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Mohammed Dogar
Mohammed Dogar
Vice President

功能安全的基本概念由来已久。它的目的是保护用户在使用设备或机器时免受伤害。在工业设备、家电应用、自动驾驶等相关活动中,功能安全的范畴广泛而多样。机电设备,例如家用电器、自动驾驶、空调系统、供暖设备、消防系统和其他工业系统(输送机等)都有可能在操作过程中,因机器故障造成对人员的伤害。对于半自动或全自动的电控设备也是如此。总而言之,功能安全是机器或系统能否实施对操作人员安全保障的一种信心尺度。

IEC 61508为电气、电子和机电设备的功能安全标准提供了相应的方案,为类似设备应用于特定场景提供了专用安全准则。功能安全标准旨在为各种不同的设备提供必要的规则以及合规测试要求,以保证操作人员和用户受到保护,避免设备的潜在故障或设备的不恰当使用给人员造成的危害。

随着企业越来越重视通过工业 4.0、智慧工厂和工业物联网 (IIoT) 等技术来提高生产和经营效率,自动化系统和机器已经成为产线的重要组成部分。虽然可以通过它们来降本增效优化产线效率,但也为整个流程引入了因不恰当的操作带来的失效可能。尤其是自动化系统由软件控制,软件故障可能导致设备停机,甚至整个系统停机,影响工厂运营。遵循功能安全措施不仅可以通过使用合规的综合方法来识别和分析可能对操作员安全产生影响的危险,以保护工人免受伤害,同时还可以避免或减少系统停机的时间。

功能安全包含两个基本概念:安全功能和安全等级。在安全功能中,包括传感器、控制系统和执行部件在内的所有单元都需要被检查,以确定失效的概率和频率。而安全等级衡量的是:能多大程度上把风险降低到可接受的范围之内。安全功能包括确保设备安全运行所需的任何行为或操作。该功能通常涉及各种形式的传感器/执行器、控制电路、机电设备,如电机等,以及维护系统安全的机制。这些设备上的意外状况可能会造成系统的严重事故。在这种时刻需要执行的操作就定义了安全功能的基本范畴。此外,这些相互关联的操作之间的时序也是至关重要的,尤其是当检测和控制由不同器件控制的情况下。

近十年来,Renesas电子一直是多个功能安全工作组的积极成员,并为相关功能安全标准做出了重大贡献。 我们提供一站式的功能安全解决方案,包括多个系列的MCU和相关软件框架。无论其特定领域的应用如何, Renesas都能提供经过TUV认证的软件套件,可为用户节省大量用于构建功能安全系统和MCU认证流程的时间。

Renesas MCU,以及各种传感器,从MEMS加速度计、环境传感器到一些可视化设备,构成了控制系统的主要组成部分。MCU的内部硬件特性与必要的软件相结合,极大地简化了用户实现功能安全合规的开发过程。经过认证的软件和解决方案已经支持Renesas MCU中的大部分RA和RX系列,符合 IEC 61508 标准,并包含证书和安全手册。这些软件模块通过了 IEC61508 第 1 至 7 部分和 IEC 61508 第 3 部分的认证,规定要使用规范的软件设计架构、验证和测试作为实现功能安全的核心部分。

随着工业自动化机器的部署越来越广泛,对功能安全的需求也越来越迫切。在自动化设备中集成功能安全是工业设备制造商成功的关键因素。

为功能安全增加人工智能:

机器学习/人工智能的演进和更高计算性能硬件的发展正在推动更高效的安全解决方案——无论是防止系统失效还是预测和减少潜在的未知风险,采用哪种人工智能模型也是工程师在设计功能安全系统时的一个关键考虑因素。

下图简要描述了一个在功能安全中集成AI的工业应用。在运行过程中,能够及时识别故障以及故障发生的位置,并提供故障发生的原因是至关重要的。人工智能/机器学习系统可以有效应对上述问题,即使在恶劣的工作环境也能胜任。Renesas基于MCU的方案,可以实现数据收集和AI/ML算法运行,以预测机器异常状态和突发事故。整套解决方案包括嵌入式硬件系统和专门的软件框架,能够针对系统运营状态提供警报,并推荐相应的纠正措施,最终提高系统安全性,并减少相应的停机时间和相关善后成本。

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AI/ML加持的产线/资产监测系统工作流程图
AI/ML加持的产线/资产监测系统工作流程图

工业领域注重产线自动化,以避免任何可能的系统故障和相关事故,这些事故通常会导致工厂停运或操作人员受伤。在设备级别结合相关的机器学习模型将使系统/操作人员能够及时采取纠正措施,进而利用功能安全设计流程来提高整体系统的可靠性、诊断性、弹性和冗余度。

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