儀器儀表在安全系統中的功能安全設計

李喜鴿+趙乾

摘 要：我國工業產業發展速度較快，已取得令人矚目的成績，在這種背景下，安全生產的重要性受關注的程度越來越高，上至中央領導下至普通百姓，全社會對安全問題極為重視。在現代工業發展中，安全性已成為最重要的衡量指標。為了實現和保障安全性，安全儀表的作用越來越重要，對于工業產業來說，當務之急是研究和開發屬于自己的安全儀表系統，擺脫外國產品的壟斷，構建自己的知識品牌，對于工控專業人士來說是新的挑戰和課題。

關鍵詞：儀器儀表；安全系統；功能；安全設計

1 安全儀表概述

安全儀表在生產過程中的應用，能夠實現對生產狀態的監控，通過執行安全儀表功能，能夠防止在生產過程中出現潛在危險事件給工業生產帶來的安全隱患，減輕危險事件造成的影響，導致風險降低。安全儀表具有安全完整性等級、容錯能力、實時性好、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成的，在實際的運用過程中主要使用冗余結構，能夠確保安全儀表正常執行安全功能，對降低系統的安全失效率具有重要作用。安全儀表在實際的應用過程中，分為多種類型，主要包括可燃、有毒氣體監測系統、緊急停車系統、高完整性壓力保護系統和移動?；吩锤櫛O測系統等[1]。

2 安全功能故障分析與診斷設計

2.1 故障分析方法

故障分析主要是指確定故障原因、收集和分析數據所總結出系統失效故障激勵和消除引起特定器件的過程，故障會產生于設計、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雜系統中的設計問題進行分析，運用推理方法找出問題所在，及時解決存在的系統故障。需要對工程設計階段潛在的缺陷進行合理設計，對系統如何工作和運行方式進行深入研究。事件樹分析需要以初始事件為起點，按照事故發生順序進行逐層分析，有助于了解整個事件的動態發展過程，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?？煽啃钥驁D是系統可靠性研究中的重要手段，方框中的排列代表著潛在風險設備的可靠性關系。

2.2 故障診斷設計

在診斷技術分析中，主要包括兩方面的內容：第一，參比診斷技術。需要對故障診斷技術進行分析，需要將檢測到的實際值與參考值進行系統比較，結合比較的結果，執行相關的動作。對于存儲器中的數據，可以通過計算校驗的方式來判斷數據是否失效。第二，對比診斷。對比診斷主要是指對兩個單元動態計算結果進行比較，該項技術對識別技術故障具有重要作用。主要是用來判斷一個通道與其他兩個通道計算結果是否一致，如果計算結果不一致，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行，通常情況下，安全儀表不會輕易出現故障，容易受到外界因素影響，導致故障產生。在對故障進行測試時，需要采用自動或者手動的形式，來元件上用導線短接來模擬短路失效。

3 產品的功能安全設計

對此要形成正確的認識，SIS產品的設計和開發是復雜的過程，以國家所頒布的IEC61508為標準，在設計時從產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，本論文以產品開發設計過程中的安全設計為研究目標展開探討。

3.1 整體安全生命周期

在IEC 61508中對整體安全生命周期進行了劃分，認為按其特點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，在安全系統中有各種不安全因素的存在，在結構化生命周期模型的作用下，可以使這些處于隱藏狀態的非安全因素被調整到高低水平，對安全儀表系統產品的研發過程進行研究，認為第9階段是非常關鍵的環節，E/E/PE安全相關系統實現是非常重要的，可以從兩方面進行，可以最大限度的滿足安全功能的需求：構建功能安全管理體系，人員組織結構要確定下來：（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活動都在范疇之中，尤其是注意的是責任明確到人，不論是人員還是部門，以及不同的組織，在活動中所承擔的角色不同，所需要承擔的責任也是不同的，但必須要明確落實，在經過管理體系的作用下，使安全儀表系統的安全性得以保障，并實現其完整性。（2）在對生命周期不同階段的資料進行編寫時，要以IEC61508生命周期為模型的基礎上進行，對于不同的階段不同的活動都需要有文檔資料進行記錄，能夠把不同生命周期的信息集中起來，按照規定能夠執行功能安全管理、驗證、功能安全評估等所有活動信息都要詳細的記錄下來，編制相關報告和記錄資料，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的要求，具體包括結構約束的內容，除此之外還有危險隨機硬件失效率的要求。表格體現了硬件安全的完整性，并進行結構約束；B類安全則主要針對子系統的結構進行約束。安全完整性等級：低要求模式和高要求模式SIL的目標失效量①系統結構設計所示為安全相關予系統的結構約束。舉例來說，一款新開發的邏輯運算器產品（由于未在現場使用過，缺乏現場使用數據支撐，只能定義為B類子系統），從其結構特征看，為單通道（H兀邵），對其安全失效分數進行研究，SFF達到90%。結合相關表發現，這種產品的最高安全完整性等級能夠達到SIL2，如果為提升等級，達到SIL3，可以采取兩種方法，其一，提高安全失效分數，其二，使硬件故障裕度提升。在實踐活動中，很多安全儀表系統產品之所以采取多重冗余結構，根本原因則在于此。對于電子產品來說，SFF達到99%的可能性較低，在這種情況下進行SIS產品設計，必須要確定這種產品的系統結構，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生的影響，以及診斷分析，這種模式屬于FMEA的擴展。在進行安全儀表系統研發工作時，需要運用大量的電子元件，為了達到安全標準的要求，必須進行FMEDA分析操作，這是不可缺少的環節，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計數據，還可以結合元器件失效率手冊進行詳細的計算，得出顯性、隱性、安全失效率的數值，要注意的是在者數據計算時，要充分考慮到安全失效分數SFF，同時還要結合故障診斷覆蓋率DC，運用平均失效概率PFD，以這些環節的安全完整性等級的參數為基礎做出正確判定。

4 結束語

之所以重視和強調安全，根本目的是減少事故的發生率，在預期時間內少發生或者不發生事故，從國際電工委員會的規定對安全做了詮釋，認為沒有不可接受的風險，傳統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，但是現代安全問題復雜性較高，由于生產速度較快，對能量質量的要求越來越高，在防范時要采取更加科學有效的方法，形成有效的防范體系是非常必要的。

參考文獻

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

[2]朱明露.功能安全標準在電廠安全系統中的應用研究[J].中國儀器儀表，2015（9）.

[3]侯新建，張翼.火電廠安全相關系統設計[J].電力勘測設計，2015（z2）.