1、背景介紹
IEC 61508和IEC 61511提出了一種基于風(fēng)險(xiǎn)的方法來識別和規(guī)定安全儀表功能（SIF）的性能要求。也是當(dāng)前石油工業(yè)系統(tǒng)等行業(yè)采用較多的功能安全性分析標(biāo)準(zhǔn)。為了達(dá)到我們所需的風(fēng)險(xiǎn)降低要求，通常情況下企業(yè)會實(shí)施安全儀表系統(tǒng)（SIS）和其他類型系統(tǒng)的安全分析、評估工作。
一般情況下，我們需要在安全要求規(guī)范（SRS）中描述SIFs的安全要求。例如功能關(guān)閉、緊急關(guān)閉、防火或氣體功能等的SIFs安全要求。這些功能的SIFs安全要求可以通過典型的因果關(guān)系圖、可靠性數(shù)據(jù)驗(yàn)證與評估等手段得到的按需失效概率（PFD）來確定。根據(jù)PFD，即可確定系統(tǒng)的安全完整性等級（SIL）。
本文以石油工業(yè)系統(tǒng)的PSD關(guān)斷功能為例，介紹按需失效概率（PFD）的確定過程。
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石油工業(yè)系統(tǒng)的PSD（工藝關(guān)斷）關(guān)斷功能由PSD邏輯單元、容器以及XV1、XV2、XV3、XV4等閥門組成。原料的進(jìn)料受XV1閥門控制，并流入容器內(nèi)。原料經(jīng)過容器處理后產(chǎn)生的氣體由XV3閥門控制并輸出，處理后產(chǎn)生的液體由XV4閥門控制并輸出。如下圖1所示。
根據(jù)PSD關(guān)斷功能安全要求，如果其SIL等級要求為1級，PFD要求值是小于0.02。為分析該系統(tǒng)的PSD關(guān)斷功能是否滿足安全要求，需要建立該P(yáng)SD關(guān)斷功能的安全性模型。根據(jù)上面PSD關(guān)斷功能圖可知，PSD關(guān)斷功能的重要作用是正常或者應(yīng)急情況下關(guān)斷設(shè)備，保證系統(tǒng)的安全。PSD設(shè)備關(guān)斷的功能流程如下：PSD系統(tǒng)接收和處理信號（例如來自ESD或者PSD指示信號）后，激活XV1、XV2、XV3和XV4閥的關(guān)閉，以隔離容器。例如PSD關(guān)斷功能中的重要一個(gè)功能場景是：火炬分液罐中的LAHH（高液位警報(bào)）關(guān)斷。火炬分液罐中的LAHH關(guān)斷要求可關(guān)閉容器的進(jìn)料，因此通常需要關(guān)閉相關(guān)裝置或入口分離器的入口管線。由于通常很難檢測出具體過量進(jìn)料供給的來源，火炬分液罐中的LAHH通常會通過PSD系統(tǒng)和可能的ESD系統(tǒng)啟動全局關(guān)閉功能，以提高功能的可靠性，如圖2所示。由圖2可知，火炬分液罐中的LAHH關(guān)斷可通過PSD系統(tǒng)、ESD系統(tǒng)或兩者綜合執(zhí)行，且該功能是從檢測高電平開始，以PSD/ESD邏輯的信號確認(rèn)結(jié)束。
根據(jù)以上分析，我們可以得知PSD關(guān)斷功能的LAHH的安全狀態(tài)要求：
（1）該功能的安全狀態(tài)是PSD或ESD邏輯單元的關(guān)斷確認(rèn)信號
（2）此功能斷電至安全狀態(tài)，即斷電或信號丟失時(shí)，向分液罐的進(jìn)料將自動隔離，過程將進(jìn)入安全狀態(tài)。
為分析PSD關(guān)斷功能的LAHH等是否能夠滿足SIL 1的要求，本文在構(gòu)建相應(yīng)安全性模型基礎(chǔ)上，借助可靠性框圖、概率風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等手段，量化分析、評估該功能是否能夠達(dá)到SIL 1的安全要求。
2 安全性建模與評估
2.1 安全性建模
PSD關(guān)斷功能的LAHH的安全性模型與LT（液位變送器）單元、輸入單元、CPU單元、輸出單元有關(guān)。使用PosVim軟件工具，根據(jù)該功能的故障邏輯關(guān)系建立安全性模型。
建立安全性模型過程中，需要使用到相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中，可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于PDS、OREDA手冊，診斷覆蓋率通過PosVim工具的FMEDA模塊計(jì)算得，模型結(jié)構(gòu)以及各節(jié)點(diǎn)的參數(shù)如表1、圖3所示。表1中，T1為檢測周期，λD是危險(xiǎn)故障率，DC是診斷覆蓋率，MRT是平均修復(fù)時(shí)間，MTTR是平均恢復(fù)時(shí)間。
2.2 共模組的模型建立
由于LT、輸入單元、CPU單元、輸出單元等都存在冗余（1oo2）結(jié)構(gòu)的情況，因此，需要建立這些單元的共模節(jié)點(diǎn)模型。
其中，CPU冗余單元、輸入、輸出單元的β因子設(shè)置為5%，LT的β因子為10%。
2.3 結(jié)果分析與評估
根據(jù)構(gòu)建的安全性模型，計(jì)算得到系統(tǒng)可靠度概率為0.99924，PFD=7.6E-4。由此可知，該功能滿足SIL1 的安全性要求。
為更深入了解系統(tǒng)內(nèi)部各部件之間的可靠性關(guān)系、功能安全影響關(guān)系，以及人的操作等外部事件對于整個(gè)系統(tǒng)的安全影響，本文使用PosVim工具的模型驅(qū)動的安全性分析功能，創(chuàng)建了PSD關(guān)斷系統(tǒng)的模型，分析應(yīng)急關(guān)斷（及前述分析的PSD關(guān)斷功能）、氣體輸出、液體輸出等功能的安全性。
通過輸出的概率風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果、事故場景分析結(jié)果、事件樹分析結(jié)果，可以全面了解PSD關(guān)斷系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)、各事件對于系統(tǒng)的安全性影響。
