基于功能安全标准的安全仪表系统可靠性评估软件.docx

基于功能安全标准的安全仪表系统可靠性评估软件庄腾宇，李玉明，姜巍巍，李荣强（中国石化安全工程研究院，山东青岛266071）摘要 ： 介绍了以功能 安 全 国 际 标 准IEC61508 和 IEC61511 工 程 应 用 要 求 为 依 据 ，集 安 全 仪 表 系统的安全仪表功能安全完整性等级 （SIL）分 配 、安 全 要 求 规 范（SR S）制 定 、SIL 验 证 、可靠性数据管理等多功能为一体的安全仪表系统 可靠性专用评估软件。关键词：安全仪表系统 安全完整性等级 可 靠性评估软件1 评估软件结构在安全生命周期中需要重点关注两个问题。第一，对于安全仪表系统来说，安全完整性等级应 该达到什么程度？第二，安全仪表系统的设计是否 达到了该系统应达到的安全完整性等级？这两个 问题其实就是安全仪表功 能安全完整性等级 （SIL）的选择以及验证过程。目前常用的 SIL 选择方法有风险矩阵法、风 险图法以及保护层分析法（LOPA）。三者均基于分类的方法既可以进行定量的分类，也可以进行定性的分类。关于 SIL 验证，由于 IEC61508 是 一种基于性能的国际标准，因此它注重的是 SIL 验证的结果，并没有限定 SIL 验证的方法。基于这种思想，在开发的评估软件中安全仪 表功能（SIF）选择方法设定了风险矩阵、风险图、LOPA 3 种；而 SIL 验证方法设定了可靠性框图、马尔可夫模型、故障树 3 种。用户在评估软件中可 以建立不同的工程项目，并且每个工程项目可以等同采用 IEC61508、IEC61511 的国家 标 准GB/T20438电气 / 电子 / 可编程电子安全相关系 统的功能安全、GB/T21109 过程工业领域安全仪表系统的功能安全 已于 2007 年开始实施，国 家标准 石油化工安全仪表系统设计规范 报批稿也已经完成，有望 2011 年发布实施。按照功能安全标准的要求，安全仪表系统在 其安全生命周期内，需要进行过程危险和风险分析、安全仪表功能安全完整性等级确定、安全要 求规范制定、安全完整性等级验证等相关工作。中国石化安全工程研究 院在充分消化吸收 IEC61508 与 IEC61511 两个标准的基础上，总结 相关课题和项目的经验，自主开发了安全仪表系 统可靠性评估软件。26SAFETY HEALTH & ENVIRONMENT收稿日期：2011- 06- 17 作者简介：庄腾宇，助理工程师，2009 年毕业于 天津工业大学，现在中国石化安全工程研究院 从事过程功能安全工作。安 全 技 术庄腾宇,等.基于功能安全标准的安全仪表系统可靠性评估软件2011 年第 11 卷第 8 期有任意数量的 SIF。针对每个 SIF，可进行 SIL 选择、安全要求规范（SRS）制定、SIL 验证，用来实现 一套完整的评估以及验证过程。评估软件的项目评估流程如图 1 所示。的项目；对项目进行添加、删除、修改等。2.2 SIF 管理 针对不同的危险事件，对项目涉及到的安全功能进行分配，辨识并定义 SIF，建立每一个 SIF的信息档案，如名称、编号、所属的 PID 图、实现 的功能、物理结构等。2.3 风险图确定 SIF 的 SIL风险图法是通过危险与风险分析进行 SIL 选 择的最常用方法之一，是一种半定量的方法。本软件可实现：风险图参数校正功能；针对人身伤害的SIL 选择功能；针对环境破坏的环境完整性等级（EIL）选择功能；针对财产损失的财产完整性等级（AIL）选择功能；综合考虑以上三者，提出安全仪 表功能所必须要到达的 SIL 的功能。2.4 风险矩阵确定 SIF 的 SIL风险矩阵法是一种半定量的方法，是进行 SIL选择的常用方法之一。本软件可实现如下功能：风 险矩阵的校正；针对人身伤害的 SIL 选择；针对环 境破坏的 SIL 选择；针对财产损失的 AIL 选择；综合考虑以上三者，提出安全仪表功能的 SIL。2.5 保护层分析 - LOPA以表格的形式给出一个详细的记录界面以分 析危险，从而确定是否需要 SIF 以及需要时每个SIF 所需的安全完整性等级。可实现风险矩阵的校 正功能，分析记录的项目包括：编号、SIF 名称、后果描述、后果严重性严重性等级 S、原因描述、原因 发生可能性 F、各个保护层；可自动分析计算目标SIL。2.6 安全要求规范制定依据 IEC61511（GB/T21109）标准要求，提供 了一个针对 SIF 的 SRS 条款的标准模版，针对每一个 SIF 的功能描述、响应时间、安全状态、检测间隔、诊断方法、误动率、启停流程、手动跳 车要求、SIL 等级、故障模式及响应等要素提出要求。2.7 可靠性框图 / 马尔可夫模型分析验证 SIL可靠性框图 / 马尔可夫模型分析功能实现了 计算 SIF 的 PFD/PFH、计算子系统的 SFF，评估共 因失效因子 ，验证 SIF 的 SIL；用户可以通过选择 MooN（1=M=N=6）表决结构、直接从数据库选择数据或输入自定义数据等，进行分析计算。自 动生成子系统 PFD/PFH 贡献分布饼图，方便用户清楚地了解整个 SIF 的哪个部分是最不可靠的，以风险图能描述风险 矩阵安全 状态启停检 修流程LOPA图 1 项目评估流程2 评估软件功能安全仪表系统可靠性评估软件共设计了 10 个主要的功能模块（图 2），用来实现安全仪表系 统的 SIL 选择与验证。图 2 软件功能结构2.1 项目管理用户可以按需要建立多个分析评估项目，进 行自定义项目名称、建立项目信息档案 （如起始时间、服务对象、负责人等）；对项目进行追踪管 理，继续完成未完成的项目，审查或修改已提交27SAFETY HEALTH & ENVIRONMENT软件功能项目管理SIF 管理风险图确定 SIF 的 SIL风险矩阵确定 SIF 的 SIL保护层分析 - LOPA安全要求规范制定可靠性框图 / 马尔可夫模型分析验证故障树分析验证报告生成数据库管理项目SIF1SIF2SIFn节表 装置 SIF一览表SLLSRS仪表功SLLSLL可靠性 框图马尔可 夫模型故障树SIL 细、健康环境和安 全 技 术2011 年第 11 卷第 8 期便在使用维护过程中重点关注，或者进行有针对性地优化，自动进行结构约束的安全完整性分析。2.8 故障树分析验证 SIL故障树分析功能提供了在可视化环境下进 行故障树建树和综合分析的功能。用户使用逻辑门、底事件、中间事件和顶事件构成产品故障 树。在故障树中还可以输入各系统、分系统、设备和零部件的可靠性、维修性参数。建造故障树的“拖放式”工具提高了用户效率并加快建造进 程。逻辑门和事件在树中的位置由软件自动产 生。支持的逻辑门类型包括：与门、或门、表决门 等。2.9 报告生成针对每一个项目，均可以自动生成 SIL 细节 表、装置 SIF 一栏表等报告。2.10 数据库管理数据库的管理功能包括可靠性数据的查询、 添加、删除、修改功能。其中的项有：设备名称、类 型 、型 号 、厂 家 、DD，DU，SD，SD，FL，FH，A/B 类，认证等级、数据来源等信息。准的安全仪表系统可靠性评估软件为安全仪表系统的设计以及评估过程提供了一个全面、标准而 又系统的工具，目前该软件在一些相关评估项目 中已经得到实际应用，对功能安全的深入研究具 有较大的意义。System Reliability Evaluation Software for SafetyInstrument Based on Function Safety StandardsZhuang Tengyu, Li Yuming, Jiang Weiwei,Li Rongqiang(SINOPEC Safety Engineering Institute, Shandong, Qingdao, 266071)Abstract: The functional safety assessment of software based on IEC61508 and IEC61511 international standards based on engineering requirements, set safety instrumented system Safety Integrity Level (SIL) safety instrumented functions allocation, Safety Re- quirements Specification (SRS) to develop, SIL verifi- cation, reliable data management and other functions as one of the special assessment of the reliability of safety instrumented systems software.Key words: safety instrument system; safety integrity3 结语目前，安全仪表系统对于企业来说，已经成为 保障设备安全平稳运行的重点。基于功能安全标level; reliability assessment softwareH S E3.2 效益分析该应急电机加装使用后，将大大降低石油钻 修行业作业风险，节约时间，节约处理复杂情况成本，降低劳动强度，其潜在作用不可估量。（上接第 25 页）3 现场应用及经济效益3.1 现场应用情况根据改造方案，应急电机在 XJ650 钻修机发 动机遇到意外情况时可以作为第二动力方案应急使用，可以活动钻具或将钻具起出井筒和裸眼，防止砂埋、粘卡等作业风险，从而达到安全生产 的目的。其改装设备现场操作简单，安全实用性 强，接通电源即可使用。目前该应急电机改装已 在