非标自动化设备如何做好本质安全安全设计？
非标自动化设备如何做好本质安全--安全设计？
1. 工业设备设计面临的挑战
当你设计制造一台工业机器、设备或者生产线的时候，工程领域涉及许多学科，机械、电气和自动化学科等，不同学科之间的沟通和协作非常重要。学科必须尽可能无缝地工作，以实现他们的共同目标。
传统的工程流程是串行工程，机械、电气和自动化工程之间手动同步，它风险大、耗时且容易出错。生产设备的自动化程度和变化程度越来越高，从项目开始到结束，整个过程中不同学科都在进行变更的迭代和人工信息交互。迫于制造效率和上市速度的压力，从而将现有的串行工程方法推向了极限。所以，我们需要寻找新的多学科协同的方法。
处理工程中的错误，以免造成大量返工。所以，工业设备制造商必须尽早使用虚拟调试方法识别问题，或者更好地利用协同工具来避免问题发生。
2.非标自动化设备的设计流程
（1）确定开发项目，了解客户需求，包括产品品质要求、设备生产效率要求、设备工作环境。
（2）分析产品，了解产品生产工艺，了解产品各方面尺寸要求及来料情况，与客户沟通产品生产过程中的注意事项，设备使用地点的技术参数。
（3）拟定方案。由工程人员讨论、分析作出设备方案，方案包括：设备示意图、各部分机构简介、动作说明、设备技术参数。
（4）方案审核。由工程人员组成审核组，对方案进行审核，审核内容包括：设备可行性评估、设备成本评估、设备生产效率的评估、各部分结构可行性评估。
（5）方案整改。对方案审核中讨论出的问题进行整改。
（6）客户确定设计方案。设计方案交由客户，客户根据需求，对方案进行最后确定。
（7）设计开发。由工程部安排工程师进行机构设计，作出机器装配图、零件图，选出执行元器件、电控配件，并列出加工零件清单和标准件请购单，动作说明书。
3.如何做好非标自动化设备的设计
非标自动化设备虽然没有标准设备量大，但品种繁杂，五花八门，服务于各种各样的部门。当今社会科学迅猛发展，新技术革命对机械设计提出了更高的要求。由于非标准自动化设备的品种繁杂，设计工作的难度更大。这就要求非标准设计工程师必须具有良好的专业素质，有宽广的知识面，有良好的变通性和独创性，善于举一反三，能有较多的点子，有独出心裁的见解，能将别的机构移植并融汇贯通在自己的设计意图中。
(1)非标设备的生产都是以单件进行小批量生产，对相关的设计人员，有着经验和技术上的要求。非标设备在设计方面，主要采用非标设备中国标准体系和标准体系，遵循“一次薄膜应力或最大直接应力不得超过许用应力”的原则，在安全系数上非标设备的设计主要考虑应力集中及其类型、应力评估方法的复杂程度、材料的不均匀性、几何因素、焊接接头中存在的缺陷等因素。
(2)在非标设备的设计上，首先，在标准零部件的选择上，尽量采用成品件，以便有效降低非标产品在原材物料消耗、管理费用、成品率等方面的成本。采用成品件还能使设备在投入市场后有更好的可靠性能，延长设备的设计制造周期，提高设计效率。其次，非标设备的设计，还要在满足工艺设计条件的基础上，认真研究设备的技术方案，确定先进、合理且运行稳定的非标设备。
4.从基因回路到DNA序列----真核系统升级CAD平台
为实现基因回路的程序化设计，MIT的Christopher A. Voigt团队将工程与生物相结合，把广泛应用于工程设计领域的计算机辅助设计软件（Computer-aided-design，CAD）引入基因回路设计，构建了第一代Cello平台。 Cello是一款自动化设计基因回路的软件（图2），基于输入传感器（例如化学分子诱导系统）、回路功能（例如逻辑真值表）、以及相应底盘细胞中的用户约束文件（user constraint file，UCF），自动将目标功能基因回路编译成DNA序列[2]。其中UCF文件包含对应底盘细胞的门电路传递函数、元件搭配和排布规则等内容。因此对于任意底盘细胞，实现CAD需要实现对于单个元件（包括输入传感器和门电路）的定量构建和测试。 在大肠杆菌中，Voigt组实现了一系列程序化扩展门电路种类[3]、传递函数[4]和元件排布[5, 6]的策略。这是实现计算机辅助设计基因回路的基础，并且用相似策略实现非模式原核生物——拟杆菌（一种肠道主要定殖菌）的基因回路的自动化设计[7]。然而，相同的策略却不能直接应用于真核生物，进而团队将Cello架构升级为Cello 2.0，以适应更多场景的应用。
3.多学科系统设计
可以将机械、电气和自动化三个学科都引入一个系统的同一个界面中，用相应的电气和自动化对象增强机械模型，通过将机械、电气和自动化设计链接在一起，实现机电一体化对象的自动生成，消除接口和数据传输。在自动化设计器界面中可以看到机械设计的三维模型，电气设计的结果等，能够通过与机械工程并行启动来节省时间。在NX自动化设计器中有多个视角的导航器，方便用户查看不同学科的过程数据，例如功能导航器中的功能设计可以包括自动化数据，例如PLC代码块等；位置导航器让电气设计人员进行电气部件的参考指派，指定其位置；产品导航器也可用于构造其数据，查看所有购买的设备及元器件清单。该工具还可以预览集成到模型中的EPLAN 电气示意图信息。这三个方面允许通过拖放基于 IEC 81346 规范构建参考指定。另外，NX自动化设计器集成了自动化硬件和软件，并为自动化工程师提供自动化导航器，以便他们可以在博图中熟悉的结构中查看数据。数据交叉高亮显示使工程师能够有效地传达项目中的数据。所有学科都可以在同一重用库中存储和管理各自的数据。允许每个学科单独管理自己的数据又保持一致性，帮助各学科进一步协同。自动化设计器可以链接到自动化软件博图全局库。有了这个集成模型，电气工程师只需做自己的工作，并配有集成的自动化数据，即可完成自动化工作。参见图5.多学科系统设计。
4. 多学科系统设计的价值.
所有学科之间协作，提高了工程效率。用户可以同时查看同一个项目，并拥有所需的所有数据。从机电模板快速创建大部分电气和自动化设计，消除重复数据输入或传输，保持机械、电气和自动化工程之间的数据一致性。
安全风险分析
安全分析的目标是充分了解设计对随机硬件故障的敏感性，以及必须采取的步骤，以实现由更高级别的ASIL等级定义的安全指标。
我们采用了几种分析技术来确定与目标安全指标相关的设计安全性。结构检查是一种行之有效的方法，用于及时计算和验证在创建FMEDA过程中进行的FIT估计。
通过结构分析和影响分析，量化安全机制对随机硬件故障捕捉的有效性，实现了估计的诊断覆盖率（DC）。FIT和DC代替了原始的专家分析验证和FMEDA差距分析。
例如，将对包含模块备份的设计进行结构分析。然后，根据备份模块和相关检查程序覆盖的设计结构评估诊断覆盖率。计算的诊断覆盖率验证了从总体到具体的FMEDA诊断覆盖率评价（图2）。
安全注入
安全机制具有多种优点，在检测随机硬件故障方面，每一种安全机制都具有其独特的的有效性。通常，人们会认为安全机制就是失效安全或失效运行。失效安全机制能够进行随机故障检测。失效运行机制能够纠正随机的硬件故障；因此，失效安全机制通常需要更高的资源利用率（电源、性能、面积），而且要满足最严格的安全目标（指定为ASIL D）。
· 允许对机器生成的代码进行安全增强，比如高阶的图形化设计。
· 端到端奇偶校验和循环冗余校验。
3）.工程师可从上述一套硬件安全机制中选择
安全机制注入后，必须使原始设计和增强设计逻辑等效，以确保没有引入功能偏差。
安全验证
一旦故障缓解逻辑增强了设计，就必须通过故障注入证明该设计可以安全地避免硬件故障。故障注入的目标是对故障列表中的每个故障进行全面分类，并验证安全分析期间估计的诊断覆盖率指标。
在第一部分中，采用在安全分析中使用的相同分析技术自动生成故障列表。故障列表一旦生成，一系列的故障优化工作可将故障列表减少到最小的问题集。第一个优化确定了安全关键影响锥中包含的逻辑，消除了不影响安全目标的逻辑（图4）。
