數(shù)控系統(tǒng)功能安全標(biāo)準(zhǔn)綜述*

黃祖廣 張承瑞 趙欽志 尹震宇

(①山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061;②國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100102;③中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110171)

何謂功能安全?功能安全是機(jī)械及機(jī)械控制系統(tǒng)有關(guān)的整體安全組成部分，取決于安全相關(guān)電氣控制系統(tǒng)(SRECS)的正確功能，以及其他技術(shù)安全相關(guān)系統(tǒng)和外部風(fēng)險(xiǎn)降低設(shè)施的正確執(zhí)行。當(dāng)每一個(gè)特定的安全功能獲得實(shí)現(xiàn)，并且每一個(gè)安全功能必需的性能等級(jí)被滿(mǎn)足的時(shí)候，功能安全目標(biāo)就達(dá)到了。數(shù)控系統(tǒng)功能安全，是數(shù)控系統(tǒng)具有故障安全處理行為，即當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能夠進(jìn)入安全狀態(tài)或進(jìn)行故障消除的數(shù)控系統(tǒng)，亦稱(chēng)安全數(shù)控系統(tǒng)。換句話(huà)說(shuō)，當(dāng)安全數(shù)控系統(tǒng)滿(mǎn)足以下條件時(shí)就認(rèn)為是功能安全的，即當(dāng)任一隨機(jī)故障、系統(tǒng)故障或共因失效都不會(huì)導(dǎo)致安全系統(tǒng)的故障，從而引起人員的傷害或死亡、環(huán)境的破壞、設(shè)備財(cái)產(chǎn)的損失。也就是數(shù)控系統(tǒng)的安全功能，無(wú)論在正常情況或者有故障存在的情況下，都應(yīng)該保證正確實(shí)施。

2012年6月29日，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合首次發(fā)布了GB 28526－2012《機(jī)械電氣安全安全相關(guān)電氣、電子和可編程電子控制系統(tǒng)的功能安全》強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng) GB28526－2012)，并于2013年5月1日起強(qiáng)制實(shí)施。GB28526－2012標(biāo)準(zhǔn)是由全國(guó)工業(yè)機(jī)械電氣系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC231)歸口，是我國(guó)首次制定并發(fā)布的數(shù)控系統(tǒng)功能安全強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。為此，本文對(duì)我國(guó)首部數(shù)控系統(tǒng)功能安全標(biāo)準(zhǔn)GB28526－2012進(jìn)行了簡(jiǎn)要解讀和討論，便于數(shù)控行業(yè)理解與實(shí)施。

1 標(biāo)準(zhǔn)概況

GB28526－2012標(biāo)準(zhǔn)為條文強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)的第5章、第6.4條、第6.6.3 條、第 6.10 條、第 6.12 條為強(qiáng)制性條款，其余為推薦性條款。標(biāo)準(zhǔn)等同采用了IEC 62061:2005《機(jī)械安全—安全相關(guān)電氣、電子和可編程電子控制系統(tǒng)安全功能》，技術(shù)內(nèi)容與 IEC62061:2005標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容相一致。

GB28526－2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了機(jī)械(機(jī)器)設(shè)備用安全相關(guān)電氣/電子/可編程電子控制系統(tǒng)(SRECS)的設(shè)計(jì)、集成、確認(rèn)和評(píng)估等要求，適用范圍與我國(guó)機(jī)械電氣設(shè)備另一項(xiàng)重要安全標(biāo)準(zhǔn)GB5226.1－2008《機(jī)械電氣安全 機(jī)械電氣設(shè)備 第1部分:通用技術(shù)條件》相協(xié)調(diào)。

GB28526－2012標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)控系統(tǒng)功能安全的通用安全標(biāo)準(zhǔn)，是數(shù)控系統(tǒng)功能安全的設(shè)計(jì)、集成、確認(rèn)和評(píng)估的重要依據(jù)。本標(biāo)準(zhǔn)適用于單獨(dú)的或組合的方式使用的控制系統(tǒng)，以執(zhí)行機(jī)械安全相關(guān)控制功能。它不包括需要或要求由其他標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)為保護(hù)人身免遭危險(xiǎn)的所有要求(例如防護(hù)、非電氣聯(lián)鎖或非電氣控制)。標(biāo)準(zhǔn)僅涉及預(yù)期降低直接接近機(jī)械或直接使用機(jī)械而造成的人身傷害或健康危害風(fēng)險(xiǎn)的功能安全要求;僅限于機(jī)械自身或以協(xié)調(diào)方式共同工作的機(jī)械的危險(xiǎn)直接引起的風(fēng)險(xiǎn);并沒(méi)有規(guī)定機(jī)械非電氣(例如液壓、氣動(dòng))控制元素性能要求;也不包括電氣控制設(shè)備自身引起的電氣危險(xiǎn)，例如電擊等。

2 標(biāo)準(zhǔn)制定背景

隨著數(shù)控設(shè)備面向高速、大型、重型、智能發(fā)展，對(duì)與之配套的數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅(qū)動(dòng)單元的安全性提出了新需求，要求數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅(qū)動(dòng)單元等具有安全功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)人員和設(shè)備的保護(hù)，減少事故危害，確保數(shù)控機(jī)床的高效、安全加工。數(shù)控系統(tǒng)的安全功能已成為國(guó)內(nèi)外數(shù)控廠商關(guān)注的焦點(diǎn)，并成為數(shù)控系統(tǒng)的重要功能。國(guó)外知名的數(shù)控系統(tǒng)廠商如發(fā)那科、西門(mén)子等公司，在研制的高檔數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)單元、PLC等產(chǎn)品中，都集成了安全控制功能和安全總線，以提高系統(tǒng)安全等級(jí)，滿(mǎn)足數(shù)控設(shè)備對(duì)數(shù)控系統(tǒng)功能安全的要求。

為了規(guī)范和引導(dǎo)國(guó)內(nèi)控制系統(tǒng)行業(yè)安全相關(guān)技術(shù)發(fā)展，完善安全相關(guān)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證能力，提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)安全性能水平。2008年，掛靠在北京機(jī)床研究所的全國(guó)工業(yè)機(jī)械電氣系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC231)秘書(shū)處組織行業(yè)專(zhuān)家，對(duì)IEC/TC44(機(jī)械電氣安全技術(shù)委員會(huì))組織制定的IEC62061:2005《機(jī)械安全—安全相關(guān)電氣、電子和可編程電子控制系統(tǒng)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行了研究，并適時(shí)提出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)申請(qǐng)。2009年，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)下達(dá)的“國(guó)標(biāo)委綜合［2009］59號(hào)《關(guān)于下達(dá)2009年第一批國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制修訂計(jì)劃的通知》”文件，由SAC/TC231秘書(shū)處提出的我國(guó)首部數(shù)控系統(tǒng)功能安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)列入了2009年度國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)制修訂計(jì)劃，項(xiàng)目計(jì)劃編號(hào)為:20090708－Q－604。項(xiàng)目具體由國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所有限公司等單位負(fù)責(zé)起草制定。

3 與其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系

GB28526－2012對(duì)應(yīng)的IEC62061標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系如圖1所示。

4 標(biāo)準(zhǔn)條款及對(duì)應(yīng)目標(biāo)

GB28526－2012標(biāo)準(zhǔn)的主要條款及對(duì)應(yīng)目標(biāo)如表1所示。

5 標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)問(wèn)題說(shuō)明

5.1 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

GB28526－2012標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)清晰明了，全文分為10個(gè)章節(jié)和6個(gè)附錄，同其他的標(biāo)準(zhǔn)一樣，從第4章開(kāi)始，是標(biāo)準(zhǔn)的正文，標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)如下:

(1)第4章功能安全管理。

(2)第5章安全相關(guān)控制功能規(guī)范要求(SRCF)。

(3)第6章安全相關(guān)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與整合(SRECS)。

(4)第7章SRECS使用信息。

(5)第8章安全相關(guān)電氣控制系統(tǒng)確認(rèn)。

(6)第9章 修改。

(7)第10章 文件。

(8)附錄A(資料性附錄)SIL分配。

(9)附錄B(資料性附錄)安全相關(guān)電氣控制系統(tǒng)(SRECS)設(shè)計(jì)示例。

(10)附錄C(資料性附錄)嵌入式軟件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)指南。

(11)附錄D(資料性附錄)電氣/電子部件的失效模式。

(12)附錄E(資料性附錄)按照 GB/T 17799.2－2003用于工業(yè)環(huán)境的SRECS電磁現(xiàn)象(EM)和提高的抗擾度水平。

(13)附錄F(資料性附錄)共因失效(CCF)敏感度評(píng)估方法。

5.2 關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)范圍

GB28526－2012標(biāo)準(zhǔn)的適用于非便攜式機(jī)械設(shè)備用安全相關(guān)電氣電子和可編程電子控制系統(tǒng)(SRECS)的設(shè)計(jì)、集成和驗(yàn)證，提出要求并給出建議。該標(biāo)準(zhǔn)適用于單獨(dú)的或組合的方式來(lái)使用的控制系統(tǒng)，以使工作時(shí)非便攜式機(jī)械執(zhí)行安全相關(guān)控制功能。該標(biāo)準(zhǔn)的思路、方法以及一些具體要求也體現(xiàn)了GB/T 20438/IEC61508的具體應(yīng)用，只關(guān)注與減小對(duì)直接使用機(jī)器的人的健康造成的傷害或傷亡，未對(duì)非電氣控制元件(液壓，氣動(dòng))的性能提出要求，對(duì)于電氣安全的要求需遵循GB5226.1/IEC60204－1標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.3 關(guān)于“第2章規(guī)范性引用文件”

本標(biāo)準(zhǔn)所涉及的規(guī)范性引用文件如下:

(1)GB 5226.1－2008 機(jī)械電氣安全機(jī)械電氣設(shè)備第1部分:通用技術(shù)條件(IEC 60204－1:2005，IDT)

(2)GB/T 15706.1－2007 機(jī)械安全基本概念與設(shè)計(jì)通則第1部分:基本術(shù)語(yǔ)和方法(ISO 12100－1:2003，IDT)

(3)GB/T 15706.2－2007 機(jī)械安全基本概念與設(shè)計(jì)通則第2部分:技術(shù)原則(ISO 12100－2:2003，IDT)

(4)GB/T 16855.1－2008 機(jī)械安全 控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件 第1部分:設(shè)計(jì)通則(ISO 13849－1:2006，IDT)

表1 標(biāo)準(zhǔn)條款及對(duì)應(yīng)目標(biāo)

(5)GB/T 16855.2－2007 機(jī)械安全控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件第2部分:確認(rèn)(ISO 13849－2:2003，IDT)

(6)GB/T 16856.1－2008 機(jī)械安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 第1部分:原則(ISO 14121－1:2007，IDT)

(7)GB/T 16856.2－2008 機(jī)械安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)第2部分:實(shí)施指南和方法舉例(ISO/TR 14121－2:2007，IDT)

(8)GB/T 17799.2－2003 電磁兼容通用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)環(huán)境中的抗擾度試驗(yàn)(IEC 61000－6－2:1999，IDT)

(9)GB 18209.1－2000 機(jī)械電氣安全 指示、標(biāo)志和操作 第1部分:關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)信號(hào)的要求(IEC 61310 －1:1995，IDT)

(10)GB 18209.2－2000 機(jī)械電氣安全 指示、標(biāo)志和操作 第2部分:標(biāo)志要求(IEC 61310－2:1995，IDT)

(11)GB 18209.3－2002 機(jī)械電氣安全 指示、標(biāo)志和操作 第3部分:操作件的位置和操作的要求(IEC 61310－3:1999，IDT)

(12)GB/T 20438.2－2006 電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全第2部分:電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的要求(IEC 61508－2:2000，IDT)(13)GB/T 20438.4－2006 電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全 第4部分:定義和縮略語(yǔ)(IEC 61508 －4:1998，IDT)(14)GB/T 21109.1－2007 過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全第1部分:框架、定義、系統(tǒng)、硬件和軟件要求(IEC 61511 －1:2003，IDT)(15)IEC 61508－3 電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)功能安全第3部分:軟件要求(Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety－related systems–Part 3:Software requirements)

5.4 關(guān)于“第3章 術(shù)語(yǔ)、定義和縮略語(yǔ)”

本標(biāo)準(zhǔn)引用了包括GB/T 15706.1－2007、GB/T 20438.4 －2006 等標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語(yǔ)及定義的術(shù)語(yǔ)共52條。

5.5 關(guān)于“第4章 功能安全管理”

本章規(guī)定了達(dá)到SRECS功能安全要求的具體技術(shù)活動(dòng)和管理內(nèi)容。

5.6 關(guān)于“第5章 安全相關(guān)控制功能規(guī)范要求(SRCF)”

本章規(guī)定了安全相關(guān)控制功能的具體要求和制定流程。

5.7 關(guān)于“第6章 安全相關(guān)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與整合(SRECS)”

本章規(guī)定了符合功能安全要求的SRECS的選擇原則、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。包括:系統(tǒng)架構(gòu)的選擇，安全相關(guān)軟、硬件的選擇，軟硬件的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的軟硬件符合功能安全要求的驗(yàn)證。

5.8 關(guān)于“第7章 SRECS使用信息”

本章規(guī)定了SRECS對(duì)隨設(shè)備提供的使用信息的具體要求，包括:用戶(hù)手冊(cè)和流程，維護(hù)手冊(cè)和流程。

5.9 關(guān)于“第8章 安全相關(guān)電氣控制系統(tǒng)確認(rèn)”

本章規(guī)定了應(yīng)用于SRECS的驗(yàn)證流程的具體要求。包括對(duì)SRECS的檢查和測(cè)試，以確保滿(mǎn)足安全需求規(guī)范的要求。

5.10 關(guān)于“第9章 修改”

本章規(guī)定了SRECS需要更改時(shí)，更改的流程和要求，包括:對(duì)任何SRECS更改的正確計(jì)劃以及進(jìn)行更改前的確認(rèn)，更改后SRECS滿(mǎn)足安全需求規(guī)范等。

5.11 關(guān)于“第10章 文件”

本章規(guī)定了功能安全相關(guān)的所有文檔列表。

5.12 關(guān)于“附錄A(資料性附錄)SIL分配”

本附錄提供了一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)的定性辦法及能夠用于對(duì)機(jī)械的SRCF進(jìn)行SIL分配。

5.13 關(guān)于“附錄B(資料性附錄)安全相關(guān)電氣控制系統(tǒng)(SRECS)設(shè)計(jì)示例使用條款5、6的概念和要求”

本附錄提供了 SRECS設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)化建議定義了一個(gè)方法，可以將安全相關(guān)控制功能的功能性及安全性的一體化整體要求分解成為許多細(xì)分的子功能。

5.14 關(guān)于“附錄C(資料性附錄)嵌入式軟件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)指南”

本附錄用于幫助人們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)嵌入式軟件以實(shí)現(xiàn)SRECS內(nèi)部的安全相關(guān)控制功能。

5.15 關(guān)于“附錄 D(資料性附錄)電氣/電子部件的失效模式”

本附錄給出SRECS及其子系統(tǒng)的最低操作環(huán)境應(yīng)符合GB5226.1的規(guī)定。

5.16 關(guān)于“附錄E(資料性附錄)按照GB/T 17799.2－2003用于工業(yè)環(huán)境的SRECS電磁現(xiàn)象(EM)和提高的抗擾度水平”

本附錄提供了用于工業(yè)環(huán)境的SRECS的電磁現(xiàn)象和提高的抗擾度。

5.17 關(guān)于“附錄F(資料性附錄)共同原因失效(CCF)敏感度評(píng)估方法”

本附錄提供了適用于子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的CCF預(yù)測(cè)提供了簡(jiǎn)便的定性方法。

6 結(jié)語(yǔ)

GB28526－2012強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)極其重要的數(shù)控系統(tǒng)功能安全通用標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容豐富，因篇幅關(guān)系，本文僅對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明。詳盡內(nèi)容請(qǐng)閱讀該標(biāo)準(zhǔn)文本，現(xiàn)已由中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版印刷。為了便于機(jī)床行業(yè)更好地理解和實(shí)施本標(biāo)準(zhǔn)，全國(guó)工業(yè)機(jī)械電氣系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)后續(xù)還將對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的一些難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行詳盡解讀，敬請(qǐng)關(guān)注。

［1］黃祖廣，尹霞寧，趙欽志，等.GB 28526－2012機(jī)械電氣安全 安全相關(guān)電氣、電子和可編程電子控制系統(tǒng)的功能安全［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［2］IEC 62061:2005 Safety of machinery－Functional safety of safety－related electrical，electronic and programmable electronic control systems［S］.2005.

［3］黃祖廣，趙欽志，楊京彥，等.GB 5226.1 －2008機(jī)械電氣安全機(jī)械電氣設(shè)備第1部分:通用技術(shù)條件［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［4］IEC 60204:2009 Safety of machinery– E-lectrical equipment of machines–Part 1:General requirements［S］.2005.

［5］黃祖廣，趙欽志，黃麟，等.機(jī)械電氣系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)匯編［G］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.