工業(yè)自動化、物流以及智能電網(wǎng)等很多工業(yè)領(lǐng)域都要求機械設(shè)備和產(chǎn)品具有安全性，經(jīng)過了功能安全認證。當開發(fā)必須符合全世界安全標準的機械設(shè)備時，靈活性和逐漸增高的安全成本是非常重要的決定因素。在這些應(yīng)用中，安全要求產(chǎn)生了新的機械開發(fā)過程，增加了電子設(shè)備的復雜度，一般會導致顯著增加硬件成本，延長了產(chǎn)品面市時間。工業(yè)芯片系統(tǒng)能夠幫助工程師在獲得IEC 61508產(chǎn)品認證過程中節(jié)省18個月的設(shè)計時間。具有Altera FPGA等經(jīng)過認證的器件意味著，設(shè)計人員可以充分發(fā)揮FPGA的靈活性優(yōu)勢，不用擔心這些器件能否用于安全應(yīng)用。
設(shè)計挑戰(zhàn)
如果公司計劃將產(chǎn)品銷售到需要符合當?shù)匕踩?guī)章制度的國家，這些國家要求有功能安全評估人員的認證，例如，新的機械建造規(guī)范(2006/42 /EG)，這是產(chǎn)品出口到歐洲必須滿足的要求，那么，這些公司必須在整個設(shè)計過程中采用安全方法，這樣才能參與競爭。工廠操作人員需要對機械設(shè)備進行安全操作，以提高效能，例如，在部分機械設(shè)備還在工作時對設(shè)備進行維護，顯著縮短開機和停機時間等。
當公司決定開發(fā)安全產(chǎn)品時，必須把安全作為核心系統(tǒng)功能。歷史上，通過冗余控制器或者通信模塊等其他功能，結(jié)合電路來監(jiān)視系統(tǒng)，在系統(tǒng)中增加安全功能。與從開始就針對安全和成本競爭力進行優(yōu)化的設(shè)計安全應(yīng)用相比，這些置入的安全組件是事后加入到系統(tǒng)概念中，明顯提高了成本，不夠靈活，無法更新。
開發(fā)安全應(yīng)用的設(shè)計挑戰(zhàn)包括：
? 采用“安全”設(shè)計方法以及安全概念。
? 需要更多的工程投入(時間和技術(shù))，結(jié)果產(chǎn)品推遲面市，提高了總體擁有成本。
? 工程管理，采集所有系統(tǒng)組件的數(shù)據(jù)，根據(jù)安全規(guī)范要求對工程進行記錄。
成功設(shè)計的關(guān)鍵是采用經(jīng)過驗證的設(shè)計方法，合格的工具和器件作為產(chǎn)品的一部分，從產(chǎn)品開發(fā)的一開始就考慮安全問題。
典型的應(yīng)用步驟
如果沒有想到安全問題，開發(fā)一個具體應(yīng)用的五個典型設(shè)計步驟包括：
? 體系結(jié)構(gòu)開發(fā)
? 組件選擇
? 應(yīng)用設(shè)計實現(xiàn)
? 集成和測試
? 發(fā)布
第一步是產(chǎn)品體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。對于驅(qū)動器等典型的電機控制應(yīng)用，設(shè)計步驟把系統(tǒng)分成系統(tǒng)控制、通信和實時電機控制功能等部分。例如，對于系統(tǒng)的控制部分和實時部分，體系結(jié)構(gòu)選擇軟件實現(xiàn)，對于通信部分確定使用硬件/軟件方法，以支持實時工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議。
圖1.體系結(jié)構(gòu)開發(fā)
下一步是選擇組件(圖2)。做出決定后，具體實施時，控制軟件可能運行在標準應(yīng)用處理器上，在數(shù)字信號處理器(DSP)上實現(xiàn)實時電機控制部分，而采用基于FPGA的方法實現(xiàn)系統(tǒng)中的通信部分。采用FPGA，系統(tǒng)能夠在可以互換的相同器件中靈活的實現(xiàn)各種工業(yè)以太網(wǎng)標準，例如以太網(wǎng)/IP、 EtherCat、PROFINET，或者SERCOS III等。利用靈活的通信部分體系結(jié)構(gòu)，可以定制標準硬件平臺，很容易滿足最終用戶的特殊協(xié)議需求。
圖2.組件選擇
確定如何劃分并選擇了組件后，設(shè)計團隊可以針對各自的應(yīng)用展開開發(fā)工作。然后，他們將組件集成為一個完整的系統(tǒng)，測試系統(tǒng)功能，發(fā)布產(chǎn)品。
增加安全性
如果按照產(chǎn)品要求，開發(fā)功能安全設(shè)計，則需要增強其他的工程階段，如圖3黃色部分所示。
圖3.根據(jù)安全步驟而增加的設(shè)計步驟
設(shè)計安全應(yīng)用的目的是獲得功能安全認證，例如IEC 61508等，因此，這導致工程越來越復雜。IEC 61508規(guī)范涵蓋了從開發(fā)具體應(yīng)用到產(chǎn)品退出市場的整個安全生命周期。按照安全標準的步驟和過程，則需要簡化與評估人員的通信，以確保能夠清楚的理解安全目標、概念、過程和解決方案，滿足安全要求。
工程啟動和風險分析
在工程啟動和風險分析階段，根據(jù)應(yīng)用的一般要求來確定安全范圍。對于實施階段，確定并梳理和記錄應(yīng)用所需要和能夠?qū)崿F(xiàn)的安全完整性等級(SIL)，作為風險分析和評估的基礎(chǔ)。風險分析是以后測量的基礎(chǔ)，它表明了對產(chǎn)品邊界的理解，與產(chǎn)品范圍定義密切相關(guān)。它是所需SIL的基礎(chǔ)，詳細定義了安全功能，以及產(chǎn)品文檔框架。這需要在組件級以及系統(tǒng)級完成。
體系結(jié)構(gòu)開發(fā)
然后，設(shè)計人員開發(fā)體系結(jié)構(gòu)來滿足功能和安全要求。他們對安全要求進行提煉，記錄在操作和維護階段實現(xiàn)的某些功能，確定驗證能否滿足安全要求而需要采取的策略。
安全要求規(guī)范
對于安全驅(qū)動，工程范圍可能包括幾個方面，例如，確定驅(qū)動參數(shù)是否在允許的范圍內(nèi)，或者，安全I/O信號是否是關(guān)鍵事件等。驅(qū)動最基本的安全特性是“安全關(guān)閉”(STO)，以安全方式斷開電機電源。這一過程還可能包括與出現(xiàn)安全事件的整個自動化系統(tǒng)進行通信，必須在一定的時間周期內(nèi)進行評估，例如，按照一系列步驟順序關(guān)斷整個應(yīng)用。
驗證和認證規(guī)劃
驗證規(guī)劃的開發(fā)包括受控失敗插入方法，以測試系統(tǒng)，進行其他的監(jiān)控，觀察系統(tǒng)，對比當前參數(shù)和預先確定的參數(shù)，以及允許值。
組件選擇，組件，IP和工具資格
典型的工程都有組件選擇步驟，但是設(shè)計人員應(yīng)確保組件和IP功能適合安全應(yīng)用。重要的是考慮殘留錯誤概率，這是計算產(chǎn)品全部失敗概率(FIT)以及最終SIL的基礎(chǔ)。可以通過收集廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品的器件和設(shè)計工具數(shù)據(jù)來實現(xiàn)這一點，這樣，不會出現(xiàn)系統(tǒng)錯誤，能夠可靠使用(例如，對于IP)，還可以通過使用處理器或者FPGA等半導體產(chǎn)品錯誤概率報告以及可靠性信息來實現(xiàn)它。
