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使用SIL 2器件設(shè)計(jì)功能安全的SIL 3模擬輸出模塊

發(fā)布時(shí)間:2023-12-12 來源:亞德諾半導(dǎo)體 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】需要安全完整性等級(jí)(SIL) 3解決方案的制造商,在使用SIL 2器件時(shí)面臨著多項(xiàng)挑戰(zhàn)。隨著工業(yè)功能安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508第3版的發(fā)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(zhàn)以成功實(shí)現(xiàn)SIL 3并加速產(chǎn)品上市的解決方案。


摘要


需要安全完整性等級(jí)(SIL) 3解決方案的制造商,在使用SIL 2器件時(shí)面臨著多項(xiàng)挑戰(zhàn)。隨著工業(yè)功能安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508第3版的發(fā)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(zhàn)以成功實(shí)現(xiàn)SIL 3并加速產(chǎn)品上市的解決方案。


簡(jiǎn)介


過去幾年,受以下多項(xiàng)因素的驅(qū)動(dòng),工業(yè)功能安全系統(tǒng)開始加速普及:

制造商希望使用新的復(fù)雜技術(shù)來降低成本(例如,使用安全扭矩關(guān)閉而不是再添加一個(gè)接觸器)


實(shí)踐證明,使用機(jī)器人(特別是協(xié)作機(jī)器人)可以提高許多工廠車間的生產(chǎn)率


認(rèn)識(shí)到使用安全認(rèn)證設(shè)備可以提高整體可靠性


確認(rèn)使用診斷可以提高許多工廠和設(shè)備的產(chǎn)量


引入新的安全要求


另一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是對(duì)能源、石油和天然氣行業(yè)提出了嚴(yán)格的要求和監(jiān)管義務(wù)。

在展開詳細(xì)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(fā)生不可接受的風(fēng)險(xiǎn)。例如,工廠車間內(nèi)未加防護(hù)的旋轉(zhuǎn)機(jī)器就是不安全的。


什么是安全功能?


安全功能是指為實(shí)現(xiàn)或確保安全必須執(zhí)行的操作。安全功能的目的是降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。例如,如果上述旋轉(zhuǎn)機(jī)器的前面安裝了光幕,當(dāng)手穿過光幕時(shí),安全功能將會(huì)檢測(cè)到光束中斷,從而在手接觸到旋轉(zhuǎn)機(jī)器之前使其停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

安全功能通常包括三個(gè)子系統(tǒng)。圖1的安全系統(tǒng)用于檢測(cè)危險(xiǎn)液體的液位,并在充滿時(shí)切斷液流。


輸入子系統(tǒng)(傳感器,如液位傳感器)用于檢測(cè)值或狀態(tài)


邏輯子系統(tǒng)(可編程邏輯控制器(PLC))用于判斷該狀態(tài)是否危險(xiǎn)


輸出子系統(tǒng)(執(zhí)行器)可采取行動(dòng)來確保安全


使用SIL 2器件設(shè)計(jì)功能安全的SIL 3模擬輸出模塊

圖1.典型安全功能


什么是功能安全?


指系統(tǒng)在需要時(shí)執(zhí)行預(yù)期安全功能的可靠性。它能有效地衡量功能安全工程師對(duì)光束中斷時(shí)光幕和電機(jī)的停機(jī)安全功能會(huì)運(yùn)行的信任度。

如果硬件指標(biāo)(隨機(jī)錯(cuò)誤)、系統(tǒng)能力(SC)和共因失效(CCF)不會(huì)導(dǎo)致安全系統(tǒng)故障、人員傷亡、環(huán)境受損或生產(chǎn)損失,則認(rèn)為該系統(tǒng)功能安全。

除了上述基本安全定義,還需了解設(shè)計(jì)功能安全系統(tǒng)時(shí)必須遵循的一些功能安全標(biāo)準(zhǔn),及其相關(guān)優(yōu)勢(shì)。

制造商進(jìn)行功能安全開發(fā)時(shí),遵循IEC 61508或ISO 26262等標(biāo)準(zhǔn),具有以下好處:


前期需求更清晰


測(cè)試期間較少出錯(cuò)


軟件編寫保持一致


集成過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷更少


測(cè)試更全面


現(xiàn)場(chǎng)缺陷更少


與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比,差異化程度更高


安全標(biāo)準(zhǔn)有很多(見圖2),其中大部分源自工業(yè)IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的是,所有標(biāo)準(zhǔn)的90%到95%要求都與IEC 61508的要求類似。


使用SIL 2器件設(shè)計(jì)功能安全的SIL 3模擬輸出模塊

圖2.安全標(biāo)準(zhǔn)


本文重點(diǎn)介紹針對(duì)工業(yè)應(yīng)用的IEC 61508標(biāo)準(zhǔn),特別是如何使用SIL 2器件以相同冗余設(shè)計(jì)SIL 3解決方案。


冗余、高可用性和硬件容錯(cuò)

無論系統(tǒng)多么可靠,系統(tǒng)最終都會(huì)失效!兩種常見的故障類型是系統(tǒng)性故障和隨機(jī)故障。參見圖3。


使用SIL 2器件設(shè)計(jì)功能安全的SIL 3模擬輸出模塊

圖3.系統(tǒng)性故障和隨機(jī)故障


冗余實(shí)際上是備用或冗余路徑,當(dāng)安全系統(tǒng)中發(fā)生故障時(shí),它能執(zhí)行預(yù)期的安全功能。值得注意的是,系統(tǒng)具有一定程度的冗余,并不意味著同時(shí)具有高可用性。只有冗余路徑能夠自動(dòng)開啟或激活時(shí),它才具有高可用性。IEC 61508中常用的另一個(gè)術(shù)語是硬件容錯(cuò)(HFT)。HFT為N意味著至少出現(xiàn)N + 1個(gè)故障才可能導(dǎo)致安全功能喪失。需注意一點(diǎn),不應(yīng)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(shí)允許用戶權(quán)衡HFT和SFF。參見表1。


表1.硬件容錯(cuò)


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安全完整性等級(jí)


SIL描述了安全功能的完整性及其提供的降風(fēng)險(xiǎn)能力的相對(duì)水平。IEC 61508規(guī)定了四級(jí)SIL,SIL 1的安全完整性等級(jí)最低,SIL 4的安全完整性等級(jí)最高。表2比較了工業(yè)IEC 61508安全等級(jí)(SIL)、汽車(ISO 26262)安全等級(jí)(ASIL)和航空電子安全等級(jí)。請(qǐng)注意,這些只是近似比較。


表2.各種SIL等級(jí)

使用SIL 2器件設(shè)計(jì)功能安全的SIL 3模擬輸出模塊


隨著SIL等級(jí)的提高(從SIL 1到SIL 4),允許的故障率(FIT)依次降低。1 FIT相當(dāng)于每運(yùn)行十億(1e9)小時(shí)發(fā)生一次故障。1e9小時(shí)約為10萬年!有一點(diǎn)要注意,沒有任何設(shè)備能夠持續(xù)運(yùn)行10億小時(shí),但如果100,000臺(tái)設(shè)備運(yùn)行一年,在此期間可能會(huì)出現(xiàn)一次隨機(jī)硬件故障。安全失效比率(SFF)是檢測(cè)到的安全加危險(xiǎn)故障總數(shù)與安全功能中的故障總數(shù)之比。


使用SIL 2器件設(shè)計(jì)功能安全的SIL 3模擬輸出模塊


表3顯示了硬件容錯(cuò)為零(HFT = 0)時(shí)安全失效比率(SFF)和SIL之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。


表3.SIL和SFF


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問題/現(xiàn)有解決方案


對(duì)于許多采用功能安全的設(shè)計(jì)人員而言,尤其是使用IC進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),問題在于獲得認(rèn)證可能很困難且成本高昂,而且還存在非?,F(xiàn)實(shí)的不合規(guī)風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)人員必須創(chuàng)建系統(tǒng)級(jí)FMEDA,并且必須將ASIC視為黑匣子,因?yàn)樗麄儾恢溃?/p>


  • 晶體管數(shù)量

  • 內(nèi)部故障機(jī)制

  • 布局塊大小

  • IC的可靠性


因此,為了實(shí)現(xiàn)總體SIL目標(biāo),設(shè)計(jì)人員在FIT計(jì)算中必然會(huì)過于保守,在安全系統(tǒng)的其他部分中也會(huì)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(fù)雜

  • 系統(tǒng)軟件存在額外開銷

  • 開發(fā)時(shí)間更長(zhǎng)


除了這些問題,新版IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)(第3版)的推出進(jìn)一步加大了困難。


IEC 61508第3版


IEC 61508第3版目前計(jì)劃的變更包括:明確警告慎用片內(nèi)診斷來檢測(cè)同一芯片上的故障,除非IC是按照IEC 61508開發(fā)的。它還計(jì)劃包括類似于汽車ISO 26262潛在故障指標(biāo)的要求。除了針對(duì)診斷功能的SFF之外,診斷電路也會(huì)有SC要求。


ADFS5758:率先通過認(rèn)證的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器


ADFS5758 是一款單通道、16位電流輸出DAC,集成動(dòng)態(tài)功率控制(DPC),具有內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和眾多片內(nèi)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(nèi)診斷功能由ADC提供;如前所述,IEC 61508第3版計(jì)劃澄清,一般不允許使用片內(nèi)診斷來檢測(cè)片內(nèi)故障,除非IC是按照IEC 61508開發(fā)的


  • 檢查有無有效的讀/寫地址

  • ECC校正

  • 看門狗定時(shí)器

  • 鎖定配置寄存器的能力

  • 內(nèi)部偏置電壓監(jiān)視器

  • 溫度監(jiān)控器


旨在滿足以下要求:


  • 工業(yè)工廠自動(dòng)化

  • 過程控制應(yīng)用

  • 高密度小尺寸PLC模擬I/O卡


安全功能:


接收數(shù)字輸入碼,產(chǎn)生精度在±2.5%滿量程范圍(FSR)內(nèi)的輸出電流。

根據(jù)IEC 61508開發(fā):


  • 硬件指標(biāo)達(dá)到SIL 2

  • 系統(tǒng)要求達(dá)到SIL 3


圖5是ADFS5758的TUV Rheinland功能安全證書副本。


使用SIL 2器件設(shè)計(jì)功能安全的SIL 3模擬輸出模塊

圖4.ADFS5758框圖

使用SIL 2器件設(shè)計(jì)功能安全的SIL 3模擬輸出模塊

圖5.ADFS5758功能安全證書


圖6顯示使用ADFS5758的典型安全應(yīng)用。


使用SIL 2器件設(shè)計(jì)功能安全的SIL 3模擬輸出模塊

圖6.使用ADFS5758的典型應(yīng)用


為使系統(tǒng)滿足SIL要求,硬件指標(biāo)(也稱為架構(gòu)約束)和SC都必須滿足SIL目標(biāo)。


架構(gòu)約束


從硬件指標(biāo)的角度看,并行放置兩個(gè)SIL 2元件(相同或不同)可以讓客戶實(shí)現(xiàn)更高的SIL 3等級(jí)。參見圖7。


使用SIL 2器件設(shè)計(jì)功能安全的SIL 3模擬輸出模塊

圖7.使用兩個(gè)SIL 2元件實(shí)現(xiàn)硬件指標(biāo)達(dá)到SIL 3的解決方案


系統(tǒng)能力


冗余可以通過多樣化(不同)元件或相同元件來實(shí)現(xiàn)。


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(tǒng)能力,因?yàn)樗鼈內(nèi)菀壮霈F(xiàn)相同的類似CCF的溫度峰值或壓降,并且同一故障可能會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)元件同時(shí)失效。參見圖8。


使用SIL 2器件設(shè)計(jì)功能安全的SIL 3模擬輸出模塊

圖8.使用相同元件不會(huì)提高系統(tǒng)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(tǒng)能力。參見圖9。


使用SIL 2器件設(shè)計(jì)功能安全的SIL 3模擬輸出模塊

圖9.使用不同元件可以提高系統(tǒng)能力


由于兩個(gè)元件不相同,所以同一故障不太可能使兩個(gè)元件同時(shí)失效。


但在安全系統(tǒng)中使用不同元件時(shí),相應(yīng)的設(shè)計(jì)導(dǎo)入和測(cè)試工作量會(huì)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(gè)相同元件來同時(shí)滿足功能安全要求的整體能力和隨機(jī)/硬件指標(biāo)。

開發(fā)的系統(tǒng)能力比SIL高一級(jí)的重要性:相同冗余


如果系統(tǒng)中可以采用某個(gè)元件,并且該系統(tǒng)是按照比元件的SIL高一個(gè)等級(jí)的系統(tǒng)能力開發(fā)的,則可以在安全系統(tǒng)中使用兩個(gè)相同元件來提供冗余,并提高整體系統(tǒng)能力。示例參見圖10。


使用SIL 2器件設(shè)計(jì)功能安全的SIL 3模擬輸出模塊

圖10.使用相同冗余實(shí)現(xiàn)SIL 3的示例


ADFS5758是按照比硬件指標(biāo)高一級(jí)的系統(tǒng)能力開發(fā)的,因此,即使它在硬件指標(biāo)或隨機(jī)故障方面只通過了SIL 2認(rèn)證,也可使用它來設(shè)計(jì)SIL3模擬輸出模塊。


結(jié)語


  • 在安全系統(tǒng)中使用經(jīng)過認(rèn)證的ADFS5758可帶來許多優(yōu)勢(shì):

  • 風(fēng)險(xiǎn)更?。簼M足TüV要求

  • 可以使用片內(nèi)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(duì)性的診斷(檢測(cè)時(shí)間更短,覆蓋率更高)

  • 為系統(tǒng)級(jí)工程師提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)(FMEDA)

  • 系統(tǒng)軟件的開銷更少(軟件中的診斷更少)

  • 提供針對(duì)假設(shè)環(huán)境的可靠性分析

  • 縮短客戶的開發(fā)時(shí)間

  • 提供相關(guān)文件(安全手冊(cè)和TüV評(píng)估報(bào)告)


適應(yīng)未來的IEC 61508第3版標(biāo)準(zhǔn)


除了上述優(yōu)勢(shì)之外,ADFS5758還允許使用SIL 2器件以相同冗余設(shè)計(jì)SIL 3解決方案。

如希望進(jìn)一步探索功能安全和ADFS5758:


請(qǐng)?jiān)L問ADFS5758產(chǎn)品網(wǎng)頁 以了解更多信息。

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(來源:ADI公司,作者:Brian Condell,工業(yè)連接和控制部門的IO-Link?產(chǎn)品應(yīng)用工程師)



免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。



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