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摘要
需要安全完整性等級(SIL) 3解決方案的制造商，在使用SIL 2器件時面臨著多項挑戰。隨著工業功能安全標準IEC 61508第3版的發布，制造商必須采用新的方法。本文概述了一種能夠克服挑戰以成功實現SIL 3并加速產品上市的解決方案。
簡介
過去幾年，受以下多項因素的驅動，工業功能安全系統開始加速普及：
? 制造商希望使用新的復雜技術來降低成本（例如，使用安全扭矩關閉而不是再添加一個接觸器）
? 實踐證明，使用機器人（特別是協作機器人）可以提高許多工廠車間的生產率
? 認識到使用安全認證設備可以提高整體可靠性
? 確認使用診斷可以提高許多工廠和設備的產量
? 引入新的安全要求
另一個驅動因素是對能源、石油和天然氣行業提出了嚴格的要求和監管義務。
在展開詳細討論之前，我們先看一些基本定義，以幫助各類讀者更好地理解本文。
什么是安全？
安全就是指能避免發生不可接受的風險。例如，工廠車間內未加防護的旋轉機器就是不安全的。
什么是安全功能？
安全功能是指為實現或確保安全必須執行的操作。安全功能的目的是降低系統風險。例如，如果上述旋轉機器的前面安裝了光幕，當手穿過光幕時，安全功能將會檢測到光束中斷，從而在手接觸到旋轉機器之前使其停止運轉。
安全功能通常包括三個子系統。圖1的安全系統用于檢測危險液體的液位，并在充滿時切斷液流。
? 輸入子系統（傳感器，如液位傳感器）用于檢測值或狀態
? 邏輯子系統（可編程邏輯控制器(PLC)）用于判斷該狀態是否危險
? 輸出子系統（執行器）可采取行動來確保安全
圖1.典型安全功能
什么是功能安全？
指系統在需要時執行預期安全功能的可靠性。它能有效地衡量功能安全工程師對光束中斷時光幕和電機的停機安全功能會運行的信任度。
如果硬件指標（隨機錯誤）、系統能力(SC)和共因失效(CCF)不會導致安全系統故障、人員傷亡、環境受損或生產損失，則認為該系統功能安全。
除了上述基本安全定義，還需了解設計功能安全系統時必須遵循的一些功能安全標準，及其相關優勢。
制造商進行功能安全開發時，遵循IEC 61508或ISO 26262等標準，具有以下好處：
? 前期需求更清晰
? 測試期間較少出錯
? 軟件編寫保持一致
? 集成過程中發現的缺陷更少
? 測試更全面
? 現場缺陷更少
? 與競爭對手相比，差異化程度更高
安全標準有很多（見圖2），其中大部分源自工業IEC 61508標準。值得注意的是，所有標準的90%到95%要求都與IEC 61508的要求類似。
圖2.安全標準
本文重點介紹針對工業應用的IEC 61508標準，特別是如何使用SIL 2器件以相同冗余設計SIL 3解決方案。
冗余、高可用性和硬件容錯
無論系統多么可靠，系統最終都會失效！兩種常見的故障類型是系統性故障和隨機故障。參見圖3。
圖3.系統性故障和隨機故障
冗余實際上是備用或冗余路徑，當安全系統中發生故障時，它能執行預期的安全功能。值得注意的是，系統具有一定程度的冗余，并不意味著同時具有高可用性。只有冗余路徑能夠自動開啟或激活時，它才具有高可用性。IEC 61508中常用的另一個術語是硬件容錯(HFT)。HFT為N意味著至少出現N + 1個故障才可能導致安全功能喪失。需注意一點，不應考慮其他可能控制故障影響的措施，例如診斷。HFT是一種有效的手段，可確保硬件能夠抵御故障，同時允許用戶權衡HFT和SFF。參見表1。
表1.硬件容錯
|
Safe Failure Fraction of an Element 元件的安全失效比率 |
Hardware Fault Tolerance 硬件容錯 |
||
|
0 0 |
1 1 |
2 2 |
|
|
<60% <60% |
Not allowed 不允許 |
SIL 1 SIL 1 |
SIL 2 SIL 2 |
|
60% to <90% 60%至<90% |
SIL 1 SIL 1 |
SIL 2 SIL 2 |
SIL 3 SIL 3 |
|
90% to <99% 90%至<99% |
SIL 2 SIL 2 |
SIL 3 SIL 3 |
SIL 4 SIL 4 |
|
≥99% ≥99% |
SIL 3 SIL 3 |
SIL 4 SIL 4 |
SIL 4 SIL 4 |
安全完整性等級
SIL描述了安全功能的完整性及其提供的降風險能力的相對水平。IEC 61508規定了四級SIL，SIL 1的安全完整性等級最低，SIL 4的安全完整性等級最高。表2比較了工業IEC 61508安全等級(SIL)、汽車(ISO 26262)安全等級(ASIL)和航空電子安全等級。請注意，這些只是近似比較。
表2.各種SIL等級
|
IEC 61508 IEC 61508 |
ISO 26262 ISO 26262 |
Avionics 航空電子 |
|
SIL 1 SIL 1 |
ASIL A ASIL A |
D D |
|
SIL 2 SIL 2 |
ASIL B ASIL B |
C C |
|
SIL 3 SIL 3 |
ASIL C/D ASIL C/D |
B B |
|
SIL 4 SIL 4 |
|
A A |
隨著SIL等級的提高（從SIL 1到SIL 4），允許的故障率(FIT)依次降低。1 FIT相當于每運行十億(1e9)小時發生一次故障。1e9小時約為10萬年！有一點要注意，沒有任何設備能夠持續運行10億小時，但如果100,000臺設備運行一年，在此期間可能會出現一次隨機硬件故障。安全失效比率(SFF)是檢測到的安全加危險故障總數與安全功能中的故障總數之比。
表3顯示了硬件容錯為零(HFT = 0)時安全失效比率(SFF)和SIL之間的對應關系。
表3.SIL和SFF
|
SIL SIL |
SFF SFF |
High Demand Rate Dangerous Failures Per Hour 每小時高需求率危險故障 |
Theoretically Allowed Dangerous Failures 理論上允許的危險故障 |
|
1 1 |
60% 60% |
1e–5 (10,000 FIT) 1e–5 (10,000 FIT) |
1 dangerous failure every 10 years 每10年發生1次危險故障 |
|
2 2 |
90% 90% |
1e–6 (1,000 FIT) 1e-6 (1,000 FIT) |
1 dangerous failure every 100 years 每100年發生1次危險故障 |
|
3 3 |
99% 99% |
1e–7 (100 FIT) 1e-7 (100 FIT) |
1 dangerous failure every 1,000 years 每1,000年發生1次危險故障 |
問題/現有解決方案
對于許多采用功能安全的設計人員而言，尤其是使用IC進行設計時，問題在于獲得認證可能很困難且成本高昂，而且還存在非常現實的不合規風險。設計人員必須創建系統級FMEDA，并且必須將ASIC視為黑匣子，因為他們不知道：
? 晶體管數量
? 內部故障機制
? 布局塊大小
? IC的可靠性
因此，為了實現總體SIL目標，設計人員在FIT計算中必然會過于保守，在安全系統的其他部分中也會過度確保安全。這通常意味著需要使用外部診斷，例如外部ADC。這樣做的問題是：
? 更加昂貴(BOM)
? 尺寸更大
? 更加復雜
? 系統軟件存在額外開銷
? 開發時間更長
除了這些問題，新版IEC 61508標準（第3版）的推出進一步加大了困難。
IEC 61508第3版
IEC 61508第3版目前計劃的變更包括：明確警告慎用片內診斷來檢測同一芯片上的故障，除非IC是按照IEC 61508開發的。它還計劃包括類似于汽車ISO 26262潛在故障指標的要求。除了針對診斷功能的SFF之外，診斷電路也會有SC要求。
ADFS5758：率先通過認證的數據轉換器
ADFS5758 是一款單通道、16位電流輸出DAC，集成動態功率控制(DPC)，具有內部基準電壓源和眾多片內診斷功能。 圖4顯示了其功能框圖。
ADFS5758的診斷/安全措施
? 主要片內診斷功能由ADC提供；如前所述，IEC 61508第3版計劃澄清，一般不允許使用片內診斷來檢測片內故障，除非IC是按照IEC 61508開發的
? 檢查有無有效的讀/寫地址
? ECC校正
? 看門狗定時器
? 鎖定配置寄存器的能力
? 內部偏置電壓監視器
? 溫度監控器
旨在滿足以下要求：
? 工業工廠自動化
? 過程控制應用
? 高密度小尺寸PLC模擬I/O卡
安全功能：
接收數字輸入碼，產生精度在±2.5%滿量程范圍(FSR)內的輸出電流。
根據IEC 61508開發：
? 硬件指標達到SIL 2
? 系統要求達到SIL 3
圖5是ADFS5758的TUV Rheinland功能安全證書副本。
圖4.ADFS5758框圖
圖5.ADFS5758功能安全證書
圖6顯示使用ADFS5758的典型安全應用。
圖6.使用ADFS5758的典型應用
為使系統滿足SIL要求，硬件指標（也稱為架構約束）和SC都必須滿足SIL目標。
架構約束
從硬件指標的角度看，并行放置兩個SIL 2元件（相同或不同）可以讓客戶實現更高的SIL 3等級。參見圖7。
圖7.使用兩個SIL 2元件實現硬件指標達到SIL 3的解決方案
系統能力
冗余可以通過多樣化（不同）元件或相同元件來實現。
相同元件
使用具有同樣SC的相同元件并不能改善整體系統能力，因為它們容易出現相同的類似CCF的溫度峰值或壓降，并且同一故障可能會導致兩個元件同時失效。參見圖8。
圖8.使用相同元件不會提高系統能力
不同元件
在冗余配置中使用不同的元件可以提高整體系統能力。參見圖9。
圖9.使用不同元件可以提高系統能力
由于兩個元件不相同，所以同一故障不太可能使兩個元件同時失效。
但在安全系統中使用不同元件時，相應的設計導入和測試工作量會顯著增加，因此這種方法可能成本較高。
理想方法是使用兩個相同元件來同時滿足功能安全要求的整體能力和隨機/硬件指標。
開發的系統能力比SIL高一級的重要性：相同冗余
如果系統中可以采用某個元件，并且該系統是按照比元件的SIL高一個等級的系統能力開發的，則可以在安全系統中使用兩個相同元件來提供冗余，并提高整體系統能力。示例參見圖10。
圖10.使用相同冗余實現SIL 3的示例
ADFS5758是按照比硬件指標高一級的系統能力開發的，因此，即使它在硬件指標或隨機故障方面只通過了SIL 2認證，也可使用它來設計SIL3模擬輸出模塊。
結語
在安全系統中使用經過認證的ADFS5758可帶來許多優勢：
? 風險更小：滿足TÜV要求
? 可以使用片內診斷（ADC和分布式診斷）
? 解決方案尺寸更小/給定空間中通道更多（由于使用集成ADC）
? 僅需少量外部元件（可靠性更高）
? 針對性的診斷（檢測時間更短，覆蓋率更高）
? 為系統級工程師提供關鍵數據(FMEDA)
? 系統軟件的開銷更少（軟件中的診斷更少）
? 提供針對假設環境的可靠性分析
? 縮短客戶的開發時間
? 提供相關文件（安全手冊和TÜV評估報告）
? 適應未來的IEC 61508第3版標準
除了上述優勢之外，ADFS5758還允許使用SIL 2器件以相同冗余設計SIL 3解決方案。
如希望進一步探索功能安全和ADFS5758：
? 請訪問ADFS5758產品網頁 以了解更多信息。
? 訂購ADFS5758評估套件 以熟悉該器件。
? 瀏覽ADI公司的工業功能安全網頁。
? 閱讀ADI公司的安全事項博客。
關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2023財年收入超過120億美元，全球員工約2.6萬人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問
關于作者
Brian Condell是ADI公司位于愛爾蘭利默里克的工業連接和控制部門的IO-Link®產品應用工程師。Brian 1997年開始在ADI工作。他于2003年畢業于利默里克大學，獲得電氣工程榮譽學位。他擁有超過25年的半導體行業從業經驗，先后擔任過多種職位，包括FAB維修技術人員、IC布局工程師、模擬設計工程師、功能安全工程師，以及最近的應用工程師。他是經過TUV Rheinland認證的IEC 61508硬件/軟件設計功能安全工程師。
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