PL和四個參數(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 每個通道的MTTFd：低
2 每個通道的MTTFd=中
3 每個通道的MTTFd：高
安拿繼電器的結(jié)構(gòu)是決定P L的‘個關(guān)鍵參數(shù)。針對
每一個結(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、4四個類別。根據(jù)各個類別的具體要求，
得出安全繼電器所屬結(jié)構(gòu)類別為4。
安全繼電器整個模塊危險失效的診斷覆蓋率D C可以
通過F M E A或者其他類似方法得到。模塊中各個元器件的
DC與診斷到的危險失效率和未診斷到的危險失效率之
間的關(guān)系可以用公式(1)表示。此參數(shù)代表發(fā)生危險失效
時被系統(tǒng)診斷到的概率，有時也可用參數(shù)S F F(安全失效
因子)表示。D C．以百分數(shù)的形式表示，有：無、低、中、高
共四個等級。安全繼電器模塊選用的繼電器元器件都是采
用強制導向繼電器，此種結(jié)構(gòu)繼電器能夠保證繼電器的N 0
(常開)觸點和N C(常閉)觸點不能同時處于同一個狀態(tài)，
實現(xiàn)機械聯(lián)動。強制導向繼電器的診斷覆蓋率D C可以達
到9 9％。經(jīng)過最終評估，安全繼電器整個模塊的診斷覆蓋
率DC大于99％。
： — —
im
九m
在標準IS01 3849—1中，MTTFd考慮的是單通道情況，共
有低、中、高三個類別。針對具體各個元器件的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)。最終整個安全繼電器的MTTFd值是將
各個通道的值代入相應(yīng)公式獲得。經(jīng)過計算得到，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％的安全繼電器達到危險失效時安全繼電器的
動作次數(shù)
h OD 一安全繼電器的平均工作時間，單位以小時每天計
d o D一安全繼電器平均工作時間，單位以天每年計
t c y cl e一安全繼電器兩個相繼動作周期的起始點之間的
平均工作時間，單位以秒每周期計
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、差異性設(shè)計、以及設(shè)計和應(yīng)用經(jīng)驗、環(huán)境、評估、能力
培訓和環(huán)境等方面的好壞情況，最終確定一個最終分值，
分值在6 5分以上為推薦值。
經(jīng)過最終評估，結(jié)合圖4，驗證得到PL為PLe，滿足PLr
等級要求。
4 驗證s l L是否達到系統(tǒng)要求的S I L r
針對安全繼電器的安全功能，需要驗證其S I L等級是
否達到需要的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，安全功能每小時危險失效的概率)
計算公式，計算得到安全繼電器的S I L等級。其中針對機
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，最高要求達到sIL4等級。1O02D結(jié)構(gòu)
的PFH計算公式如(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。
定時中斷服務(wù)子程序完成每隔一段時間超聲波的輪
流發(fā)射，當超聲波模塊的探頭收到超聲波時，給單片機
P 3．2口提供了一個低電平，使單片機進入外部中斷服務(wù)子
程序，主要完成時間值的讀取、距離計算、語音提示報警
等工作。
為了方便，其中的安全距離可根據(jù)實際情況進行設(shè)
定，使系統(tǒng)更加完善。
3 結(jié)束語
在設(shè)訓 過程中充分考慮了系統(tǒng)的實用性與創(chuàng)新，采
用了目前被廣泛應(yīng)用于倒車時防撞系統(tǒng)中的超聲波技術(shù)，
可以借助預(yù)防碰撞系統(tǒng)來實現(xiàn)，經(jīng)濟實惠，開發(fā)起來也比
較容易。當遇到危險時可實現(xiàn)語音實時提示駕駛員危險存
在，而且用指示燈蜂鳴器報警，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
[1]吳昌東，江樺，吳學杰．預(yù)防汽車追尾系統(tǒng)設(shè)計[J]．微計算機
信息，2008，24(17)：125—127．
[2]賀樂廳，孫利生．汽車防撞雷達實驗系統(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：中國科技大學出版
社，1993．
[4]胡萍．超聲波測距儀的研制[J]．計算機與現(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)用實例[M]．北京：人民郵電出版
社，1998．
[7]郭天祥．新概念5 1單片機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標準，IEC61508：2010在針對lO02D結(jié)構(gòu)的
PFH計算時，增加了～ 個新的參數(shù)K。K代表內(nèi)部通道之間
比較／轉(zhuǎn)換機制的有效性，也就是當一個通道檢測到故障
時輸出保持為200 2冗余結(jié)構(gòu)狀態(tài)。經(jīng)過計算，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)威第三方認證機構(gòu)的功
能安全測試和評估，是目前國內(nèi)第一個通過功能安全認證
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、機床、紡織機械等領(lǐng)域。
ISO13849和IEc61 508標準詳細規(guī)定了安全繼電器的
驗證和確認過程，從產(chǎn)品的設(shè)計階段就要開展相應(yīng)的驗證
工作，其貫穿了產(chǎn)品開發(fā)的始終。只有經(jīng)過了充分的驗證，
并且最后通過第三方權(quán)威認證機構(gòu)的評估之后，才是一 款
合格的安全繼電器產(chǎn)品，才能得到市場的準入和認可。
參考文獻
l 1 J IS013849-1：2006 Safety o：f machinery—Safety—related parts
of control systems—Par t 1：General principles for design．
[2]IS013849-2：2006 Safety of machinery—Safety—related parts
of control systems—Part l： Validation．
[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，最終確定流量計口徑選為2 0 0 mm，可以滿足
使用要求。
4 結(jié)論
計量系統(tǒng)安裝投運后運行穩(wěn)定，計量準確度大幅提
高，杜絕了貿(mào)易糾紛，為公司創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。
參考文獻
[1] 勵玉嗚，化工儀表及自動化[M]．北京：化學工業(yè)出版社，1998．
[2]張洪垠，壓力／差壓變送器的應(yīng)用及選型[J]．自動化博覽，2005．
[3] 赫榮光．煤氣表原理及檢定[M]．化學工業(yè)出版社，2004．

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