PROcess Safety TASK

วัตถุประสงค์หลักของ SIL Verification คือ การคำนวณและพิสูจน์เพื่อยืนยันว่า การออกแบบฟังก์ชันความปลอดภัย (Safety Instrumented Function: SIF) หรือระบบความปลอดภัย (Safety Instrumented System: SIS) นั้นสามารถบรรลุเป้าหมายระดับความน่าเชื่อถือด้านความปลอดภัย

คำว่าสามารถบรรลุเป้าหมายระดับความน่าเชื่อถือด้านความปลอดภัย หรือก็คือ Achieved Target SIL และ Target RRF ตามที่ได้ระบุไว้ใน ข้อกำหนดความต้องการด้านความปลอดภัย (Safety Requirement Specification: SRS)

ในการทำ SIL Verification ตามมาตราฐาน IEC 61508 และ IEC 61511 นั้นกำหนดให้ผ่านเกณฑ์การประเมินสำคัญ 3 ด้านหลัก

1. การประเมินความล้มเหลวแบบสุ่ม (Random Hardware Failure หรือดูจากค่า Probabililty Failure of Demand/ SIL_PFD)
2. การประเมินข้อจำกัดด้านสถาปัตยกรรม (Architectural Constraints/ SIL_AC)
3. การประเมินข้อจำกัดความสมบูรณ์เชิงระบบ (Systematic Integrity/ SIL_cap)

การประเมินความล้มเหลวแบบสุ่มของฮาร์ดแวร์ (Random Hardware Failure/Probabililty Failure of Demand/ SIL_PFD)

การประเมินความล้มเหลวของอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์แบบสุ่มนั้น จะต้องพิจารณาพร้อมกันทั้งระบบ ซึ่งระบบในที่นี้หมายถึง Sensor, Logic Solver จนถึง Final Element

โดยถ้าเป็น Low Demand Mode จะคำนวนค่าเฉลี่ยความน่าจะเป็นที่จะเสียเมื่อมีการใช้งาน (Probability Failure on Demand Average: PFDavg) หรือค่า Risk Reduction Factor (RRF) โดยที่

และถ้าเป็น High/ Continuous Demand Mode จะคำนวนความถี่ของความล้มเหลวอันตรายต่อชั่วโมง (PFH)

SIL requirements according to ISA-TR84.00.02 and IEC/EN 61508

SIL ตามมาตราฐาน ISA-TR84.011 (รวมถึง ANSI/ISA-84.01)

SIL	Demand mode of operation (probability of failure on demand average)
3	< 10-3 to > 10-4
2	< 10-2 to > 10-3
1	< 10-1 to > 10-2

ในมาตราฐาน ANSI/ISA-S84.01 ดั้งเดิม ไม่มี SIL-4 ให้ใช้งานเนื่องด้วยข้อขำกัดของค่า RRF สูงสุดไม่เกิน 10,000 โดยไม่รับรองประสิทธิภาพของระบบที่สูงกว่า 10e-04

ISA มองว่าการพึ่งพา Safety Instrumented Function (SIF) เพียงลูปเดียวในการทำ SIL-4 นั้นทำได้ยากมากและมีความเสี่ยงสูง จึงแนะนำชั้นป้องกันอื่นๆ (Independent Protection Layer – IPLs) เช่น Pressure Relief Valve, BPCS

อย่างไรก็ตาม ANSI/ISA-84.00.01-2004 ได้มีการปรับปรุง โดยมีนิยาม SIL-4 ไว้ แต่ก็ระบุไว้อย่างชัดเจนว่า การนำ SIL-4 มาใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตเป็นเรื่องที่น้อยมากและควรหลีกเลี่ยง

SIL according to IEC/EN 61508

SIL	Low Demand (Average probability of failure on demand)	High Demand or Continuous Mode of operation (Probability of dangerous failure per hour)
4	<10-4 to >10-5	< 10-8 to > 10-9
3	<10-3 to >10-4	< 10-7 to > 10-8
2	<10-2 to >10-3	< 10-6 to > 10-7
1	<10-1 to >10-2	< 10-5 to > 10-6

Probability of Failure on Demand average (PFDavg) ISA-TR84.00.02

ตามมาตราฐาน ISA-TR84.00.02 (Part 2) การคำนวนค่าเฉลี่ยความน่าจะเป็นที่จะล้มเหลวเมื่อมีเหตุเรียกใช้งาน (PFDavg) ของสถาปัตยกรรม (Voting Architecture) แบบต่างๆ

ถ้าเป็นสูตรอย่างง่าย จะถือว่าการซ่อมแซมทำได้เร็ว และอุปกรณ์ได้รับการออกแบบตามประสบการณ์หน้างาน โดยสมการอย่างง่ายจะตัดเทอม Common Cause และ Repair Time ออก

ซึ่งถ้าหากพิจารณาปัจจัย ความล้มเหลวจากสาเหตุร่วม (Common Cause Failure – β Factor), ระยะเวลาในการซ่อมแซม (MTTR), อัตราความล้มเหลวอันตรายที่ตรวจพบได้ (λDD) จะได้สมการเต็มไว้ดังนี้

Probability of Failure on Demand average (PFDavg) IEC 61508

สมการอย่างง่ายของ IEC 61508 จะละเว้นผลของ λDD และถือว่าระยะเวลาการซ่อมแซมสั้นมาก (MRT = 0)

แต่ที่จริงสมการการคำนวณค่า PFDavg ตามมาตราฐาน IEC 61508 โดยเฉพาะใน IEC 61508-6 Annex B และ Annex D มีความละเอียดและคลอบคลุมมากกว่าสูตรอย่างง่ายทั่วไป เพราะสูตรจากมาตราฐานนี้ เพิ่มในส่วน

• แยกประเภทความล้มเหลวอันตราย ทั้ง λDU กับ λDD
• ปัจจัยด้านกวลาซ่อมแซม MRT (Mean Repair Time) สำหรับ DU และ MTTR (Mean Time To Restoration) สำหรับ DD
• ความล้มหลวจากสาเหตุร่วม (Common Cause Failure – CCF)

Compare PFD and PFDavg of IEC and ISA

เปรียบเทียบค่า PFD และ PFDavg อย่างง่ายระหว่างการคำนวณด้วย IEC 61508 กับ ISA TR84

ตัวอย่าง 1

• Unit = Temperature Transmitter
• Architecture = 1oo2
• λDU​ = 2×10e−6/hr
• Proof-Test Interval = 1 year
• Mission time = 4 years
• β = 0.05

ค่า PFDavg ตาม ISA TR84

ค่า PFDavg ตาม IEC 61508

จะเห็นว่า ถ้าใช้ Simplified ISA และ Simplified IEC จะได้ SIL-3 และค่า IEC จะสูงกว่า ISA อยู่ 5.2 เท่า เพราะ ISA แบบ simplifed สมมุติว่าระบบเป็นอิสระกัน 100% ไม่มี common cause failure

ตัวอย่างที่ 2

• Unit = Pressure Transmiitter
• Architecture = 2oo3
• λDU​ = 5e-7 failure/hour
• Proof-test interval = 1 year
• Mission Time = 4 years

ค่า PFDavg ตาม ISA TR84

ค่า PFDavg ตาม IEC 61508

จะเห็นว่า ถ้าใช้ Simplified ISA จะได้ SIL-4 แต่ถ้าใช้ Simplified IEC จะได้ SIL-3

โดยสรุปแล้ว Simpliflied IEC จะให้ค่า PFD(t) และ PFDavg ที่มีค่ามากกว่าการคำนวณ Simplified ISA