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标题: 机械安全控制系统计划原则ISO 13849-1-2023完备指南 [打印本页]
作者: 悠扬随风    时间: 2024-10-15 21:09
标题: 机械安全控制系统计划原则ISO 13849-1-2023完备指南
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  简介：《ISO 13849-1-2023》是国际尺度化组织发布的关于机械安全控制系统计划的原则，包括安全相干部件界说、计划原则、风险评估、冗余计划、故障安全计划、诊断覆盖率盘算（DCM）、性能品级（PL）选择等。该尺度对机械工程领域的安全计划提供最新指导，并且大概包罗使用阐明和文件管理工具，资助计划者精确明白和实施尺度，从而进步产品安全性能。

1. ISO 13849-1-2023尺度概述

1.1 ISO 13849-1-2023尺度的产生配景

  ISO 13849-1-2023是国际尺度化组织发布的针对安全相干电气、电子和可编程电子控制系统的功能安全尺度，它是在广泛吸收和总结前人经验的根本上，经过严谨的科学实验和论证，发布的一个全新版本。该版本相比以往版本，在风险评估、计划过程、验证和诊断等方面都有了进一步的完善和发展。
1.2 ISO 13849-1-2023尺度的核心内容

  ISO 13849-1-2023尺度的核心内容主要包括：对安全相干部件的界说、分类和处置处罚方法，风险评估方法，冗余计划原则，故障安全计划要求，诊断覆盖率（DCM）盘算方法，以及性能品级（PL）的选择指导。这些内容为实现安全相干控制系统的功能安全提供了全面的技能支持和操作指南。
1.3 ISO 13849-1-2023尺度的应用价值

  ISO 13849-1-2023尺度的应用价值体现在它不仅可以资助计划职员在计划阶段就对风险进行评估和控制，还可以在系统运行阶段通过持续的监测和诊断，及时发现并处置处罚大概出现的故障，从而确保系统的安全可靠运行。因此，该尺度在机械、电气、主动化等众多领域都具有广泛的应用价值。
2. 安全相干部件的界说与处置处罚

2.1 安全相干部件的界说

2.1.1 安全相干部件的概念

  安全相干部件是工业主动化领域中，用于确保职员、设备及环境安全的关键组件。它们的计划、实施和使用都必须遵循严格的安全尺度。安全相干部件的可靠性是整个安全系统的核心。从简单的紧急停止按钮到复杂的传感器和控制器，这些部件都必须满足特定的安全性能要求。
  安全相干部件的范围很广，包括但不限于：

  安全相干部件必须能够可靠地执行其功能，在发生故障时引导系统进入安全状态，防止大概的危险发生。
2.1.2 安全相干部件的分类

  安全相干部件按照其功能和应用可以分为若干类别，例如：

  在进行安全相干部件的选取时，必须清楚它们所属的类别及其在安全系统中的作用。
2.2 安全相干部件的处置处罚方法

2.2.1 安全相干部件的选择尺度

  选择安全相干部件时，必须依据国际尺度ISO 13849-1所界说的性能品级（Performance Level, PL）和结构安全类别（Structure Safety Category, SSC）。性能品级是对安全相干部件性能的量化描述，而结构安全类别则是根据部件计划和冗余程度来评估的。
  选择尺度主要包括：

2.2.2 安全相干部件的使用留意事项

  在使用安全相干部件时，需要思量一系列的留意事项以确保系统的安全可靠性：

  通过遵循上述选择和使用原则，可以确保安全相干部件在工业主动化环境中发挥最大的安全保护作用。
  现在，我们以表格和mermaid流程图的形式来进一步解释安全相干部件的分类和选择过程：
表格：安全相干部件的分类

  | 分类 | 子分类 | 例子 | | ------------------ | ----------------------------- | ------------------------ | | 安全输入设备 | 位置感应器、压力传感器 | 光电传感器、压敏传感器 | | 安全输出设备 | 驱动器、安全继电器 | 电磁阀、紧急停止继电器 | | 安全控制器 | 安全逻辑控制器、安全I/O模块 | 安全PLC、安全I/O系统 | | 安全软件 | 安全编程软件、诊断软件 | 安全编程环境、在线监控软件 |
Mermaid流程图：安全相干部件选择流程

  1. graph TD
  2. A[开始] --> B[确定性能等级PL]
  3. B --> C[评估结构安全类别SSC]
  4. C --> D[选择符合标准的部件]
  5. D --> E[考虑环境适用性]
  6. E --> F[集成性与兼容性检查]
  7. F --> G[制定维护计划]
  8. G --> H[最终审核与采购]
  9. H --> I[结束]
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以上表格和流程图清楚地展现了安全相干部件的选择过程，确保了在实际操作中的直观性和逻辑性。接下来，我们将详细探究安全相干部件的性能品级和结构安全类别，这是选择过程中的核心部门。
3. 风险评估方法

3.1 风险评估的基本流程

3.1.1 风险评估的步骤

  风险评估是一个系统化的过程，旨在辨认潜在的危险，并评估在工作环境中发生伤害的大概性和严峻性。以下为风险评估的主要步骤：
3.1.2 风险评估的工具和方法

  风险评估需要借助一系列工具和方法，以下是一些常用的工具：

  在进行风险评估时，通常需要结合多种工具和方法来获得全面的风险概况。
3.2 风险评估的实操应用

3.2.1 典型案例分析

  在具体应用风险评估时，以一个制造业设备为例，我们可以分析该设备使用过程中大概碰到的安全风险。以下是应用风险评估步骤的案例分析：
3.2.2 风险评估效果的应用

  风险评估的效果可用于订定安全管理操持和紧急应变操持。企业可以据此创建相应的安全政策，为员工提供必要的安全培训，以及购置必要的个人防护设备。同时，评估效果可以为设备的安全计划提供指导，通过进步计划的安全性能来降低风险。
  1. graph LR
  2.     A[开始风险评估] --> B[危险识别]
  3.     B --> C[风险分析]
  4.     C --> D[风险评价]
  5.     D --> E[风险控制措施]
  6.     E --> F[监控与审查]
  7.     F --> G[制定安全管理计划]
  8.     G --> H[设备安全设计指导]
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在上述的流程中，每个步骤都需要详细记录，以便后续的检察和改进。通过实际案例的分析与应用，企业可以更有效地预防风险，保护员工安全，进步生产效率。
3.3 风险评估工具和方法的代码实现

  在IT应用层面，我们可以用编程语言来辅助风险评估的流程。以Python为例，我们可以编写一个简单的风险矩阵评估工具：
  1. # 定义风险评估函数
  2. def risk_assessment(probability, severity):
  3.     if probability == 'high' and severity == 'high':
  4.         return 'red'  # 高风险
  5.     elif probability == 'medium' or severity == 'medium':
  6.         return 'yellow'  # 中等风险
  7.     else:
  8.         return 'green'  # 低风险
  10. # 定义一个风险矩阵字典
  11. risks = {
  12.     'HAZARD1': {'probability': 'high', 'severity': 'medium'},
  13.     'HAZARD2': {'probability': 'medium', 'severity': 'high'},
  14.     'HAZARD3': {'probability': 'low', 'severity': 'low'},
  15.     # ... 其他危险
  16. }
  18. # 进行风险评估
  19. risk_colors = {hazard: risk_assessment(risk['probability'], risk['severity']) for hazard, risk in risks.items()}
  21. # 输出结果
  22. for hazard, color in risk_colors.items():
  23.     print(f"{hazard} is classified as a {color} risk.")
  25. # 某些情况下，风险矩阵可能需要根据特定行业或企业的标准进行调整。
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代码中的  risk_assessment  函数根据危险发生的概率和严峻性，返回一个风险颜色类别。这是一种简化的风险评估示例，实际应用中大概需要更复杂的逻辑和数据结构。
  通过这样的代码实现，IT系统可以支持风险评估的主动化，从而进步评估的效率和精确性。同时，通过适当的数据分析工具，可以对历史风险评估数据进行分析，以持续改进安全流程和预防措施。
4. 冗余计划原则

  冗余计划是进步系统可靠性和安全性的关键策略之一。通过增长系统组件的副本，可以在部门组件发生故障时，保持系统的团体运行，从而加强系统的鲁棒性。本章节将深入探究冗余计划的理论根本以及如安在实际中进行实施。
4.1 冗余计划的理论根本

4.1.1 冗余计划的界说和原理

  冗余计划是指在系统中增长额外的组件或功能，这些组件或功能在正常运行中并不被使用，只有在主要组件发生故障时才会被激活。冗余的目标是为了防止单一故障点导致整个系统的失败。按照冗余计划原理，系统至少应该有一个工作状态，即使在部门组件失效的环境下，系统也能保持运行，或者至少能够安全地进入停机状态。
4.1.2 冗余计划的上风和局限

  冗余计划的一个主要上风是明显进步了系统的可靠性。它通过提供备用路径或备用设备来降低故障的影响。然而，冗余计划也有其局限性。增长冗余部件大概会导致系统复杂度进步、成本增长以及维护难度加大。此外，冗余系统的计划和测试也相对复杂，需要仔细规划以确保在全部预期的故障环境下系统的行为是可推测的。
4.2 冗余计划的实践操作

4.2.1 冗余计划的具体实施步骤

  冗余计划的实施步骤包括需求分析、冗余方案选择、计划规划、实施和测试验证等几个阶段。起首，应进行需求分析以确定系统对可靠性、安全性和可维护性的具体要求。然后根据这些需求选择符合的冗余方案，如静态冗余、动态冗余或者混合冗余等。
  接下来，计划规划阶段需要详细思量冗余组件的结构、毗连方式以及它们与主系统间的交互。在实施过程中，按照计划图纸和技能文档进行组件装配和系统集成。末了，系统测试验证阶段应进行全面的测试，包括功能测试、性能测试和故障模仿测试等，确保冗余计划在各种环境下均能达到预期效果。
4.2.2 冗余计划案例分析

  通过一个案例来分析冗余计划的实施过程。例如，对于一个关键的工业控制系统，可以接纳双控制器的静态冗余计划。在这种计划中，两个控制器执行相同的任务，并且互为备份。当主控制器发生故障时，备用控制器可以立刻接管系统，从而保持系统的连续运行。
  在计划中，需要为两个控制器之间的数据同步提供机制，并设置相应的故障检测和切换逻辑。测试阶段，通过模仿单个控制器故障或通讯停止的环境，验证系统的切换是否平稳、数据是否同等，以及备用控制器是否能够精确地接管主系统的全部功能。
  在冗余计划的实施和测试中，常见的代码块示例大概如下所示：
  1. # 控制器切换脚本示例
  3. # 检测主控制器状态
  4. function check_primary_controller_status() {
  5.     # 这里可以是一个简单的状态检查逻辑，实际应用中可能需要复杂的检测机制
  6.     if [ $STATUS -eq "OK" ]; then
  7.         echo "Primary controller is running normally."
  8.     else
  9.         # 如果主控制器故障，执行切换逻辑
  10.         switch_to_backup_controller
  11.     fi
  12. }
  14. # 主控制器故障时切换到备用控制器
  15. function switch_to_backup_controller() {
  16.     # 需要确保通信和数据同步机制正常工作
  17.     if sync_data_to_backup; then
  18.         # 切换控制流
  19.         redirect_control_to_backup
  20.         echo "Switched to backup controller."
  21.     else
  22.         echo "Failed to switch to backup controller."
  23.     fi
  24. }
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每个代码块后，需要有逻辑分析和参数阐明，例如：

  在实际操作中，计划者需要根据ISO 13849-1尺度的指导，详细规划和实施冗余计划，同时也要思量怎样将诊断覆盖率（DCM）和性能品级（PL）的要求融入到冗余计划之中。这样可以确保系统在进步可靠性的同时，也满足了安全性的要求。
  下一章节，我们将探究故障安全计划要求，这部门内容与冗余计划精密相干，因为两者都旨在提拔系统的安全性能。
5. 故障安全计划要求

5.1 故障安全计划的理论根本

5.1.1 故障安全计划的界说和原理

  故障安全计划（Fail-safe Design）是一种在安全相干系统中预防故障或在故障发生时确保系统进入安全状态的计划理念。该计划的中心思想是当系统或其任何部门发生故障时，系统应能够采取措施，预防任何危险或不安全的环境发生。故障安全计划通过冗余、监视和控制逻辑来确保即便在部门功能失效的环境下，系统也能安全地停止或者以一种确保职员和设备安全的方式继续运行。
  故障安全计划原理依赖于以下几个关键概念：

5.1.2 故障安全计划的要求和尺度

  故障安全计划要求关注系统的安全性和可靠性，需服从具体行业和国家/国际的安全尺度。在工业主动化领域，ISO 13849-1尺度提供了一个框架，用于评估和计划符合安全要求的控制系统。故障安全计划主要遵循以下要求：

5.2 故障安全计划的实践应用

5.2.1 故障安全计划的具体实施步骤

  实施故障安全计划分为几个关键步骤，以下为简化流程：
5.2.2 故障安全计划案例分析

  以一个简单的传送带系统为例，思量怎样实现故障安全计划：
  故障安全计划案例不仅展示了一个具体实施过程，同时也夸大了在整个生命周期内持续评估和改进的紧张性，确保系统始终符合安全要求。
  1. graph TD;
  2.     A[风险评估] --> B[确定PL]
  3.     B --> C[设计故障安全控制逻辑]
  4.     C --> D[实施诊断功能]
  5.     D --> E[选择合适的硬件和软件]
  6.     E --> F[验证和测试]
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在这个流程图中，我们可以清楚地看到故障安全计划的实施步骤是一个连续的循环过程。每一环节都精密相连，任何环节的改变都大概影响到整个系统的计划和性能。
  通过本节的介绍，我们可以相识到故障安全计划在确保工业主动化系统安全运行方面所扮演的关键角色。它不仅涉及理论知识，还要求将这些理论知识应用到实践中，从而进步系统的可靠性和安全性。在下一节中，我们将深入探究诊断覆盖率（DCM）的盘算方法，进一步扩展我们对故障安全计划的明白。
6. 诊断覆盖率（DCM）盘算方法

6.1 诊断覆盖率（DCM）的理论根本

6.1.1 诊断覆盖率（DCM）的界说和原理

  诊断覆盖率（Diagnosis Coverage, DCM）是评估安全相干系统的故障诊断本领的一个关键参数。其界说为在一定的时间内，系统成功检测到的故障次数占总故障次数的比例。DCM高意味着系统具有较高的故障检测本领，能够更有效地预防故障的发生和流传。
  DCM的原理基于对系统的连续监控和测试，以发现故障并采取相应的安全措施。该指标关注系统的容错本领，即系统能够在检测到错误后，采取措施以维持操作的精确性和安全性。高的DCM通常意味着系统能够在故障发生时更快地定位题目并采取措施，从而降低风险。
6.1.2 诊断覆盖率（DCM）的盘算方法

  DCM的盘算涉及到多个变量，包括检测到的故障数、未检测到的故障数以及总故障数。其盘算公式如下：
  DCM = (检测到的故障数 / 总故障数) × 100%
  其中，检测到的故障数是系统在一定时间内实际发现的故障数量；未检测到的故障数是在同一时间内，被遗漏或未被系统辨认的故障数量；总故障数是系统在同样的时间内发生的全部故障数量。
   代码示例
  1. def calculate_dcm(detected_failures, total_failures):
  2.     """
  3.     Calculate the Diagnostic Coverage (DCM)
  4.     Parameters:
  5.     detected_failures (int): Number of failures detected by the system.
  6.     total_failures (int): Total number of failures occurred.
  7.     Returns:
  8.     float: Diagnostic Coverage as a percentage.
  9.     """
  10.     dcm = (detected_failures / total_failures) * 100
  11.     return dcm
  13. # Example usage
  14. detected_failures_example = 95
  15. total_failures_example = 100
  16. dcm_result = calculate_dcm(detected_failures_example, total_failures_example)
  17. print(f"The Diagnostic Coverage is: {dcm_result}%")
复制代码
此代码块界说了一个函数  calculate_dcm  ，它接受两个参数：检测到的故障数和总故障数。函数返回DCM的百分比值。接着，示例展示了怎样使用该函数盘算DCM。
6.2 诊断覆盖率（DCM）的实践应用

6.2.1 诊断覆盖率（DCM）的应用案例

  在实践中，DCM的盘算和应用通常涉及对安全相干系统进行详尽的测试和监控。例如，在主动化生产线中，通过传感器和监测软件对机器人和其他关键设备进行及时监控，确保系统对潜在的故障和非常行为有高DCM值。
  在此过程中，系统需要模仿或实际履历各种故障环境，并记录系统是否能够成功检测到这些故障。这通常包括硬件故障、软件故障和操作错误等。
   表格展示
  | 故障类型 | 检测次数 | 总故障次数 | DCM (%) | |----------|----------|------------|---------| | 硬件故障 | 30 | 35 | 85.7 | | 软件故障 | 25 | 30 | 83.3 | | 操作错误 | 40 | 45 | 88.9 | | 总计 | 95 | 110 | 86.4 |
  在上面的表格中，我们统计了差别类型故障的检测次数、总故障次数和盘算得出的DCM值。这有助于分析和改进系统的性能。
6.2.2 诊断覆盖率（DCM）在故障安全计划中的应用

  在故障安全计划（Failure Safety Design）中，DCM是一个紧张的考量因素。通过进步DCM值，可以有效地进步系统的安全性，减少由于故障导致的风险。为了达到较高的DCM值，计划师需要在系统计划阶段思量怎样有效地检测故障，并计划出能够快速相应故障的机制。
   Mermaid流程图展示
  1. graph LR
  2. A[开始] --> B[系统设计]
  3. B --> C[故障检测机制设计]
  4. C --> D[故障模拟与测试]
  5. D --> E{DCM是否满足标准?}
  6. E -- 是 --> F[完成设计]
  7. E -- 否 --> G[重新设计故障检测机制]
  8. G --> D
复制代码
以上流程图展示了在故障安全计划中，DCM的盘算和应用怎样与系统计划、故障检测机制计划和故障模仿测试相结合。
   实践应用的代码块
  1. // Example code for a simplified fault detection system
  2. bool detect_fault() {
  3.     // Simulated sensor input
  4.     int sensor_value = get_sensor_value();
  5.     // Check if sensor value is within normal operating range
  6.     if (sensor_value < MIN_THRESHOLD || sensor_value > MAX_THRESHOLD) {
  7.         return true; // Detected a fault
  8.     }
  9.     return false; // No fault detected
  10. }
  12. // Main system loop
  13. while (system_is_running) {
  14.     if (detect_fault()) {
  15.         // Execute safety protocol
  16.         execute_safety_protocol();
  17.     } else {
  18.         // Continue normal operation
  19.     }
  20. }
复制代码
在上述代码中，  detect_fault  函数模仿了故障检测系统的一个简单实现。该函数查抄传感器的输入值是否在正常运行范围内。如果检测到超出范围的值，则以为检测到一个故障，并执行安全协议。这是DCM在实际系统中应用的一个例证。
7. 性能品级（PL）选择指导

7.1 性能品级（PL）的理论根本

7.1.1 性能品级（PL）的界说和原理

  性能品级（Performance Level，简称PL）是一个尺度安全相干的性能度量，它根据ISO 13849-1尺度界说为机器安全功能在执行其安全相干任务时可以达到的安全性能程度。性能品级的评估思量了安全相干部件的故障概率、控制系统的可靠性、诊断功能以及外部条件等因素。根据这些因素的差别组合，性能品级从a到e，每个品级都有其对应的最小平均失效概率（PFHd）和最小安全完备性品级（SIL）的指标。
7.1.2 性能品级（PL）的选择尺度

  在选择性能品级时，需要思量机械、物理和人为因素对安全功能的影响。选择性能品级的过程中，通常会进行以下步骤： 1. 进行风险评估，确定风险减小需求。 2. 根据安全功能对安全性能的需求，确定所需达到的最小安全品级。 3. 思量安全功能在实际操作中的限制，包括成本、空间、可用技能等因素。 4. 对比各性能品级的要求与现有技能，选择适合的性能品级。
7.2 性能品级（PL）的实践应用

7.2.1 性能品级（PL）的选择实操

  在实际操作中，选择性能品级涉及到与风险评估和安全系统计划的密切结合。例如，假设某工厂需要增长一套安全门保护系统以防止职员不测进入危险地区。按照以下步骤操作：
7.2.2 性能品级（PL）在安全相干部件中的应用

  在安全相干部件中，性能品级的应用资助工程师们确保计划满足预定的安全尺度。以下是一些应用性能品级的示例场景：

  在上述应用中，精确选择和使用性能品级是确保职员安全和机器可靠性的紧张环节。通过在计划阶段充分思量性能品级，可以避免在产品投入使用后出现不必要的安全风险。
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  简介：《ISO 13849-1-2023》是国际尺度化组织发布的关于机械安全控制系统计划的原则，包括安全相干部件界说、计划原则、风险评估、冗余计划、故障安全计划、诊断覆盖率盘算（DCM）、性能品级（PL）选择等。该尺度对机械工程领域的安全计划提供最新指导，并且大概包罗使用阐明和文件管理工具，资助计划者精确明白和实施尺度，从而进步产品安全性能。
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