先进电气技术 —— 什么是功能安全？什么是Class B?

一、背景 

功能安全之类的认证目前已成为变频器和伺服驱动器的标配认证。

变频器涉及的国际和国内认证主要包括以下几种：

国际认证：

CE认证：这是欧盟市场的强制性认证，确保产品符合欧洲对低压电器及电磁兼容性的要求。CE认证涉及对产品的安全性能和电磁兼容性进行测试和评估，只有符合标准的产品才能进入欧盟市场。

UL认证：美国安全实验室的缩写，是全球公认的权威认证机构之一。UL认证针对变频器的安全性和符合标准的技术指标进行评估，通过UL认证的产品可以在国际市场上自由贸易，提高市场竞争力。

EMC认证：确保变频器的电磁辐射和抗干扰性能符合相关标准，防止对其他电气设备产生干扰，同时防止其他电气设备对变频器产生干扰。

国内认证：

CCC认证：中国强制性产品认证制度，涉及电气产品的安全和电磁兼容性等方面。变频器作为电气产品，需要符合CCC认证的相关要求，才能在中国市场上销售和使用。

节能认证：为提高能源利用效率，一些地区可能要求变频器通过节能认证。这些认证通常涉及能源效率测试和评估，确保变频器在工作中能够有效节省能源。

质量管理体系认证：如ISO 9001认证，确保生产过程和产品质量符合国际标准。这对于提升企业的管理水平和产品质量至关重要。

需要注意的是，不同国家和地区的认证标准和要求可能有所不同，因此企业在生产和销售变频器时，需要仔细了解目标市场的认证要求，确保产品符合相关法规和标准。同时，随着技术的进步和行业的发展，认证标准和要求也可能会有所更新，企业需要关注最新的认证动态和标准变化，以便及时调整生产和销售策略。

二、Class B

需要进行IEC60730 Class B认证的产品主要包括家用电器和类似用途的电器设备。这些设备通常具有防止不安全操作的功能，以防止可能造成的伤害。例如，洗衣机的电控门锁和电机热关断机制就是典型的Class B功能，旨在防止洗衣机因操作不当或故障造成危险。

IEC60730 Class B认证的目的是确保这些电器设备符合国际电气公司的安全标准，从而保障消费者在使用过程中的安全。制造商在设计和生产这些产品时，必须按照Class B的规则和要求进行，以确保产品的安全性和可靠性。

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三、功能安全

功能安全认证是一种确保产品或系统在设计、制造和运行过程中满足功能安全要求的认证过程。它主要关注产品或系统在正常和异常操作条件下的行为，以确保其不会引发不可接受的风险。功能安全认证通常基于一系列国际标准和规范，如IEC 61508等，这些标准提供了功能安全管理和技术方面的指导。

功能安全认证涉及对安全设备开发流程的文档管理（FSM）评估、硬件可靠性计算和评估、软件评估、环境试验、EMC电磁兼容性测试等内容。认证过程旨在对产品的安全完整性等级（SIL）或性能等级（PL）进行评估和确认，从而确保产品符合相关的功能安全标准。

通过功能安全认证，产品可以证明其符合所有相关功能安全标准，提升市场影响力。同时，高安全性和稳定性的系统能够最大程度降低事故的发生概率，将事故发生后果降到最低。此外，认证过程还能帮助企业在设计和运行早期找出潜在的原则性缺陷和错误以及硬件和软件故障，从而节约改造成本，提升运营效率。

功能安全认证等级是根据安全设备或系统在设计和运行过程中所达到的功能安全要求来确定的。这种认证等级通常基于一系列国际标准和规范，如IEC 61508、IEC 61511、IEC 62061等，以确保产品能够满足预定的安全性能要求。

一般来说，功能安全认证等级可以分为几个不同的级别，如SIL（安全完整性等级）1、SIL2、SIL3和SIL4，以及PL（性能等级）的多个等级。这些等级通过每小时发生的危险失效概率来区分，如SIL2对应的是≥10-7至<10-6的危险失效概率，而SIL3对应的是≥10-8至<10-7。其中，SIL4是最高等级，通常应用于核电、铁路等高度关注安全的行业。

每个等级都对应着特定的安全要求，包括产品的设计、制造、测试和维护等方面。认证过程中，会对产品的硬件、软件、电磁兼容性等进行全面评估，以确保其满足相应等级的功能安全要求。

获得功能安全认证证书意味着产品已经达到了预定的功能安全要求，并获得了国际或国内市场的准入资格。这有助于提升产品的市场竞争力，并为用户提供更高水平的安全保障。

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四、软硬件具体实现

不能为了认证通过而完成认证流程，功能安全的本质在于确保系统或设备在正常运行和异常情况下都能保持其关键功能的安全性和可靠性。为此，软硬件在功能安全中各自扮演着重要的角色。

在硬件方面，功能安全要求主要体现在硬件设计和实现上。这包括在硬件设计中考虑功能实现电路与安全机制电路之间的电气独立性，以及冗余设计之间的物理独立性。对于复杂集成器件，特别是那些独立承担关键安全功能的器件，应选择经过第三方安全认证的型号，并确保元器件的随机失效率满足要求。此外，硬件功能安全技术还需要关注硬件的安全防护设计，以防止潜在的硬件故障或攻击对系统造成危害。

在软件方面，功能安全同样需要得到充分的重视。软件代码编写应采用防御性编程，对入参类型、边界值进行检查，以预防潜在的编程错误。在故障发生时，软件应能采用向前恢复或向后恢复技术，以最大限度地减少故障对系统的影响。此外，软件还需要对关键安全功能相关内容进行内存保护，防止内存泄漏或越界访问等问题。同时，对软件任务进行时间保护和顺序监测，确保软件在预定的时间内完成任务，并按照正确的顺序执行。

综上所述，功能安全要求软硬件在设计和实现过程中充分考虑各种潜在的安全风险，并采取相应的防护措施，以确保系统或设备在各种情况下都能保持其关键功能的安全性和可靠性。

功能安全本质上要求软件在设计和运行过程中，能够有效地预防、检测和处理各种异常情况，以确保系统的关键功能始终保持安全、可靠和稳定。具体来说，软件在功能安全中需要做到以下几点：

故障预防与容错设计：

软件应当具备高度的健壮性，能够在各种异常情况下稳定运行。这要求软件在设计时充分考虑潜在的故障模式，通过合理的架构设计和算法选择，预防故障的发生。同时，软件还应具备容错能力，当故障发生时，能够采取适当的措施，如降级运行或自动恢复，以减小故障对系统的影响。

安全监测与诊断：

软件需要对系统的关键功能和状态进行实时监测，及时发现并报告异常情况。这包括对输入数据的验证、对系统状态的持续检查以及对关键功能的性能监控。当发现异常情况时，软件应能够生成详细的诊断信息，帮助操作人员或维护人员快速定位问题并采取相应的解决措施。

安全通信与接口管理：

软件需要确保与其他系统或组件之间的通信安全，防止信息泄露或被篡改。这要求软件实现安全的通信协议，对传输的数据进行加密和验证，确保数据的完整性和保密性。同时，软件还应管理好与其他系统或组件的接口，确保接口的稳定性和安全性。

安全策略与权限管理：

软件需要实现一套完整的安全策略，对用户的访问和操作进行权限管理。这包括用户身份验证、权限分配、访问控制等功能，确保只有经过授权的用户才能访问和操作关键功能。同时，软件还应记录用户的操作行为，以便进行审计和追溯。

安全更新与维护：

软件需要支持安全更新和维护操作，以便在发现新的安全漏洞或缺陷时能够及时进行修复。这要求软件具备版本控制功能，能够方便地部署和更新软件版本。同时，软件还应提供详细的更新日志和变更说明，帮助用户了解更新内容和可能的影响。

综上所述，功能安全要求软件在设计和运行过程中，充分考虑各种潜在的安全风险，并采取相应的措施来预防、检测和处理这些风险。通过实现故障预防与容错设计、安全监测与诊断、安全通信与接口管理、安全策略与权限管理以及安全更新与维护等功能，软件能够确保系统的关键功能始终保持安全、可靠和稳定。