非標(biāo)自動化設(shè)備如何做好本質(zhì)安全安全設(shè)計(jì)？
非標(biāo)自動化設(shè)備如何做好本質(zhì)安全--安全設(shè)計(jì)？
1. 工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)
當(dāng)你設(shè)計(jì)制造一臺工業(yè)機(jī)器、設(shè)備或者生產(chǎn)線的時(shí)候，工程領(lǐng)域涉及許多學(xué)科，機(jī)械、電氣和自動化學(xué)科等，不同學(xué)科之間的溝通和協(xié)作非常重要。學(xué)科必須盡可能無縫地工作，以實(shí)現(xiàn)他們的共同目標(biāo)。
傳統(tǒng)的工程流程是串行工程，機(jī)械、電氣和自動化工程之間手動同步，它風(fēng)險(xiǎn)大、耗時(shí)且容易出錯(cuò)。生產(chǎn)設(shè)備的自動化程度和變化程度越來越高，從項(xiàng)目開始到結(jié)束，整個(gè)過程中不同學(xué)科都在進(jìn)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(xiàn)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(xué)科協(xié)同的方法。
處理工程中的錯(cuò)誤，以免造成大量返工。所以，工業(yè)設(shè)備制造商必須盡早使用虛擬調(diào)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(biāo)自動化設(shè)備的設(shè)計(jì)流程
（1）確定開發(fā)項(xiàng)目，了解客戶需求，包括產(chǎn)品品質(zhì)要求、設(shè)備生產(chǎn)效率要求、設(shè)備工作環(huán)境。
（2）分析產(chǎn)品，了解產(chǎn)品生產(chǎn)工藝，了解產(chǎn)品各方面尺寸要求及來料情況，與客戶溝通產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的注意事項(xiàng)，設(shè)備使用地點(diǎn)的技術(shù)參數(shù)。
（3）擬定方案。由工程人員討論、分析作出設(shè)備方案，方案包括：設(shè)備示意圖、各部分機(jī)構(gòu)簡介、動作說明、設(shè)備技術(shù)參數(shù)。
（4）方案審核。由工程人員組成審核組，對方案進(jìn)行審核，審核內(nèi)容包括：設(shè)備可行性評估、設(shè)備成本評估、設(shè)備生產(chǎn)效率的評估、各部分結(jié)構(gòu)可行性評估。
（5）方案整改。對方案審核中討論出的問題進(jìn)行整改。
（6）客戶確定設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)方案交由客戶，客戶根據(jù)需求，對方案進(jìn)行最后確定。
（7）設(shè)計(jì)開發(fā)。由工程部安排工程師進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，作出機(jī)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(biāo)準(zhǔn)件請購單，動作說明書。
3.如何做好非標(biāo)自動化設(shè)備的設(shè)計(jì)
非標(biāo)自動化設(shè)備雖然沒有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備量大，但品種繁雜，五花八門，服務(wù)于各種各樣的部門。當(dāng)今社會科學(xué)迅猛發(fā)展，新技術(shù)革命對機(jī)械設(shè)計(jì)提出了更高的要求。由于非標(biāo)準(zhǔn)自動化設(shè)備的品種繁雜，設(shè)計(jì)工作的難度更大。這就要求非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工程師必須具有良好的專業(yè)素質(zhì)，有寬廣的知識面，有良好的變通性和獨(dú)創(chuàng)性，善于舉一反三，能有較多的點(diǎn)子，有獨(dú)出心裁的見解，能將別的機(jī)構(gòu)移植并融匯貫通在自己的設(shè)計(jì)意圖中。
(1)非標(biāo)設(shè)備的生產(chǎn)都是以單件進(jìn)行小批量生產(chǎn)，對相關(guān)的設(shè)計(jì)人員，有著經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)上的要求。非標(biāo)設(shè)備在設(shè)計(jì)方面，主要采用非標(biāo)設(shè)備中國標(biāo)準(zhǔn)體系和標(biāo)準(zhǔn)體系，遵循“一次薄膜應(yīng)力或最大直接應(yīng)力不得超過許用應(yīng)力”的原則，在安全系數(shù)上非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)主要考慮應(yīng)力集中及其類型、應(yīng)力評估方法的復(fù)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(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)上，首先，在標(biāo)準(zhǔn)零部件的選擇上，盡量采用成品件，以便有效降低非標(biāo)產(chǎn)品在原材物料消耗、管理費(fèi)用、成品率等方面的成本。采用成品件還能使設(shè)備在投入市場后有更好的可靠性能，延長設(shè)備的設(shè)計(jì)制造周期，提高設(shè)計(jì)效率。其次，非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)，還要在滿足工藝設(shè)計(jì)條件的基礎(chǔ)上，認(rèn)真研究設(shè)備的技術(shù)方案，確定先進(jìn)、合理且運(yùn)行穩(wěn)定的非標(biāo)設(shè)備。
4.從基因回路到DNA序列----真核系統(tǒng)升級CAD平臺
為實(shí)現(xiàn)基因回路的程序化設(shè)計(jì)，MIT的Christopher A. Voigt團(tuán)隊(duì)將工程與生物相結(jié)合，把廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（Computer-aided-design，CAD）引入基因回路設(shè)計(jì)，構(gòu)建了第一代Cello平臺。 Cello是一款自動化設(shè)計(jì)基因回路的軟件（圖2），基于輸入傳感器（例如化學(xué)分子誘導(dǎo)系統(tǒng)）、回路功能（例如邏輯真值表）、以及相應(yīng)底盤細(xì)胞中的用戶約束文件（user constraint file，UCF），自動將目標(biāo)功能基因回路編譯成DNA序列[2]。其中UCF文件包含對應(yīng)底盤細(xì)胞的門電路傳遞函數(shù)、元件搭配和排布規(guī)則等內(nèi)容。因此對于任意底盤細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)CAD需要實(shí)現(xiàn)對于單個(gè)元件（包括輸入傳感器和門電路）的定量構(gòu)建和測試。 在大腸桿菌中，Voigt組實(shí)現(xiàn)了一系列程序化擴(kuò)展門電路種類[3]、傳遞函數(shù)[4]和元件排布[5, 6]的策略。這是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)基因回路的基礎(chǔ)，并且用相似策略實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)[7]。然而，相同的策略卻不能直接應(yīng)用于真核生物，進(jìn)而團(tuán)隊(duì)將Cello架構(gòu)升級為Cello 2.0，以適應(yīng)更多場景的應(yīng)用。
3.多學(xué)科系統(tǒng)設(shè)計(jì)
可以將機(jī)械、電氣和自動化三個(gè)學(xué)科都引入一個(gè)系統(tǒng)的同一個(gè)界面中，用相應(yīng)的電氣和自動化對象增強(qiáng)機(jī)械模型，通過將機(jī)械、電氣和自動化設(shè)計(jì)鏈接在一起，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化對象的自動生成，消除接口和數(shù)據(jù)傳輸。在自動化設(shè)計(jì)器界面中可以看到機(jī)械設(shè)計(jì)的三維模型，電氣設(shè)計(jì)的結(jié)果等，能夠通過與機(jī)械工程并行啟動來節(jié)省時(shí)間。在NX自動化設(shè)計(jì)器中有多個(gè)視角的導(dǎo)航器，方便用戶查看不同學(xué)科的過程數(shù)據(jù)，例如功能導(dǎo)航器中的功能設(shè)計(jì)可以包括自動化數(shù)據(jù)，例如PLC代碼塊等；位置導(dǎo)航器讓電氣設(shè)計(jì)人員進(jìn)行電氣部件的參考指派，指定其位置；產(chǎn)品導(dǎo)航器也可用于構(gòu)造其數(shù)據(jù)，查看所有購買的設(shè)備及元器件清單。該工具還可以預(yù)覽集成到模型中的EPLAN 電氣示意圖信息。這三個(gè)方面允許通過拖放基于 IEC 81346 規(guī)范構(gòu)建參考指定。另外，NX自動化設(shè)計(jì)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(dǎo)航器，以便他們可以在博圖中熟悉的結(jié)構(gòu)中查看數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)交叉高亮顯示使工程師能夠有效地傳達(dá)項(xiàng)目中的數(shù)據(jù)。所有學(xué)科都可以在同一重用庫中存儲和管理各自的數(shù)據(jù)。允許每個(gè)學(xué)科單獨(dú)管理自己的數(shù)據(jù)又保持一致性，幫助各學(xué)科進(jìn)一步協(xié)同。自動化設(shè)計(jì)器可以鏈接到自動化軟件博圖全局庫。有了這個(gè)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(shù)據(jù)，即可完成自動化工作。參見圖5.多學(xué)科系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
4. 多學(xué)科系統(tǒng)設(shè)計(jì)的價(jià)值.
所有學(xué)科之間協(xié)作，提高了工程效率。用戶可以同時(shí)查看同一個(gè)項(xiàng)目，并擁有所需的所有數(shù)據(jù)。從機(jī)電模板快速創(chuàng)建大部分電氣和自動化設(shè)計(jì)，消除重復(fù)數(shù)據(jù)輸入或傳輸，保持機(jī)械、電氣和自動化工程之間的數(shù)據(jù)一致性。
安全風(fēng)險(xiǎn)分析
安全分析的目標(biāo)是充分了解設(shè)計(jì)對隨機(jī)硬件故障的敏感性，以及必須采取的步驟，以實(shí)現(xiàn)由更高級別的ASIL等級定義的安全指標(biāo)。
我們采用了幾種分析技術(shù)來確定與目標(biāo)安全指標(biāo)相關(guān)的設(shè)計(jì)安全性。結(jié)構(gòu)檢查是一種行之有效的方法，用于及時(shí)計(jì)算和驗(yàn)證在創(chuàng)建FMEDA過程中進(jìn)行的FIT估計(jì)。
通過結(jié)構(gòu)分析和影響分析，量化安全機(jī)制對隨機(jī)硬件故障捕捉的有效性，實(shí)現(xiàn)了估計(jì)的診斷覆蓋率（DC）。FIT和DC代替了原始的專家分析驗(yàn)證和FMEDA差距分析。
例如，將對包含模塊備份的設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。然后，根據(jù)備份模塊和相關(guān)檢查程序覆蓋的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)評估診斷覆蓋率。計(jì)算的診斷覆蓋率驗(yàn)證了從總體到具體的FMEDA診斷覆蓋率評價(jià)（圖2）。
安全注入
安全機(jī)制具有多種優(yōu)點(diǎn)，在檢測隨機(jī)硬件故障方面，每一種安全機(jī)制都具有其獨(dú)特的的有效性。通常，人們會認(rèn)為安全機(jī)制就是失效安全或失效運(yùn)行。失效安全機(jī)制能夠進(jìn)行隨機(jī)故障檢測。失效運(yùn)行機(jī)制能夠糾正隨機(jī)的硬件故障；因此，失效安全機(jī)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(yán)格的安全目標(biāo)（指定為ASIL D）。
· 允許對機(jī)器生成的代碼進(jìn)行安全增強(qiáng)，比如高階的圖形化設(shè)計(jì)。
· 端到端奇偶校驗(yàn)和循環(huán)冗余校驗(yàn)。
3）.工程師可從上述一套硬件安全機(jī)制中選擇
安全機(jī)制注入后，必須使原始設(shè)計(jì)和增強(qiáng)設(shè)計(jì)邏輯等效，以確保沒有引入功能偏差。
安全驗(yàn)證
一旦故障緩解邏輯增強(qiáng)了設(shè)計(jì)，就必須通過故障注入證明該設(shè)計(jì)可以安全地避免硬件故障。故障注入的目標(biāo)是對故障列表中的每個(gè)故障進(jìn)行全面分類，并驗(yàn)證安全分析期間估計(jì)的診斷覆蓋率指標(biāo)。
在第一部分中，采用在安全分析中使用的相同分析技術(shù)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(gè)優(yōu)化確定了安全關(guān)鍵影響錐中包含的邏輯，消除了不影響安全目標(biāo)的邏輯（圖4）。
