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MTTFd值的定义
2013-4-9

     控制系统是机器的中枢,控制和检测着整个机器设备的所有的输入、输出,并确保系统的正常运转,实现既定的任务。所以,评估一台机器的功能和安全,控制系统常常是评估的重要对象。控制系统作为工厂机器设备的重要组成部分,在确保机器的可靠工作和安全运行中起着非常重要的作用。无论设备大小,功能差异,其控制系统不外乎分为电气、机械、液压和气动等系统,或由其中几个部分组成。然而如何确保一台设备控制系统的安全和可靠工作,确是一个非常复杂的问题。

  EN954-1的不足

  在过去,我们评估一个控制系统的安全,常常是确定该控制系统的安全控制类别(CONTROL CATEGORY),这是根据EN954-1标准的要求。但是随着新兴技术的不断涌现,这种设计方法和要求不能满足技术不断进步的要求,加上该标准本身存在的一些缺陷,使得对新标准要求的呼声越来越高。首先因为EN954-1标准已经使用了10多年,而没有进行过更新,使得该标准不能适用现在一些新兴技术的要求。其次,该标准主要适用气动、液压、电气和部分确定的电子产品系统,不能涵盖目前所有控制系统,特别是电子技术的快速发展;第三,使用EN954-1是建立在一定

的经验基础和条件上,对控制系统进行的评估和确定,对于新出现的控制方法则显得力不从心。第四,EN954-1给大家提供的只是对一个系统定性的评估,没有也无法实现定量化判断系统的安全性。第五,过去的标准对于控制系统的组成后的外界因素都假定是一成不变的,而没有考虑到意外因素对系统可靠性和安全性的影响。另外该标准在1999年已经升级为ISO13849-1标准。作为国际标准,必须能够协调吸纳最新的普遍使用的技术,有必要时常进行标准更新,使之能够更完善更科学。鉴于此种种因素,新的国际标准在2006年出现。即ISO13849-1:2006版。

  ISO13849-1:2006新标准

  2006年发布的新的标准,作为国际化的通用标准,是在ISO13849-1:1999版基础上作的修改,它吸纳了新的技术要求,保留了旧的设计原则,对适用的内容作了一定的改进,是比较完善和科学的标准。新标准同旧版本一样,也是建立在系统风险分析评估的基础上,同时补充增加了一些新内容。首先新的ISO13849-1:2006在以前标准要求的系统的确定性上,增加了系统故障概率方面的评估,从而更全面地实现从元件到系统进行科学地评估。其次最明显的在原来的EN954-1标准的基础上作了改进,而且还补充增加了3项内容,从而使一个控制系统的安全评估内容,需要从4个方面来全面衡量,而不仅仅是风险分析和采用的控制类别。第三,新评估项目的增加,同时也为设计人员提供了更多的设计实现途径和方法,这一点是过去标准所不可能具有的。这4个参数分别为:

  1. 系统实现的安全等级PLr

  2. 系统平均无危险故障时间MTTFd

  3. 系统诊断检测范围 DC

  4. 共因故障预防CCF

  

下面就新标准的4个方面新要求具体介绍。

  1.系统实现的安全等级PLr(简称安全等级)

  是一个新名词,表征一个控制系统防范危险的能力和程度。它是在过去标准的基础上演变而来。过去大家熟悉的EN954-1标准中,主要是根据风险评估,确定控制系统一个相应的控制类别CCx。

      根据新标准的要求,确定系统安全等级的方式发生了变化。风险分析参数还是S,F,P,但是结果却不同。新标准中采用了5个新的表示不同安全等级的需求的参数PLr,即a,b,c,d和e,分别代表了系统安全等级从低到高,对应的危险也是从低到高。对应于过去安全控制类别B,1,2,3,4。而且改进之处是每个需要的安全等级都和这3个参数有关,无论伤害的严重与否。在旧标准中,若危险伤害程度小,可以直接确定安全控制类别B或1,这一点是新标准与旧标准的第二个不同点。在称呼上,新改进标准更能体现控制系统安全等级的实际含义,更合理地体现风险评估的结果需要,而且可以作为减少风险的措施和最终的检验方法。

  2.平均无危险故障时间MTTFd

  MTTF已经存在于其他行业很多年了,引入到机器安全控制系统领域,则是刚刚开始。 该值可以属于一个元件,也可以是针对一个系统的描述。通常,对单个元件,它的MTTFd由该元器件的生产者或供应商提供。在今后的产品样本和说明书中,用户都可以找到该元件对应的MTTFd值。该时间通常以年为单位。对于一个系统。可以通过分段确定每部分的MTTFd,然后计算出系统的平均无故障时间。

     需要说明的一点是,对于有些存在磨损的元件,那麽使用的次数可能决定了元件首次出现故障的时间。对于这一类器件,供应商通常提供的是另外一个参数B10d,表示每小时出现危险故障的率。有了B10d,可以通过公式来折算出该元件的MTTFd。其中0.1是一个校正系数,Nop表示每小时操作该元件的平均统计次数。对于常规元器件,也可以在相关标准中找到其MTTFd或B10d值。比如门锁开关,在ISO13849-1:2006中给出B10d的值是2,000,000。

  3.系统诊断检测范围 DC

  系统诊断检测范围,是衡量该系统控制范围的一个参数,通常以百分比的形式出现。根据数值大小,分别表征范围的高与低。

  如何获得DC值? 同样,由供应商提供,或者在ISO13849-1标准中查找。对于一个复杂的系统,获取DC值,可以将大系统划分为多个小系统,分别计算出各自的DC值,最后利用公式计算出平均值。

  4.共因故障预防与控制CCF

  对于一个需要较高安全等级的控制系统,可能采用双通道。如何预防和控制那些可能导致双通道同时失效或出现故障的因素?这是新标准中对控制系统增加的最后一个衡量指标。该参数常常以数值表示。对于不同的产品,生产制造商应该给出采用其产品和相应的预防措施可获得的结果。如果供应商不能提供,可依据产品制造符合的标准和采用的方法,在标准IS013849-1标准中查找。

通常要求该值要超过65分,才表示该系统采取的控制措施在预防共因故障方面符合要求。

  PL和CC,DC,MTTFd参数的关系

  在4个参数中,最重要的还是控制类别。从下面的表中,我们可以发现,要实现相同的控制安全等级,新标准给出了更多的选择实现方法。比如对于一个控制安全等级PLd的系统,可以采取以下的方法:

  1. 控制类别CC3,DC检测范围低,MTTFd高的组合。

  2. 控制类别CC3,DC检测范围一般,MTTFd一般的组合。

  3. 控制类别CC2,DC检测范围一般,MTTFd高的组合。

  还有更多组合选择。这样,对设计人员,可以采取其中任何一种,从而具有更大的灵活性。

  可以说,PL是控制类别CC,MTTFd,诊断范围DC 和CCF的一个综合表现。

  EN954-1的终结

  ISO13849-1:2006新标准出现,是不是意味着EN954-1的终结?EN954-1作为欧盟协调标准,存在并使用了多年了。很多用户已经非常熟悉,而在发展中国家,也许有的人才刚刚接触。但是新的国际标准基本上对旧标准中存在的问题,都已改进解决,方法更科学,内容更全面,在2006年颁布实施,而且欧盟也将采用该国际标准。根据法规的要求,允许有一个3年的过渡期。在此期间,新旧标准可以并存。到2009年11月,新的国际标准将强制执行。 (2007,5,9)

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