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           安全完整性等級(SIL)驗證-PFD計算方法的比較
          
          
                                                             
                                                        
          
								
						     				                                                         
          摘要：
          在IEC61511中明確規(guī)定，每個SIF要求時失效概率PFD應(yīng)等于或低于安全要求規(guī)格書中指定的失效目標(biāo)值，并需要通過計算進(jìn)行確認(rèn)。筆者分別采用可靠性框圖法、故障樹法、Markov模型法（使用軟件計算）對實際項目進(jìn)行了安全完整性等級(SIL)驗證，對這三種主流的SIL驗證PFD計算方法進(jìn)行比較。
          SIL的驗證流程
          
				 
          
				 
          SIL驗證流程主要包括：成立驗證組（專業(yè)人員）；準(zhǔn)備資料（SIF一覽表，表格中應(yīng)包含安全儀表回路及其目標(biāo)SIL等級、所用儀表設(shè)備信息、設(shè)備失效數(shù)據(jù)、檢驗測試周期）；可靠性建模；軟件計算（計算出安全失效分?jǐn)?shù)（SFF），結(jié)合硬件故障裕度（HFT），得出架構(gòu)約束的安全完整性等級）；根據(jù)失效數(shù)據(jù)和可靠性模型，計算要求時的失效概率PFD，并符合SIL要求時的檢驗測試周期），同時還可根據(jù)企業(yè)的需求，計算關(guān)鍵過程的誤停車率；輸出報告（計算結(jié)果、符合性評價、符合SIL要求的檢驗測試周期及建議措施等內(nèi)容）。
          ◆ ◆ ◆  ◆ ◆
          本文僅對其中計算要求時失效概率PFD的三種不同方法的優(yōu)缺點進(jìn)行討論。
          
			 
          
					 
          項目實例：
          當(dāng)設(shè)備液位過高時聯(lián)鎖關(guān)閉蒸汽閥組（FCV-01-681和EV-010656）和PCV-01-616閥,以避免設(shè)備內(nèi)部的高壓導(dǎo)致事故發(fā)生，造成人員傷亡和設(shè)備損壞。工藝見圖如圖1：
          
										 
                    
          液位SIF回路的輸入輸出結(jié)構(gòu)見表1，回路失效率數(shù)據(jù)見表2，回路SIL驗證結(jié)果見表3。
          表1 液位聯(lián)鎖回路的輸入輸出
          回路名稱
          液位聯(lián)鎖回路
          表決形式
          輸入單元
          LT_01-658A/B/C
          2oo3
          邏輯處理單元
          PES
          1oo2D
          輸出單元
          FCV-01-681/EV-01-656,PCV-01-616
          2oo2
          注：整個大組，其中FCV-01-681/EV-01-656閥組為1oo2
          表2 液位聯(lián)鎖回路的失效率數(shù)據(jù)
          名稱
          &lambda;DD
          &lambda;DU
          &lambda;SD
          &lambda;SU
          結(jié)構(gòu)類型
          TI
          MTTR
          液位計
          6.22E-08
          7.18E-08
          7.97E-08
          1.02E-07
          B
          36月
          8小時
          安全柵
          		
													 
          3.00E-08
          		
													 
          1.10E-07
          A
          36月
          8小時
          處理器
          1.10E-06
          1.50E-08
          1.30E-06
          6.0E-09
          B
          36月
          4小時
          電源
          		
													 
          2.25E-06
          		
													 
          2.50E-07
          B
          36月
          4小時
          DI卡件
          		
													 
          1.30E-08
          2.70E-08
          1.30E-08
          B
          36月
          4小時
          DO卡件
          		
													 
          2.00E-08
          		
													 
          1.20E-08
          B
          36月
          4小時
          執(zhí)行器
          		
													 
          5.60E-07
          		
													 
          3.00E-07
          A
          36月
          8小時
          球閥1
          		
													 
          5.30E-07
          		
													 
													 
          A
          36月
          8小時
          球閥2
          		
													 
          7.10E-07
          		
													 
													 
          A
          36月
          8小時
          蝶閥
          		
													 
          2.75E-06
          		
													 
													 
          A
          36月
          8小時
          電磁閥
          		
													 
          4.57E-09
          		
													 
          1.10E-07
          A
          36月
          8小時
          
					 
          計算過程說明：
          由于參考文獻(xiàn)中并未給出多通道的共因失效概率，故計算時均采用參考值0.1。另外可靠性框圖法和故障樹法不能計算功能測試覆蓋率參數(shù)，無法給出多組結(jié)構(gòu)及異型結(jié)構(gòu)，因此計算時默認(rèn)功能測試覆蓋率為100%，采用這兩種方法計算輸出模塊時首先以1oo1表決模式計算了單個閥門的PFD，且沒有考慮共因失效的影響。
          HAZOPkit軟件及exSILentia軟件均以Markov模型法為基礎(chǔ)，故直接使用了兩款軟件作為Markov模型法的驗算結(jié)果。其中exSILentia軟件計算結(jié)果為參考文獻(xiàn)的計算結(jié)果，因不確定計算時選用了哪些參數(shù)，所以僅作參考。
          表3 液位聯(lián)鎖回路SIL計算結(jié)果
          名稱
          PFDavg數(shù)據(jù)
          
													 
          可靠性框圖法
          故障樹法
          HAZOPkit軟件
          exSILentia軟件
          輸入（包括液位計和安全柵）
          1.40E-04
          1.52E-4
          2.10E-04
          2.52E-04
          邏輯控制器（包含電源、處理器和卡件）
          3.04E-03
          4.00E-3
          3.99E-03
          1.97E-04
          輸出（FCV-01-681/EV-01-656,PCV-01-616）
          1.74E-02
          1.74E-2
          1.90E-02
          1.89E-02
          SIF回路PFDavg
          2.10E-02
          2.16E-2
          2.32E-02
          1.93E-02
          有論文通過OREDA數(shù)據(jù)庫中的先驗數(shù)據(jù)對故障樹法及Markov模型法的計算精度做了對比，發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡單的情況下兩者的計算結(jié)果誤差較小，且與先驗數(shù)據(jù)吻合。Markov模型法對復(fù)雜系統(tǒng)計算結(jié)果表現(xiàn)更好。因此本文將不再比較這三種驗算方法的精確度，僅對這三者從功能性及實用性上進(jìn)行討論。
          表4 驗證方法比較
          
													 
          可靠性框圖法
          故障樹法
          Markov模型法
          計算的復(fù)雜程度
          簡單，可筆算
          簡單，可筆算
          計算量很大，必須借助計算機
          反應(yīng)單個設(shè)備失效與系統(tǒng)失效的關(guān)系
          一般
          較好
          較差
          數(shù)據(jù)需求
          數(shù)據(jù)需求量相對較小，僅考慮危險失效狀態(tài)數(shù)據(jù)
          數(shù)據(jù)需求量相對較小，僅考慮危險失效狀態(tài)數(shù)據(jù)
          數(shù)據(jù)需求量較大，包括危險失效狀態(tài)數(shù)據(jù)及安全失效狀態(tài)數(shù)據(jù)，但并不是必須的。
          多失效模型
          不支持
          不支持
          支持
          建模范圍
          不易實現(xiàn)動態(tài)建模，一次建模只能求得一個可靠性指標(biāo)
          不易實現(xiàn)動態(tài)建模，一次建模只能求得一個可靠性指標(biāo)
          可實現(xiàn)動態(tài)建模，一次建?？梢郧蟮?/span>多個可靠性指標(biāo)
          多組表決模式
          可支持
          可支持
          支持
          異型結(jié)構(gòu)
          不支持
          可支持
          支持
          功能測試覆蓋率
          不支持
          不支持
          可支持
          
					 
          計算復(fù)雜程度：
          可靠性框圖法及故障樹法模型設(shè)計完成后，可根據(jù)推導(dǎo)出的PFD計算公式直接進(jìn)行計算，計算量較小。而Markov模型是通過矩陣描述系統(tǒng)狀態(tài)，計算量非常大，必須借助計算機才能實現(xiàn)計算。
          
					 
          反映單個設(shè)備與系統(tǒng)間的聯(lián)系：
          可靠性框圖法對系統(tǒng)內(nèi)部的串并聯(lián)關(guān)系描述清晰，故障樹法能直觀體現(xiàn)單個設(shè)備故障與系統(tǒng)故障之間的邏輯關(guān)系。而Markov模型法在這方面表現(xiàn)較差。
          
					 
          數(shù)據(jù)需求：
          一般認(rèn)為Markov模型法的數(shù)據(jù)需求量較大，但是筆者通過計算發(fā)現(xiàn)，如果只考慮計算系統(tǒng)要求時失效率PFD時，僅采用可靠性框圖法或故障樹法需求的數(shù)據(jù)就可以得到相似的結(jié)果。
          
					 
          多失效模型：
          故障樹法是建立在&ldquo;事件只具有二態(tài)性且故障邏輯關(guān)系確定&rdquo;的假設(shè)基礎(chǔ)上，因此難以描述多態(tài)性事件。比如對于某些電子元件，它可能有正常、開路、短路等狀態(tài)。而Markov模型法是建立在概率學(xué)基礎(chǔ)上，對多態(tài)系統(tǒng)有較好的描述。
          
					 
          建模范圍：
          可靠性框圖法及故障樹法一次建模只能求得一個可靠性指標(biāo)，同時模型結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時必須重新推導(dǎo)計算公式，靈活性一般。
          
					 
          多組表決模式及異型結(jié)構(gòu)：
          在本次驗證過程中，筆者碰到的最大麻煩就是輸出模塊（閥組）的計算。實例中三個閥門類型均不同，且分成了兩組，由于找不到對應(yīng)的公式，只能分別計算單個設(shè)備的PFD，再通過簡單概率法計算。故障樹法可支持多組表決及異型結(jié)構(gòu)，但是公式的推導(dǎo)難度過大。
          
					 
          功能測試覆蓋率：
          本次驗證中假定了功能測試覆蓋率為100%，即每次功能測試后設(shè)備將回到初始狀態(tài)，這顯然是不符合實際的。實際測試的過程中，功能測試覆蓋率對計算結(jié)果的影響較大，而這三種驗證方法中，僅Markov模型法可實現(xiàn)這項功能。
          
	 
          總結(jié)：
          無論是可靠性框圖法、故障樹法還是Markov模型法進(jìn)行SIL驗證，都必須建立在設(shè)備及元件失效率統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)是驗證結(jié)果準(zhǔn)確的前提。對于結(jié)構(gòu)較簡單的SIF回路，三種驗證方法的驗算結(jié)果均得出同一SIL等級的結(jié)論。
          另外，可靠性框圖法及故障法對于單個設(shè)備和系統(tǒng)間的關(guān)系有較好的描述，且簡單模型的公式大多是公開的，因此企業(yè)在SIS系統(tǒng)設(shè)計、選型階段可利用公式估計所需設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)下限。Markov模型法由于其靈活性、準(zhǔn)確性，成為SIL驗證軟件的首選方案，其計算量過大，直觀性差的特點在軟件中也得到了解決。