非標自動化設備如何做好本質安全安全設計？
非標自動化設備如何做好本質安全--安全設計？
1. 工業(yè)設備設計面臨的挑戰(zhàn)
當你設計制造一臺工業(yè)機器、設備或者生產線的時候，工程領域涉及許多學科，機械、電氣和自動化學科等，不同學科之間的溝通和協(xié)作非常重要。學科必須盡可能無縫地工作，以實現他們的共同目標。
傳統(tǒng)的工程流程是串行工程，機械、電氣和自動化工程之間手動同步，它風險大、耗時且容易出錯。生產設備的自動化程度和變化程度越來越高，從項目開始到結束，整個過程中不同學科都在進行變更的迭代和人工信息交互。迫于制造效率和上市速度的壓力，從而將現有的串行工程方法推向了極限。所以，我們需要尋找新的多學科協(xié)同的方法。
處理工程中的錯誤，以免造成大量返工。所以，工業(yè)設備制造商必須盡早使用虛擬調試方法識別問題，或者更好地利用協(xié)同工具來避免問題發(fā)生。
2.非標自動化設備的設計流程
（1）確定開發(fā)項目，了解客戶需求，包括產品品質要求、設備生產效率要求、設備工作環(huán)境。
（2）分析產品，了解產品生產工藝，了解產品各方面尺寸要求及來料情況，與客戶溝通產品生產過程中的注意事項，設備使用地點的技術參數。
（3）擬定方案。由工程人員討論、分析作出設備方案，方案包括：設備示意圖、各部分機構簡介、動作說明、設備技術參數。
（4）方案審核。由工程人員組成審核組，對方案進行審核，審核內容包括：設備可行性評估、設備成本評估、設備生產效率的評估、各部分結構可行性評估。
（5）方案整改。對方案審核中討論出的問題進行整改。
（6）客戶確定設計方案。設計方案交由客戶，客戶根據需求，對方案進行最后確定。
（7）設計開發(fā)。由工程部安排工程師進行機構設計，作出機器裝配圖、零件圖，選出執(zhí)行元器件、電控配件，并列出加工零件清單和標準件請購單，動作說明書。
3.如何做好非標自動化設備的設計
非標自動化設備雖然沒有標準設備量大，但品種繁雜，五花八門，服務于各種各樣的部門。當今社會科學迅猛發(fā)展，新技術革命對機械設計提出了更高的要求。由于非標準自動化設備的品種繁雜，設計工作的難度更大。這就要求非標準設計工程師必須具有良好的專業(yè)素質，有寬廣的知識面，有良好的變通性和獨創(chuàng)性，善于舉一反三，能有較多的點子，有獨出心裁的見解，能將別的機構移植并融匯貫通在自己的設計意圖中。
(1)非標設備的生產都是以單件進行小批量生產，對相關的設計人員，有著經驗和技術上的要求。非標設備在設計方面，主要采用非標設備中國標準體系和標準體系，遵循“一次薄膜應力或最大直接應力不得超過許用應力”的原則，在安全系數上非標設備的設計主要考慮應力集中及其類型、應力評估方法的復雜程度、材料的不均勻性、幾何因素、焊接接頭中存在的缺陷等因素。
(2)在非標設備的設計上，首先，在標準零部件的選擇上，盡量采用成品件，以便有效降低非標產品在原材物料消耗、管理費用、成品率等方面的成本。采用成品件還能使設備在投入市場后有更好的可靠性能，延長設備的設計制造周期，提高設計效率。其次，非標設備的設計，還要在滿足工藝設計條件的基礎上，認真研究設備的技術方案，確定先進、合理且運行穩(wěn)定的非標設備。
4.從基因回路到DNA序列----真核系統(tǒng)升級CAD平臺
為實現基因回路的程序化設計，MIT的Christopher A. Voigt團隊將工程與生物相結合，把廣泛應用于工程設計領域的計算機輔助設計軟件（Computer-aided-design，CAD）引入基因回路設計，構建了第一代Cello平臺。 Cello是一款自動化設計基因回路的軟件（圖2），基于輸入傳感器（例如化學分子誘導系統(tǒng)）、回路功能（例如邏輯真值表）、以及相應底盤細胞中的用戶約束文件（user constraint file，UCF），自動將目標功能基因回路編譯成DNA序列[2]。其中UCF文件包含對應底盤細胞的門電路傳遞函數、元件搭配和排布規(guī)則等內容。因此對于任意底盤細胞，實現CAD需要實現對于單個元件（包括輸入傳感器和門電路）的定量構建和測試。 在大腸桿菌中，Voigt組實現了一系列程序化擴展門電路種類[3]、傳遞函數[4]和元件排布[5, 6]的策略。這是實現計算機輔助設計基因回路的基礎，并且用相似策略實現非模式原核生物——擬桿菌（一種腸道主要定殖菌）的基因回路的自動化設計[7]。然而，相同的策略卻不能直接應用于真核生物，進而團隊將Cello架構升級為Cello 2.0，以適應更多場景的應用。
3.多學科系統(tǒng)設計
可以將機械、電氣和自動化三個學科都引入一個系統(tǒng)的同一個界面中，用相應的電氣和自動化對象增強機械模型，通過將機械、電氣和自動化設計鏈接在一起，實現機電一體化對象的自動生成，消除接口和數據傳輸。在自動化設計器界面中可以看到機械設計的三維模型，電氣設計的結果等，能夠通過與機械工程并行啟動來節(jié)省時間。在NX自動化設計器中有多個視角的導航器，方便用戶查看不同學科的過程數據，例如功能導航器中的功能設計可以包括自動化數據，例如PLC代碼塊等；位置導航器讓電氣設計人員進行電氣部件的參考指派，指定其位置；產品導航器也可用于構造其數據，查看所有購買的設備及元器件清單。該工具還可以預覽集成到模型中的EPLAN 電氣示意圖信息。這三個方面允許通過拖放基于 IEC 81346 規(guī)范構建參考指定。另外，NX自動化設計器集成了自動化硬件和軟件，并為自動化工程師提供自動化導航器，以便他們可以在博圖中熟悉的結構中查看數據。數據交叉高亮顯示使工程師能夠有效地傳達項目中的數據。所有學科都可以在同一重用庫中存儲和管理各自的數據。允許每個學科單獨管理自己的數據又保持一致性，幫助各學科進一步協(xié)同。自動化設計器可以鏈接到自動化軟件博圖全局庫。有了這個集成模型，電氣工程師只需做自己的工作，并配有集成的自動化數據，即可完成自動化工作。參見圖5.多學科系統(tǒng)設計。
4. 多學科系統(tǒng)設計的價值.
所有學科之間協(xié)作，提高了工程效率。用戶可以同時查看同一個項目，并擁有所需的所有數據。從機電模板快速創(chuàng)建大部分電氣和自動化設計，消除重復數據輸入或傳輸，保持機械、電氣和自動化工程之間的數據一致性。
安全風險分析
安全分析的目標是充分了解設計對隨機硬件故障的敏感性，以及必須采取的步驟，以實現由更高級別的ASIL等級定義的安全指標。
我們采用了幾種分析技術來確定與目標安全指標相關的設計安全性。結構檢查是一種行之有效的方法，用于及時計算和驗證在創(chuàng)建FMEDA過程中進行的FIT估計。
通過結構分析和影響分析，量化安全機制對隨機硬件故障捕捉的有效性，實現了估計的診斷覆蓋率（DC）。FIT和DC代替了原始的專家分析驗證和FMEDA差距分析。
例如，將對包含模塊備份的設計進行結構分析。然后，根據備份模塊和相關檢查程序覆蓋的設計結構評估診斷覆蓋率。計算的診斷覆蓋率驗證了從總體到具體的FMEDA診斷覆蓋率評價（圖2）。
安全注入
安全機制具有多種優(yōu)點，在檢測隨機硬件故障方面，每一種安全機制都具有其獨特的的有效性。通常，人們會認為安全機制就是失效安全或失效運行。失效安全機制能夠進行隨機故障檢測。失效運行機制能夠糾正隨機的硬件故障；因此，失效安全機制通常需要更高的資源利用率（電源、性能、面積），而且要滿足最嚴格的安全目標（指定為ASIL D）。
· 允許對機器生成的代碼進行安全增強，比如高階的圖形化設計。
· 端到端奇偶校驗和循環(huán)冗余校驗。
3）.工程師可從上述一套硬件安全機制中選擇
安全機制注入后，必須使原始設計和增強設計邏輯等效，以確保沒有引入功能偏差。
安全驗證
一旦故障緩解邏輯增強了設計，就必須通過故障注入證明該設計可以安全地避免硬件故障。故障注入的目標是對故障列表中的每個故障進行全面分類，并驗證安全分析期間估計的診斷覆蓋率指標。
在第一部分中，采用在安全分析中使用的相同分析技術自動生成故障列表。故障列表一旦生成，一系列的故障優(yōu)化工作可將故障列表減少到最小的問題集。第一個優(yōu)化確定了安全關鍵影響錐中包含的邏輯，消除了不影響安全目標的邏輯（圖4）。
