功能安全詳解:現代工業趨勢- NI
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功能安全詳解:現代工業趨勢
已更新2022年4月29日
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近年來功能安全已成為工業的一大課題,全因自動化設備於製造、測試與過程控制的應用越趨常見,因此更重視避免傷亡、設備損毀和環境破壞。
政府和員工對工程安全的要求與期望日益增長,製造商和供應商需要使用可預測的方式來實現和設計器材,藉此滿足一定的安全要求。
內容
什麼是功能安全(functionalsafety)?
為什麼我們需要功能安全?
功能安全標準
功能安全生命週期
安全儀表系統(SIS)與安全儀表功能(SIF)
安全完整性等級(safetyintegritylevel)
隨機硬體故障或結構限制
安全故障失效比率(safefailurefraction)
硬體容錯(hardwarefaulttolerance)
故障機率(probabilityoffailure)
以功能安全系統保護人員、設備與環境安全
什麼是功能安全(functionalsafety)?
什麼是功能安全(functionalsafety)?國際電工委員會(InternationalElectrotechnicalCommission,IEC)於IEC61508-0:3.1標準中,針對功能安全的定義如下:「功能安全是整體安全的一部份,取決於系統或設備能否因應輸入而正確運作。
」於「闡釋IEC61508」一文中,IEC進一步解釋:「功能安全是指檢測潛在危險情況,並實踐保護或糾正措施,藉此避免危險事故發生或緩解危險事故發生的後果。
」
設備的產品生命週期包含了分析、設計、裝置、運作與維護過程。
如果要達到功能安全,就要預防或控制故障。
Exida功能安全認證機構表示:「功能安全的目標是設計一個自動安全功能,能夠正確執行預設安全功能;若發現有可能發生故障,系統可以在可預期的情況下自動停機。
」基於系統本身的穩定程度,該系統能夠執行預設功能,至於該系統能否預測到故障,進而在可預測的情況下停機,則是取決於該系統的功能安全設計。
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為什麼我們需要功能安全?
公司企業有責任為使用者、社群,以至環境提供安全的設備與程序。
若未能確保已執行安全措施,隨時會導致他人受傷、環境破壞、重要設備與基礎建設嚴重損毀,進而導致責任索賠、設備損失、業務中斷與公司形象受損等惡果,不論企業規模為何,都可能會受到影響。
多國政府正要求所有進口機械都須要符合功能安全要求。
歐洲已實施了機械指令(2006/42/EC),以確保在歐洲使用的機械都能達到一定的安全程度。
透過功能安全儀器,能減低發生危險事故的機會,並符合政府機構的安全要求。
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功能安全標準
幸好,一系列的國際標準已經發佈,為需要功能安全的系統,提供一致與已經證實有效的方法。
IEC61508適用於各種行業,為基本的通用規範。
行業或團體可應用IEC61508的概念到某些範疇,並增添相關措施,使其更具相關性,以下為部分例子:
IEC62061機械安全(SafetyofMachinery)
IEC61511過程工業界別的安全儀表化系統(SafetyInstrumentedSystemsfortheProcessIndustrySector)
IEC60601醫學設備(MedicalEquipment)
IEC61513核電廠(NuclearPowerPlants)
ISO26262道路車輛的功能安全(RoadVehicles—FunctionalSafety)
針對電氣、電子與可編程電子(E/E/PE)的相關系統,IEC61508涵蓋了其整個安全生命週期。
此標準旨在減低故障風險,以及減低故障後果的嚴重程度。
由於不可能達到零風險,設計初期就要把功能安全納入考慮,方能有效處理並減低風險。
為了把危險事故發生的機會減到最低,IEC61508詳述了如何透過識別並消除系統上的故障,增加設計穩定程度,以及透過了解各類元件如何導致隨機故障,增加硬體的穩定程度。
系統的功能安全設計與運作過程中如果出現人為錯誤,就可能導致系統故障。
如果某些元件要取得IEC61508認證,其工程程序的文件須經評估,識別並減少因人為錯誤而導致疏忽的機會。
從系統設計到停用,透過檢查所有生命週期階段的故障風險,對於識別和消除這些系統故障攸關重要。
硬體元件會因溫度、侵蝕或過勞等物理應力而故障或耗損,因此造成隨機故障。
系統功能安全設計使用從測試和歷史數據整合而來的統計資料來解釋隨機故障。
公司可以計算元件的故障機率,藉此確定與元件和系統相關的風險量。
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功能安全生命週期
功能安全生命週期由各種規範組成,為設計人員提供了創建安全且具成本效益的系統框架。
IEC61508將生命週期分為三個主要部分:分析、實現和運作。
圖1.IEC61508定義下的功能安全生命週期
就分析階段而言,必須先識別並研究功能安全的需求。
透過危機風險分析,了解有可能發生的危險事故與後果,以及其發生的機會。
接著,指定分析安全功能,以及每個功能所需要降低的風險,以便為每個安全系統分配適當的安全完整性等級。
這階段以安全要求規範(SafetyRequirementsSpecification)文件作結。
此文件詳述了分析階段的結果,並於實現階段為系統及功能安全設計人員提供引導。
接著在實現階段,設計人員將按照在分析階段識別了的功能安全需求,而選擇採用相符的技術及結構。
設計人員所選擇的元件須經過可靠性和安全性計算,確保符合適當的安全完整度水平。
一經驗證,設計人員將記錄接線圖、安裝說明與操作說明,整合為詳細設計。
完成這步驟後,系統便可以組裝、調試,讓工廠進行驗收測試。
運作階段是功能安全生命週期的最後階段,將按規範文件中為系統進行維護和修理,包括驗證測試、操作員培訓與系統修改等項目,以確保系統日後安全。
此外,系統也可能在這個階段遭到淘汰。
同時,也需要培訓合資格的專業功能安全人員,確保功能安全生命週期獲得認證並嚴格遵守。
不同的安全認證組織,都提供功能安全專家,例如Exida的訓練人員。
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安全儀表系統(SIS)與安全儀表功能(SIF)
IEC61511第1章3.2.72列明,安全儀表系統(SafetyInstrumentedSystem,SIS)是用來執行一個或多個安全儀表功能的儀表系統。
安全儀系統可由感測器、邏輯解算器與終端元件組成。
安全儀表系統能預防系統和設備發生危險事故,並將其發生機會減至最低。
安全儀表功能(SIF)為保持機械與運作過程安全的重要部分。
安全儀表功能由感測器、邏輯解算器與最終元件組成,旨在保持機械運作正常,預防潛在危險事故。
圖2.安全儀表功能的元件
感測器可量測設備的狀況並識別有無危險情況。
感測器的例子包括緊急停止按鈕、光幕、安全墊、壓力傳感器與溫度傳感器。
邏輯解算器則檢查所有傳感器輸入,並在發生危險事故時,根據用戶在實現階段創建的程序,執行功能安全操作。
然後邏輯解算器將輸出訊號發送到最終元件,以將設備置於無危害或安全狀態。
邏輯解算器使設備保持在安全狀態,直到執行糾正措施,及/或感測器檢測到安全操作情況。
而最終元件的例子包括繼電器和閥門。
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安全完整性等級(safetyintegritylevel)
安全完整性等級(SIL)量測功能安全的安全度,並執行風險水平降低的作業。
許多人使用SIL術語來專指降低風險的目標水平。
IEC61508定義了4個SIL等級。
等級4提供最高安全等級,等級1則為最低,因此會附帶詳細的功能安全要求,以符合更高SIL等級。
在一個安全功能系統,所有功能和元件必須滿足合適的安全等級,該系統才能符合必須的安全等級。
經過分析,若發現系統大部分元件達到SIL3,但只要有一個元件只達到SIL2,那麼整個系統都不可獲得高於SIL2的安全完整性等級。
SIL取決於許多因素,例如系統設計的能力水平、元件供應商、結構限制、硬體容錯與安全故障失效比率,以及故障機率。
如前所述,功能安全元件與系統的設計與操作過程中,如果出現人為錯誤,都可能導致系統故障。
在認證系統能力水平時,會評估開發過程與系統的質素都會進行評估。
IEC61508規定了審查設計以確定系統能力水平的要求,當中的考慮因素包括故障檢測精確度、代碼保護能力與硬件多樣性。
根據IEC61508,系統元件經第三方認證的SIL等級,反映了系統能力等級。
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隨機硬體故障或結構限制
隨機硬體故障影響系統的硬體安全完整度。
結構限制則基於元件的組裝方式及其安全功能而定,它能影響最終安全完整性等級。
系統於危險事故發生時,未能運作的機率,也會影響安全完整性等級。
透過失效模式與影響與診斷分析(FMEDA)等技術,能了解因隨機硬體故障而引起的故障風險和機率。
FMEDA詳細分析元件的失效模式與診斷能力,此為一種經過驗證的方法,用於識別失效模式與失效率,而這兩個因素可用於計算安全故障失效比率和故障概率。
認證組織如Exida與TÜV會針對元件執行FMEDA,為設計人員提供用以設計及識別安全系統完整度等級的資料。
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安全故障失效比率(safefailurefraction)
安全故障失效比率(safefailurefraction,SFF)為元件整體故障率與導致安全故障或檢測到不安全故障的比例。
以下為4種可構成整體故障的隨機硬體情況:
λsu:未發現安全情況
λsd:發現安全情況
λdu:未發現危險狀況
λdd:發現危險狀況
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硬體容錯(hardwarefaulttolerance)
若一個功能安全系統的硬體容錯(hardwarefaulttolerance,HFT)為N(可為0、1或2),則N+1為可導致該系統安全功能失效的最小故障次數。
若硬體的硬體容錯為1,則系統安全功能可以容許1次故障發生。
若發生兩次故障,該系統便不能符合預設的安全功能。
元件表決(voting)系統能提高硬體容錯值。
若表決系統為「N中取M」(MooN),則M為最小的通道數量以令系統正常運作,N為總通道數量。
1oo1結構是個簡單的配置,只有1個元件,硬體容錯為0。
1oo2結構則有兩個元件,但只需要其中1個元件正常運作,硬體容錯因而為1。
系統的SIL水平是基於SFF與硬體容錯等級。
IEC61508指定兩種次級系統(A類與B類),並視乎這些次級系統,要求一定的SFF與硬體容錯等級。
A類次級系統的特質為簡單、容易明白,以及已經於該領域獲得驗證。
而B類次級系統為複合系統,仍未獲該領域專家驗證。
安全故障失效比率
(SFF)
硬體容錯(HFT)
0
1
2
<60%
SIL1
SIL2
SIL3
60%≤90%
SIL2
SIL3
SIL4
90%≤99%
SIL3
SIL4
SIL4
>99%
SIL3
SIL4
SIL4
表1.A類次級系統的安全完整性等級(SIL)(IEC61508-2)
安全故障失效比率
(SFF)
H硬體容錯(HFT)
0
1
2
<60%
不容許
SIL1
SIL2
60%≤90%
SIL1
SIL2
SIL3
90%≤99%
SIL2
SIL3
SIL4
>99%
SIL3
SIL4
SIL4
表2.B類次級系統的安全完整性等級(SIL)(IEC61508-2)
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故障機率(probabilityoffailure)
故障機率反映了因硬體故障而導致系統故障的機率。
IEC61508定義了兩種功能安全的運作模式,分別為低需求模式和高需求模式(或連續運作模式)。
當系統以高需求模式運作時,系統安全需求的頻率不到一年。
以連續模式運作相當於在非常高的需求模式下運作,光幕就是一個以此模式運作的例子,保護使用者免受諸如金屬板沖床之類的製造設備的危害。
每小時危險故障概率(PFH)用於高需求或連續運作模式的系統。
在最簡單的形式中,當使用沒有硬體容錯(HFT=0)的元件時,PFH等於λdu(未檢測到危險情況的故障)。
有關其他硬體配置,請參閱IEC61508。
表3顯示了滿足各種SIL的高需求或連續模式系統所需的PFH值。
SIL
每小時發生嚴重故障的機率(PFH)
4
≥10-9to<10-8
3
≥10-8to<10-7
2
≥10-7to<10-6
1
≥10-6to<10-5
表3.高需求或連續模式下安全功能的安全完整性等級(IEC61508-1)
在低需求模式下運作時,系統安全需求的頻率不超過每年一次。
加工廠中的高完整性壓力保護系統(HIPPS)是低需求運作系統的例子。
平均危險失效機率(averageprobabilityofdangerousfailure,PFDavg)可以應用於低需求系統中。
在計算PFDavg時,會考慮許多因素,例如驗證測試間隔、修復時間和元件的體系結構(例如1oo2表決系統)。
驗證測試評估安全系統元件,以檢測系統內置的診斷可能無法檢測到的任何故障。
若在驗證測試中檢測到任何故障,便會予以修復,讓系統猶如處於的全新狀態。
通過提高驗證測試的頻率,設計人員可以讓系統達到更高的SIL水平。
儘管如此,他們必須考慮測試的成本和複雜程度。
修復時間,也稱為平均修復時間(MTTR),是在安全系統上檢測到完全修復故障所需的時間。
平均修復時間包括檢測維修、技術人員開始維修以及完成維修的時間。
同樣,IEC61508規定了計算PFDavg時使用的公式。
表4顯示了低需求系統要滿足各種SIL水平所需的PFDavg值:
SIL
平均危險失效機率(PFDavg)
4
≥10-5to<10-4
3
≥10-4to<10-3
2
≥10-3to<10-2
1
≥10-2to<10-1
表4.安全功能在低需求運作模式所需的安全完整性等級(IEC61508-1)
計算SIF各元件的故障機率值,然後將它們加總,便得出SIF的整體故障機率。
前面圖表中,故障機率值的對應SIL得出整體SIF。
圖3顯示了各元件的常見故障機率,可做為參考。
圖3.在安全儀表功能中,各元件故障機率的建議配額
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以功能安全系統保護人員、設備與環境安全
功能安全系統是避免受傷、設備損毀與環境損害的關鍵。
採取這種預防措施可以使設備更安全,從而讓設備供應商的財務負擔減到最低。
從系統設計一開始,到部署和運作期間,以至系統淘汰等過程,設計人員都需要評估系統的潛在危險與相關風險。
任何成功的功能安全系統,都取決於能夠執行合適的功能安全標準。
而功能安全標準的執行者都應該經過適當培訓和認證,確保他們獲得相關方面的全面知識。
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