PROcess Safety TASK

Architecture คืออะไร

Architecture หมายถึง โครงสร้างของ Safety Instrumented System (SIS) หรือ Safety Instrumented Function (SIF) ว่าประกอบด้วยอุปกรณ์ใดบ้างและจัดเรียงอย่างไร

ตัวอย่าง

• 1oo1 (One out of One) = มีอุปกรณ์ 1 ตัว ต้องทำงานจึงจะเกิดการ Trip
• 1oo2 (One out of Two) = มีอุปกรณ์ 2 ตัว แค่ตัวใดตัวหนึ่งทำงานก็เพียงพอให้เกิดการ Trip
• 2oo3 (Two out of Three) = มีอุปกรณ์ 3 ตัว ต้องมีอย่างน้อย 2 ตัวทำงานพร้อมๆกันจึงจะเกิดการ Trip

Architecture ส่งผลต่อโดยตรงต่อประสิทธิภาพและคุณลักษณะสำคัญของระบบความปลอดภัยในหลายมิติ

• ระดับความน่าเชื่อถือ ผ่านค่า Probability of Failure on Demand Average (PFDavg) ซึ่งหมายถึง SIL Target และ Reliability
• อัตราการเสียแบบหลอกและทำงานโดยไม่จำเป็น Spurios Trip Rate and Availability
• ความทนทานต่อความล้มเหลวของ Hardware หรือ Hardware Fault Tolerance (HFT)
• ความยืดหยุ่นในการทดสอบ Proof Test Interval (PTI)
• SIL Capability
• ต้นทุนและความซับซ้อนของระบบ (Cost & Complexity)

สมการอย่างง่ายในการคำนวน Probability of Failure on Demand

สภาปัตยกรรมส่งผลต่อค่าเฉลี่ยความน่าจะเป็นที่จะล้มเหลวเมื่อต้องการเรียกใช้ (PFDavg) และระดับ Safety Integrity Level (SIL) ที่ระบบทำได้

• เน้นความปลอดภัยสูง เช่น 1oo2, 2oo3 เพราะการเพิ่มอุปกรณ์ที่ต่อแบบขนานจะช่วยลดค่า PFDavg ลงอย่างมาก เพราะแม้อุปกรณ์ตัวหนึ่งจะเสีย อีกตัวยังสามารถ Trip ระบบได้ ทำให้ระดับ SIL สูงขึ้นด้วย
• ความน่าเชื่อถือต่ำลง เช่น 2oo2 เพราะต้องใช้สัญญาณสั่งการทำงานพร้อมกันทั้งสองตัว ค่า PFDavg จะเพิ่มขึ้นประมาณ 2 เท่า ซึ่งจะทำให้ความน่าเชื่อถือด้านความปลอดภัยลดลง

สมการจาก Standard ISA-TR84

สมการจาก IEC-61508

ตัวอย่าง

• Standard ISA
• Standard IEC [Common Cause Failre (β) = 0.05]
• Failure Rate of Dangerous Undetected (λDU) = 5e-7 failure/hr
• ​Proof Test Interval (PTI) = 1 year
• Mission Time = 1 year

Architecture	ISA	IEC
1oo1	2.19e-03	2.19e-3
1oo2	6.395e-06	1.15e-4
1oo3	2.1e-08
2oo2	4.38e-03	4.27e-3
2oo3	1.92e-05	1.27e-4
2oo4	8.4e-08

จากตัวอย่างจะเห็นว่า การเพิ่มอุปกรณ์สำรองแบบต่อขนาน จะช่วยลดค่า PFDavg ลงอย่างมาก เช่น 1oo1 → 1oo2 หรือจาก 1oo1 → 1oo3

และจะเห็นว่าค่าความน่าเชื่อถือต่ำลง หรือค่า PFDavg เพิ่มขึ้นประมาณ 2 เท่า ถ้าเทียบระหว่าง 1oo1 → 2oo2

Hardware Fault Tolerance คืออะไร

Hardware Fault Tolerance (HFT( คือความสามารถในการทนทานต่อปัญหาความขัดข้อง หมายความว่า ความสามารถของระบบในการยังคงทำหน้าที่ที่กำหนดไว้ได้ แม้ว่าจะมีอุปกรณ์หรือส่วนประกอบบางส่วนเกิดความเสียหายหรือขัดข้องก็ตาม

หมายถึง

• 1oo1 (มีอุปกรณ์ 1 ตัว): HFT = 0
• 1oo2 (มีอุปกรณ์ 2 ตัว): HFT = 1
• 2oo3 (มีอุปกรณ์ 3 ตัว): HFT = 1
• 1oo3 (มีอุปกรณ์ 3 ตัว): HFT = 2

ทำไม Hardware Fault Tolerance (HFT) จึงสำคัญ

เพราะ Minimum HFT คือ ข้อกำหนดขั้นต่ำด้าน Architecture หรือ SIL_AC ซึ่งเป็น 1 ใน 3 เกณฑ์บังคับของการทำ SIL Verification

การที่บอกว่า Safety Instrumented Function (SIF) บรรลุระดับ SIL ที่ต้องการได้นั้น มาตราฐาน IEC 61508 และ IEC 61511 กำหนดว่าต้องผ่านเกณฑ์ประเมิน 3 ด้านพร้อมกัน

1. Random Hardware Failure Integrity หรือค่า PFDavg หรือ PFH ต้องอยู่ในเกณฑ์ของ SIL นั้น
2. Architecture Constraints (Minimum HFT)
3. Systematic Integrity (SIL_cap) หรือการป้องกันเชิงระบบ

หมายความว่า ต่อให้คำนวนค่า PFDavg ได้ตัวเลขดี เช่น SIL-3 แต่ถ้า Minimum HFT ไม่ถึงเกณฑ์ขั้นต่ำ SIL-3 ระบบนั้นจะถูกจำกัดระบบ ให้ตกมาอยู่ที่ระดับ SIL ที่ HFT นั้นรองรับได้เท่านั้น

ตามข้อกำหนดมาจราฐาน IEC 61511 (และ IEC 61508 Route 2H) มีการกำหนด Minimum HFT ขั้นต่ำของแต่ละ Subsystem (Sensor, Logic Solver, Final Element) ไว้ตามตาราง Table 6 ข้างบน