數控系統功能安全標準綜述*

黃祖廣 張承瑞 趙欽志 尹震宇

(①山東大學機械工程學院，山東濟南 250061;②國家機床質量監督檢驗中心，北京 100102;③中國科學院沈陽計算技術研究所有限公司，遼寧沈陽 110171)

何謂功能安全?功能安全是機械及機械控制系統有關的整體安全組成部分，取決于安全相關電氣控制系統(SRECS)的正確功能，以及其他技術安全相關系統和外部風險降低設施的正確執行。當每一個特定的安全功能獲得實現，并且每一個安全功能必需的性能等級被滿足的時候，功能安全目標就達到了。數控系統功能安全，是數控系統具有故障安全處理行為，即當出現故障時，系統能夠進入安全狀態或進行故障消除的數控系統，亦稱安全數控系統。換句話說，當安全數控系統滿足以下條件時就認為是功能安全的，即當任一隨機故障、系統故障或共因失效都不會導致安全系統的故障，從而引起人員的傷害或死亡、環境的破壞、設備財產的損失。也就是數控系統的安全功能，無論在正常情況或者有故障存在的情況下，都應該保證正確實施。

2012年6月29日，國家質量監督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會聯合首次發布了GB 28526－2012《機械電氣安全安全相關電氣、電子和可編程電子控制系統的功能安全》強制性國家標準(以下簡稱 GB28526－2012)，并于2013年5月1日起強制實施。GB28526－2012標準是由全國工業機械電氣系統標準化技術委員會(SAC/TC231)歸口，是我國首次制定并發布的數控系統功能安全強制性國家標準。為此，本文對我國首部數控系統功能安全標準GB28526－2012進行了簡要解讀和討論，便于數控行業理解與實施。

1 標準概況

GB28526－2012標準為條文強制性國家標準，標準的第5章、第6.4條、第6.6.3 條、第 6.10 條、第 6.12 條為強制性條款，其余為推薦性條款。標準等同采用了IEC 62061:2005《機械安全—安全相關電氣、電子和可編程電子控制系統安全功能》，技術內容與 IEC62061:2005標準內容相一致。

GB28526－2012標準規定了機械(機器)設備用安全相關電氣/電子/可編程電子控制系統(SRECS)的設計、集成、確認和評估等要求，適用范圍與我國機械電氣設備另一項重要安全標準GB5226.1－2008《機械電氣安全 機械電氣設備 第1部分:通用技術條件》相協調。

GB28526－2012標準是數控系統功能安全的通用安全標準，是數控系統功能安全的設計、集成、確認和評估的重要依據。本標準適用于單獨的或組合的方式使用的控制系統，以執行機械安全相關控制功能。它不包括需要或要求由其他標準或法規為保護人身免遭危險的所有要求(例如防護、非電氣聯鎖或非電氣控制)。標準僅涉及預期降低直接接近機械或直接使用機械而造成的人身傷害或健康危害風險的功能安全要求;僅限于機械自身或以協調方式共同工作的機械的危險直接引起的風險;并沒有規定機械非電氣(例如液壓、氣動)控制元素性能要求;也不包括電氣控制設備自身引起的電氣危險，例如電擊等。

2 標準制定背景

隨著數控設備面向高速、大型、重型、智能發展，對與之配套的數控系統及伺服驅動單元的安全性提出了新需求，要求數控系統及伺服驅動單元等具有安全功能，以實現對人員和設備的保護，減少事故危害，確保數控機床的高效、安全加工。數控系統的安全功能已成為國內外數控廠商關注的焦點，并成為數控系統的重要功能。國外知名的數控系統廠商如發那科、西門子等公司，在研制的高檔數控系統、伺服驅動單元、PLC等產品中，都集成了安全控制功能和安全總線，以提高系統安全等級，滿足數控設備對數控系統功能安全的要求。

為了規范和引導國內控制系統行業安全相關技術發展，完善安全相關電氣控制系統的設計和驗證能力，提高國產數控系統安全性能水平。2008年，掛靠在北京機床研究所的全國工業機械電氣系統標準化技術委員會(SAC/TC231)秘書處組織行業專家，對IEC/TC44(機械電氣安全技術委員會)組織制定的IEC62061:2005《機械安全—安全相關電氣、電子和可編程電子控制系統的功能安全標準》進行了研究，并適時提出了國家標準立項申請。2009年，根據國家標準化管理委員會下達的“國標委綜合［2009］59號《關于下達2009年第一批國家標準制修訂計劃的通知》”文件，由SAC/TC231秘書處提出的我國首部數控系統功能安全國家標準列入了2009年度國家強制性標準制修訂計劃，項目計劃編號為:20090708－Q－604。項目具體由國家機床質量監督檢驗中心、中國科學院沈陽計算技術研究所有限公司等單位負責起草制定。

3 與其他相關標準關系

GB28526－2012對應的IEC62061標準與相關標準的關系如圖1所示。

4 標準條款及對應目標

GB28526－2012標準的主要條款及對應目標如表1所示。

5 標準有關問題說明

5.1 標準結構

GB28526－2012標準的架構清晰明了，全文分為10個章節和6個附錄，同其他的標準一樣，從第4章開始，是標準的正文，標準的主要內容及結構如下:

(1)第4章功能安全管理。

(2)第5章安全相關控制功能規范要求(SRCF)。

(3)第6章安全相關電氣控制系統設計與整合(SRECS)。

(4)第7章SRECS使用信息。

(5)第8章安全相關電氣控制系統確認。

(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)安全相關電氣控制系統(SRECS)設計示例。

(10)附錄C(資料性附錄)嵌入式軟件設計和開發指南。

(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用于工業環境的SRECS電磁現象(EM)和提高的抗擾度水平。

(13)附錄F(資料性附錄)共因失效(CCF)敏感度評估方法。

5.2 關于標準范圍

GB28526－2012標準的適用于非便攜式機械設備用安全相關電氣電子和可編程電子控制系統(SRECS)的設計、集成和驗證，提出要求并給出建議。該標準適用于單獨的或組合的方式來使用的控制系統，以使工作時非便攜式機械執行安全相關控制功能。該標準的思路、方法以及一些具體要求也體現了GB/T 20438/IEC61508的具體應用，只關注與減小對直接使用機器的人的健康造成的傷害或傷亡，未對非電氣控制元件(液壓，氣動)的性能提出要求，對于電氣安全的要求需遵循GB5226.1/IEC60204－1標準要求。

5.3 關于“第2章規范性引用文件”

本標準所涉及的規范性引用文件如下:

(1)GB 5226.1－2008 機械電氣安全機械電氣設備第1部分:通用技術條件(IEC 60204－1:2005，IDT)

(2)GB/T 15706.1－2007 機械安全基本概念與設計通則第1部分:基本術語和方法(ISO 12100－1:2003，IDT)

(3)GB/T 15706.2－2007 機械安全基本概念與設計通則第2部分:技術原則(ISO 12100－2:2003，IDT)

(4)GB/T 16855.1－2008 機械安全 控制系統有關安全部件 第1部分:設計通則(ISO 13849－1:2006，IDT)

表1 標準條款及對應目標

(5)GB/T 16855.2－2007 機械安全控制系統有關安全部件第2部分:確認(ISO 13849－2:2003，IDT)

(6)GB/T 16856.1－2008 機械安全風險評價 第1部分:原則(ISO 14121－1:2007，IDT)

(7)GB/T 16856.2－2008 機械安全風險評價第2部分:實施指南和方法舉例(ISO/TR 14121－2:2007，IDT)

(8)GB/T 17799.2－2003 電磁兼容通用標準工業環境中的抗擾度試驗(IEC 61000－6－2:1999，IDT)

(9)GB 18209.1－2000 機械電氣安全 指示、標志和操作 第1部分:關于視覺、聽覺和觸覺信號的要求(IEC 61310 －1:1995，IDT)

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

(11)GB 18209.3－2002 機械電氣安全 指示、標志和操作 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系統的功能安全第2部分:電氣/電子/可編程電子安全相關系統的要求(IEC 61508－2:2000，IDT)(13)GB/T 20438.4－2006 電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全 第4部分:定義和縮略語(IEC 61508 －4:1998，IDT)(14)GB/T 21109.1－2007 過程工業領域安全儀表系統的功能安全第1部分:框架、定義、系統、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系統功能安全第3部分:軟件要求(Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety－related systems–Part 3:Software requirements)

5.4 關于“第3章 術語、定義和縮略語”

本標準引用了包括GB/T 15706.1－2007、GB/T 20438.4 －2006 等標準的術語及定義的術語共52條。

5.5 關于“第4章 功能安全管理”

本章規定了達到SRECS功能安全要求的具體技術活動和管理內容。

5.6 關于“第5章 安全相關控制功能規范要求(SRCF)”

本章規定了安全相關控制功能的具體要求和制定流程。

5.7 關于“第6章 安全相關電氣控制系統設計與整合(SRECS)”

本章規定了符合功能安全要求的SRECS的選擇原則、設計和實現方法。包括:系統架構的選擇，安全相關軟、硬件的選擇，軟硬件的設計，設計的軟硬件符合功能安全要求的驗證。

5.8 關于“第7章 SRECS使用信息”

本章規定了SRECS對隨設備提供的使用信息的具體要求，包括:用戶手冊和流程，維護手冊和流程。

5.9 關于“第8章 安全相關電氣控制系統確認”

本章規定了應用于SRECS的驗證流程的具體要求。包括對SRECS的檢查和測試，以確保滿足安全需求規范的要求。

5.10 關于“第9章 修改”

本章規定了SRECS需要更改時，更改的流程和要求，包括:對任何SRECS更改的正確計劃以及進行更改前的確認，更改后SRECS滿足安全需求規范等。

5.11 關于“第10章 文件”

本章規定了功能安全相關的所有文檔列表。

5.12 關于“附錄A(資料性附錄)SIL分配”

本附錄提供了一個風險估計的定性辦法及能夠用于對機械的SRCF進行SIL分配。

5.13 關于“附錄B(資料性附錄)安全相關電氣控制系統(SRECS)設計示例使用條款5、6的概念和要求”

本附錄提供了 SRECS設計中的結構化建議定義了一個方法，可以將安全相關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分的子功能。

5.14 關于“附錄C(資料性附錄)嵌入式軟件設計和開發指南”

本附錄用于幫助人們設計開發嵌入式軟件以實現SRECS內部的安全相關控制功能。

5.15 關于“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及其子系統的最低操作環境應符合GB5226.1的規定。

5.16 關于“附錄E(資料性附錄)按照GB/T 17799.2－2003用于工業環境的SRECS電磁現象(EM)和提高的抗擾度水平”

本附錄提供了用于工業環境的SRECS的電磁現象和提高的抗擾度。

5.17 關于“附錄F(資料性附錄)共同原因失效(CCF)敏感度評估方法”

本附錄提供了適用于子系統設計的CCF預測提供了簡便的定性方法。

6 結語

GB28526－2012強制性國家標準是一項極其重要的數控系統功能安全通用標準。標準內容豐富，因篇幅關系，本文僅對標準的一些關鍵問題進行了說明。詳盡內容請閱讀該標準文本，現已由中國標準出版社出版印刷。為了便于機床行業更好地理解和實施本標準，全國工業機械電氣系統標準化技術委員會后續還將對該標準的一些難點問題進行詳盡解讀，敬請關注。

［1］黃祖廣，尹霞寧，趙欽志，等.GB 28526－2012機械電氣安全 安全相關電氣、電子和可編程電子控制系統的功能安全［S］.北京:中國標準出版社，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機械電氣安全機械電氣設備第1部分:通用技術條件［S］.北京:中國標準出版社，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.機械電氣系統安全標準匯編［G］.北京:中國標準出版社，2010.