闲话功能安全

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也说安全生命周期

也说安全生命周期
闲话功能安全--宪俊
最近听闻百岁老人健康长寿的生活习惯居然是喝酒抽水烟顿顿吃肉,乍一看好像和我们经常在电视里看到的专家学者们的养身秘诀格格不入,大家可能会想既然有这么个特例咱们就别听专家学者的养身之道了吧。笔者认为不然,要推翻一个普遍的价值观仅仅一个特例未免牵强,且容我假想,如果这位老寿星忌烟酒多吃蔬菜或许能够更长寿更健康。
生命对于人类只有一次,其周期是从落生到死亡,这就是生命周期,那么何谓安全的生命周期?日出而作、日落而息、适当锻炼、合理饮食、遵守法规等等都是规范化我们的生命能够得到安全的保障。举个生活中的例子,两君上班,A君早出门规划路线留有余地,准点到达公司;B君仓促出门为抢时间不惜违反交通法规,也能准点到达公司。虽然两君都达到目的――准点到达公司,但从上班路途的过程来分析:A君遵循“安全上班周期”B君不遵循“安全上班周期”,因此B君存在的安全隐患显然大,换句话说,随着时间的推移B君很有可能无法准点到达公司。
无法准点到达公司,这个问题发生的后果不是很大;但是如果对于在化工厂内控制反应釜、精馏塔的安全仪表系统来说,不能按照要求泄放压力或冷却温度,这问题的后果不堪设想。因此用于实现安全仪表系统的过程必须遵循安全生命周期,从而最小化安全隐患。
首先说说起源,安全生命周期概念起源于《ISA S84.01-1995流程工业设备安全标准》这是一部由美国国家标准学会/美国仪表学会标准颁布的适用于各产业的安全仪表系统应用。如图1,这是最早的安全生命周期概念,安全生命周期概念的诞生的目的是为了通过一套严格的里程碑式的开发流程将安全仪表系统从设计之初到停止运行这一系列周期阶段内的风险控制到最小或者说控制到最合理的范畴,通俗的说是为了规范化设计、运行和维护的流程。目前这套生命周期的流程已然被IEC61508/IEC61511所代替,但是其开篇立意的功劳毋庸置疑。
  图1, ISA S84.01安全生命周期
接着来看一下目前主流的安全生命周期,先看一张略显“枯燥”的框图,摘自IEC61508电气电子可编程 功能安全标准第一部分。
  图2,IEC61508整体安全生命周期
该图讲述的是标准科学的安全生命周期的概念,用一个容易理解的例子来描述就是一座化工厂要建造,必须考虑化工厂的安全,尤其是在安监总局关于化工企业的116号文的颁布之后,那么关于化工厂安全部分相关的设施从无到有,从有到用,从用到停的整个过程,就是安全生命周期。这里所指的安全生命周期是一个整体的概念,它同时考虑了1.安全仪表系统和2.其他保护措施。所谓其他保护措施就是有别于安全仪表系统的用于保护化工厂的措施,例如防护堤/喷淋系统等。
读者要问既然有整体安全生命周期,是不是也有部分安全生命周期?有,对于电子设备生产厂商(安全仪表系统的仪器仪表供应商)来说,部分安全生命周期更切合其产品要求。
所谓部分安全生命周期包含两大部分:1.应用于整个系统(硬件)的研发。2.应用于整个系统的软件的研发。这两部分为产品的研发过程定下了应当遵循的安全规程。
  图3,IEC61508硬件研发安全生命周期
  图4,IEC61508软件研发安全生命周期
研发安全生命周期,为产品的软硬件开发流程提供了安全考量。首先是产品设计要求的提出,产品的设计要求是来源和提炼于上一层的系统级别的安全要求。在得到具体要求后就可以进行产品的设计,包括机械,电控,软件和工艺等过程,在设计过程中一定不会是一帆风顺的,所以“返回上级菜单”的现象无法避免,经过一层层的返回,验证,修改与迭代,最终达到设计之初的设计要求目标,并通过总体确认而完成产品的研发过程。读者可能会问,刚才说的很多方面怎么没有在上图中具体出现?这是因为由于IEC61508标准给出的安全生命周期是一个大纲性质的文件,是给予具体操作流程的一个指导,所以不同的厂家或者同一厂家的不同产品,其安全生命周期一定会存在不同和具体化。例如图5和图6就是两款产品的部分生命周期举例,我们可以明显看到其阶段的不同。类似的情况在汽车电子领域尤为明显,基于TS16949,ISO26262以及AUTOSAR等标准和标准化的接口定义使得汽车电子领域的生命周期更为灵活。
  图5,变送器部分安全生命周期
  图6,分散控制系统部分安全生命周期
  除了上述具体过程没有被体现外,标准中的安全生命周期框图中还有三项非常重要的指标隐含其中。它们分别是验证过程,功能安全管理和功能安全评估。由于安全产品所使用的领域事关重大,所以它不能是天马行空般的设计成果,也不能只看结果而忽略过程,必须是一个被严格遵循设计、实现与运行维护周期的流程化产物,这是保障产品安全性与可靠性的基础。
在最近的国产仪器仪表调研中发现:技术上,现有国内中低档产品大部分可替代进口产品;但是在可靠性指标,即平均无故障运行时间与国外产品相比,约相差1--2个数量级。
因此,符合IEC标准的安全生命周期,科学化规范化的设计流程无论是对于安全仪表系统、仪器仪表还是对于执行终端(阀门,执行机构)等安全回路上的组成部分来说都具有极为重要的指导意义,是提升可靠性、规避潜在风险、保障生命财产安全的科学方法和有效措施。

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