張艾森
(上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗(yàn)測試所,上海 200030)
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IEC 61511-1 Ed2.0解讀
張艾森
(上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗(yàn)測試所,上海 200030)
IEC 61511系列標(biāo)準(zhǔn)針對過程工業(yè)特點(diǎn),提出了評估風(fēng)險、分解風(fēng)險、降低風(fēng)險的技術(shù)手段,有效幫助了過程工業(yè)行業(yè)安全水平的提升。通過對IEC 61511-1 Ed2.0新版標(biāo)準(zhǔn)的研讀,結(jié)合當(dāng)前安全技術(shù)的發(fā)展,提出了一些對該標(biāo)準(zhǔn)的理解,提供了相關(guān)從業(yè)人員的一些應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),幫助提高過程工業(yè)安全水平的進(jìn)一步提升。
安全儀表系統(tǒng) 安全完整性等級 信息安全 V模型
功能安全技術(shù)是過程工業(yè)中普遍使用的安全評價和分析技術(shù),通過HAZOP,事件樹等半定性的分析方法可以有效統(tǒng)計和分析系統(tǒng)現(xiàn)有的安全措施和水平,并指明需要加強(qiáng)的部分。通過定性的分析方法,可以對安全儀表系統(tǒng)(SIS)進(jìn)行分析,預(yù)計SIS可達(dá)到的安全完整性等級(SIL)。
功能安全標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展經(jīng)歷了幾個重要的節(jié)點(diǎn)。1996年,ISA首先發(fā)布了ISA SP84安全聲明周期,這是功能安全標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)基礎(chǔ)。隨后,在1998年國際電工委員會(IEC)發(fā)布了IEC 61508系列標(biāo)準(zhǔn),2003年,針對過程工業(yè)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 61511正式發(fā)布,該標(biāo)準(zhǔn)共包含3個部分,詳細(xì)規(guī)范了過程工業(yè)中SIS的構(gòu)架、定義,系統(tǒng),硬件和軟件要求。2010年,IEC 61508 Ed2.0系列標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布,它帶來了一系列新的理念和評價方法,而標(biāo)準(zhǔn)也從原來的7個部分增加為8個部分。2016年2月IEC 61511-1 Ed2.0已經(jīng)正式發(fā)布,它將結(jié)合目前的前沿技術(shù)發(fā)展,給過程工業(yè),甚至于更多的其他相關(guān)涉及財產(chǎn)安全、環(huán)境安全、人身安全的行業(yè),帶來規(guī)范有效的安全評價方法和技術(shù)。
IEC 61511系列標(biāo)準(zhǔn)給出了SIS關(guān)于規(guī)范、設(shè)計、安裝、運(yùn)行和維護(hù)的相關(guān)要求。它明確了所需達(dá)到的功能安全水平,但是標(biāo)準(zhǔn)中并不明確這些要求的責(zé)任方,而相關(guān)的責(zé)任人員需根據(jù)安全計劃、項(xiàng)目計劃和管理以及所在國家的法律法規(guī)進(jìn)行職責(zé)的劃分。
如圖1所示,IEC 61508和IEC 61511是2個有著密切關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn),從屬關(guān)系上來說,IEC 61511是IEC 61508在過程領(lǐng)域的應(yīng)用,IEC 61508是所有功能安全標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)和支撐。
2.1 2個基本概念
在IEC 61511-1 Ed2.0中,仍然保留了2個基本概念:安全生命周期和安全完整性等級(SIL)。
1) 安全生命周期對于功能安全而言至關(guān)重要。從功能安全的概念出發(fā),失效可分為隨機(jī)失效和系統(tǒng)失效。對于隨機(jī)失效,通過硬件試驗(yàn)、可靠性分析、應(yīng)力篩選等一系列試驗(yàn)方法可以有效提供其數(shù)值,這里不進(jìn)行贅述。而系統(tǒng)失效,引入安全生命周期的概念非常必要,它可以有效幫助設(shè)計人員從根本上避免和減少設(shè)計失誤。安全生命周期本身是一套系統(tǒng)的方法,是工程實(shí)際中最行之有效的設(shè)計方法。具體表現(xiàn)在:明確活動和工作職責(zé);辨識每個階段的完整性需求;辨識所需文檔;幫助實(shí)現(xiàn)功能安全管理(FSM)、系統(tǒng)驗(yàn)證、系統(tǒng)確認(rèn)、評估、評審等活動。
圖1 IEC 61511和IEC 61508之間的關(guān)系示意
而上述活動也可借由安全生命周期的劃分分配給不同的參與人員,包括最終用戶、系統(tǒng)集成商、開發(fā)人員(硬件和軟件)等。
2) SIL就是功能安全定量方法的體現(xiàn)。從IEC 61508系列標(biāo)準(zhǔn)中可以找到許多關(guān)于SIL的描述,其中較為重要的兩個概念:平均失效概率(PFD,PFH)及結(jié)構(gòu)約束。得到準(zhǔn)確的PFD和PFH,對于定量評價系統(tǒng)的有效性和在關(guān)鍵時刻的表現(xiàn)至關(guān)重要,也是得到SIL的重要參數(shù)之一。
2.2 3個顯著變化
在IEC 61511-1 Ed2.0中有3個顯著的變化:
1) 許多原來被定義為“應(yīng)”的活動,新版標(biāo)準(zhǔn)則定義為“必須”,如:安全生命周期必須包含應(yīng)用編程等。
2) 原標(biāo)準(zhǔn)中的“應(yīng)用軟件”被改寫為了“應(yīng)用編程”,這從根本上提高了系統(tǒng)集成過程中對于軟件評估的重視,在考慮SIS的SIL時,編程過程,即軟件質(zhì)量成為一個不容忽視的重要過程。
3) FAT編程規(guī)范性引用,即:出廠試驗(yàn)成為必備過程。
這些變化體現(xiàn)了IEC 61511-1 Ed2.0對于安全要求的提升,原標(biāo)準(zhǔn)可選的內(nèi)容在IEC 61511-1 Ed2.0中成為了必須執(zhí)行的項(xiàng)目,無疑增加了系統(tǒng)制造商、集成商的工作量,需要將更多的時間用于系統(tǒng)的測試,同時需要將更多的精力投入在控制系統(tǒng)失效的工作上。同時,為了迎合數(shù)字化發(fā)展的進(jìn)程,軟件的重要程度再次提升,在IEC 61508 Ed2.0中就可以明顯感覺到對編程過程的重視,并在IEC 61511的升版中再次體現(xiàn)出來。
2.3 4個重要階段
大致可以將SIS安全生命周期歸納成4個階段,如圖2所示。
1) 分析階段。它包括了圖2中1,2,3這3個部分的工作。
2) 實(shí)現(xiàn)階段。它包括了圖2中4,5部分以及標(biāo)準(zhǔn)中第9章的相關(guān)內(nèi)容。
3) 操作和維護(hù)階段。它包括了6,7,8,9這4個部分的內(nèi)容。
4) 管理和計劃。它包括了10,11這2個部分的內(nèi)容。
從順序上來說,管理和計劃是先于一切行動的起點(diǎn),它將控制整個項(xiàng)目的進(jìn)度、質(zhì)量水平以及跟蹤觀察。
3.1 功能安全管理概述
對于任何宣稱產(chǎn)品或者系統(tǒng)達(dá)到功能安全的廠商或組織,都應(yīng)該有完整的功能安全管理來確認(rèn)他們的聲明是合理有效的。在IEC 61511-1 Ed2.0中,對于功能安全管理提出了多方面的要求:
1) 組織和資源。主要提出了 對涉及SIS生命周期中的人員、部門、組織或其他單位的職責(zé)以及承擔(dān)相關(guān)職責(zé)所應(yīng)具備的能力,這些能力可以包括:工程知識、電氣電子可編程電子方面的知識、安全工程知識、法律法規(guī)要求、必要的領(lǐng)導(dǎo)技能、風(fēng)險分析和評價的技能等。
圖2 SIS安全生命周期階段和功能安全評估階段
2) 風(fēng)險評價和風(fēng)險管理。這些內(nèi)容可以通過不同的風(fēng)險評價方法獲得,例如HAZOP和QRA等,這些方法可從定性到半定量再到定量,以提供準(zhǔn)確的評價結(jié)果。
3) 編制可行的安全計劃。安全計劃中需要詳細(xì)描述在項(xiàng)目中所執(zhí)行的生命周期以及在生命周期中所包含的活動,執(zhí)行活動的人員、部門、組織以及配備的資源等,并且應(yīng)與所需的SIL相匹配。
4) 執(zhí)行和監(jiān)視。對于項(xiàng)目中涉及的供應(yīng)商或提供服務(wù)的組織都應(yīng)按所需的SIL要求提出對應(yīng)的管理規(guī)程并進(jìn)行監(jiān)督管理,同時對SIS的失效率參數(shù)的合理性也要時刻進(jìn)行監(jiān)督。
5) 評估、審核和修改。在IEC 61511-1 Ed2.0中對于如何進(jìn)行評估提供了詳細(xì)的建議,而這些建議也可以成為項(xiàng)目執(zhí)行者編制文件時的參考。項(xiàng)目中所執(zhí)行的任何相關(guān)活動都應(yīng)留下備查的記錄,尤其是對于修改部分,應(yīng)建立完整的規(guī)程,至少應(yīng)包含提出、評審、修改、再評審的過程。
6) 配置管理。配置管理可有效地控制系統(tǒng)的版本有序,是避免系統(tǒng)失效的基本要求和重要手段。
功能安全管理應(yīng)該在項(xiàng)目過程中持續(xù)有效地執(zhí)行,并且應(yīng)貫徹執(zhí)行統(tǒng)一的準(zhǔn)則,并且在實(shí)施過程中應(yīng)按計劃、按階段引入功能安全評審,將會有效提供功能安全管理的水平。
3.2 功能安全評審
功能安全管理與功能安全評審密不可分。
1) 執(zhí)行功能安全評審,在新版標(biāo)準(zhǔn)中則給出了幾點(diǎn)特別需要注意的事項(xiàng):
a) 執(zhí)行功能安全評審的人員應(yīng)該獨(dú)立,不應(yīng)參與到SIS的任何工作。這里的獨(dú)立有多層理解,根據(jù)不同的SIL要求,可以將獨(dú)立的范圍擴(kuò)大。通常可以將獨(dú)立分為3個層次:技術(shù)獨(dú)立、管理獨(dú)立、財務(wù)獨(dú)立。而通用的做法則是在項(xiàng)目過程中引入第三方獨(dú)立機(jī)構(gòu)來執(zhí)行功能安全評審的工作。
b) IEC 61511-1 Ed2.0中尤其強(qiáng)調(diào)了功能安全評審計劃的制定,在原標(biāo)準(zhǔn)中為注意的條款,在新版標(biāo)準(zhǔn)中都變?yōu)榱吮仨殘?zhí)行的項(xiàng)目。
c) 在維護(hù)和操作階段也應(yīng)當(dāng)周期性地引入功能安全評審工作,即功能安全工作不僅僅是開車的必要條件,在系統(tǒng)投入運(yùn)行后,功能安全的評審工作依然重要。而這部分的工作將包括:評判系統(tǒng)的運(yùn)行情況、收集相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)以便更新功能安全相關(guān)參數(shù),發(fā)現(xiàn)和評估未預(yù)料到的隱患并及時糾正。
d) 功能安全評審依賴于操作的實(shí)時性。
2) 根據(jù)IEC 61511-1 Ed2.0可以將功能安全評審劃分為5個階段,這5個階段貫穿系統(tǒng)的安全生命周期全過程:
a) 在完成風(fēng)險評估后,辨識出所需的保護(hù)層并在完成完全要求規(guī)范(SRS)編制后實(shí)施。
b) 在完成SIS設(shè)計后實(shí)施。
c) 在完成安裝、試運(yùn)行、最終確認(rèn)后,并且已開發(fā)完成運(yùn)行和維護(hù)規(guī)程后實(shí)施。
d) 在獲得運(yùn)行和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)后實(shí)施。
e) 在修改后或在SIS停運(yùn)前實(shí)施。
上述的實(shí)施階段只是功能安全評審的最低要求,對于有不明確或者有必要的情況下,功能安全評審就應(yīng)及時進(jìn)行,避免系統(tǒng)故障的引入。
鑒于IEC 61508 Ed2.0的發(fā)布,對于功能安全結(jié)構(gòu)約束的定義有了新的變化,在IEC 61511-1 Ed2.0中,也將延續(xù)這種變革。因此,在判斷硬件故障裕度(HFT)時有了更多的選擇。
在IEC 61508-2 Ed2.0中有兩種不同的方法,分別為Route 1H和Route 2H,其判定HFT的要求分別見表1,表2所列。
表1 Route 1H判定HFT的要求
表2 Route 2H判定HFT的要求
可見,Route 2H取消了關(guān)于安全失效分?jǐn)?shù)的要求,而這兩種方法在IEC 61511-1 Ed2.0中都是可行的。
而想要設(shè)計出符合功能安全要求的SIS,仍然需要設(shè)計人員有足夠豐富的功能安全知識和儀表應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。在IEC 61511-1 Ed2.0中特別強(qiáng)調(diào)了以下這些要求:
1) SIS中所使用的設(shè)備應(yīng)符合IEC 61508-2和IEC 61508-3的設(shè)計要求;即在特定的SIL要求下,儀表的設(shè)計需要符合IEC 61508 Ed2.0要求,而這不僅僅是平均失效概率達(dá)到要求這么簡單。
2) 如果想沿用那些經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)備也并非不可,但是應(yīng)提供足夠的文檔資料證明這些設(shè)備適用于新的SIS。
3) 與上一條相關(guān),對于那些經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)備就需要有系統(tǒng)的方法來收集現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),而方法和要求可以在ISA TR 84.00.04:2015和NAMUR recommendation NE 130(“Prioruse”—deviceforSISs)中找到。
4) 系統(tǒng)或子系統(tǒng)的安全手冊中應(yīng)覆蓋操作、維護(hù)、故障檢測和限制要求等內(nèi)容。
5) 在旁通時(例如維修或測試時),需要有補(bǔ)充措施以確保安全運(yùn)行。
6) 應(yīng)明確定義SIS所允許的最大旁通時間。
7) SIS應(yīng)能對辨識出的安全風(fēng)險提供必要的恢復(fù)功能,這些安全風(fēng)險可能存在于硬件、應(yīng)用軟件和相關(guān)軟件中。
5.1 SIS的應(yīng)用編程
前文中提到,在IEC 61511-1 Ed2.0中特別強(qiáng)調(diào)了將應(yīng)用軟件變?yōu)閼?yīng)用編程,這就說明軟件編程質(zhì)量在SIS中的重要性更加明確。在新版標(biāo)準(zhǔn)中提出了對于應(yīng)用編程的一系列要求:適當(dāng)?shù)纳芷趧澐?;系統(tǒng)化的方法;必要的檢驗(yàn)測試手段;可追溯性;驗(yàn)證與確認(rèn)。
針對上述要求,設(shè)計和開發(fā)人員有必要引入行之有效的系統(tǒng)性方法,而目前廣為接受的方法就是改進(jìn)型V模型系統(tǒng)性方法,如圖3所示。
對于應(yīng)用編程,可以參照IEC 61508-3 Ed2.0中的要求實(shí)施,需要特別注意的是,在IEC 61511-1 Ed2.0中,針對通信提出了關(guān)于信息安全的要求。對于信息安全的要求需要從硬件和軟件兩個部分去考慮,關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)經(jīng)過相關(guān)測試并驗(yàn)證其有效性。而通信協(xié)議本身也應(yīng)經(jīng)過評估和必要的攻防測試,這部分內(nèi)容在IEC 62443系列標(biāo)準(zhǔn)中有詳細(xì)的要求,而該部分也是IEC 61511-1 Ed2.0中與時俱進(jìn)的有力表現(xiàn)。
圖3 V模型系統(tǒng)性方法
5.2 安全要求規(guī)范
在IEC 61511-1 Ed2.0中,對于每個安全儀表功能(SIF)定義了共計29條要求,這些內(nèi)容大多在原版中有相應(yīng)的要求,而其中有以下4條內(nèi)容是新版中額外增加的內(nèi)容:新的I/O列表的要求;對于旁通定義提出了更具體的要求;SIS過程測量(精確度和跳變點(diǎn));重新提出了對于應(yīng)用編程的要求。
以上內(nèi)容在IEC 61511-1 Ed2.0 10.3.1條中有明確提及,根據(jù)SIF的具體情況,在編制SRS時,應(yīng)完整考慮這些要求,以提高SIS的設(shè)計準(zhǔn)確性。
在IEC 61511-1 Ed2.0中,還有一些修訂部分內(nèi)容,通過研讀,將其羅列如下:
1) 要求通過運(yùn)行和維護(hù)以收集SIS的實(shí)際性能表現(xiàn),這有助于提高現(xiàn)有系統(tǒng)的安全性,并且為以后的系統(tǒng)提供真實(shí)可信的功能安全數(shù)據(jù)。
2) 響應(yīng)時間被明確定義,并命名為過程安全時間。
3) 工廠驗(yàn)收試驗(yàn)(FAT)成為規(guī)范性要求。
4) EMC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及IEC 61682 Ed1.0 ALARM管理成為了不可或缺的參考文件。
5) 隨機(jī)失效的量值應(yīng)考慮驗(yàn)證測試有效性、數(shù)值可信度和數(shù)值的不確定度。
6) 在功能安全評估完成前,不能進(jìn)行變更。
7) 在進(jìn)行過程危害和風(fēng)險評估時需同時進(jìn)行安全風(fēng)險評估,該部分內(nèi)容可參照ISA TR84.00.09和IEC 62443-2執(zhí)行。
8) 安全包括對硬件、應(yīng)用編程和相關(guān)軟件的故意攻擊以及非預(yù)期的人員誤操作。
提及功能安全,并不是指提供了安全儀表保護(hù)系統(tǒng)或者應(yīng)用安全儀表,也不是他們所代表的失效率數(shù)據(jù);功能安全更多的是在設(shè)計、工程、文檔、測試、運(yùn)行、維護(hù)等不同的SIS階段所必須具備的安全文化和理念。因此,在IEC 61511-1 Ed2.0中提出了更多的要求,它留給設(shè)計人員、評審人員、相關(guān)過程參與人員更多的思考空間,以期能更有效地提高系統(tǒng)設(shè)計水平,真正提升安全水平、保護(hù)財產(chǎn)、環(huán)境和人員的安全。
目前,全國工業(yè)過程測量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會系統(tǒng)及功能安全分技術(shù)委員會(SAC/TC124/SC10)正對IEC 61511-1 Ed2.0進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化工作,相信不久的將來,新版的GB/T 21109.1也將與大家見面,這將有利于國內(nèi)的安全技術(shù)水平緊跟國際先進(jìn)水平,促進(jìn)安全生產(chǎn)能力提升。
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《石油化工自動化》征訂啟事
《石油化工自動化》創(chuàng)刊于1964年,由中國石化集團(tuán)公司主管,中石化寧波工程有限公司、全國化工自控設(shè)計技術(shù)中心站、中國石化集團(tuán)公司自控設(shè)計技術(shù)中心站主辦,面向全國化工、石化、石油、紡織、輕工等行業(yè)的自動化科技刊物。
本刊為中國科技核心期刊,中國石化集團(tuán)公司核心科技期刊,并入選“中國期刊方陣”。本刊入選《中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)》,被全文收錄;榮獲全國優(yōu)秀期刊評比三等獎;加入“中國期刊網(wǎng)”和“萬方數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)(ChinaInfo)數(shù)字化期刊群”,并被列為“中國學(xué)術(shù)期刊綜合評價數(shù)據(jù)庫”來源期刊;被美國《化學(xué)文摘》(CA)、《劍橋科學(xué)文摘》(CSA)、俄羅斯《文摘雜志》(AJ)、波蘭《哥白尼索引》(IC)列為檢索源期刊。
《石油化工自動化》的內(nèi)容突出實(shí)用性、指導(dǎo)性、知識性,報道國內(nèi)外自控領(lǐng)域的科研成果和先進(jìn)技術(shù),介紹新產(chǎn)品、新工藝、最新動態(tài)。讀者對象主要為化工、石化、石油、紡織、輕工等行業(yè)的自動化專業(yè)技術(shù)人員,大專院校、科研單位從事自動化教學(xué)和科研工作的人員等,擁有大量的讀者。主要欄目有發(fā)展與評述、工程設(shè)計及標(biāo)準(zhǔn)、過程控制技術(shù)、信息技術(shù)、儀器儀表、創(chuàng)新與實(shí)踐等。
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Interpretation of IEC 61511-1 Ed2.0
Zhang Aisen
(Shanghai Inspection and Testing Institution of Instruments and Automation Systems, Shanghai, 200030, China)
s:Based on characteristics of process industry, technical means for risk evaluation, resolver and reduction are presented in IEC 61511 series standards to help to improve safety for process industry. Through interpretation of latest version of IEC 61511-1 Ed2.0, some new interpretation is approached with combination of current safety technology development. Some experiences of relative working staffs is provided to help to further improve process industry safety management.
safety Instrumented system; safety integrity level; information security; V model
張艾森,男,現(xiàn)就職于上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗(yàn)測試所(SITIIAS),主要從事功能安全、軟件驗(yàn)證與確認(rèn)等的認(rèn)證評估工作。
TB497
B
1007-7324(2016)05-0012-06
稿件收到日期:2016-06-16,修改稿收到日期:2016-08-12。