利用高性能電壓監(jiān)控器提高工業(yè)功能安全合規(guī)性——第1部分

問題：

如何使用高性能監(jiān)控電路來提高工業(yè)功能安全合規(guī)性？

回答

高性能電壓監(jiān)控器具有集成的安全功能，可提高系統(tǒng)性能，以滿足IEC 61508功能安全標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于定量可靠性、架構(gòu)約束和系統(tǒng)安全完整性的要求，從而幫助系統(tǒng)符合該標(biāo)準(zhǔn)。

簡介

各行各業(yè)的安全關(guān)鍵型應(yīng)用一般都會考慮遵守功能安全標(biāo)準(zhǔn)¹，因為這些應(yīng)用一旦發(fā)生故障，可能會對人員、財產(chǎn)和環(huán)境造成危害。產(chǎn)品設(shè)計師按照功能安全標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)計的產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證，讓客戶可以放心地使用產(chǎn)品，確保產(chǎn)品能夠在具有安全法規(guī)的國家/地區(qū)進(jìn)行銷售，并引領(lǐng)功能安全市場的趨勢。本文強調(diào)了高性能監(jiān)控電路²進(jìn)一步符合IEC 615083等功能安全標(biāo)準(zhǔn)的重要性。此外，本文也是討論與這些電路相關(guān)的工業(yè)功能安全合規(guī)性系列文章中的第一篇。

了解功能安全標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)³也稱為電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)功能安全標(biāo)準(zhǔn)，旨在為所有類型的E/E/PE安全相關(guān)系統(tǒng)(SRS)的規(guī)范、設(shè)計和操作規(guī)定總體要求。它適用于各種行業(yè)，因為它是制定多個行業(yè)特定標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，例如過程工業(yè)中的IEC 61511⁴、機械工業(yè)中的IEC 62061⁵、核電工業(yè)中的IEC 61513⁶、汽車工業(yè)中的ISO 26262⁷、鐵路運輸中的IEC 62279⁸、醫(yī)療設(shè)備¹⁰中的IEC 62304⁹等，如圖1所示。

圖1 基本標(biāo)準(zhǔn)和一些特定行業(yè)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)

雖然特定行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)始終優(yōu)先于IEC 61508，但它通常要求使用SRS中的組件來證明符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)。為此，可以按照特定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 26262⁷）開發(fā)組件，使用“經(jīng)使用驗證”³參數(shù)，遵循基本安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508（如IEC 61511¹¹），或者使用標(biāo)準(zhǔn)組件但采取額外的架構(gòu)緩解措施。

什么是安全儀表系統(tǒng)？

IEC 61508的E/E/PE SRS在過程工業(yè)領(lǐng)域被稱為安全儀表系統(tǒng)(SIS)，在機械行業(yè)中稱為安全相關(guān)電氣控制系統(tǒng)(SRECS)，在核電行業(yè)中稱為儀器儀表和控制(I&C)系統(tǒng)。在本文中，術(shù)語“SIS”將用于統(tǒng)稱這些系統(tǒng)。¹¹

圖2 SIS的典型框圖

圖2為典型SIS的示意圖，其中包含至少一個安全儀表功能(SIF)。SIF在IEC 61508中也指安全功能，但為了便于討論，將使用術(shù)語SIF。SIF由輸入子系統(tǒng)、邏輯解算器子系統(tǒng)和最終元件子系統(tǒng)組成，用途是在當(dāng)需求發(fā)生時，將受控設(shè)備(EUC)置于安全狀態(tài)。EUC是指受SIS保護(hù)的系統(tǒng)。圖3顯示了SIF的典型框圖以及子系統(tǒng)的示例。輸入子系統(tǒng)包含至少一個傳感器，作為監(jiān)測系統(tǒng)，可以檢測故障并向邏輯解算器發(fā)送信號。邏輯解算器會處理接收到的信號，然后決定下一步做什么。比如，可能要求最終元件通過斷路器、繼電器或關(guān)閉閥等執(zhí)行裝置將SIS置于安全狀態(tài)。¹¹

值得注意的是，監(jiān)控電路²在SIS中很有用。它們可以在輸入子系統(tǒng)中發(fā)揮作用以檢測異常，在邏輯解算器子系統(tǒng)中監(jiān)測電源或其他微控制器功能和信號故障，或者作為SIF本身，通過復(fù)位信號使系統(tǒng)進(jìn)入安全狀態(tài)。這一點可以從圖3中看出。

圖3 SIF的典型框圖

高性能監(jiān)控電路如何實現(xiàn)工業(yè)功能安全合規(guī)性

可以通過安全完整性等級(SIL)來量化IEC 61508合規(guī)性。每個SIF都有SIL評級，表示SIF在管控風(fēng)險方面的表現(xiàn)。IEC 61508規(guī)定了SIL 1到SIL 4四個SIL級別，其中SIL 4表示最可靠。通常，首先進(jìn)行危險分析和風(fēng)險評估，以了解所需的安全功能，然后了解風(fēng)險降低系數(shù)，從而了解所需的SIL等級?！哆^程安全手冊一》¹²中展示了一種使用風(fēng)險矩陣校準(zhǔn)的方法。

特定的SIL級別有其自身的要求，受三個因素影響^3,11,13：定量可靠性要求、架構(gòu)約束和系統(tǒng)安全完整性。對于每個因素，下一小節(jié)將展示監(jiān)控器如何通過診斷要求幫助實現(xiàn)IEC 61508合規(guī)性。

定量可靠性要求

表1顯示了IEC 61508-1第7.6.2.9節(jié)中關(guān)于安全完整性要求的摘要，這項要求針對SIF的目標(biāo)故障測量規(guī)定了相應(yīng)的SIL。PFD_avg是指低需求工作模式下，在需要安全功能時發(fā)生危險故障的平均概率。PFH是指高需求模式或連續(xù)工作模式下，安全功能每小時發(fā)生危險故障的平均頻率。

表1 與工作模式相關(guān)的SIS的SIL目標(biāo)^3,11

影響隨機硬件故障平均概率的因素有很多，其中包括診斷測試覆蓋率、診斷測試間隔和未檢測到的危險故障率（用λ_DU表示）^3,14,15。未檢測到的危險故障是指無法通過系統(tǒng)診斷檢測到而只能通過驗證測試來識別的故障，如圖4所示。這就是使用監(jiān)控電路的重要性所在，因為監(jiān)控電路可以作為診斷措施，幫助檢測危險故障，從而降低發(fā)生此類故障的概率。這樣，就可以將未檢測到的危險故障轉(zhuǎn)化為檢測到的故障。

圖4 影響可靠性要求的故障類型¹²

架構(gòu)約束

除了量化的可靠性要求外，IEC 61508還對SIS的穩(wěn)健性和結(jié)構(gòu)提出了要求。這些架構(gòu)約束增加了設(shè)計人員在選擇硬件架構(gòu)時需要考慮的因素。根據(jù)IEC 61508-2第7.4.4節(jié)，可用于證明符合SIL的路線之一是路線1_H。該路線基于硬件容錯(HFT)和安全失效比率(SFF)概念。

面對架構(gòu)約束，需要考慮元件的復(fù)雜性和類型。A類元件或簡單組件具有明確定義的故障模式、故障條件下可預(yù)測的行為以及可靠故障數(shù)據(jù)（滿足所要求的未檢測到的危險故障率）。否則視為B類元件或復(fù)合組件。

表2以集成電路等電子系統(tǒng)為例，顯示了B類元件的要求。SFF是衡量元件傾向于變成安全狀態(tài)失敗的指標(biāo)，而HFT為N意味著N+1是可能導(dǎo)致安全功能喪失的最小故障數(shù)，因此需要一定量的冗余。這意味著，如果系統(tǒng)的HFT為0，則一次故障就可能導(dǎo)致安全功能喪失，而HFT為1則意味著需要兩次故障才會造成安全功能喪失。

表2 B類安全相關(guān)元件或子系統(tǒng)執(zhí)行的安全功能的最大允許安全完整性等級³

SFF的數(shù)學(xué)公式可以表示為：

另一個術(shù)語稱為診斷覆蓋率，可以表示為：

其中λ是故障率，SD表示安全檢測到，SU表示安全未檢測到，DD表示危險檢測到，DU表示危險未檢測到，如圖4所示。

診斷覆蓋率用于評估SIS的診斷措施在揭示危險故障方面的表現(xiàn)。這會影響系統(tǒng)的量化可靠性，如前所述，并且與SFF相關(guān)，如公式1和2所示。IEC 61508-2在其附件A中還提供了一種方法，用于確定在使用不同技術(shù)和措施檢測隨機硬件故障時，所能達(dá)到的最大允許診斷覆蓋率。

表3顯示了各個等級的診斷覆蓋率分類。

表3 IEC 61508診斷覆蓋率分類^3,11

表4摘自IEC 61508-2附件A表A.1，其中指定了在量化隨機硬件故障的影響時要假設(shè)的故障或失效，或在推導(dǎo)SFF時要考慮的故障或失效。值得注意的是，診斷覆蓋率故障模型需要達(dá)到較高的診斷覆蓋率。診斷覆蓋率故障模型包括固定電平故障、開路故障、開路或高阻抗輸出以及信號線之間的短路等故障模式，所有這些故障模式都可以通過過壓(OV)和欠壓(UV)監(jiān)視器等監(jiān)控電路檢測到。

表4 診斷覆蓋率要素的要求

總之，IEC 61508根據(jù)SIF的HFT和SFF規(guī)定了SIL要求。由于SFF和診斷覆蓋率參數(shù)受到系統(tǒng)檢測故障能力的顯著影響，改進(jìn)診斷措施（例如添加監(jiān)控電路）也將提高SIF的SIL等級。

系統(tǒng)安全完整性

系統(tǒng)安全完整性的要求本質(zhì)上是定性的，用于評估系統(tǒng)開發(fā)過程在消除故障方面的能力。為此，需要徹底檢查硬件和軟件的設(shè)計、生產(chǎn)和測試程序。SIL越高，檢查就必須越嚴(yán)格，并且需要組件制造商提供更多文件來證明符合要求。

IEC 61508規(guī)定了設(shè)計人員應(yīng)在適用情況下課實施的幾種技術(shù)和措施，以消除SIS安全生命周期各個階段的系統(tǒng)故障。對此，表5列出了IEC 61508-2表A.16中的一些項目。該表顯示了控制由環(huán)境壓力和影響引起的系統(tǒng)故障所需的技術(shù)和措施，其中M表示強制，HR表示強烈推薦，R表示推薦。這些標(biāo)記下面是實現(xiàn)此類診斷措施需要付出的工作量。例如，SIL 3等級必須采用電壓監(jiān)視器等措施來應(yīng)對電壓變化，同時強烈建議采用程序序列監(jiān)控（如看門狗定時器），其中診斷覆蓋率必須至少達(dá)到90%。

表5 IEC 61508-2附件A表A.16中的部分項目³

系統(tǒng)安全完整性要求的另一個關(guān)鍵是具有良好的質(zhì)量管理體系(QMS)。組織可以通過獲得ISO 9001:2015質(zhì)量管理體系認(rèn)證來證明¹⁶。值得注意的是，IEC 61508關(guān)于整體安全生命周期和功能安全評估的大部分要求與ISO 9001對整體安全生命周期的要求相一致。因此，擁有QMS證書可以加快認(rèn)證過程¹⁷。這與企業(yè)的功能安全戰(zhàn)略相輔相成，例如，在功能安全標(biāo)準(zhǔn)（如IEC 61508）的基礎(chǔ)上根據(jù)自身需求進(jìn)行調(diào)整。

使用集成解決方案改進(jìn)功能安全設(shè)計

為了設(shè)計出符合功能安全要求的系統(tǒng)，需要仔細(xì)考慮前面討論的要求。其中涉及實施足夠的安全措施，以確保在發(fā)生故障時仍能可靠、安全地運行，但可能會因為增加電路元件而增加成本。因此，使用具有集成安全功能的元件可以簡化系統(tǒng)級實施，通過減少元件數(shù)量提高系統(tǒng)可靠性，并通過縮短診斷測試間隔來提高診斷覆蓋率¹³。具體可以參見圖5，ADI的MAX42500可以通過將多種安全功能組合在一個封裝中（而不是使用單獨的監(jiān)控電路），為安全關(guān)鍵電路提供足夠的診斷覆蓋率。該電源系統(tǒng)監(jiān)視器可滿足多種措施要求，例如針對電壓擊穿、電壓變化、過壓、低電壓、可能導(dǎo)致危險故障的交流電源頻率變化等其他現(xiàn)象以及程序序列監(jiān)視的措施，從而幫助實現(xiàn)功能安全合規(guī)性。第一個要求強調(diào)了對所有安全關(guān)鍵電壓軌進(jìn)行UV和OV檢測的必要性。第二個要求強調(diào)了單通道系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)微控制器單元需要單獨的看門狗定時器。MAX42500可滿足這兩種需求，它具有七個電源監(jiān)視器和一個通過I2C通信的看門狗定時器。

另一個考量因素是有沒有安全文件來證明符合功能安全要求，尤其是在認(rèn)證功能安全標(biāo)準(zhǔn)時。符合或獲得IEC 61508認(rèn)證的元件（例如MAX42500）已通過提供必要的安全文檔（安全手冊、故障模式影響和診斷分析(FMEDA)、良好的QMS等）來提供這方面的支持。盡管如此，考慮到IEC 61508的當(dāng)前修訂版本，按照圖5所示，仍可以使用非合規(guī)的產(chǎn)品（如LTC2965和LTC4365）來提高系統(tǒng)的診斷覆蓋率和穩(wěn)健性。然而，系統(tǒng)設(shè)計人員需要獲取必要的安全文件以滿足功能安全合規(guī)性要求。

圖5 在安全設(shè)計中引入充分的監(jiān)測和保護(hù)措施

結(jié)論

本文闡明了高性能電壓監(jiān)控器在促進(jìn)工業(yè)功能安全合規(guī)方面發(fā)揮的關(guān)鍵作用。通過研究基礎(chǔ)功能安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508及其對特定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的影響，為加深理解奠定了基礎(chǔ)。而且，還定義了關(guān)鍵術(shù)語以便于清晰理解，例如安全儀表系統(tǒng)、安全儀表功能和安全完整性等級。此外，我們深入研究了IEC 61508的基本要求，包括量化可靠性、架構(gòu)約束和系統(tǒng)安全完整性，特別強調(diào)了采用高性能監(jiān)控電路（如電源監(jiān)視器和看門狗定時器）的影響。本文以MAX42500為例討論了集成安全功能的應(yīng)用，有助于在系統(tǒng)設(shè)計中考慮除了功能安全合規(guī)以外的更多方面。通過這次研究，強調(diào)了高性能電壓監(jiān)控器對于保證工業(yè)系統(tǒng)安全性和可靠性的重要意義。

請繼續(xù)關(guān)注本系列的下一篇文章，我們將討論在為安全關(guān)鍵型應(yīng)用設(shè)計功能安全電源系統(tǒng)時使用SIL級電壓監(jiān)控器的優(yōu)勢。

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作者簡介

Bryan Angelo Borres是其團(tuán)隊中負(fù)責(zé)功能安全的電源應(yīng)用工程師。他與Tom Meany合作，幫助客戶設(shè)計符合IEC 61508等工業(yè)功能安全標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。他擁有瑪布亞大學(xué)電力電子專業(yè)的研究生學(xué)位，目前正在攻讀電子工程碩士學(xué)位。Bryan在設(shè)計高效、穩(wěn)健的電力電子系統(tǒng)方面擁有五年多的豐富經(jīng)驗。

Christopher Macatangay是多市場Power-East事業(yè)部的高級產(chǎn)品應(yīng)用工程師。他于2015年加入ADI公司，擔(dān)任產(chǎn)品應(yīng)用工程師。在加入ADI公司之前，Christopher曾在一家電源公司擔(dān)任測試開發(fā)工程師，積累了六年的工作經(jīng)驗。他擁有亞當(dāng)森大學(xué)電子與通信工程學(xué)士學(xué)位。