2025年机械电子系统安全设计竞赛试卷及答案

2025年机械电子系统安全设计竞赛试卷及答案考试时长：120分钟满分：100分考核对象：机械电子工程及相关专业学生、行业从业者题型分值分布：-判断题（10题，每题2分）总分20分-单选题（10题，每题2分）总分20分-多选题（10题，每题2分）总分20分-案例分析（3题，每题6分）总分18分-论述题（2题，每题11分）总分22分总分：100分---一、判断题（每题2分，共20分）1.机械电子系统的安全设计应仅考虑静态风险，动态风险无需重点关注。2.ISO13849-1标准适用于所有机械安全防护装置的设计。3.安全PLC（SafetyPLC）的响应时间必须小于10ms才能满足大多数安全要求。4.机械电子系统的安全等级（SafetyIntegrityLevel,SIL）越高，系统成本必然越高。5.梯形图（LadderDiagram,LD）是安全PLC编程的唯一有效语言。6.机械电子系统的安全设计应优先考虑冗余设计而非失效安全原则。7.安全传感器在失效时应默认触发安全动作（如停止）。8.机械电子系统的安全设计需通过型式试验和现场验证双重确认。9.安全相关部件的维护周期应短于普通部件的维护周期。10.机械电子系统的安全设计文档无需包含故障树分析（FTA）结果。二、单选题（每题2分，共20分）1.以下哪种安全设计原则属于“失效安全”（Fail-Safe）？（）A.冗余设计B.降级操作C.自动恢复D.增量控制2.机械电子系统的安全等级SIL3适用于以下哪种场景？（）A.工业机器人手臂控制B.危险区域人员出入门C.汽车自动刹车系统D.纺织厂传送带防护3.安全PLC编程中，以下哪种语言不被ISO61131-3标准认可？（）A.结构化文本（ST）B.梯形图（LD）C.汇流排图（FBD）D.顺序功能图（SFC）4.机械电子系统的安全设计需满足以下哪个标准的要求？（）A.IEC61508B.IEC61000C.IEC62264D.IEC61131-25.安全传感器在以下哪种情况下应触发安全动作？（）A.供电中断B.信号传输延迟C.传感器故障（如短路）D.系统重启6.机械电子系统的安全设计文档应包含以下哪项内容？（）A.用户操作手册B.故障树分析（FTA）C.产品营销计划D.供应商报价单7.安全PLC的冗余设计通常采用以下哪种方式？（）A.主从冗余B.双通道冗余C.热备冗余D.以上都是8.机械电子系统的安全等级SIL4适用于以下哪种场景？（）A.食品加工机械B.核电站控制系统C.家用吸尘器D.航空航天设备9.安全相关部件的失效模式通常包括以下哪种类型？（）A.短路B.开路C.过载D.以上都是10.机械电子系统的安全设计需考虑以下哪个因素？（）A.成本效益B.用户体验C.系统复杂度D.以上都是三、多选题（每题2分，共20分）1.机械电子系统的安全设计需满足以下哪些标准？（）A.ISO13849-1B.IEC61508C.ISO61508D.IEC61131-32.安全PLC的冗余设计需考虑以下哪些因素？（）A.响应时间B.可靠性C.成本D.维护难度3.机械电子系统的安全设计文档应包含以下哪些内容？（）A.安全功能规格B.故障模式与影响分析（FMEA）C.安全等级分配表D.用户操作指南4.安全传感器在以下哪些情况下应触发安全动作？（）A.信号丢失B.信号超限C.传感器故障D.供电异常5.机械电子系统的安全设计原则包括以下哪些？（）A.失效安全B.冗余设计C.降级操作D.自动恢复6.安全PLC编程中，以下哪些语言被ISO61131-3标准认可？（）A.梯形图（LD）B.结构化文本（ST）C.顺序功能图（SFC）D.汇流排图（FBD）7.机械电子系统的安全设计需考虑以下哪些风险？（）A.静态风险B.动态风险C.人为错误D.环境因素8.安全相关部件的失效模式通常包括以下哪些类型？（）A.短路B.开路C.过载D.热失效9.机械电子系统的安全设计需通过以下哪些验证？（）A.型式试验B.现场验证C.仿真测试D.用户验收测试10.安全设计文档应包含以下哪些内容？（）A.安全功能规格B.故障树分析（FTA）C.安全等级分配表D.用户操作指南四、案例分析（每题6分，共18分）案例1：工业机器人安全设计某工厂使用一台6轴工业机器人进行物料搬运，工作区域存在人员活动。安全设计要求：（1）设计安全防护装置，确保人员安全；（2）选择合适的安全PLC和传感器，实现安全功能；（3）说明安全等级（SIL）的分配依据。案例2：机械电子系统故障分析某机械电子系统在运行中突然停止，安全PLC记录以下故障信息：-安全传感器A信号丢失；-安全PLC冗余切换成功；-系统触发安全停止。分析可能的安全设计缺陷。案例3：安全设计文档完善某机械电子系统的安全设计文档缺失以下内容：（1）安全功能规格；（2）故障树分析（FTA）；（3）安全等级分配表。请补充缺失内容，并说明其重要性。五、论述题（每题11分，共22分）论述1：机械电子系统安全设计的原则与挑战结合实际案例，论述机械电子系统安全设计应遵循的原则，并分析当前安全设计面临的主要挑战。论述2：安全PLC在机械电子系统中的应用详细说明安全PLC在机械电子系统中的工作原理，并分析其在提高系统安全性方面的优势与局限性。---标准答案及解析一、判断题1.×（动态风险同样重要，如紧急停止功能）2.×（ISO13849-1仅适用于机械安全防护装置，ISO13849-4适用于完整安全系统）3.×（SIL3要求响应时间≤100ms，SIL4≤10ms）4.×（SIL等级与成本相关，但可通过优化设计降低成本）5.×（安全PLC支持多种编程语言，如ST、FBD等）6.×（应优先考虑失效安全原则）7.√（安全传感器失效时应触发安全动作）8.√（需通过型式试验和现场验证）9.√（安全部件需更频繁的维护）10.×（FTA是安全设计文档的必要内容）二、单选题1.B2.B3.C（FBD非安全PLC编程语言）4.A5.C6.B7.D8.B9.D10.D三、多选题1.A,B2.A,B,C,D3.A,B,C4.A,B,C,D5.A,B,C,D6.A,B,C,D7.A,B,C,D8.A,B,C,D9.A,B,C,D10.A,B,C,D四、案例分析案例1：工业机器人安全设计（1）安全防护装置：-安装安全光栅或安全门锁，覆盖机器人工作区域；-设置急停按钮，确保人员可随时停止机器人。（2）安全PLC与传感器：-选择SIL3安全PLC，配合安全传感器（如安全光栅、安全继电器）；-设计安全功能块（如互锁、监控）。（3）SIL分配依据：-机器人工作区域存在人员活动，风险等级较高，需SIL3或更高。案例2：机械电子系统故障分析可能的安全设计缺陷：（1）安全传感器A可靠性不足，导致信号丢失；（2）冗余切换时间过长，未能及时恢复安全功能；（3）安全PLC未配置故障诊断功能，无法快速定位问题。案例3：安全设计文档完善（1）安全功能规格：-定义安全功能（如紧急停止、安全门监控）；-规定响应时间要求。（2）故障树分析（FTA）：-分析可能导致系统失效的故障路径；-计算风险等级。（3）安全等级分配表：-明确各安全功能对应的SIL等级。重要性：确保安全设计符合标准，便于验证和审计。五、论述题论述1：机械电子系统安全设计的原则与挑战安全设计原则：（1）失效安全：系统故障时默认进入安全状态；（2）冗余设计：关键部件备份，提高可靠性；（3）降级操作：故障时降低系统性能以保障安全。挑战：（1）成本与安全性的平衡；（2）复杂