儀器儀表在安全系統(tǒng)中的功能安全設(shè)計

李喜鴿+趙乾

摘 要：我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度較快，已取得令人矚目的成績，在這種背景下，安全生產(chǎn)的重要性受關(guān)注的程度越來越高，上至中央領(lǐng)導(dǎo)下至普通百姓，全社會對安全問題極為重視。在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中，安全性已成為最重要的衡量指標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)和保障安全性，安全儀表的作用越來越重要，對于工業(yè)產(chǎn)業(yè)來說，當(dāng)務(wù)之急是研究和開發(fā)屬于自己的安全儀表系統(tǒng)，擺脫外國產(chǎn)品的壟斷，構(gòu)建自己的知識品牌，對于工控專業(yè)人士來說是新的挑戰(zhàn)和課題。

關(guān)鍵詞：儀器儀表；安全系統(tǒng)；功能；安全設(shè)計

1 安全儀表概述

安全儀表在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對生產(chǎn)狀態(tài)的監(jiān)控，通過執(zhí)行安全儀表功能，能夠防止在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)潛在危險事件給工業(yè)生產(chǎn)帶來的安全隱患，減輕危險事件造成的影響，導(dǎo)致風(fēng)險降低。安全儀表具有安全完整性等級、容錯能力、實(shí)時性好、信息記錄功能和故障診斷能力等特征。安全儀表主要是由邏輯控制器和傳感器構(gòu)成的，在實(shí)際的運(yùn)用過程中主要使用冗余結(jié)構(gòu)，能夠確保安全儀表正常執(zhí)行安全功能，對降低系統(tǒng)的安全失效率具有重要作用。安全儀表在實(shí)際的應(yīng)用過程中，分為多種類型，主要包括可燃、有毒氣體監(jiān)測系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)、高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)和移動危化品源跟蹤監(jiān)測系統(tǒng)等[1]。

2 安全功能故障分析與診斷設(shè)計

2.1 故障分析方法

故障分析主要是指確定故障原因、收集和分析數(shù)據(jù)所總結(jié)出系統(tǒng)失效故障激勵和消除引起特定器件的過程，故障會產(chǎn)生于設(shè)計、工藝、元件和制造的過程中。故障分析方法主要包括故障樹分析、事件樹分析和可靠性框圖等。其中，故障樹分析法主要是對復(fù)雜系統(tǒng)中的設(shè)計問題進(jìn)行分析，運(yùn)用推理方法找出問題所在，及時解決存在的系統(tǒng)故障。需要對工程設(shè)計階段潛在的缺陷進(jìn)行合理設(shè)計，對系統(tǒng)如何工作和運(yùn)行方式進(jìn)行深入研究。事件樹分析需要以初始事件為起點(diǎn)，按照事故發(fā)生順序進(jìn)行逐層分析，有助于了解整個事件的動態(tài)發(fā)展過程，該方法使用簡單。主要的步驟為：確定初始事件、判定安全功能、繪制事件樹、簡化事件樹和事件樹分析等。可靠性框圖是系統(tǒng)可靠性研究中的重要手段，方框中的排列代表著潛在風(fēng)險設(shè)備的可靠性關(guān)系。

2.2 故障診斷設(shè)計

在診斷技術(shù)分析中，主要包括兩方面的內(nèi)容：第一，參比診斷技術(shù)。需要對故障診斷技術(shù)進(jìn)行分析，需要將檢測到的實(shí)際值與參考值進(jìn)行系統(tǒng)比較，結(jié)合比較的結(jié)果，執(zhí)行相關(guān)的動作。對于存儲器中的數(shù)據(jù)，可以通過計算校驗(yàn)的方式來判斷數(shù)據(jù)是否失效。第二，對比診斷。對比診斷主要是指對兩個單元動態(tài)計算結(jié)果進(jìn)行比較，該項(xiàng)技術(shù)對識別技術(shù)故障具有重要作用。主要是用來判斷一個通道與其他兩個通道計算結(jié)果是否一致，如果計算結(jié)果不一致，說明通道存在故障。在診斷測試中，需要判斷功能能否正常執(zhí)行，通常情況下，安全儀表不會輕易出現(xiàn)故障，容易受到外界因素影響，導(dǎo)致故障產(chǎn)生。在對故障進(jìn)行測試時，需要采用自動或者手動的形式，來元件上用導(dǎo)線短接來模擬短路失效。

3 產(chǎn)品的功能安全設(shè)計

對此要形成正確的認(rèn)識，SIS產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)是復(fù)雜的過程，以國家所頒布的IEC61508為標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計時從產(chǎn)品的生命安全周期入手，必須要滿足硬件、軟件等方面的要求，本論文以產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計過程中的安全設(shè)計為研究目標(biāo)展開探討。

3.1 整體安全生命周期

在IEC 61508中對整體安全生命周期進(jìn)行了劃分，認(rèn)為按其特點(diǎn)不同可以劃分為十六個階段，在不同的階段中，功能安全活動和要求各不相同，在安全系統(tǒng)中有各種不安全因素的存在，在結(jié)構(gòu)化生命周期模型的作用下，可以使這些處于隱藏狀態(tài)的非安全因素被調(diào)整到高低水平，對安全儀表系統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)過程進(jìn)行研究，認(rèn)為第9階段是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，E/E/PE安全相關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)是非常重要的，可以從兩方面進(jìn)行，可以最大限度的滿足安全功能的需求：構(gòu)建功能安全管理體系，人員組織結(jié)構(gòu)要確定下來：（1）建立功能安全管理體系要有明確的目的性，確定為整體的E/E/PES的和軟件的安全生命周期，不同階段的管理和技術(shù)活動都在范疇之中，尤其是注意的是責(zé)任明確到人，不論是人員還是部門，以及不同的組織，在活動中所承擔(dān)的角色不同，所需要承擔(dān)的責(zé)任也是不同的，但必須要明確落實(shí)，在經(jīng)過管理體系的作用下，使安全儀表系統(tǒng)的安全性得以保障，并實(shí)現(xiàn)其完整性。（2）在對生命周期不同階段的資料進(jìn)行編寫時，要以IEC61508生命周期為模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行，對于不同的階段不同的活動都需要有文檔資料進(jìn)行記錄，能夠把不同生命周期的信息集中起來，按照規(guī)定能夠執(zhí)行功能安全管理、驗(yàn)證、功能安全評估等所有活動信息都要詳細(xì)的記錄下來，編制相關(guān)報告和記錄資料，可以長期保存下來。

3.2 硬件

在IEC61508中，對硬件安全的完整性有詳細(xì)的要求，具體包括結(jié)構(gòu)約束的內(nèi)容，除此之外還有危險隨機(jī)硬件失效率的要求。表格體現(xiàn)了硬件安全的完整性，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)約束；B類安全則主要針對子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束。安全完整性等級：低要求模式和高要求模式SIL的目標(biāo)失效量①系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計所示為安全相關(guān)予系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)約束。舉例來說，一款新開發(fā)的邏輯運(yùn)算器產(chǎn)品（由于未在現(xiàn)場使用過，缺乏現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)支撐，只能定義為B類子系統(tǒng)），從其結(jié)構(gòu)特征看，為單通道（H兀邵），對其安全失效分?jǐn)?shù)進(jìn)行研究，SFF達(dá)到90%。結(jié)合相關(guān)表發(fā)現(xiàn)，這種產(chǎn)品的最高安全完整性等級能夠達(dá)到SIL2，如果為提升等級，達(dá)到SIL3，可以采取兩種方法，其一，提高安全失效分?jǐn)?shù)，其二，使硬件故障裕度提升。在實(shí)踐活動中，很多安全儀表系統(tǒng)產(chǎn)品之所以采取多重冗余結(jié)構(gòu)，根本原因則在于此。對于電子產(chǎn)品來說，SFF達(dá)到99%的可能性較低，在這種情況下進(jìn)行SIS產(chǎn)品設(shè)計，必須要確定這種產(chǎn)品的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時冗余方式也要確定下來。FMEDA評估FMEDA所代表的含義是失效模式產(chǎn)生的影響，以及診斷分析，這種模式屬于FMEA的擴(kuò)展。在進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)研發(fā)工作時，需要運(yùn)用大量的電子元件，為了達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，必須進(jìn)行FMEDA分析操作，這是不可缺少的環(huán)節(jié)，通過這種操作可以明確每種失效模式，并對失效影響形成正確的認(rèn)識，對故障要采取有效的診斷措施，在操作時要充分考慮到返修部件統(tǒng)計數(shù)據(jù)，還可以結(jié)合元器件失效率手冊進(jìn)行詳細(xì)的計算，得出顯性、隱性、安全失效率的數(shù)值，要注意的是在者數(shù)據(jù)計算時，要充分考慮到安全失效分?jǐn)?shù)SFF，同時還要結(jié)合故障診斷覆蓋率DC，運(yùn)用平均失效概率PFD，以這些環(huán)節(jié)的安全完整性等級的參數(shù)為基礎(chǔ)做出正確判定。

4 結(jié)束語

之所以重視和強(qiáng)調(diào)安全，根本目的是減少事故的發(fā)生率，在預(yù)期時間內(nèi)少發(fā)生或者不發(fā)生事故，從國際電工委員會的規(guī)定對安全做了詮釋，認(rèn)為沒有不可接受的風(fēng)險，傳統(tǒng)的安全問題可以采用較為簡單的方法解決，比如為了防止兒童摔下樓可以安裝欄桿，方法簡單而有效，但是現(xiàn)代安全問題復(fù)雜性較高，由于生產(chǎn)速度較快，對能量質(zhì)量的要求越來越高，在防范時要采取更加科學(xué)有效的方法，形成有效的防范體系是非常必要的。

參考文獻(xiàn)

[1]馮曉升.儀器儀表在安全系統(tǒng)中的作用[J].電氣時代，2007（9）：60-61.

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[3]侯新建，張翼.火電廠安全相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計[J].電力勘測設(shè)計，2015（z2）.