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如何進(jìn)行產(chǎn)品SIL設(shè)計(jì)

2021-05-17

　　SIL即安全完整性等級(jí)，是英文Safety integrity level的簡稱。SIL認(rèn)證，是國際上公認(rèn)的一種功能安全認(rèn)證，是根據(jù)國際電工委員會(huì)IEC頒布的功能安全標(biāo)準(zhǔn)《IEC61508—E/E/PE安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》（其對(duì)應(yīng)的國標(biāo)為《GB/T20438》）中對(duì)相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行安全考核的認(rèn)證要求，該標(biāo)準(zhǔn)的基本原理是用基于風(fēng)險(xiǎn)的方法，按部就班地實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)降低的目標(biāo)。通常需要做SIL認(rèn)證的產(chǎn)品都是使用在可能對(duì)人、環(huán)境或財(cái)產(chǎn)造成較高危害的場(chǎng)合。
　　近些年，隨著針對(duì)石油、化工、醫(yī)藥、核工業(yè)、鐵路、軌道交通類等設(shè)備安全控制的要求，國家正積極引入SIL功能安全的理念，要求這類產(chǎn)品的安全性能達(dá)到一定的規(guī)范，與歐盟等發(fā)達(dá)國家的安全要求一致，等同采用IEC61508標(biāo)準(zhǔn)的中國國家安全標(biāo)準(zhǔn)GB/T20438于2007年1月1日正式實(shí)施。隨著功能安全標(biāo)準(zhǔn)的影響逐漸擴(kuò)大，功能安全認(rèn)證在我國也越來越受到重視。
　　那么，產(chǎn)品怎樣設(shè)計(jì)才能通過功能安全完整性認(rèn)證即SIL認(rèn)證呢？
　　第一，安全相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)的差異，在于確保產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)滿足規(guī)定的安全功能和安全完整性要求。SIL設(shè)計(jì)的基本原則之一，就是根據(jù)E/E/PES安全要求規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析確定SIL的方法，確定的SIL就是E/E/PE設(shè)計(jì)時(shí)要求實(shí)現(xiàn)的安全完整性目標(biāo)。SIL設(shè)計(jì)的基本原則之二，就是采取必要的技術(shù)與措施保證要求的安全完整性。
　　第二，對(duì)硬件結(jié)構(gòu)約束的要求，硬件安全完整性的安全功能所聲明的最高安全完整性等級(jí)，須同時(shí)滿足硬件故障裕度和安全失效分?jǐn)?shù)要求。在IEC61508中規(guī)定，對(duì)于A、B類安全相關(guān)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)約束如下表：

硬件安全完整性：A類安全相關(guān)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)約束

安全失效分?jǐn)?shù) （SFF）	硬件故障裕度
安全失效分?jǐn)?shù) （SFF）	0	1	2
＜60%	SIL1	SIL2	SIL3
60%～＜90%	SIL2	SIL3	SIL4
90%～＜99%	SIL3	SIL4	SIL4
≥99%	SIL3	SIL4	SIL4

硬件安全完整性：B類安全相關(guān)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)約束

安全失效分?jǐn)?shù) （SFF）	硬件故障裕度
安全失效分?jǐn)?shù) （SFF）	0	1	2
＜60%	不允許	SIL1	SIL2
60%～＜90%	SIL1	SIL2	SIL3
90%～＜99%	SIL2	SIL3	SIL4
≥99%	SIL3	SIL4	SIL4

　　第三，危險(xiǎn)失效硬件失效概率的要求，需要使用FMEDA分析估算平均要求時(shí)危險(xiǎn)失效概率PFD和平均每小時(shí)危險(xiǎn)失效概率PFH，該概率應(yīng)該等于或者低于安全要求規(guī)范中規(guī)定的目標(biāo)失效量。下表為低要求模式、高要求模式或連續(xù)要求模式下安全功能目標(biāo)失效量。

安全完整性等級(jí) （SIL）	安全功能在要求時(shí)的危險(xiǎn)失效平均概率PFD	安全功能的每小時(shí)危險(xiǎn)失效平均頻率PFH
4	≥10^-5～＜10^-4	≥10^-9～＜10^-8
3	≥10^-4～＜10^-3	≥10^-8～＜10^-7
2	≥10^-3～＜10^-2	≥10^-7～＜10^-6
1	≥10^-2～＜10^-1	≥10^-6～＜10^-5

　　第四，故障檢測(cè)要求：需要認(rèn)真分析故障檢測(cè)時(shí)對(duì)系統(tǒng)行為的要求，以避免系統(tǒng)危險(xiǎn)失效導(dǎo)致事故。
　　在硬件故障裕度大于零的子系統(tǒng)中，對(duì)檢測(cè)出的危險(xiǎn)故障應(yīng)采?。?）某個(gè)規(guī)定的動(dòng)作以達(dá)到或維持安全狀態(tài)；或者2）隔離子系統(tǒng)的故障部分，以保證EUC繼續(xù)安全工作，同時(shí)修理故障部分。如果在計(jì)算隨機(jī)硬件失效概率時(shí)設(shè)定的平均恢復(fù)時(shí)間（MRT）內(nèi)未完成修理，則應(yīng)采取某一規(guī)定的動(dòng)作以達(dá)到或維持安全狀態(tài)。
　　在硬件故障裕度等于零的子系統(tǒng)中，對(duì)檢測(cè)出的危險(xiǎn)故障應(yīng)采?。?）某個(gè)規(guī)定的動(dòng)作以達(dá)到或維持安全狀態(tài)；或者2）如果在計(jì)算隨機(jī)硬件失效概率時(shí)設(shè)定的平均恢復(fù)時(shí)間（MRT）內(nèi)維修故障子系統(tǒng)。在此期間內(nèi)，EUC的連續(xù)安全應(yīng)通過附加措施和約束來保證。
　　第五，在設(shè)計(jì)和開發(fā)活動(dòng)中，應(yīng)考慮可維護(hù)性和可測(cè)試性，以便在最終的E/E/PE安全相關(guān)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)這些屬性。所有接口的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)良好的人員操作習(xí)慣并應(yīng)適合操作者的認(rèn)知能力。安全相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)基本原則，是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)操作者和維護(hù)人員所犯的可預(yù)見的致命失誤有充分認(rèn)識(shí)，只要有可能都應(yīng)能通過設(shè)計(jì)來防止和消除，或者在完成該動(dòng)作之前對(duì)這些動(dòng)作進(jìn)行二次確認(rèn)。
　　第六，軟件SIL分為4個(gè)等級(jí)，SIL等級(jí)越高，軟件的質(zhì)量管理體系與安全生命周期的嚴(yán)格程度要求就越高。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先根據(jù)SIL要求確定軟件結(jié)構(gòu)，不同的軟件結(jié)構(gòu)適合不同的SIL要求。進(jìn)行軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要定義軟件的主要組件和子系統(tǒng)。進(jìn)行軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)安全完整性等級(jí)要求選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)與措施，包括適當(dāng)?shù)木幊陶Z言、采用已認(rèn)證的工具、已認(rèn)證的翻譯器等，以保證詳細(xì)設(shè)計(jì)和開發(fā)滿足軟件要求的SIL。詳細(xì)設(shè)計(jì)和開發(fā)，應(yīng)在軟件安全要求規(guī)范、軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的描述和軟件安全確認(rèn)計(jì)劃等三份文件的基礎(chǔ)上開展。開發(fā)的軟件應(yīng)具有模塊化、可測(cè)試性與安全修改的能力。源代碼應(yīng)可讀、可理解和可測(cè)試，滿足安全計(jì)劃編制中規(guī)定的所有相關(guān)要求。每一軟件代碼模塊應(yīng)復(fù)審。每一軟件模塊應(yīng)根據(jù)規(guī)定進(jìn)行測(cè)試，以確定每一模塊執(zhí)行其預(yù)定功能而不執(zhí)行非預(yù)定功能。所有模塊測(cè)試結(jié)果應(yīng)文檔化。
　　隨著國家對(duì)安全生產(chǎn)的重視，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能安全評(píng)估的需求也越來越強(qiáng)烈。計(jì)為自動(dòng)化致力于功能安全產(chǎn)品的生產(chǎn)，對(duì)新產(chǎn)品的研發(fā)，嚴(yán)格遵循GB/T20438功能安全標(biāo)準(zhǔn)的理念，從一開始就按照功能安全產(chǎn)品的全生命周期要求，對(duì)產(chǎn)品的危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，提出整體的安全需求，編制安全計(jì)劃，嚴(yán)格按照安全需求設(shè)計(jì)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)E/E/PE安全相關(guān)系統(tǒng)，并進(jìn)行安全調(diào)試和安全確認(rèn)，對(duì)后期維護(hù)都將灌入SIL的思想。計(jì)為自動(dòng)化Ring-11音叉液位開關(guān)產(chǎn)品也于近日通過了北京機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所安全中心SIL評(píng)估并取得了證書，極大地增強(qiáng)客戶對(duì)產(chǎn)品的信心，提升了產(chǎn)品的競爭力和企業(yè)的知名度，有利于企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
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（深圳計(jì)為自動(dòng)化技術(shù)有限公司市場(chǎng)部2021年5月17日發(fā)布）

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