【摘要】：數(shù)控技術(shù)在國民經(jīng)濟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)控機床的大腦,其功能越來越強大,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,確定了在標準硬件平臺基礎(chǔ)上進行功能安全評估、改進,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)安全組件共享機制,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Markov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)進行建模分析。之后采用Markov方法模型對系統(tǒng)整體進行分析,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p FDavg,以及系統(tǒng)的診斷覆蓋率DC和安全失效分數(shù)SFF。參考IEC 62061和IEC 61508中對功能安全完整性等級SIL要求進行評估分析,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)計改進原則,對數(shù)控系統(tǒng)硬件進行了改進,達到了預(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)IEC 61131-3、IEC 61131-6、IEC61508-3、IEC 61508-7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)標準的商業(yè)開發(fā)軟件,對功能安全的數(shù)控系統(tǒng)軟件進行開發(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制。通過對安全組件的知識化方法的研究,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和查詢使用進行處理,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)功能安全的實現(xiàn)方式,并對可能出現(xiàn)故障的原因進行了分析；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)機制進行了詳細介紹,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、軟件設(shè)計、測試平臺等三個方面進行了研究,研究成果可對基于功能安全的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計提供指導(dǎo)以解決其中的關(guān)鍵問題。從而為既滿足復(fù)雜功能要求,又能滿足功能安全需求的數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計實施提供參考方案。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG659
【圖文】：

祀Ｃ和ＩＳＯ兩大標準組織針對系統(tǒng)的安全問題，建立了系列化的標準體系，逡逑其中包含了產(chǎn)品安全、總線安全、安裝指導(dǎo)、功能安全等多個領(lǐng)域，并在機械行逡逑業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，標準體系如圖１－１所示［ＩＵＧ，２５－５９］。逡逑產(chǎn)品和Ｊ；準邐ｂ－－－－－１邐Ｉｌｌｍｉｌ－－逡逑．，徽－，sh解＇邐ｆｉＺｎＴ。邐，邐ＩＳＯ邋１２１００－１邋＆邋ＩＳＯ邋１４１２１邐＇逡逑安全設(shè)備邐占－ｈｉＺ芭邐．．k安全＇機械設(shè)計和風(fēng)險掉估原則逡逑Ｉ邋（如安金＾滿）１邋Ｉ邋始似邋］Ｉ驅(qū)動安全巧`eＩ邐ｂ山…}枰賄擔(dān)ⅲ義襄五五邋危懾危卞危危у危�，辶x希懾邋五危懾逡誨邋五危蟈

本文編號：2804826