發布時間：2023-02-27 11:14:18
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關鍵詞:三維反求技術;逆向工程;模具
中圖分類號:TP391文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2009)21-0052-02
三維反求技術在現代化的加工中應用越來越廣泛,但三維反求技術應用方面的文章卻不多,為此本文作了以下介紹。
反求技術可以在原有產品的基礎上解剖、深化設計和再創造,可有效改善技術水平,提高生產率,增強產品競爭力,是消化、吸收先進技術進而創造和開發各種新產品的重要手段。據統計,各國70%以上的技術源于國外,逆向工程作為掌握技術的一種手段,使產品研制周期縮短40%以上。研究反求技術,對我國國民經濟的發展和科學技術水平的提高,具有重要的意義。
一、三維反求技術
(一)三維反求技術的概念
三維反求技術亦稱為逆向工程 (RE,ReverseEngineering),是近年來 CAD/CAM技術領域研究的―個熱點。簡單地講,如果把傳統的從構思-設計-產品這個過程稱為正向工程的話,那么,產品模型(或實物)- CAD信息模型-CAM或快速原型件這個過程就稱為反求工程。
(二)三維反求技術得原理及工作流程
三維反求技術包括影像反求、軟件反求及實物反求等三方面。目前相對最多人研究的是實物反求技術。它是研究實物CAD模型的重建和最終產品的制造。狹義來說,三維反求技術是將實物模型數據化成設計、概念模型,并在此基礎上對產品進行分析、修改及優化等技術。
1.工作原理。三維反求技術是利用電子儀器去收集物體表面的原始數據,之后再使用軟件,計算出采集數據的空間坐標,并得到對應的顏色。掃描儀是對物體作全方位的掃描、然后整理數據、三維造型、格式轉換、輸出結果。整個操作過程,可以分為四個步驟:(1)物體數據化:普遍采用三坐標測量機或激光掃描儀來采集物體表面的空間坐標值;(2)從采集的數據中分析物體的幾何特征:依據數據的屬性,進行分割、再采用幾何特征和識別方法來分析物體的設計及加工特征;(3)物體三維模型重建:利用CAD軟件,把分割后的三維數據作表面模型的擬合,得出實物的三維模型;(4)檢驗、修正三維模型。
2.工作流程。三維反求的典型工作流程主要是對現有的實物,使用數據化的儀器,準確、快速地采集表面輪廓的空間坐標值,然后構建曲面、經CAM軟件產生CNC加工刀路,在CNC機床上把實物模型制造出來或利用快速原型制造機,把實物原型制造出來。在產品設計方面,采集的空間坐標值,可對實體三維模型,作復雜的修改或再創新。快速原型制造機可讀取STL格式的文檔,可以由云點直接轉換或在建造的曲面、實體三維模型中轉換。
二、三維反求技術的應用綜合
三維反求技術的應用十分廣泛,一些高技術含量的航空、航天工業,汽車工業都采用了此項技術于產品研發及制造。在制造工業中,采集的數據用于模具制造,產品設計、開發,例如消費性的電子產品等。
此外,反求技術配合快速原型制造技術,更能發揮快速原型技術的優勢、擴大它的應用范疇。憑借反求技術及有關的軟件,設計者可以快速制造實物,同時可以快速對實物修改、優化和創新設計,這樣便可以縮短產品設計的周期,加速新產品的出現,提高公司的競爭力。三維反求技術的應用綜合如下:
1.從概念到快速原型制造。在產品設計中,有些實物很難利用CAD軟件來建造CAD模型來表達設計概念,但有了三維反求技術后,便很快從實物轉換成設計模型。
2.快速制造模具。技術人員利用反求技術掃描實物,然后把采集得到的數據,通過專門的軟件,如Renishaw公司的Tracecut軟件,直接產生刀路,輸出到數控加工中心,制造出模具來。這種情況,在汽車的后市場(after market)及電子消費品特別普遍。汽車的原廠零部件相對較貴,所以傾向于尋找代替品,價格相對便宜的。由于市場相當龐大,所以誘發一批廠家生產這些代替品。由于沒有原廠產品技術資料,如實物的工程圖或CAD模型,他們只好利用反求技術,采集實物的三維數據,轉化成刀路,直接制造模具。另一種情況是一些停產老產品,現在有需求。由于停產多時,原始數據都沒有了,只好把現有的實物掃描、采集數據、轉成刀路來制造模具,實現再次生產。
3.美觀設計領域。例如汽車外形設計,廣泛采用真實比例的木質或泥塑模型來評估整體設計效果,此時需用逆向工程的設計方法。
4.仿制流線型、形狀復雜而且無法用人工方法準確量度的實物。航空、航天器的有些零部件流線型特別強,一般的測量儀器是絕對無法準確測量其曲面。反求技術便可以在一個面積細小表面上采集上百萬、上千萬的三維坐標數據,之后便可以通過軟件建造曲面。在一個相等面積的表面,三維坐標數據愈多,建造的曲面便愈準確。
5.產品復制、修改、設計。當實物被數據化后,技術人員便可建造CAD實體模型、曲面,這樣設計師便可以迅速在軟件上作有關的產品修改、創新的設計。
三、反求技術未來展望
隨著國際互聯網絡的普及,更容易獲取資訊,商業競爭日趨激烈,要取勝就要不斷的有新產品投放到市場,縮短生產周期是競爭一個重點策略。反求技術在時間方面發揮了它的作用,所以會廣泛應用于產品開發。在技術方面,軟件的快速開發,使數據的運算更快、掃描后數據處理更容易;圖像攝像機的發展,使采集的數據更多、更快。這樣,掃描速度便可以更快,掃描精度更高。綜上所述,反求技術將會有更大的發展空間,應用到更多的領域中。
參考文獻
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關鍵詞：數據記錄儀；閃存；采集；可編程邏輯器件
中圖分類號：TP333 文獻標志碼：A 文章編號：1009-2374（2012）04-0112-02
數據記錄儀在航空、車載、船舶等領域已經大量應用。NAND FLASH作為記錄儀中的存儲介質已經得到普遍認可，如彈載數據記錄儀、機載記錄儀、多通道測試記錄儀等。而記錄儀的數據讀取方法，目前普遍采用USB1.1或RS232等低速接口實現，如嵌入式超載監控記錄儀采用CH375 USB1.1模塊進行數據讀取，采用DSP的串口將數據傳至計算機。上述系統中，數據的記錄和讀取都合并到記錄儀中，然而讀取數據部分在系統記錄過程中是多余的，完全可將記錄和讀取獨立開，以減輕記錄系統的體積和復雜度。同時，大多系統采用低速通信接口讀取NAND FLASH中的數據，然而隨著電子技術的發展，對數據記錄儀的記錄數據量要求越來越高，USB1.1或RS232的通信速率已不能滿足實際需求。
一、方案框架
方案整體上采用USB2.0、FPGA、SRAM實現數據采集器的結構。結構框圖如圖1所示：
為了增加系統的靈活性，在FPGA中建立NIOSII 32位處理器。計算機可以同過USB2.0接口向采集器發送讀數據、擦除數據命令。采集器接收到命令后，通過NIOSII 解析命令。SRAM作為NIOSII的程序運行存儲器和FLASH數據緩沖區。
二、方案實現
（一）硬件電路設計
CY7C68013A芯片與FPGA的主要通信接口采用Slave FIFO方式，該模式已有大量論文進行過研究6,7,8。IS61LV25616芯片直接與FPGA連接。由于NAND FLASH的接口電平為3.3V，因此可以跟EP2C8Q208 FPGA芯片直接進行連接，使用過程中，采集器通過數據排線方式連接至數據記錄儀。
（二）FPGA硬件程序設計
1．FPGA與CY7C68013A接口。
FPGA與CY7C68013A接口的高速slave fifo程序模塊如圖2所示。UsbCtrl模塊實現與CY7C68013A的slave fifo接口通信，UsbFifoIn和UsbFifoOut是FPGA芯片內存儲器資源建立的FIFO存儲器，16位寬，1024深度。由于slave fifo模式在USB端是BULK模式，因此必不可少的會出現傳輸等待，所以為了保證數據連續傳輸過程中不丟失以及提高傳輸速度，系統中加入這兩個FIFO。ExtCtrl模式起到FIFO接口邏輯控制作用。該模塊提供了標準的WR、RD、DIR、WRFULL、RDEMPTY、DATA[15:0]接口。
2．FPGA與CY7C68013A接口的低速命令模塊。
FPGA與CY7C68013A的低速命令接口模塊如圖3所示。ParaCtrl模塊與CY7C68013A的PC[7:0]、PA0、PA1、PA3通信，實現傳輸計算機發送的控制命令和返回采集器的狀態信息。ParaFifoIn和ParaFifoOut為命令輸入輸出FIFO緩沖區和返回狀態信息緩沖區。UartCtrl模塊實現上述兩個FIFO的通信轉換接口，將USB的低速接口轉換成串口通信時序，方便與NIOSII連接。
3．NIOSII 的配置。
在SOPC BUILD 中對NIOSII的配置如圖4所示：
Uart_1模塊用于解析2.2.2節所述計算機命令和返回狀態。Nf_ 等8個模塊實現FLASH芯片的接口。USB_等7個模塊實現與高速USB數據傳輸模塊接口。Sram模塊控制擴展的IS61LV25616芯片。
（三）NIOSII 軟核程序設計
NIOSII軟核主程序流程圖如圖5所示。采集器接收計算機發送的串口命令，如果是0xeb5a，則讀取FLASH芯片中有效數據，并將數據通過高速USB接口將數據發送到計算機，發送完畢返回狀態信息。如果是0xbdce，則擦除整塊FLASH，擦除完畢返回狀態信息。
（四）計算機軟件
計算機軟件由兩部分構成，驅動程序和應用程序，驅動程序采用CYPRESS公司提供的驅動。應用程序用VC++編寫。程序界面如圖6所示：
三、實驗驗證
采集器硬件電路板跟板載K9K8G08U0M NAND FLASH芯片的參數記錄儀連接，NIOSII軟核程序采用NIOSII IDE 的JTAG UART在線調試，進行數據傳輸測試。讀操作命令測試如圖7所示。圖中，左邊為計算機應用程序，點擊讀取數據操作后，采集器讀取NAND FLASH完畢后，返回0x43狀態字。右邊是在NIOSII IDE在線調試中顯示的終端結果。NIOSII軟核程序開始運行后，會根據讀取FLASH的ID來檢測FLASH是否已經連接。如果連接正常，則等待計算機的操作命令。圖中顯示接收到計算機的讀FLASH命令。
四、結語
隨著參數記錄儀的普遍應用，對記錄儀數據讀取器的需求也日益廣泛。文章提出了一種全新的基于USB2.0和NIOSII的采集器設計方案。該方案提高了讀取FLASH的數據速率。該參數采集器已經在某機載參數記錄系統中得到應用。
參考文獻
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關鍵詞:嵌入式系統 數控系統 系統設計
中圖分類號:文獻標識碼:A文章編號:1007-9416(2010)05-0000-00
1引言
從20世紀70年代以來,以數控機床為代表的現代基礎機械已成為制造工業最重要的技術特征,數控機床水平的高低和機床數控化率的高低已成為衡量國家工業化水平高低的重要標志。數控系統是數控機床的大腦,是計算機技術在機械制造領域的一種典型應用,它集計算機技術、測量技術、現代機械制造技術、微電子技術、自動控制技術、信息處理技術等多項技術于一體,是近年來應用領域中發展十分迅速的一項高新技術。
隨著電子技術的飛速發展,數控系統逐漸朝嵌入式方向發展。嵌入式系統是近年發展最快的技術之一,它是以應用為中心,以計算機技術為基礎、軟硬件可裁減,適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統。本論文主要對嵌入式數控系統進行研究設計,以期從中找到可行的嵌入式數控系統控制方法,并以此和廣大同行分享。
2嵌入式數控系統總體結構設計
系統由幾個不同功能的模塊組成,模塊間通過并行I/O、高速串行協議或其他方法相互聯系。主要包括人機交互裝置、嵌入式數控操作和管理模塊、嵌入式運動控制模塊和I/O及伺服控制器等。
嵌入式數控操作和管理模塊通過I/O與人機交互裝置相連,并通過串口與運動控制模塊連接,運動控制模塊通過I/O模塊與伺服控制器和機床各開關量相連。
(l) 人機交互裝置。包括一個LCD顯示器、一個鍵盤和其他一些按鈕,完成人機交互任務,例如NC代碼的輸入/編輯顯示、手動操作以及一些機床狀態顯示等。
(2) 嵌入式數控操作和管理模塊。是數控系統的核心模塊之一,負責全部的人機交互處理,各種機床參數的設置,NC代碼的編輯、編譯、存儲和傳輸,系統監控與故障診斷,移動U盤的控制及網絡通信等。
(3) 嵌入式數控運動控制模塊。機床邏輯運動控制的核心,利用邏輯運算能力,負責送料機運行軌跡的計算、插補、反向間隙補償、信號采集、主軸及開關量控制等實時性強的運算和控制。
(4) I/O模塊與伺服控制器。FO模塊的主要任務是不同電平的轉換、隔離及功率放大等。包括3.3V到5V轉換、3.3V到24V的轉換、采用光電禍合器隔離防止干擾以及增大驅動功率等。另外還包括單路信號轉換成差分信號及差分信號轉換成單路信號電路。伺服控制器的作用在于接受來自上位控制裝置的指令信號,驅動被控對象跟隨指令脈沖運動,并保證動作的快速和準確。
3嵌入式數控系統的設計與實現
3.1 硬件設計
本論文所設計的嵌入式數控系統硬件系統結構構成原理圖如下圖所示:
(1)ARM微處理器模塊。ARM處理器是系統的控制核心,負責運行數控系統控制軟件。本系統選用SAMSUNG公司的S3C44B0X處理器。本模塊還包括時鐘電路、復位電路和實時時鐘RTC(Real Time Counter)電路。
(2)存儲器模塊。存儲器是嵌入式系統中的重要組成部分,它用于存儲程序和數據。本系統的存儲器包括EPROM、SDRAM、SRAM和NAND-Flash,其中,EPROM用于存儲系統程序;SDRAM用于存儲系統運行時的程序與數據;SRAM用于存儲突然掉電時的重要實時數據;NAND-Flash用于存儲用戶的數控加工程序。
(3)電源模塊。新型的CPU和FPGA的內核電壓一般都是2.5V或以下的,I/O電壓一般都是3.3V。所選擇的開關電源可以提供5V,±12V,24V電源,其中±12V用于主軸模擬信號模塊電路,24V用于光電隔離電路,因此,需要使用低壓差線性穩壓器產生3.3V和2.5V的電壓,供CPU、FPGA和CPLD使用。為了保證微處理器穩定而可靠地運行,還需要配置電壓監控電路。
(4)人機交互模塊。人機交互模塊包括鍵盤及指示燈模塊和液晶顯示模塊。鍵盤及指示燈模塊負責鍵盤的掃描并讀取鍵值,同時負責LED的顯示控制。液晶顯示模塊實現數控系統用戶界面。
(5)通信接口模塊。通信接口模塊包括JTAG接口、RS-232串行接口和USB接口。JTAG接口與PC通訊,實現系統運行程序的仿真調試;RS-232串行接口與PC通訊,實現NC文件的上傳與下載;USB接口實現對U盤NC文件的讀寫。
(6)D/A轉換模塊。D/A轉換模塊負責產生變頻器所需要的模擬信號,由隔離器件、D/A轉換器和集成運算放大器組成。
(7)CPLD/FPGA模塊。CPLD模塊包括CPLD、FPGA、CPLD對FPGA的配置電路。CPLD主要是用來對SRAM工藝的FPGA進行配置和加密,同時擴展數控系統的通用I/O口;FPGA主要負責精插補,產生軸運動所需的脈沖信號以及處理編碼器返回信號,同時負責處理手輪輸入和開關量的輸入輸出。
(8)輸入輸出模塊。本系統的輸入/輸出信號是通過FPGA和CPLD的邏輯控制來實現,以提高系統的工作可靠性和設計柔性。對于輸出的脈沖信號和輸入的編碼器信號采用差分輸出輸入的方式,這樣不僅提高脈沖傳輸的抗干擾能力,也增加了信號傳輸距離;而對于I/O信號則采用光電隔離的方法,進一步提高了系統的抗干擾性和可靠性。
3.2 軟件設計
該系統采用嵌入式μClinux 操作系統作為嵌入式數控系統軟件平臺,其源代碼開放、內核小,非常適合運行在嵌入式微處理器上,并且μClinux操作系統也支持TCP/ IP 協議,具有強大的網絡功能,同時該操作系統也支持多任務并發運行,可以采用多任務編程方法。這樣,數控系統的每個功能可以作為一個獨立的任務來實現,這大大地增強了系統軟件的可靠性、穩定性,也便于以后的維護和升級,同時也提供了圖形用戶接口(GUI),結合鍵盤、LCD 液晶顯示和觸摸屏模塊為用戶提供友好的人機交互界面。
(1) 調度任務的劃分。
軟件平臺設計中,采用嵌入式實時操作系統μClinux對系統多任務進行調度及管理。基于實時多任務操作系統的應用程序中,實時性取決于對任務及中斷的處理。用戶根據需要調用μClinux的任務調度函數,調度函數從就緒任務中尋找優先級最高的任務,并進行任務切換操作。μClinux把任務分為各不相同的優先級(唯一),已經準備就緒的高優先級的任務可以剝奪正在運行的低優先級對CPU的使用權,所以正確的任務劃分及優先級分配可以充分體現嵌入式實時操作系統任務調度算法的效率,從而提高整個系統的實時性能。μClinux可以支持64個任務,最多支持56個用戶任務,其余8個是系統任務。按照任務劃分原則,結合數控系統的具體要求,把應用軟件分成以下幾類任務:
① 數控系統基本功能實現任務:包括刀具的轉換、位置的測量、工件的插補運算及補充運算、加工工藝設置等等,該級別的優先級最高。
② 保護功能任務:主要是報警功能。要求盡可能快的完成。
③ 人機交互功能:鍵盤響應、顯示器顯示等。優先級最低。
(2) 軟件功能設計。
由于該嵌入式數控系統采用uClinux 操作系統管理系統的資源,相對于傳統的單片機,更類似一臺微型計算機系統,具有更強的性能和不同于傳統單片機的軟件設計方法,其軟件結構包括加載程序、uClinux內核、系統調用接口和應用程序。
加載程序負責在加電后對微處理器進行必要的硬件設置,初始化內存,并把uClinux 內核映像從Flash 中復制到內存,把控制權交給內核,使內核運行,最終使應用程序運行。uClinux內核作為應用程序控制系統硬件的接口,提供應用程序對硬件的間接訪問,在具體設計中,對微處理器中內置A/D 轉換器的操作、對鍵盤的操作以及對LCD的操作由在uClinux下編寫的設備驅動程序完成,這些驅動被編譯進uClinux 的內核。
系統任務的實現由兩個不同的進程實現:加工程序和網絡服務程序,分別用來完成數控系統的工件加工、計算的功能及網絡服務的功能。
4結語
數控系統作為現化制造業的核心技術,是衡量一個國家制造業水平的重要標志之一,受到各國的普遍重視,特別是發達國家。自20世紀80年代以來,國際上的數控技術和市場基本上被日本、德國和美國等少數公司所壟斷。考慮到我國機床數控系統當前的具體情況,研制一款擁有自主知識產權的嵌入式機床控制系統,對于提高我國中高檔數控系統的技術水平具有十分重要的意義。本文從嵌入式數控系統硬件平臺和軟件平臺的總體結構及其功能設計的角度對嵌入式數控系統進行了詳細的設計研究,對于我國嵌入式數控系統的開發與應用,是一次有益的嘗試與探索,是值得推廣和借鑒的。
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Huang Jianfeng
（廣東石油化工學院機電工程學院，茂名 525000；華南理工大學安全科學與工程研究所，廣州 510641）
（College of Mechanical & Electrical Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China；
Institute of Safety Science & Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China）
摘要： 歸納了本質安全的定義，闡述了本質安全的基本原理及國內外發展的狀況，指出了現階段本質安全相關研究中存在的問題，提出了石化企業應該從工藝過程、生產設備、作業環境、人員素質、生產管理、評價方法等六大方面實現其本質安全化。
Abstract: It summarized the definition, the principle and the domestic and overseas development of inherent safety. It found out the existing problems in the present research of inherent safety. At last, it proposed that the petrochemical enterprises should achieve inherent safety from six aspects―process engineering, production equipment, operating environment, personnel quality and manufacturing management and evaluation method.
關鍵詞： 本質安全 安全評價 石化企業 石油化工
Key words: inherent safety；safety assessment；petrochemical enterprises；petrochemical
中圖分類號：TE3文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2011）32-0026-02
0引言
傳統的危險管理方法是通過危險與人們、財產和環境之間的保護層來控制危險的。保護層包括對人員的監督、控制系統、警報及保護裝置，還有應急系統等。該方法很有效，在一定程度上改善了化學工業的安全記錄[1]。但是在危險與受到潛在影響的人、財產和環境之間設立保護層也有很多不利之處，如建設保護層的費用高昂，還有后期的操作費用、安全培訓費用及維修保養費用等。況且，保護層只是抑制了危險，并不能消除危險，有些失效的保護層甚至會導致事故的發生。因此，本質安全成為了石油化工技術新的研究熱點。
1本質安全的定義
本質安全的概念源于20世紀60年代的電氣設備防爆構造設計[2]，這種防爆技術不附加任何安全裝置，只是利用本身的結構設計，通過限制電路自身的電壓和電流來預防產生過熱、起弧或火花而引起火災或引發可燃性混氣的爆炸，它從根本上解決了危險環境下電氣設備的防爆問題，故這樣的電氣設備被稱之為本質安全型設備。1977年，英國帝國石油化學公司（ICI）的安全顧問Trevor Kletz率先提出了本質安全的概念[3]。
《職業安全衛生術語》（GB/T 15236-94）本質安全定義：“通過設計等到手段使生產設備或生產系統本身具有安全性，即使在誤操作或發生故障的情況下也不會造成事故”[4]。
《機械工業職業安全衛生管理體系試行標準》本質安全定義：“設備或生產系統本身具有安全性，即使在誤操作或發生故障的情況下也不會造成事故”[5]。
我國石化行業對本質安全的定義：指通過追求人、機、環境的和諧統一，實現系統無缺陷、管理無漏洞、設備無故障。實現本質安全型企業，要求員工素質、勞動組織、裝置設備、工藝技術、標準規范、監督管理、原材料供應等企業經營管理的各個方面和每一個環節都要為安全生產提供保障[6]。
美國化工過程安全中心（CCPS）對本質安全定義：“本質安全就是營造一種安全的環境，在這種環境下的生產過程中伴隨的物料及生產操作里存在的安全隱患都已經被減少或消除，并且這種減少或消除是永久性的”[7]。
日本對本質安全定義：“它是指操作人員在使用或操作電氣裝置和機械設備的時候，這類裝置或設備，無論從結構方面，還是從性能和強度方面均不存在危險”[8]。
筆者認為，從本質安全四大原理出發，設計可靠性高的生產工藝和設備，并建立科學的、系統的、主動的、全面的事故預防體系，使風險處于可控制、可接受的程度，就是本質安全。本質安全化就是將本質安全的內涵加以擴大，是指在一定的技術經濟條件下，生產系統具有完善的安全防護功能，系統本身具有相當可靠的質量，系統運行中同樣具有相當可靠的質量。
2本質安全的原理
本質安全裝置的實現原理可以用四個詞來概括[9，10]：最小化，替代，緩和，簡化。“最小化”指減少危險物質的使用數量，或減少危險物質在工藝過程中的使用次數；“替代”指使用安全的物質或相對安全的物質來替代原危險物質，使用相對安全的生產工藝來替代原生產工藝；“緩和”指在不能最小化或替代危險物質時，應在安全的條件下操作，例如常溫、常壓和液態；“簡化”指簡化工藝、設備、任務或操作，使設備狀況清楚避免復雜設備和信息過載，使設備有充足的間隔布局來避免碰撞效應，使不增加過量的附加安全裝置以減少錯誤發生的可能。
一套本質安全的裝置，它具有設計合理，在事故中很少或基本上不產生破壞的特點。它從根源上減少或消除危險，而不是通過附加的安全防護措施來控制危險。它通過采用沒有危險或危險性小的材料和工藝條件，將風險減小到忽略不計的安全水平，生產過程對人、環境或財產沒有危害威脅，不需要附加或程序安全措施。它通過設備、工藝、系統、工廠的設計或改進來減少或消除危險，安全功能已融入生產過程、工廠或系統的基本功能或屬性中[11]。這就是本質安全的實現原理。
3國內外發展現狀
基于本質安全的設計思想早在1870年時就出現過，但它直到100年以后才被工程師們重視[12]。1977年12月14日，Trevor Kletz在英格蘭的Widnes召開的英國化學工業協會年會上所提出的工藝和設備本質安全的概念[3]。1978年，Trevor Kletz發表了著名的文章《不存在的東西不會泄漏》[3]，為本質安全的發展指明了方向。
此后，化工過程本質安全已成為美國、芬蘭、德國等國家當前研究的熱點之一。目前，對本質安全的研究包括本質安全理論、本質安全工藝、技術及應用方法、本質安全定量化評價工具等，從最初的設備、技術的本質安全向系統、管理層面的本質安全化發展。美國、歐盟等國家和地區十分重視本質安全的研究與應用[11]，已取得一系列技術成果。在本質安全定量化評價方法方面，先后有PIIS法、INSET工具箱、ISI法、SHE法、I-Safe指數法、圖形法、ISIC法、安全危險指數法、KPIS法、PRI法等；在本質安全應用技術方面，與清潔生產、模糊邏輯理論、事故調查理論、安全連瑣系統SIS、工藝安全管理系統PSM等技術結合在一起，為構建石化企業本質安全系統提供了理論基礎。
我國本質安全研究開展的并不晚，其前身是20世紀50年代關于電子產品的可靠性研究。我國除本質安全型防爆電氣產品的開發外，近年來，煤礦、化工等行業也在積極探索本質安全技術和管理方法[13]。在學術上明確提出本質安全概念應該是在20世紀90年代，此后本質安全研究如雨后春筍，有大量學術。從文獻資料上看，主要集中在兩大方面：第一，大多數期刊論文都是圍繞本質安全的定義、以及它與傳統安全概念的區別方面展開，有少數談到了怎樣建立本質安全體系和企業的本質安全模型；第二，主要是針對煤礦企業本質安全展開研究，對煤礦企業怎樣實現本質安全和怎樣評價、考核本質安全系統有一定思路。針對石油化工行業實現本質安全的期刊較少，可見本質安全在石油化工行業的研究還有待深入。我國正處于重化工業的快速發展時期，安全生產形勢十分嚴峻，探索先進的適用的安全管理和事故預防方法顯得尤為必要。研究從根本上消除或減小危險的本質安全理論具有現實意義[11]。
4存在問題
本質安全理論的研究已經取得了一定成果，在實踐中也收到了一定成效，但還存在問題如下：
4.1 本質安全雖然在近十多年里取得了較快發展，但還有很多因素阻礙了本質安全的發展。一是本質安全的設計目的和傳統安全概念里的目的大相徑庭，前者至力于從根本上消除或減少當前工藝設備的危險，后者強調通過控制危險和運用附加裝置減少事故導致的后果。二是企業對本質安全認識不足，重視不夠，加上本質安全的標準難以衡量，一家工廠是否應用了本質安全相關標準，能否達到本質安全，沒有統一的檢驗標準和規范。目前石化企業都在強調本質安全，但都沒有一個統一的指導思想和操作方案，這使推進石化企業的本質安全化難以取得實質性的進展。
4.2 本質安全評價方法大多局限于早期設計階段，而實際中在役的大量生產設備，是事故發生的主要位置，所以研究能促進現存設備的本質安全化的評價方法，有非常重要的意義。現階段，對石化企業現有的裝置和設備展開本質安全評價，促進它的本質安全化，還沒有一套具有操作性和實踐性的理論標準。
4.3 安全是指綜合的安全，很多方法只是從工藝過程的設計、設備的運行、毒素、布局等方面考慮本質安全，卻沒有考慮人的重要作用，沒有充分意識到人、物及環境間不和諧就不能保證系統本質安全化的事實。所以有些本質安全評價方法的參數不夠全面，還有待提出一套綜合的本質安全評價方法。
4.4 相關本質安全的應用技術收到了一定效果，但專業性太強，企業普通的安全技術人員難以掌握和實施。而且，石化企業已采取了很多先進的技術來促進設備的本質安全化，如RBI技術，RCM技術，SIL技術，DNV的RAM技術（可靠性、可用性、可維護性）等，有效提高了資源的利用率和設備的可靠性，怎樣把本質安全理論與這些先進的技術有機結合起來，正是目前石化企業急需解決的問題。
5總結
本質安全方法強調從源頭上消除或減小危險，是一種先進的風險管理思想。但是，在當前科技水平下，石油化工企業真正的本質安全是無法實現的，危險源的存在是不可避免的，應用本質安全的方法只能減小危險，而無法消除系統中所有危險。而傳統的非本質安全方法強調控制危險，這對于存在各種無法消除的危險源的化工企業來說，也是一種控制危險的有效方法。因此，本文總結出一種基于本質安全的綜合風險管理模型。
構建本質安全型石化企業從六個方面進行，即工藝過程本質安全化、生產設備本質安全化、作業環境本質安全化、人員素質本質安全化、生產管理本質安全化和評價方法本質安全化。具體構想如圖1所示。
5.1 工藝過程本質安全化工藝過程本質安全是本質安全型石化企業的關鍵，可運用本質安全評價方法，從根源上找出工藝過程中可能潛在的危險，從而從消除或減小工藝過程設計時未能考慮的危險。然后結合傳統安全評價方法，找出系統中的危險源，增加安全措施，運用過程安全管理、風險管理計劃等先進管理方法，把風險控制在最低水平。
5.2 生產設備本質安全化同樣，可運用本質安全評價方法，找出裝置或設備在設計時未能消除的危險源，適當添加保護層，使設備具有較完善的防護和保護功能，以保證設備和系統能夠在規定的運轉周期內安全高效地運行。同時，對設備實施風險管理，運用RBI、RCM、RAM、SIL、故障自愈調控等技術在設備層面上降低風險，這是保證工藝、防止事故的主要手段。
5.3 作業環境本質安全化作業環境的本質安全化，即生產場所應確保職工的作業安全，在空間、氣候等創造舒適安全的環境。作業環境本質安全化，主要通過本質安全的布局設計思想、“5S”管理、清潔生產、綠色化學等手段實現。
5.4 人員素質本質安全化人員的本質安全化，要求操作者有較好的心理、生理、技術素質，以減少誤操作而導致的事故。加強本質安全化和法治教育，提高職工的安全科技文化素質，營造良好的企業安全文化，是實現人員素質安全化的根本途徑。
5.5 生產管理本質安全化使生產管理從傳統的“問題出發型”管理，逐漸轉向現代的“問題發現型”管理，運用本質安全的原理和方法進行系統分析、事故預想、風險評價，從而做到超前管理、超前預防。建立和實施全面規范化生產維護管理體系TnPM，這是其它管理體系的基礎；完善HSE管理體系，在操作層面上降低風險，這是實現生產管理本質安全化的基礎和保障。
5.6 評價方法本質安全化引入全新的風險管理思想和策略，運用本質安全評價方法，查找系統中存在的固有危險源，結合各種防范措施和先進技術，增強石化企業的抗風險能力，從而達到本質安全化。
總之，從以上六個方面努力，結合PDCA模式持續改進，切實執行風險的檢驗、監測、控制和管理就能有效實現石化企業的本質安全化。
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