SIL 第 1 部分：隨機(jī)硬件完整性

為了實(shí)現(xiàn) SIL，安全功能的設(shè)計(jì)必須滿足標(biāo)準(zhǔn)中概述的三個(gè)特定條件。本文將重點(diǎn)探討條件 1：隨機(jī)硬件完整性。

什么是功能安全？

功能安全是指主動(dòng)檢測(cè)潛在的危險(xiǎn)情況，這要求我們通過(guò)某種保護(hù)機(jī)制或功能來(lái)防止或減少可能發(fā)生的危險(xiǎn)事件的影響。

功能安全是受控設(shè)備 (EUC) 整體安全的組成部分，側(cè)重于電子產(chǎn)品和相關(guān)軟件方面。

IEC 61508是“功能安全或電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)”的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。作為功能安全的總體標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是許多行業(yè)特定衍生標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，例如適用于過(guò)程行業(yè)的 IEC 61511。

這些標(biāo)準(zhǔn)遵循安全生命周期模型，能夠規(guī)范功能安全管理，并提供各種安全儀表系統(tǒng) (SIS) 和相關(guān)安全儀表功能 (SIF) 的設(shè)計(jì)措施和技術(shù)。

IEC 61511 Safety lifecycle

IEC 61511 安全生命周期

安全生命周期的一個(gè)關(guān)鍵要素是創(chuàng)建安全要求規(guī)范 (SRS)。該文檔通常基于生命周期的危害和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估階段所發(fā)現(xiàn)的信息而編制，是安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能性、完整性和驗(yàn)證性的藍(lán)圖。

SIL 是什么？

安全要求規(guī)范將記錄安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的任何剩余風(fēng)險(xiǎn)降低水平，并指定相應(yīng)的 SIL 目標(biāo)級(jí)別。

SIL（安全完整性等級(jí)）即安全功能提供的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)降低水平。行業(yè)定義了四個(gè)獨(dú)立 SIL 級(jí)別 (1-4)，其中 SIL 4 可提供最高級(jí)別的安全完整性和相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)降低因子。

SIL	風(fēng)險(xiǎn)降低因子 — RRF
4	> 10.000 至 ≤ 100.000
3	> 1.000 至 ≤ 10.000
2	> 100 至 ≤ 1.000
1	>10 至 ≤ 100

如何實(shí)現(xiàn)特定的 SIL？

為了實(shí)現(xiàn) SIL，安全功能的設(shè)計(jì)必須滿足標(biāo)準(zhǔn)中概述的三個(gè)特定條件。

這些嚴(yán)格條件分別是：隨機(jī)硬件完整性、結(jié)構(gòu)限制和系統(tǒng)性能力。

本文將重點(diǎn)探討條件 1：隨機(jī)硬件完整性。如需詳細(xì)了解結(jié)構(gòu)限制和系統(tǒng)性能力，請(qǐng)點(diǎn)擊相應(yīng)的鏈接。

PR electronics 提供一系列經(jīng) SIL 認(rèn)證的設(shè)備，能夠全面滿足各種 SIL 應(yīng)用的需求。

什么是隨機(jī)硬件完整性？

隨機(jī)硬件完整性與隨機(jī)硬件故障息息相關(guān)。如果安全系統(tǒng)具有 100% 的可靠性，那么剩余風(fēng)險(xiǎn)將降低為零，此時(shí)所有系統(tǒng)均具有 100% 的安全性。

但這是不可能實(shí)現(xiàn)的，因此我們需要根據(jù)特定需求來(lái)量化安全功能失效的可能性。了解這一點(diǎn)將有助于我們確定安全功能可能提供的風(fēng)險(xiǎn)降低水平。

對(duì)于在“低需求(Low Demand)”模式下運(yùn)行的安全儀表功能 (SIF)，我們使用“需求時(shí)的平均失效概率”(PFDavg) 指標(biāo)來(lái)量化其可靠性，而對(duì)于在“高(High)”或“連續(xù)需求(Continuous Demand)”模式下運(yùn)行的 SIF，我們使用“每小時(shí)失效概率”(PFH) 指標(biāo)進(jìn)行衡量。

摘自 IEC 61511 的表 4 針對(duì)低需求 SIF 詳細(xì)說(shuō)明了失效概率指標(biāo)與風(fēng)險(xiǎn)降低因子 (RRF) 之間的關(guān)系：

SIL	風(fēng)險(xiǎn)降低因子 — RRF	PFD_avg 范圍
4	> 10.000 至 ≤ 100.000	≥ 10^-5 < 10^-4
3	> 1.000 至 ≤ 10.000	≥ 10^-4 < 10^-3
2	> 100 至 ≤ 1.000	≥ 10^-3 < 10^-2
1	>10 至 ≤ 100	≥ 10^-2 < 10^-1

IEC 61511 — 表 4

表 5 顯示了高/連續(xù)需求 SIF 的相應(yīng)參數(shù)關(guān)系：

SIL	每小時(shí)失效概率 — PFH
4	> 10^-9 ≤ 10^-8
3	> 10^-8 ≤ 10^-7
2	> 10^-7 ≤ 10^-6
1	> 10^-6 ≤ 10^-5

IEC 61511 — 表 5

在計(jì)算安全儀表功能的 PFDavg 時(shí)，我們需要分析其組成部分。典型的 SIF 由傳感器子系統(tǒng)、邏輯求解器和最終元件子系統(tǒng)組成。

下面是 SIF 組件的示例：

人們廣泛使用 FMEDA（失效模式影響和診斷分析）等失效分析技術(shù)來(lái)確定單個(gè)設(shè)備的失效模式和診斷功能。

計(jì)算指定任務(wù)時(shí)間內(nèi)的失效概率時(shí)，我們可以結(jié)合考慮失效率數(shù)據(jù)與其他變量。

雖然我們可通過(guò)一些簡(jiǎn)單的公式來(lái)計(jì)算 PFD，但計(jì)算中考慮的變量越多，結(jié)果就越準(zhǔn)確和安全。

PFD 計(jì)算中需要考慮的變量：

變量	來(lái)源
設(shè)備故障率（例如 λDU和 λDD）	通常由制造商通過(guò) FMEDA 報(bào)告提供
任務(wù)時(shí)間 (MT)	由最終用戶決定
檢驗(yàn)測(cè)試間隔時(shí)間 (TI)	由最終用戶決定
檢驗(yàn)測(cè)試覆蓋率 (CPT)	由最終用戶決定或遵從制造商建議
檢驗(yàn)測(cè)試持續(xù)時(shí)間	由最終用戶決定
平均恢復(fù)時(shí)間 (MTTR)	由最終用戶決定
常見(jiàn)故障原因 (CCF)	使用冗余時(shí)需要考慮 β系數(shù)