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摘要
需要安全完整性等級(jí)(SIL) 3解決方案的制造商，在使用SIL 2器件時(shí)面臨著多項(xiàng)挑戰(zhàn)。隨著工業(yè)功能安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508第3版的發(fā)布，制造商必須采用新的方法。本文概述了一種能夠克服挑戰(zhàn)以成功實(shí)現(xiàn)SIL 3并加速產(chǎn)品上市的解決方案。
簡(jiǎn)介
過(guò)去幾年，受以下多項(xiàng)因素的驅(qū)動(dòng)，工業(yè)功能安全系統(tǒng)開(kāi)始加速普及：
- 制造商希望使用新的復(fù)雜技術(shù)來(lái)降低成本（例如，使用安全扭矩關(guān)閉而不是再添加一個(gè)接觸器）
- 實(shí)踐證明，使用機(jī)器人（特別是協(xié)作機(jī)器人）可以提高許多工廠車(chē)間的生產(chǎn)率
- 認(rèn)識(shí)到使用安全認(rèn)證設(shè)備可以提高整體可靠性
- 確認(rèn)使用診斷可以提高許多工廠和設(shè)備的產(chǎn)量
- 引入新的安全要求
另一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是對(duì)能源、石油和天然氣行業(yè)提出了嚴(yán)格的要求和監(jiān)管義務(wù)。
在展開(kāi)詳細(xì)討論之前，我們先看一些基本定義，以幫助各類讀者更好地理解本文。
什么是安全？
安全就是指能避免發(fā)生不可接受的風(fēng)險(xiǎn)。例如，工廠車(chē)間內(nèi)未加防護(hù)的旋轉(zhuǎn)機(jī)器就是不安全的。
什么是安全功能？
安全功能是指為實(shí)現(xiàn)或確保安全必須執(zhí)行的操作。安全功能的目的是降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。例如，如果上述旋轉(zhuǎn)機(jī)器的前面安裝了光幕，當(dāng)手穿過(guò)光幕時(shí)，安全功能將會(huì)檢測(cè)到光束中斷，從而在手接觸到旋轉(zhuǎn)機(jī)器之前使其停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
安全功能通常包括三個(gè)子系統(tǒng)。圖1的安全系統(tǒng)用于檢測(cè)危險(xiǎn)液體的液位，并在充滿時(shí)切斷液流。
- 輸入子系統(tǒng)（傳感器，如液位傳感器）用于檢測(cè)值或狀態(tài)
- 邏輯子系統(tǒng)（可編程邏輯控制器(PLC)）用于判斷該狀態(tài)是否危險(xiǎn)
- 輸出子系統(tǒng)（執(zhí)行器）可采取行動(dòng)來(lái)確保安全
圖1.典型安全功能
什么是功能安全？
指系統(tǒng)在需要時(shí)執(zhí)行預(yù)期安全功能的可靠性。它能有效地衡量功能安全工程師對(duì)光束中斷時(shí)光幕和電機(jī)的停機(jī)安全功能會(huì)運(yùn)行的信任度。
如果硬件指標(biāo)（隨機(jī)錯(cuò)誤）、系統(tǒng)能力(SC)和共因失效(CCF)不會(huì)導(dǎo)致安全系統(tǒng)故障、人員傷亡、環(huán)境受損或生產(chǎn)損失，則認(rèn)為該系統(tǒng)功能安全。
除了上述基本安全定義，還需了解設(shè)計(jì)功能安全系統(tǒng)時(shí)必須遵循的一些功能安全標(biāo)準(zhǔn)，及其相關(guān)優(yōu)勢(shì)。
制造商進(jìn)行功能安全開(kāi)發(fā)時(shí)，遵循IEC 61508或ISO 26262等標(biāo)準(zhǔn)，具有以下好處：
- 前期需求更清晰
- 測(cè)試期間較少出錯(cuò)
- 軟件編寫(xiě)保持一致
- 集成過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的缺陷更少
- 測(cè)試更全面
- 現(xiàn)場(chǎng)缺陷更少
- 與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，差異化程度更高
安全標(biāo)準(zhǔn)有很多（見(jiàn)圖2），其中大部分源自工業(yè)IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的是，所有標(biāo)準(zhǔn)的90%到95%要求都與IEC 61508的要求類似。
圖2.安全標(biāo)準(zhǔn)
本文重點(diǎn)介紹針對(duì)工業(yè)應(yīng)用的IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)，特別是如何使用SIL 2器件以相同冗余設(shè)計(jì)SIL 3解決方案。
冗余、高可用性和硬件容錯(cuò)
無(wú)論系統(tǒng)多么可靠，系統(tǒng)最終都會(huì)失效！兩種常見(jiàn)的故障類型是系統(tǒng)性故障和隨機(jī)故障。參見(jiàn)圖3。
圖3.系統(tǒng)性故障和隨機(jī)故障
冗余實(shí)際上是備用或冗余路徑，當(dāng)安全系統(tǒng)中發(fā)生故障時(shí)，它能執(zhí)行預(yù)期的安全功能。值得注意的是，系統(tǒng)具有一定程度的冗余，并不意味著同時(shí)具有高可用性。只有冗余路徑能夠自動(dòng)開(kāi)啟或激活時(shí)，它才具有高可用性。IEC 61508中常用的另一個(gè)術(shù)語(yǔ)是硬件容錯(cuò)(HFT)。HFT為N意味著至少出現(xiàn)N + 1個(gè)故障才可能導(dǎo)致安全功能喪失。需注意一點(diǎn)，不應(yīng)考慮其他可能控制故障影響的措施，例如診斷。HFT是一種有效的手段，可確保硬件能夠抵御故障，同時(shí)允許用戶權(quán)衡HFT和SFF。參見(jiàn)表1。
表1.硬件容錯(cuò)
安全完整性等級(jí)
SIL描述了安全功能的完整性及其提供的降風(fēng)險(xiǎn)能力的相對(duì)水平。IEC 61508規(guī)定了四級(jí)SIL，SIL 1的安全完整性等級(jí)最低，SIL 4的安全完整性等級(jí)最高。表2比較了工業(yè)IEC 61508安全等級(jí)(SIL)、汽車(chē)(ISO 26262)安全等級(jí)(ASIL)和航空電子安全等級(jí)。請(qǐng)注意，這些只是近似比較。
表2.各種SIL等級(jí)
隨著SIL等級(jí)的提高（從SIL 1到SIL 4），允許的故障率(FIT)依次降低。1 FIT相當(dāng)于每運(yùn)行十億(1e9)小時(shí)發(fā)生一次故障。1e9小時(shí)約為10萬(wàn)年！有一點(diǎn)要注意，沒(méi)有任何設(shè)備能夠持續(xù)運(yùn)行10億小時(shí)，但如果100,000臺(tái)設(shè)備運(yùn)行一年，在此期間可能會(huì)出現(xiàn)一次隨機(jī)硬件故障。安全失效比率(SFF)是檢測(cè)到的安全加危險(xiǎn)故障總數(shù)與安全功能中的故障總數(shù)之比。
表3顯示了硬件容錯(cuò)為零(HFT = 0)時(shí)安全失效比率(SFF)和SIL之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
表3.SIL和SFF
問(wèn)題/現(xiàn)有解決方案
對(duì)于許多采用功能安全的設(shè)計(jì)人員而言，尤其是使用IC進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，問(wèn)題在于獲得認(rèn)證可能很困難且成本高昂，而且還存在非?，F(xiàn)實(shí)的不合規(guī)風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)人員必須創(chuàng)建系統(tǒng)級(jí)FMEDA，并且必須將ASIC視為黑匣子，因?yàn)樗麄儾恢溃?/p>
- 晶體管數(shù)量
- 內(nèi)部故障機(jī)制
- 布局塊大小
- IC的可靠性
因此，為了實(shí)現(xiàn)總體SIL目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員在FIT計(jì)算中必然會(huì)過(guò)于保守，在安全系統(tǒng)的其他部分中也會(huì)過(guò)度確保安全。這通常意味著需要使用外部診斷，例如外部ADC。這樣做的問(wèn)題是：
- 更加昂貴(BOM)
- 尺寸更大
- 更加復(fù)雜
- 系統(tǒng)軟件存在額外開(kāi)銷
- 開(kāi)發(fā)時(shí)間更長(zhǎng)
除了這些問(wèn)題，新版IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)（第3版）的推出進(jìn)一步加大了困難。
IEC 61508第3版
IEC 61508第3版目前計(jì)劃的變更包括：明確警告慎用片內(nèi)診斷來(lái)檢測(cè)同一芯片上的故障，除非IC是按照IEC 61508開(kāi)發(fā)的。它還計(jì)劃包括類似于汽車(chē)ISO 26262潛在故障指標(biāo)的要求。除了針對(duì)診斷功能的SFF之外，診斷電路也會(huì)有SC要求。
ADFS5758：率先通過(guò)認(rèn)證的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器 ADFS5758 是一款單通道、16位電流輸出DAC，集成動(dòng)態(tài)功率控制(DPC)，具有內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和眾多片內(nèi)診斷功能。 圖4顯示了其功能框圖。
ADFS5758的診斷/安全措施
- 主要片內(nèi)診斷功能由ADC提供；如前所述，IEC 61508第3版計(jì)劃澄清，一般不允許使用片內(nèi)診斷來(lái)檢測(cè)片內(nèi)故障，除非IC是按照IEC 61508開(kāi)發(fā)的
- 檢查有無(wú)有效的讀/寫(xiě)地址
- ECC校正
- 看門(mén)狗定時(shí)器
- 鎖定配置寄存器的能力
- 內(nèi)部偏置電壓監(jiān)視器
- 溫度監(jiān)控器
旨在滿足以下要求：
- 工業(yè)工廠自動(dòng)化
- 過(guò)程控制應(yīng)用
- 高密度小尺寸PLC模擬I/O卡
安全功能：
接收數(shù)字輸入碼，產(chǎn)生精度在±2.5%滿量程范圍(FSR)內(nèi)的輸出電流。
根據(jù)IEC 61508開(kāi)發(fā)：
- 硬件指標(biāo)達(dá)到SIL 2
- 系統(tǒng)要求達(dá)到SIL 3
圖5是ADFS5758的TUV Rheinland功能安全證書(shū)副本。
圖4.ADFS5758框圖
圖5.ADFS5758功能安全證書(shū)
圖6顯示使用ADFS5758的典型安全應(yīng)用。
圖6.使用ADFS5758的典型應(yīng)用
為使系統(tǒng)滿足SIL要求，硬件指標(biāo)（也稱為架構(gòu)約束）和SC都必須滿足SIL目標(biāo)。
架構(gòu)約束
從硬件指標(biāo)的角度看，并行放置兩個(gè)SIL 2元件（相同或不同）可以讓客戶實(shí)現(xiàn)更高的SIL 3等級(jí)。參見(jiàn)圖7。
圖7.使用兩個(gè)SIL 2元件實(shí)現(xiàn)硬件指標(biāo)達(dá)到SIL 3的解決方案
系統(tǒng)能力
冗余可以通過(guò)多樣化（不同）元件或相同元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
相同元件
使用具有同樣SC的相同元件并不能改善整體系統(tǒng)能力，因?yàn)樗鼈內(nèi)菀壮霈F(xiàn)相同的類似CCF的溫度峰值或壓降，并且同一故障可能會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)元件同時(shí)失效。參見(jiàn)圖8。
圖8.使用相同元件不會(huì)提高系統(tǒng)能力
不同元件
在冗余配置中使用不同的元件可以提高整體系統(tǒng)能力。參見(jiàn)圖9。
圖9.使用不同元件可以提高系統(tǒng)能力
由于兩個(gè)元件不相同，所以同一故障不太可能使兩個(gè)元件同時(shí)失效。
但在安全系統(tǒng)中使用不同元件時(shí)，相應(yīng)的設(shè)計(jì)導(dǎo)入和測(cè)試工作量會(huì)顯著增加，因此這種方法可能成本較高。
理想方法是使用兩個(gè)相同元件來(lái)同時(shí)滿足功能安全要求的整體能力和隨機(jī)/硬件指標(biāo)。
開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)能力比SIL高一級(jí)的重要性：相同冗余
如果系統(tǒng)中可以采用某個(gè)元件，并且該系統(tǒng)是按照比元件的SIL高一個(gè)等級(jí)的系統(tǒng)能力開(kāi)發(fā)的，則可以在安全系統(tǒng)中使用兩個(gè)相同元件來(lái)提供冗余，并提高整體系統(tǒng)能力。示例參見(jiàn)圖10。
圖10.使用相同冗余實(shí)現(xiàn)SIL 3的示例
ADFS5758是按照比硬件指標(biāo)高一級(jí)的系統(tǒng)能力開(kāi)發(fā)的，因此，即使它在硬件指標(biāo)或隨機(jī)故障方面只通過(guò)了SIL 2認(rèn)證，也可使用它來(lái)設(shè)計(jì)SIL3模擬輸出模塊。
結(jié)語(yǔ)
在安全系統(tǒng)中使用經(jīng)過(guò)認(rèn)證的ADFS5758可帶來(lái)許多優(yōu)勢(shì)：
- 風(fēng)險(xiǎn)更小：滿足TüV要求
- 可以使用片內(nèi)診斷（ADC和分布式診斷）
- 解決方案尺寸更小/給定空間中通道更多（由于使用集成ADC）
- 僅需少量外部元件（可靠性更高）
- 針對(duì)性的診斷（檢測(cè)時(shí)間更短，覆蓋率更高）
- 為系統(tǒng)級(jí)工程師提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)(FMEDA)
- 系統(tǒng)軟件的開(kāi)銷更少（軟件中的診斷更少）
- 提供針對(duì)假設(shè)環(huán)境的可靠性分析
- 縮短客戶的開(kāi)發(fā)時(shí)間
- 提供相關(guān)文件（安全手冊(cè)和TüV評(píng)估報(bào)告）
- 適應(yīng)未來(lái)的IEC 61508第3版標(biāo)準(zhǔn)
除了上述優(yōu)勢(shì)之外，ADFS5758還允許使用SIL 2器件以相同冗余設(shè)計(jì)SIL 3解決方案。
