前言

制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。机械制造业是制造业的核心，其技术发展水平决定了一个国家国民经济相关产业的产品质量、效益和市场竞争力的高低。机械制造技术也是传统产业实现产业升级的基础和根本手段。

进入21世纪以来，机械制造技术向自动化、柔性化、集成化、智能化、精密化和清洁化方向发展。自动化、智能化装备在发达国家取得了较快的发展，日本和德国凭借先发优势和技术积淀在机械/工业机器人领域具备优势，占据了较大的市场份额。

控制系统是整个机械制造装备或系统的“大脑”。控制系统的主要任务是对机械臂的正向运动学、逆向运动学求解，以实现操作空间坐标和关节空间坐标的相互转换，完成轨迹规划任务，实现高速伺服插补运算、伺服运动控制。机械控制系统由硬件和软件组成，系统的开发涉及较多的核心技术，包括硬件设计、底层软件技术、上层功能应用软件技术等。

如今，为实现系统间的协同和信息共享，机械制造装备已逐渐打破了封闭性，采用标准、通用的通信协议及硬/软件系统，甚至有的厂商已让自动化装备成为公共联网装备，从独立个体向互联网发展。目前很多机械制造装备已联网，这些联网的装备通过远程服务监控，提供装备维护、诊断和排故服务，并收集数据作为产品性能的改善提升依据。

由于机械制造领域现有的自动化装备网关、控制节点等部件的计算和存储能力有限，因此安全防范能力非常脆弱，机械制造装备经常与工人混线作业，存在重大安全隐患，特别是具备自主学习功能的人机协作及自主化装备，或者系统从与人保持距离作业向与人并肩协同作业发展，如何避免“机器伤人”甚至“杀人”事故、降低功能安全风险成为研究热点。随着控制系统的智能化发展，控制软件在设计上引入预测控制、约束控制等先进控制策略，在装备工作过程中引入自适应控制、学习控制等策略，在控制流程上引入专家系统、自动检测及自动补偿功能等应用。由于应用的比例不断增加，由软件缺陷导致的系统故障日益增多。目前面向机械制造领域的控制软件工程化水平较低，质量控制手段不足，自测试技术缺乏，因此由软件导致的功能安全问题数量呈上升趋势。

综上所述，加强对机械制造装备或系统软件功能安全技术的研究和开发，可以有效提高我国制造领域安全防护和管理水平，提高对整个系统、重大危险源和事故隐患的监控水平，降低系统及重要危险源、事故隐患点的风险，大幅减少经济损失和事故伤亡，实现用技术创造安全环境。

在国外，尤其是在欧洲，学者们经过20多年的探索，论证了以安全完整性等级和全生命周期安全管理为特色的功能安全，它是解决和提高电气、电子和可编程电子控制系统或装置功能安全保障的有效技术和管理模式。2000年，国际电工委员会（IEC）发布了功能安全基础标准IEC 61508《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》，解决了困扰业界多年的复杂系统功能安全保障的理论与实践问题。随后，不同应用领域的功能安全标准陆续出台。制造装备控制系统相关的功能安全标准IEC 62061《机械安全安全相关电气、电子和可编程电子控制系统的功能安全》于2005年发布，并于2012年进行了修订，提出了机械领域控制系统的安全分析和风险评价的概念及安全设计和防护措施。国外众多机械/工业机器人企业，如ABB、KUKA、Universal Robots、三菱电机等，依据标准竞相推出了安全部件和安全解决方案。在国家层面，我国的国家发展改革委、工业和信息化部等主管部委也通过设立专项基金，资助国内科研院所、企业的制造装备安全技术研究及安全产品研发、产业化。在此背景下，国内的机械/工业机器人安全研究及产品研发形成了良好的发展趋势。

IEC 62061是开展机械领域安全相关控制系统产品研制、测评和认证的重要依据。该标准阐述了IEC 61508在机械领域的具体应用，完善了在发生重大机器危险情况下执行安全相关电气控制系统的规范。我国也在2012年引进了IEC 62061标准，并将其转化为国家标准GB28526—2012。无特殊说明时，本书所提标准即IEC 62061和GB28526—2012。

标准提供了一些方法和要求，包括：指定由安全相关电气控制系统（Safety Related Electrical Control System，SRECS）执行的符合各安全相关控制功能要求的安全完整性等级；使SRECS设计适合指定的安全相关控制功能；设计的集成安全相关子系统符合ISO13849标准要求；确认SRECS。

然而，由于IEC 62061标准的制定主要基于欧美等发达国家机械领域控制系统的功能安全实践经验，和我国相比，无论是在系统功能安全理论、工程实践方面，还是在人才储备等方面，均存在较大差异。而且，为了能够适应不同应用方向的控制系统研发项目，标准的绝大多数要求看上去都过于笼统或应用可行性差，导致读者在翻阅、参考标准时不清楚具体如何实施。尤其是在软件方面，不像硬件要求、硬件失效那样直观、可量化，功能安全部分阐述得简单，可参考性不强，因此该标准软件部分的安全风险评估、安全计划制订、安全性保障措施实施等，不能成为国内可行的软件功能安全实践指导。

本书结合编者在国内外机械/工业机器人、数字控制系统研究项目中的研发、测试评估、标准制定等方面的经验，阐述对IEC 62061标准，特别是该标准软件部分的理解。希望通过这些解读，揭示隐藏在标准字面下的实际要求及具体实施过程，帮助工业部门及制造装备研发企业理解软件安全生命周期过程中各项目标、活动和数据要求的真正含义，从而推动技术的正确应用，间接促进机械行业产品，尤其是机械/工业机器人产品的软件质量提升，助力制造业发展。

本书共8章。

第1章，主要介绍标准诞生的背景、基础等。

第2章，重点讲解控制系统的软件功能安全管理，通过对标准中软件功能安全管理相关条款的分析，阐述作者基于实践对软件功能安全管理的理解。

第3～7章，对标准在机械控制系统软件安全风险评估、设计与整合、软件确认与修改、软件设计与开发等方面提出的要求进行分析，并提供可行性方案。

第8章，结合作者的心得体会，给出符合标准要求的研发实例。

本书的附录部分提供了术语和定义，以方便读者参考。

本书是工业和信息化部电子第五研究所技术人员业务工作和学术研究的结晶。本书第1章、第3章、附录A由吴蕾编写，其中，蹇彪参与了附录A示例内容的编写；第2章、第6章、第7章、第8章由陈彦彰编写，其中，谷艾参与了第8章案例内容的编写；第4章、第5章由谢浪雄编写；杨春晖负责整本书的架构搭建、案例选取以及标准解读工作。感谢电子工业出版社的牛平月编辑，她为本书的出版做了大量的工作并提出了宝贵的建议。

由于时间仓促，加之编者水平有限，书中难免存在疏漏和错误，欢迎广大读者提出宝贵意见。

编者