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SIS系统元件的早先使用,何解?

行业资信 2021-04-08 19:40:30
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如果满足某些要求,最终用户在SIS系统中使用具有基于早先使用(prior use)数据的仪表元件,其可信度会更高。
在IEC61511:1第3.2.51条将早先使用定义为:根据类似操作环境中的早先操作经验,有文件记录的用户评估设备适合在SIS中使用并且可以满足所需的功能和安全完整性要求。
并给出了2条注释,分别如下:
注释1:为了在早先使用的基础上对SIS设备进行确认,用户可以记录该设备在类似的操作环境中取得了满意的性能。应理解设备在操作环境中的行为,以实现计划的设计、检查、测试、维护和操作实践足够的高度确定性。
注释2:经验证的使用是基于制造商对其设备的设计基础(例如,温度极限、振动极限,腐蚀极限、所需的维护支持)。“早先使用”是指设备在特定操作环境下的工艺应用中的安装性能,该环境通常不同于制造商的设计基础。
请注意IEC给出的定义及2条注释中所提及的“使用证明”。别被哲学话题(先有鸡还是先有蛋)所困扰。为了能够利用经早先使用仪表组件,我们必须拥有可靠性数据源。
根据工程实践的安全生命周期中,在详细设计阶段选择SIS组件。SIF的结构与下图示:


上图显示了包含组件和子系统的SIF的结构
SIF中组件的选择需要考虑组件的应用条件(操作条件和物理环境)、SIL要求、及满足容错要求的任何必要冗余等。
在工程实践中,失效数据可以从:基于IEC61508认证;基于早先使用证明;以及被认可的失效数据库中获得。
在近几年中,通过外部认证机构对仪表进行认证的制造商数量一直在增加,如TÜV、exida等对仪表进行可靠性评估,并给出SIL和PFD值。这些评估是使用可靠性工具进行的,通常基于FMEDA技术。根据FMEDA确定故障率,然后计算该组件的SFF。
来自分析的故障数据通常如下:
单位:FIT
故障类型:

λSD(safe detected);
λSU(safe undetected);
λDD(dangerous detected);
λDU(dangerous undetected)

如上所述,基于IEC61508认证使用可靠性工具,其证书中所列数据应结合安全手册所列条件。即使是采用具有IEC61508认证的组件,也应在现场进行监控,并收集和分析故障数据。
对于已经过实际工况检验,基于早先使用的组件在SIS中使用是科学合理的。
对于IEC61511中给出的定义进一步解释,其适用性应包含:
考虑制造商的产品质量、管理和配置系统;
充分识别、规范组件和子系统;
在类似的操作和物理环境中组件或子系统的性能检验;
操作经验。
对于可靠性来说,众所周知,有许多公式可用于计算可靠性数据,但是所有公式都需要良好的数据源才能提供真实的结果。IEC标准附录中也给出了相关计算方法。数据收集格式可参考如下:


IEC61511标准除了可靠性方面的要求外,还应评估组件的系统性故障。
硬件随机失效和系统性失效之间的主要区别在于,就其性质而言,系统性失效无法准确预测。也就是说,可以以合理的准确性对硬件随机失效引起的系统故障率进行量化,但是由于无法轻易预测导致系统性失效的原因,因此无法对其故障率进行准确的统计量化。
导致系统性失效的一些示例包括人为错误,如:
SRS;
硬件的设计、制造、安装、操作;
软件的设计、实施。
同样重要一个理念是,不要将组件的使用寿命与可靠性相混淆。组件数量和分析数据量越大,组件的可靠性数据就越准确。组件的故障通常在组件生命周期的早期和后期阶段更为突出,即浴盆曲线,如下图示:


采用安全仪表系统的生产企业和生产过程在大小和复杂性上都有所不同。例如,一些企业的数据收集可能是手工的,并记录在纸质上;大型或跨国企业可能会使用计算机系统。
成功收集数据的关键是记录和分析与SIS相关的所有事件。这不仅包括故障数据,还包括测试、触发、维护以及系统和组件发生的任何事件。
为进行可靠性计算,有必要建立一个记录台账,其中记录每个组件的使用寿命、运行时间、测试、触发、维护的频率以及任何故障的描述和记录。
ISO14224详细介绍了用于数据收集的分类方法,各个企业或组织也可能有自己内部的方法。强烈建议能够建立结构化的数据库,为可靠性和设计改进、可用性分析、维护策略、定量风险分析以及生命周期成本确定提供数据支撑。

结构化的数据收集非常重要,应能提供以下(但不限于)内容:
设备企业数据
分类数据,例如所属产业类型,单元/车间,地理位置;
设备属性,例如制造商的数据,设计特征;
操作数据,例如操作模式,功率,环境。
故障数据
识别数据,例如故障记录编号和发生故障的相关设备;
用于表征故障的故障数据,例如失效数据、失效影响、失效模式、失效原因、失效检测方法。
维护数据
识别数据,例如维修记录编号,相关故障和设备记录;
维护数据,例如维护日期,维护类别,维护的影响;
维护所需资源;
维护时间等。
为确保故障数据真正代表该组件,采用早先使用的最终用户应提供详细、彻底的证明测试和故障数据记录,也便于后期数据审查。


作者简介:王明博,FS Eng(TÜV Rheinland)-SIS,专注于过程安全与自动化


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