功能安全技术讲座第四讲安全相关系统SIL设计的要求_冯晓升

图 １ 表示进行 ＳＩＬ 设计时为达到要求的安全完整 性 ，必 须 考 虑 的 所 有 要 求 。以 后 各 章 会 分 别 予 以 介 绍 。
图 １ 安全完整性与各要求之间的关系
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Control Tech of Safety & Security
４） Ｅ ／ Ｅ ／ Ｐ Ｅ 安 全 相 关 系 统 对 共 同 原 因 失 效 的 敏 感 性；
５） 诊 断 测 试 的 诊 断 覆 盖 率 和 相 关 的 诊 断 测 试 间 隔；
６） 用 来 揭 露 未 被 诊 断 测 试 检 测 到 的 危 险 故 障 而 执 行 检 验 测 试 的 间 隔；
第四讲 安全相关系统 ＳＩＬ 设计的要求
Chapter 4: The Requirements of the Design of E/E/PES 冯晓升
（ 机 械 工 业 仪 器 仪 表 综 合 技 术 经 济 研 究 所 ，北 京 市 １０００５５） Feng X iaosheng
(Instrumentation Technology & E conomy In stitute, B eijing 100 055) 【 摘 要 】 主 要 讲 述 进 行 电 气 ／ 电 子 ／ 可 编 程 电 子 安 全 相 关 系 统 的 ＳＩＬ（ 安 全 完 整 性 等 级 ）设 计 时 需 要 满 足
２ 硬 件 安 全 完 整 性 结 构 约 束 的 要 求 此 要 求 对 应 图 １ 的“ 结 构 约 束 ”框 图 。 硬件安全完整性的安全功能所声明的最高安全完
整 性 等 级 ，受 限 于 硬 件 故 障 裕 度 和 执 行 该 安 全 功 能 的 子 系 统 的 安 全 失 效 分 数 。在 ＩＥＣ ６１５０８ 中 规 定 ，对 于 Ｂ 类安全相关子系统的结构约束如表 １。
ｂ） 故 障 状 况 下 子 系 统 的 行 为 不 能 完 全 确 定；或
ｃ） 通 过 现 场 经 验 获 得 的 可 靠 性 数 据 不 够 充 分 ，不 足 以 显 示
出满足所声明的检测到的和未检测到的危险失效的失效率。
３ 危 险 失 效 硬 件 失 效 概 率 的 要 求 此 要 求 对 应 图 １ 的“ 随 机 失 效 ”框 图 。 需要估算由于随机硬件失效引起安全功能失效的
也 可 能 改 变 。可 以 应 用 的 建 模 方 法 很 多 ，选 择 最 恰 当 的 方 法 是 分 析 员 的 事 ，要 依 赖 于 具 体 情 况 ，可 采 用 的 方 法 包 括：因 果 图 分 析 、故 障 树 分 析 、马 尔 可 夫 模 型 、 可靠性框图等。 ４ 故 障 检 测 要 求
表 １ 硬件安全完整性：Ｂ 类安全相关子系统的结构约束
安全失效分数
硬件故障裕度（ＨＦＴ）
（ Ｓ Ｓ Ｆ ）
０
１
２
＜６０％
不 允 许
ＳＩＬ１
ＳＩＬ２
６０％～＜９０％
ＳＩＬ１
ＳＩＬ２
ＳＩＬ３
９０％～＜９９％
ＳＩＬ２
ＳＩＬ３
ＳＩＬ４
≥ ９９％
ＳＩＬ３
ＳＩＬ４Ｎ＋１ 个故障将导致安全功能的
丧失。
注 ２：子 系 统 的 安 全 失 效 分 数 是 子 系 统 的 平 均 安 全 失 效 率 加
检测到的平均危险失效率与子系统总平均失效率之比。
注 ３：满 足 以 下 条 件 ，子 系 统 可 被 视 为 Ｂ 类：
ａ） 至 少 一 个 组 成 部 件 的 失 效 模 式 未 被 很 好 地 定 义；或
的特殊要求。 【 关 键 词 】 电 气 ／ 电 子 ／ 可 编 程 电 子 安 全 完 整 性 等 级
Abstract: T he paper introduced the requirem ents of the design of E /E /P E S. Key words: E /E /P E S SIL
术 与 措 施 保 证 要 求 的 安 全 完 整 性 。为 了 实 现 安 全 完 整 性 ，必 须 同 时 满 足 Ｅ／Ｅ／ＰＥＳ 的 随 机 安 全 完 整 性 要 求 与 系 统 安 全 完 整 性 要 求 ，因 为 随 机 失 效 主 要 是 硬 件 的 随 机 失 效 。因 此 ，分 析 时 ，只 提 随 机 安 全 完 整 性 就 简 化 为 硬 件 安 全 完 整 性 。故 障 检 测 会 影 响 系 统 的 行 为 ，因 此 ，它 与 硬 件 以 及 系 统 的 安 全 完 整 性 都 相 关 。
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４） 验 证 和 确 认 。 为保证 Ｅ／Ｅ／ＰＥ 安全相关系统的安全完整性能保 持 在 所 需 的 等 级 ，在 设 计 阶 段 就 应 将 维 护 要 求 规 范 化 。 如 适 用 ，应 使 用 自 动 测 试 工 具 和 集 成 开 发 工 具 。设 计 期 间 ，应 编 制 Ｅ／Ｅ／ＰＥＳ 的 集 成 测 试 计 划 。编 制 测 试 计 划 的 文 档 应 包 括： １） 所 执 行 测 试 的 类 型 和 所 遵 循 的 规 程； ２） 测 试 环 境 、工 具 、配 置 和 程 序； ３） 测 试 是 否 通 过 的 准 则 。 设 计 期 间 ，根 据 开 发 者 提 出 的 前 提 条 件 可 执 行 的 那 些 活 动 ，应 该 与 在 用 户 立 场 上 所 要 求 的 活 动 加 以 区 分。 ６ 系 统 故 障 控 制 的 要 求 此 要 求 对 应 图 １ 中 的“ 故 障 控 制 ”框 图 。本 条 要 求 不 适 用 于 满 足“ 经 使 用 证 实 ”要 求 的 子 系 统 。 为控制系统故障，Ｅ／Ｅ／ＰＥＳ 的设计特点应使得 Ｅ／Ｅ／ＰＥ 安全相关系统能容许： １） 如 果 不 能 排 除 硬 件 设 计 故 障 的 可 能 性 ，硬 件 中 的 任 何 残 余 设 计 故 障； ２） 环 境 应 力 ，包 括 电 磁 干 扰； ３） ＥＵＣ 操作员造成的失误； ４） 软 件 中 的 任 何 残 余 设 计 故 障 ； ５） 任 何 数 据 通 信 过 程 中 产 生 的 错 误 和 其 它 影 响 。 在设计和开发活动中应考虑可维护性和可测试性， 以 便 在 最 终 的 Ｅ／Ｅ／ＰＥ安 全 相 关 系 统 中 实 现 这 些 属 性 。 Ｅ／Ｅ／ＰＥ 安全相关系统的设计应充分考虑人员的能力 和 局 限 性 ，并 应 适 合 分 配 给 操 作 者 和 维 护 人 员 的 行 动 。 所有接口的设计应根据良好的人员操作习惯并应适合 操作者的认知能力和培训水平。 安 全 相 关 系 统 设 计 的 一 个 基 本 原 则 ，是 设 计 时 应 对操作者和维护人员所犯的可预见的致命失误有充分 认 识 ，只 要 有 可 能 都 应 能 通 过 设 计 来 防 止 和 消 除 ，或 者在完成该动作之前对这些动作进行二次确认。 ７ 设 备 “ 经 使 用 证 实 ” 的 证 据 此 要 求 对 应 图 １的“ 经 使 用 证 实 ”框 图 。ＩＥＣ ６１５０８ 制 定 时 ，充 分 考 虑 了 当 前 安 全 控 制 系 统 应 用 现 状 ，对 于 有 充 分 证 据 证 明 是 安 全 的 设 备 及 系 统 ，特 别 提 出 了 本条要求。 对 于 以 往 开 发 的 子 系 统 ，只 有 在 功 能 性 规 定 明 确 、 有充分文档依据表明子系统的具体配置此前确实应用 过（ 使 用 时 的 所 有 失 效 记 录 均 登 记 在 册 ）以 及 考 虑 过 任 何 所 需 的 附 加 分 析 和 测 试 时 ，才 能 被 认 为 是 经 使 用 证实的子系统。文档依据应显示 Ｅ／Ｅ／ＰＥ 安全相关系 统子系统的任何失效（由随机硬件和系统故障造成） 的 可 能 性 足 够 低 ，可 以 达 到 使 用 子 系 统 的 安 全 功 能 所 需的安全完整性等级。 为了确定任何未被检测到的系统故障的可能性足 够 低 ，可 以 达 到 使 用 子 系 统 的 安 全 功 能 所 需 的 安 全 完
概 率 。该 概 率 应 该 等 于 或 者 低 于 安 全 要 求 规 范 中 规 定 的目标失效量。
估算由于随机硬件失效造成的每个安全功能的失 效 概 率 应 考 虑 以 下 因 素：
１） 与 所 考 虑 的 每 个 安 全 功 能 相 关 的 Ｅ／Ｅ／ＰＥ 安 全 相 关 系 统 的 结 构；
此 要 求 对 应 图 １ 的“ 故 障 检 测 ”框 图 。需 要 认 真 分 析 故 障 检 测 时 对 系 统 行 为 的 要 求 ，以 避 免 系 统 危 险 失效导致事故。
在 硬 件 故 障 裕 度 大 于 零 的 子 系 统 中 ，对 检 测 出 的 危 险 故 障（ 通 过 诊 断 测 试 ，检 验 测 试 或 其 它 方 法 ）应 采取：
７） 对 已 检 测 到 的 失 效 的 修 理 时 间； ８） 任 何 数 据 通 信 过 程 中 未 检 测 到 的 失 效 的 概 率 。 对于每个安全功能，将 Ｅ／Ｅ／ＰＥ 安全相关系统的 可 靠 性 分 开 进 行 量 化 是 十 分 必 要 的 ，因 为 使 用 了 不 同 的部件失效模式，并且 Ｅ／Ｅ／ＰＥＳ 的结构（根据冗余）
安全控制技术
［ 编 者 按 ］ 本 刊“ 安 全 控 制 技 术 ”栏 目 自 ２００５ 年 开 设 以 来 ，得 到 了 广 大 读 者 的 广 泛 关 注 与 大 力 支 持 。今 年 除 了 继 续 刊 登 这 方 面 的 优 秀 技 术 文 章 外 ，还 特 别 增 设 一 个 板 块“ 功 能 安 全 技 术 系 列 讲 座 ”，共 六 讲 ，分 别 刊 登 在 第 一 期 至 第 六 期 ，从 功 能 安 全 的 基 本 概 念 、方 法 、技 术 等 各 方 面 逐 一 深 入 讲 解 ，使 大 家 对 功 能 安 全 有 一 个 全 面 了 解 。主 讲 人 是 全 国 工 业 过 程 测 量 和 控 制 标 准 化 技 术 委 员 会 主 任 委 员 、机 械 工 业 仪 器 仪 表 综 合 技 术 经 济 研 究 所 副 所长冯晓升教授。