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1、IEC61508和 IEC61511标准的功能安全性分析方法及工程应用1、背景介绍IEC 61508 和 IEC 61511 提出了一种基于风险的方法来识别和规定安全仪表功能（SIF ）的性能要求。 也是当前石油工业系统等行业采用较多的功能安全性分析标准。为了达到我们所需的风险降低要求，通常情况下企业会实施安全仪表系统（SIS ）和其他类型系统的安全分析、评估工作。一般情况下，我们需要在安全要求规范（SRS ）中描述 SIFs的安全要求。例如功能关闭、 紧急关闭、防火或气体功能等的SIFs安全要求。这些功能的 SIFs安全要求可以通过典型的因果关系图、 可靠性数据验证与评估等手段得到的按需失效
2、概率（ PFD）来确定。根据 PFD，即可确定系统的安全完整性等级（SIL ） 。本文以石油工业系统的PSD关断功能为例，介绍按需失效概率（PFD）的确定过程。石油工业系统的 PSD （工艺关断）关断功能由 PSD逻辑单元、容器以及 XV1、XV2、XV3、XV4 等阀门组成。原料的进料受XV1 阀门控制，并流入容器内。原料经过容器处理后产生的气体由XV3 阀门控制并输出，处理后产生的液体由 XV4阀门控制并输出。如下图1 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页
3、，共 8 页 - - - - - - - - - 图 1 PSD 关断功能图根据 PSD关断功能安全要求， 如果其 SIL等级要求为 1 级，PFD 要求值是小于 0.02。为分析该系统的 PSD 关断功能是否满足安全要求，需要建立该 PSD关断功能的安全性模型。根据上面PSD 关断功能图可知， PSD 关断功能的重要作用是正常或者应急情况下关断设备，保证系统的安全。 PSD设备关断的功能流程如下：PSD 系统接收和处理信号（例如来自ESD或者 PSD指示信号）后，激活XV1、XV2、XV3 和 XV4 阀的关闭，以隔离容器。例如PSD关断功能中的重要一个功能场景是：火炬分液罐中的LAHH（高
4、液位警报）关断。火炬分液罐中的LAHH 关断要求可关闭容器的进料， 因此通常需要关闭相关装置或入口分离器的入口管线。由于通常很难检测出具体过量进料供给的来源，火炬分液罐中的LAHH 通常会通过 PSD 系统和可能的 ESD 系统启动全局关闭功能，以提高功能的可靠性，如图2 所示。由图 2 可知，火炬分液罐中的LAHH 关断可通过 PSD系统、 ESD 系统或两者综合执行，且该功能是从检测高电平开始，以PSD/ESD名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 -
5、 - - - - - - - - 逻辑的信号确认结束。根据以上分析，我们可以得知PSD关断功能的 LAHH 的安全状态要求：（1）该功能的安全状态是PSD 或 ESD逻辑单元的关断确认信号（2）此功能断电至安全状态， 即断电或信号丢失时， 向分液罐的进料将自动隔离，过程将进入安全状态。图 2 PSD 关断功能的LAHH 功能示意图为分析 PSD关断功能的 LAHH 等是否能够满足SIL 1的要求，本文在构建相应安全性模型基础上，借助可靠性框图、概率风险评价等手段，量化分析、评估该功能是否能够达到SIL 1的安全要求。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - -
6、- - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 - - - - - - - - - 2 安全性建模与评估2.1 安全性建模PSD关断功能的 LAHH 的安全性模型与LT （液位变送器）单元、输入单元、CPU 单元、输出单元有关。使用PosVim 软件工具，根据该功能的故障逻辑关系建立安全性模型。建立安全性模型过程中，需要使用到相关的基础数据。其中，可靠性基础数据来源于 PDS、OREDA 手册，诊断覆盖率通过PosVim 工具的 FMEDA 模块计算得，模型结构以及各节点的参数如表1、图 3 所示。表 1 中，T1 为检测周期， D 是危险
7、故障率， DC 是诊断覆盖率， MRT是平均修复时间， MTTR是平均恢复时间。表 1 LAHH 功能可靠性模型节点及参数单元结构类型模型参数LT单元（ PSD）1oo1 T1=12月，D=1e-6 ， DC=0.6 ，MRT=2H ，MTTR=3H 输入单元（ PSD）1oo1 T1=12 月，D=0.16e-6 ，DC=0.6， MRT=2H ，MTTR=3H CPU 单元（ PSD）1oo2 T1=12 月，D=0.48e-6 ，DC=0.6， MRT=2H ，MTTR=3H 输出单元（ PSD）1oo1 T1=12 月，D=0.16e-6 ，DC=0.6， MRT=2H ，MTTR=3
8、H LT单元（ ESD）1oo1 T1=12月，D=1e-6 ，DC=0.6 ， MRT=2H ，MTTR=3H 输入单元（ ESD）1oo2 T1=12 月，D=0.16e-6 ，DC=0.6， MRT=2H ，MTTR=3H CPU 单元（ ESD）1oo2 T1=12 月，D=0.48e-6 ，DC=0.6， MRT=2H ，MTTR=3H 输出单元（ ESD）1oo2 T1=12 月，D=0.16e-6 ，DC=0.6， MRT=2H ，MTTR=3H 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - -
9、 - - - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - 图 3 LAHH 功能的可靠性框图图 4 建立的 LAHH 功能可靠性框图2.2 共模组的模型建立由于 LT 、输入单元、 CPU 单元、输出单元等都存在冗余（1oo2 ）结构的情况，因此，需要建立这些单元的共模节点模型。其中， CPU 冗余单元、输入、输出单元的因子设置为5%，LT 的因子为10%。PSD逻辑ESD逻辑名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - -
10、- - - - - 图 5 LAHH 功能的共模节点建模2.3 结果分析与评估根据计算结果可知，系统可靠度概率为0.99924 ，PFD=7.6E-4。由此可知，该功能满足 SIL1 的安全性要求。为更深入了解系统内部各部件之间的可靠性关系、功能安全影响关系，以及人的操作等外部事件对于整个系统的安全影响，本文使用 PosVim 工具的模型驱动的安全性分析功能，创建了PSD 关断系统的模型，分析应急关断（及前述分析的 PSD关断功能）、气体输出、液体输出等功能的安全性。通过输出的概率风险评价结果、事故场景分析结果、事件树分析结果，可以全面了解 PSD关断系统的各环节、各事件对于系统的安全性影响。
11、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - - - - - - 图 6 PSD 关断功能模型图 7 PSD 关断功能的概率风险评价（PRA）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - 图 8 PSD 关断功能的事故场景模型及分析图 9 PSD 关断功能的事件树模型及分析图 10 PSD 关断功能的故障仿真与验证名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 8 页 - - - - - - - - -