【摘要】：數(shù)控技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有極其重要的作用,關(guān)乎國(guó)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(jī)床的大腦,其功能越來(lái)越強(qiáng)大,系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜。為保證整個(gè)制造系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)的安全運(yùn)行,其功能安全問(wèn)題逐漸成為一個(gè)重要的問(wèn)題。然而,基于功能安全的數(shù)控系統(tǒng),國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)成熟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可循,而國(guó)際上安全控制系統(tǒng)大部分是針對(duì)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(wèn)題。本文從硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)兩個(gè)問(wèn)題入手,針對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)基于功能安全的數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求的具體分析,硬件方面,確定了在標(biāo)準(zhǔn)硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行功能安全評(píng)估、改進(jìn),以滿足功能安全要求的硬件設(shè)計(jì)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(jì)復(fù)雜,需研究數(shù)控系統(tǒng)安全組件共享機(jī)制,以滿足基于功能安全的數(shù)控系統(tǒng)快速設(shè)計(jì)的需求。首先,對(duì)數(shù)控系統(tǒng)硬件功能安全評(píng)估方法進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)特定型號(hào)數(shù)控系統(tǒng)在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)反饋的失效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理,建立了數(shù)控系統(tǒng)硬件的小樣本先驗(yàn)數(shù)據(jù)；對(duì)硬件失效數(shù)據(jù)進(jìn)行了常見(jiàn)失效概率分布擬合,通過(guò)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(diǎn),確定了安全評(píng)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(jì)了一種基于故障樹(shù)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(diǎn),利用Markov方法及故障樹(shù)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(shù)方法對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。之后采用Markov方法模型對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行分析,在模型的建立過(guò)程中,引入信息熵作為判別的依據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)子模塊失效概率的計(jì)算,從而對(duì)整體系統(tǒng)所體現(xiàn)的信息權(quán)重進(jìn)行區(qū)別,較好地解決了數(shù)控系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)整體系統(tǒng)安全失效權(quán)重的影響的問(wèn)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(shù)方法和Markov方法,計(jì)算出了數(shù)控系統(tǒng)硬件中系統(tǒng)擴(kuò)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(shí)危險(xiǎn)失效概率PFD、每小時(shí)危險(xiǎn)失效概率PFH、要求時(shí)危險(xiǎn)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?jǐn)?shù)SFF。參考IEC 62061和IEC 61508中對(duì)功能安全完整性等級(jí)SIL要求進(jìn)行評(píng)估分析,提出了采用增加冗余設(shè)計(jì)、增加檢測(cè)電路、采用降額設(shè)計(jì)等數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)改進(jìn)原則,對(duì)數(shù)控系統(tǒng)硬件進(jìn)行了改進(jìn),達(dá)到了預(yù)期的功能安全要求。第三,針對(duì)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(tái)實(shí)施策略。在制定的實(shí)施策略中,為解決借助遵循IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)開(kāi)發(fā)軟件,對(duì)功能安全的數(shù)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)中,數(shù)控系統(tǒng)安全組件資源不足的問(wèn)題,建立了安全組件的共享機(jī)制。通過(guò)對(duì)安全組件的知識(shí)化方法的研究,設(shè)計(jì)了安全組件的共享平臺(tái),構(gòu)建了基于安全組件知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)方法,以方便開(kāi)發(fā)者進(jìn)行開(kāi)發(fā)協(xié)助和資源共享。在知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建過(guò)程中,通過(guò)使用本體描述語(yǔ)言O(shè)WL對(duì)安全組件進(jìn)行知識(shí)化表述,通過(guò)安全組件的描述文件以對(duì)安全組件的查詢和存儲(chǔ)定位服務(wù)。本體描述引入了推理能力,可對(duì)安全組件庫(kù)的維護(hù)和查詢使用進(jìn)行處理,為后期安全組件知識(shí)庫(kù)的大規(guī)模云端存儲(chǔ)和使用提供了基礎(chǔ)。最后,針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)功能安全的測(cè)試,首先介紹了總線式數(shù)控系統(tǒng)功能安全的實(shí)現(xiàn)方式,并對(duì)可能出現(xiàn)故障的原因進(jìn)行了分析；其次介紹了數(shù)控系統(tǒng)的功能安全測(cè)試方法,并對(duì)不同類型安全相關(guān)系統(tǒng)的安全功能響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了分析和比較；最后針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的功能安全測(cè)試設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集卡,并對(duì)其采樣原理和實(shí)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)介紹,以此為基礎(chǔ)搭建了數(shù)控系統(tǒng)的功能安全測(cè)試平臺(tái),對(duì)系統(tǒng)的功能性和故障插入進(jìn)行了測(cè)試,為數(shù)控系統(tǒng)的功能安全測(cè)試提供了一種參考方案。本文對(duì)基于功能安全的數(shù)控系統(tǒng)的硬件安全評(píng)估和設(shè)計(jì)改進(jìn)、軟件設(shè)計(jì)、測(cè)試平臺(tái)等三個(gè)方面進(jìn)行了研究,研究成果可對(duì)基于功能安全的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)以解決其中的關(guān)鍵問(wèn)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(jì)實(shí)施提供參考方案。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG659
【圖文】：

祀Ｃ和ＩＳＯ兩大標(biāo)準(zhǔn)組織針對(duì)系統(tǒng)的安全問(wèn)題，建立了系列化的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)領(lǐng)域，并在機(jī)械行逡逑業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)體系如圖１－１所示［ＩＵＧ，２５－５９］。逡逑產(chǎn)品和Ｊ；準(zhǔn)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(jī)械設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)掉估原則逡逑Ｉ邋（如安金＾滿）１邋Ｉ邋始似邋］Ｉ驅(qū)動(dòng)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(hào)：2804826