工业控制软件功能安全的实现方法和评估
工业软件测试验证方法与质量控制体系建设
工业软件测试验证方法与质量控制体系建设工业软件的测试验证方法和质量控制体系建设对于保障软件质量、提高生产效率和降低生产成本具有重要意义。
本文将从软件测试的重要性、测试验证方法以及质量控制体系建设三个方面来探讨工业软件的质量保障措施。
一、软件测试的重要性在工业生产中，软件已经成为各个行业的重要组成部分。
工业软件的质量问题可能导致严重的后果，如生产事故、数据泄露等，因此质量保障成了不可忽视的环节。
软件测试是确保软件功能和性能符合预期的重要手段，通过测试可以发现和纠正软件中的问题，提高软件的可靠性和稳定性。
二、测试验证方法1. 功能测试功能测试是对软件的各个功能点进行测试，确保软件在各种正常和异常情况下都能正常工作。
通过提前设计测试用例，验证软件的各项功能是否符合需求。
对于工业软件来说，功能测试非常重要，因为软件的功能是否满足生产要求直接关系到生产的质量和效率。
在功能测试中，可采用黑盒测试和白盒测试相结合的方式。
2. 性能测试性能测试是测试软件在各种负载条件下的性能表现，如响应时间、并发访问量、吞吐量等。
通过性能测试，可以评估软件的稳定性和可扩展性，发现并解决潜在的性能问题。
对于工业软件来说，性能测试尤为重要，因为工业生产对软件的响应速度和处理能力有较高的要求。
3. 安全测试安全测试是对软件系统进行全面的安全风险评估和测试。
工业软件涉及的数据量庞大且重要性高，一旦出现数据泄露或者被黑客攻击，会对企业和生产带来巨大危害。
因此，在工业软件测试中要注重安全性方面的测试，确保软件的安全性和可靠性。
三、质量控制体系建设除了测试验证方法外，建立完善的质量控制体系也是确保工业软件质量的关键。
质量控制体系包括质量管理制度、质量控制标准和质量控制流程等。
其中，质量管理制度是指建立质量管理责任和权利的制度，明确各个环节的职责和义务。
质量控制标准是指确定合理的软件质量要求和评估指标，对软件进行定期和不定期的检查和评估。
质量控制流程是指规范软件开发和测试各个环节的操作流程，确保流程的规范和连贯性。
控制系统的软件开发与测试技术
控制系统的软件开发与测试技术控制系统的软件开发与测试技术在现代工业领域中起着重要的作用。
随着技术的发展，控制系统不再只是单纯的硬件设备，而越来越多地依赖于软件来实现其功能。
本文将探讨控制系统软件开发与测试的相关技术和方法。
一、控制系统软件开发技术1. 需求分析与规划在开发控制系统软件之前，需进行充分的需求分析与规划。
这阶段是为了确保软件开发符合实际需求，避免后期再次更改带来的额外成本和风险。
2. 设计与架构软件设计与架构是控制系统软件开发的关键环节。
在设计过程中，需要考虑系统的功能需求、性能需求、安全需求等因素，并且综合考虑模块化设计、面向对象设计等方法，确保软件的可扩展性和可重用性。
3. 编码与测试在编码过程中，要根据设计文档，按照编程规范进行程序编写。
为了保证软件质量，必须进行充分的软件测试。
测试过程中需要覆盖各种测试类型，如单元测试、集成测试、系统测试等，以确保软件的正确性和稳定性。
4. 集成与部署在集成与部署阶段，需要将各个子系统或模块进行整合，确保它们协同工作。
同时，对软件进行部署，将其安装到实际的硬件平台上，并进行全面的功能和性能测试。
5. 维护与升级控制系统是一个长期运行的系统，软件的维护和升级是必不可少的。
维护包括故障诊断、问题修复和性能优化等，升级主要是为了引入新功能、改进用户体验和提高系统的可靠性。
二、控制系统软件测试技术1. 静态测试静态测试主要是对源代码进行分析，不需要执行程序。
这种测试方法可以帮助开发人员发现潜在问题和代码中的错误，包括语法错误、逻辑错误等。
常见的静态测试方法有代码走查、代码审查和代码静态分析等。
2. 动态测试动态测试是在程序执行过程中，通过输入一组测试数据，来评估程序的性能和正确性。
常见的动态测试方法有单元测试、集成测试、系统测试和验收测试等。
这些测试方法可以帮助发现功能缺陷、性能问题和安全漏洞等。
3. 自动化测试自动化测试可以提高测试效率和减少人工成本。
控制系统性能评估
控制系统性能评估控制系统性能评估是指对一个控制系统的性能进行全面综合评价的过程。
通过对系统的各种指标进行定量分析和比较，可以评估系统的优劣，并对系统进行优化和改进。
控制系统性能评估在各个领域都有广泛的应用，尤其在工业自动化、航空航天、电力系统等领域起着重要的作用。
一、控制系统性能评估的重要性控制系统在实际应用中的性能评估非常重要，它直接关系到系统的可靠性、稳定性、精确性等方面。
一个性能优良的控制系统能够提高工作效率、降低资源消耗，并提供更好的用户体验。
因此，控制系统性能评估具有以下几个重要的方面：1. 优化系统设计：通过评估系统性能，可以及时发现系统中存在的问题，从而进行系统设计的优化和改进。
例如，在工业自动化中，如果评估发现系统的响应时间过长或稳定性差，就可以调整控制参数或更换控制策略，以提高系统的性能。
2. 可行性研究：在控制系统的设计和开发阶段，进行性能评估可以帮助工程师判断系统的可行性。
如果评估结果显示系统无法达到设计要求，就需要重新考虑系统的结构和功能需求，以确保系统能够在实际应用中正常运行。
3. 比较不同系统：通过对不同系统性能的评估，可以帮助用户选择最适合自己需求的系统。
例如，在航空航天领域，对于不同的飞行器控制系统，可以通过评估其性能指标来选择最佳的控制系统，以保证飞行器的安全和稳定。
二、控制系统性能评估的指标控制系统性能评估的指标取决于具体的应用领域和系统需求。
以下列举一些常见的性能指标：1. 响应时间：指系统对输入信号的快速响应能力。
响应时间越短，说明系统对外界变化的处理速度越快，适合对变化要求较高的应用。
2. 稳定性：指系统在输入变化时的稳定性能。
稳定性好的系统能够快速达到稳定状态，并保持在稳定状态下工作。
3. 精确度：指系统输出与期望值的偏差大小。
精确度高的系统能够准确地控制输出，并保持在可接受范围内。
4. 鲁棒性：指系统在外部干扰或参数变化时的稳定性能。
鲁棒性好的系统能够抵抗干扰，保持稳定工作。
工业自动化控制系统验收方案
工业自动化控制系统验收方案一、背景介绍工业自动化控制系统是现代工业生产过程中十分关键的组成部分，也是保障生产安全和提高生产效率的重要手段。
为了确保工业自动化控制系统的可靠性和稳定性，在安装和调试后，需要进行验收以确认其满足技术要求和设计规范。
本文将介绍一个工业自动化控制系统的验收方案。
二、验收目的工业自动化控制系统的验收旨在验证系统的功能、性能和安全性，确保系统能够按照预定要求正常运行。
具体来说，验收方案应包括以下几个主要目标：1. 验证控制系统的硬件和软件功能是否符合技术要求和设计要求；2. 验证控制系统的性能指标是否满足要求，如控制精度、响应速度等；3. 检查系统是否具备足够的安全措施和应急预案，确保操作人员安全；4. 验证系统是否具有良好的可操作性和易维护性，方便后续运维工作。
三、验收内容1. 硬件功能验收硬件功能验收主要针对控制系统的硬件设备。
具体包括以下几个方面：（1）检查各个硬件设备的型号、规格和数量是否与设计文件一致；（2）检查各个硬件设备的接线是否正确、稳固；（3）检查各个硬件设备的电源和接地是否符合要求；（4）对硬件设备进行开机自检，确保设备能够正常启动和运行。
2. 软件功能验收软件功能验收主要针对控制系统的软件部分。
具体包括以下几个方面：（1）验证软件是否按照设计要求进行开发和调试；（2）检查软件是否具有良好的人机界面，操作方便；（3）验证软件是否能够正确地传递和处理传感器和执行器的信号；（4）验证软件是否能够正确地进行控制算法运算并输出控制指令。
3. 性能指标验收性能指标验收主要针对控制系统的性能指标进行验证。
具体包括以下几个方面：（1）验证控制系统的控制精度是否满足要求，可以通过设置不同的工作条件进行测试；（2）测试控制系统的响应时间，可以通过对不同输入信号进行测试并记录响应时间；（3）验证控制系统的稳定性，可以通过长时间运行并监测系统的输出结果来评估。
四、验收评估标准为了对工业自动化控制系统进行评估，需要制定一套相应的评估标准。
自动控制系统的安全性与可靠性分析
自动控制系统的安全性与可靠性分析自动控制系统在现代工业领域中起着至关重要的作用。
它们用于监测和控制各种工业过程，以确保生产的高效性和稳定性。
然而，由于其复杂性和高度依赖性，自动控制系统的安全性和可靠性成为重要的研究领域。
本文将对自动控制系统的安全性和可靠性进行详细的分析。
一、安全性分析在自动控制系统中，安全性是至关重要的。
任何系统中的安全漏洞都可能导致严重的事故或故障。
因此，对于自动控制系统的安全性进行全面的分析和评估是非常必要的。
1.风险评估首先，我们需要进行风险评估，即确定系统中可能出现的各种风险和潜在的威胁。
这可以通过对系统的功能、设计和操作过程进行全面的审查来完成。
通过识别潜在的风险，我们可以采取相应的措施来减少事故的发生概率。
2.系统安全性设计基于风险评估结果，我们可以进行系统安全性设计。
这包括使用合适的技术和策略来确保系统的完整性和可靠性。
例如，采用数据加密技术来保护系统的敏感信息，使用身份认证和访问控制来限制对系统的非授权访问等。
3.应急预案与培训除了系统安全性设计，制定应急预案也非常重要。
在系统发生故障或事故时，应急预案可以帮助我们迅速采取措施以最小化损失。
同时，为系统操作员和维护人员提供培训以增强其对系统安全性的认识和应对能力。
二、可靠性分析除了安全性，自动控制系统的可靠性也是一个关键的参数。
可靠性表示系统在规定的时间内，以规定的准确度和可用性来执行其功能或任务的能力。
1.可靠性评估可靠性评估是判断系统性能和可靠性的主要方法之一。
通过对系统的各个组件和子系统进行评估，我们可以确定系统在给定条件下的可靠性水平。
这涉及到对系统的故障率、失效模式分析、故障诊断和纠正等方面的研究。
2.容错设计为增强自动控制系统的可靠性，容错设计是一个常用的策略。
容错设计可以使系统在故障情况下保持部分功能，并能够进行相应的故障诊断和修复。
例如，使用冗余组件来代替可能发生故障的组件，以确保系统的连续运行。
功能安全的危害分析和风险评估方法
10.16638/ki.1671-7988.2019.15.033功能安全的危害分析和风险评估方法楼志江（比亚迪汽车工业有限公司，广东深圳518118）摘要：在功能安全开发过程中，关键指标ASIL存在定义过于抽象、评估指标过于主观的问题，因此，很多功能安全工程师无法得出有效的ASIL评级结果。
文章通过数学分析，为功能安全工程师了解释了ASIL的物理意义，同时针对ASIL的定级问题提出了九条建议措施。
工作成果对ASIL的评估工作就有一定的指导意义，功能安全工程师们在实际开发过程中可以酌情参考采纳。
关键词：功能安全；ASIL中图分类号：U461.91 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2019)15-90-02Hazard Analysis and Risk Assessment of Function Safety DevelopmentLou Zhijiang（BYD Automobile Industry CO., Ltd., Guangdong Shenzhen 518118）Abstract: As the key index in function safety development, ASIL has an obscure definition and its classification rules are too subjective for engineers. Therefore, most functional safety engineers are unable to obtain effective ASIL classification result. Through mathematical analysis, this paper explains the physical meaning of ASIL for functional safety engineers, and then puts forward nine reference rules for ASIL classification. This paper has certain guiding significance for ASIL classification, and hence functional safety engineers can refer to these rules as appropriate.Keywords: Functional safety; ASILCLC NO.: U461.91 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2019)15-90-02引言所谓功能安全，即是通过分析和设计，将系统电子元器件失效引起的安全风险降低到社会接受的水平。
工业自动化中的自动化软件测试与系统验证
06 结论
CHAPTER
研究成果总结
自动化软件测试在工业自动化中具有重要作用 ，能够提高软件质量和可靠性，降低维护成本 ，缩短开发周期。
系统验证是确保工业自动化系统正常运行的关 键环节，通过测试和验证，可以及时发现和修 复系统中的缺陷和错误。
自动化软件测试和系统验证技术的发展，为工 业自动化提供了更加高效、可靠的测试手段， 有助于推动工业自动化的进一步发展。
软件测试与系统验证的重要性
自动化软件测试与系统验证是确保自动化软件质量和稳定性 的重要手段，对于提高工业生产效率和安全性具有重要意义 。
目的与意义
01 02
保障工业生产的安全与稳定
通过自动化软件测试与系统验证，可以及时发现和修复软件中的缺陷和 漏洞，降低因软件故障导致的生产事故风险，保障工业生产的安全与稳 定。
结果分析和评估
对测试结果进行分析和评估，提出改 进意见和建议，为产品发布提供依据 。
03 系统验证在工业自动化中的应用
CHAPTER
系统验证的概念
系统验证是指对工业自动化系统进行 全面的测试和评估，确保系统符合设 计要求、性能指标以及安全标准的过 程。
它涵盖了硬件、软件、网络、安全等 多个方面，确保系统在实际运行中能 够稳定、可靠地完成预定的任务。
工业自动化中的自动化软件测 试与系统验证
目录
CONTENTS
• 引言 • 工业自动化软件测试基础 • 系统验证在工业自动化中的应用 • 自动化软件测试与系统验证的结合 • 案例分析 • 结论
01 引言
CHAPTER
背景介绍
工业自动化技术的快速发展
随着工业自动化技术的不断进步，自动化软件在工业控制系 统中的应用越来越广泛，对自动化软件的质量和稳定性要求 也越来越高。
核电厂软件关键性分析方法
核电厂软件关键性分析方法核电厂是一种高风险工业，在运行过程中需要依靠各种软件系统来控制和管理整个操作过程。
对于这些软件系统的关键性分析非常重要，以确保核电厂的安全和可靠运行。
下面将介绍几种常用的核电厂软件关键性分析方法。
FMEA是一种常用的风险分析方法，通过识别软件系统的潜在故障模式和它们可能产生的影响，评估软件系统的关键性风险。
在进行FMEA时，需要明确软件系统的功能和性能指标，识别可能引起故障的原因和故障模式，并评估每种故障模式的影响程度和频率。
通过对影响和频率进行定量评估，可以确定关键性风险较高的故障模式，有针对性地提出改进措施，从而提高软件系统的可靠性。
2.误差人因分析（Human Error Probability，HEP）核电厂软件系统的稳定性和可靠性不仅取决于技术的完善，还取决于操作人员的准确性和可靠性。
误差人因分析方法通过分析操作人员在使用软件系统时可能出现的错误和失误，以及这些错误和失误对系统功能和性能的影响，评估操作人员的关键性风险。
在进行误差人因分析时，需要考虑操作人员的经验和培训程度、操作环境的复杂性和压力等因素。
通过定量评估操作人员的关键性风险，可以制定相应的培训计划和操作规程，减少人为错误带来的风险。
3.软件可靠性分析（Software Reliability Analysis，SRA）软件可靠性对于核电厂的安全和可靠运行至关重要。
软件可靠性分析方法通过统计数据和概率模型，评估软件系统在一段时间内无故障运行的概率，以及软件故障对系统功能和性能的影响。
在进行软件可靠性分析时，需要收集软件系统的故障数据和运行数据，构建可靠性增长模型和故障模型，并基于统计方法进行可靠性分析。
通过分析软件系统的可靠性，可以识别关键性风险，改进软件开发和测试过程，提高软件系统的可靠性。
FMECA是在FMEA基础上引入失效模式和效用评估的改进方法。
在进行FMECA时，不仅评估故障模式的频率和影响程度，还评估故障模式的严重程度。
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第47卷 第1期2011年2月石 油 化 工 自 动 化AUT OMATION IN PETRO -CH EMICAL INDUSTRYVol.47,No.1February,2011收稿日期:20101213。
作者简介:彭 瑜(1938 ),男,1960年毕业于清华大学动力系,上海工业自动化仪表研究所教授级高级工程师,长期从事工业过程控制系统的研究开发工作,自1996年后,研究开发方向集中在现场总线、工业以太网、M ES ,以及无线短程网的开发和工业应用,1993年起获得国务院特殊津贴,中国自动化学会理事,中国自动化学会仪表和装置专业委员会常务委员,上海市自动化学会荣誉理事,中国仪器仪表学会专家委员会委员,PLCopen 国际组织中国委员会主席。
工业控制软件功能安全的实现方法和评估彭 瑜(上海工业自动化研究院智能仪表与系统研究所,上海 200233)摘要:从趋势上讲,软件和人为因素导致控制系统失效、事故和停机的比例越来越高。
这源于现在对软件的依赖越来越高,软件也变得越来越复杂,以至于难以在软件的开发过程中有效地控制软件质量、软件的信息安全和软件的功能安全。
从介绍控制系统功能安全和安全完整性的基本概念入手,阐述工业控制软件功能安全的概念、安全完整性等级和实现工业控制软件功能安全的流程及方法,包括对编程语言和实时操作系统的要求和选择。
还用相当篇幅讨论工业控制软件功能安全的验证和确认的基本方法,指出在软件生命周期的各个阶段都要由第三方进行软件功能安全的验证,为保证最终软件产品的性能,在阶段性验证的基础上最终通过确认来确定它是否满足系统的所有要求。
关键词:工业控制软件的功能安全;软件功能安全的认证和确认;全可变语言;有限可变语言中图分类号:T P273 文献标志码:A 文章编号:10077324(2011)01000107The Implementation Methods and Evaluation forthe Functional Safety of Industrial Control SoftwarePeng Yu(T he Shanghai Industry Autom ation Resear ch Academy,Intelligent Instr um ent and Sy stem Research Institute,Shang hai,200233,China)Abstract:By trending ,the pr opo rtio n of failures,faults and shutdo w n of control sy stem s,caused by so ftw are and artificial factors,has become higher and hig her.T hat is originated fro m w hich there are mo re and m ore dependent on softw ar e and softw are is becomeing mo re and more complex so that it is har d effectively to handle the quality,security and functional safety of so ftw ar e during softw are development course.It starts w ith introducing the fundam entation process and m ethods of functional safety of industrial contr ol so ftw are and im plementation metho ds,including the r equirements and selection of pr ogram ming languag es and r eal -time oper ating system.It is addressed to discuss verification and validation for functio nal safety o f industrial control softw are in detail.Furthermore it is pointed out that verificatio n o f softw are s functio nal safety should be made by the third party in every phase o f so ftw are lifetime and verification in order to guarantee the perform ance of final softw are products.Keywords:functional safety of industrial contro l softw are;v er ification and v alidation for functional safety of softw are;full variability language;lim ited variability language 1 控制系统功能安全的基本概念安全系统从关键性区分可分为以下几个层次:a)安全关键(safety -critical)系统:单个缺陷或失效会造成危险的故障,如核电站原子反应堆的停堆系统,高速轨道交通的安全停车系统。
b)安全相关(safety -r elevant)系统:单个缺陷或失效与第二个缺陷或失效会造成危险的故障,如石化行业的安全仪表系统。
c)非安全相关(interference -free)系统:即使多个缺陷或失效也不致造成危险的故障。
显而易见,对安全要求最高的安全关键系统,必然为实现其安全要求而耗时最多、成本最高,认证的过程和程序最复杂。
对安全要求相对较低的安全相关系统,以及对安全要求更低的非安全相关系统,相应在时间、成本和认证等方面的耗费会逐级递减。
在IEC61508的标准中,对石化和化工行业广泛应用的安全相关系统有着严格的定义和要求:必须在受控装置(EUC)临近风险或危险状态情况下,能执行所要求的安全功能,使EUC达到或保持安全状态;依靠安全相关系统本身,或与其他E/ E/PE安全相关系统、其他技术的安全相关系统或外部风险降低设施共同作用,达到所要求的安全功能必须的安全完整性。
这将明确规定安全相关系统在工厂预防和减灾中的作用如下。
a)由安全相关系统与外部风险降低设施共同作用,使受控设备达到必要的风险降低量,以满足所要求的允许风险。
b)安全相关系统在接受命令时,采取适当的顺序动作防止EUC进入危险状态。
一旦安全相关系统失效,也属于导致危险或危害的事件。
c)即使还有其他的具备安全功能的系统,但所指定的安全相关系统仅靠其本身的能力(而非其他系统)就能达到所要求的允许风险。
d)安全相关系统一般分为安全控制系统和安全防护系统,并且具有两种操作模式。
从安全相关系统的构成来看,它可以是EU C 控制系统的一个组成部分,也可通过传感器和/或执行器与EU C有接口,即可通过实现EU C控制系统中的安全功能(也可能通过分开的和独立的附加系统)达到要求的安全完整性等级,或者利用分离的、独立、专门的安全相关系统实现安全功能。
人也可作为安全相关系统的一部分,例如,人可以接收来自可编程电子装置的信息,并通过该装置按接收信息要求执行安全动作。
安全相关系统包括执行安全功能所需的全部硬件、软件以及支持服务(如电源、传感器和其他输入装置、执行器和其他输出装置)。
2 安全完整性等级安全完整性是指在规定的条件下和规定的时间内,安全相关系统成功地实现所要求的安全功能的概率。
众所周知,控制系统由构成其系统的各种硬件(控制系统装置、现场仪表、通信网络等)以及执行控制要求和功能的软件综合而成,因此控制系统的安全完整性由硬件的安全完整性和系统的安全完整性组成。
硬件安全完整性是在危险失效模式中对应于安全相关系统安全完整性的硬件随机失效的那一部分,一般可以通过所要求的硬件安全功能失效率予以量化;而系统安全完整性则是指在危险失效模式中对应于安全相关系统安全完整性的系统失效的部分(包括软件失效)。
控制失效与避免失效涉及设计、操作模式等诸多环节。
显然,硬件随机失效和系统失效的机制不同,控制失效的方法也不同,如图1所示。
图1 控制系统失效机理在安全相关系统中,安全完整性的要求用4个离散的等级予以划分,即SIL4,SIL3,SIL2和SIL1。
安全完整性等级越高的安全相关系统,其执行所要求的安全功能的概率也越高。
根据安全相关系统的使用方式、所要求发生的频率,可分为低要求操作模式和高要求(或连续)操作模式。
低要求操作模式对应于每年发生风险的次数多于或等于1次的安全相关系统;高要求(或连续)操作模式对应于每年发生风险的次数少于1次的安全相关系统。
表1是IEC615081/GB/T20438规定的低要求操作模式下的安全完整性的目标失效概率和目标风险降低因子;表2是高要求(或连续)操作模式的安全完整性的目标失效概率。
SIL3被认为是单个可编程系统中可达到的风险降低的最高等级。
要达到SIL4,必须采用多重冗余的可编程系统。
表1 低要求操作模式下的安全完整性的目标平均失效概率和目标风险降低因子SIL目标平均失效概率目标风险降低因子4 10-5~<10-4>10000~ 1000003 10-4~<10-3>1000~ 100002 10-3~<10-2>100~ 10001 10-2~<10-1>10~ 1002石油化工自动化第47卷表2 高要求(或连续)操作模式的安全完整性的目标平均失效概率SI L目标平均失效概率平均发生1次失效的年数4 10-9~<10-811400~1140003 10-8~<10-71140~114002 10-7~<10-6114~11401 10-6~<10-511.4~1143 软件的可靠性难以精确量化a)软件不受物理故障的影响。
随着硬件元器件的可靠性越来越高及冗余技术的使用,安全问题的矛盾主要集中到了软件,以至于大多数的系统失效源自软件。
失效常常由于一些非明显的事件组合造成,而不是由于机械应力超过一定程度造成。
而这些非明显因素往往事先没有估计到。
b)设计的缺陷导致软件的故障。
软件是由人来设计的,软件的设计不可能面面俱到,总有些因素在设计时没有考虑到。