安全完整性等级

安全完整性等级（Safety Integrity Level，简称SIL）是机能安全的一部分，定义为由于安全机能所降低风险的相对水准，或是风险降低后，风险的相对水准。简单来说，安全完整性等级就是度量安全仪表系统（Safety Instrumented Function，简称SIF）所需要的性能。[1]

在不同安全法规中，对于特定SIL需满足的条件也有所不同。依照欧盟的机能安全标准，定义有4种SIL，分别是 SIL 1、SIL 2、SIL 3及SIL 4。在安全机能的执行上，SIL 4 是最可靠的，SIL 1是最不可靠的。SIL 等级越高，代表设备正确执行安全机能的几率越高。[2]SIL 的评定依据许多量化指标，不过也和一些非量化指标有关，例如产品开发流程及安全生命周期管理等。

SIL的分配

有许多种分配SIL的方式，一般常会合并使用，包括以下几种：

  • 风险矩阵（Risk Matrices）
  • 风险图（Risk Graphs）
  • 防护层分析（Layers of Protection Analysis，LOPA）

SIL分配可以依照英国卫生安全局（Health and Safety Executive，HSE）发行的相关资料[3]，用务实、可控制的方式进行测试。依照英国卫生安全局的资料，利用风险矩阵的方式得到的SIL分配已被证实可符合 IEC EN 61508的要求。

SIL应用上的误解

对于安全完整性等级的应用，存在有许多的问题及误解，大致有以下几项：

  • 在应用安全完整性等级时，无法转换不同标准中标示的安全完整性等级。
  • 依照可靠度的估计来估计安全完整性等级。
  • 由于系统（特别是软件系统）太过复杂，使得无法估计安全完整性等级。

上述误解会带来一些错误的陈述，包括“因为此系统开发时使用的流程是开发 SIL N 系统的标准流程，因此此系统是 SIL N 的系统”，或者断章取义的使用SIL，例如“这是一个 SIL N 的热交换器”。根据 IEC 61508，SIL 的概念和系统的失效率无关，只和系统的危险失效率（dangerous failure rate）有关。需要透过安全性分析的方式识别危险失效模式，才能决定其失效率[4]。

SIL等级越高的设备表示其安全可靠越高，但其价格也一定相对提高。而且若系统的SIL等级越高，需要的硬件故障裕度也会提高，以确保在部分设备故障时不会有安全性问题。

SIL的认证

国际电工协会（IEC）标准IEC 61508（后来变成IEC EN 61508）将SIL依其要求项目分为二大类：硬件安全完整性（hardware safety integrity）及系统安全完整性（systematic safety integrity）。设备或系统若要达到特定的SIL等级，需同时符合该等级二大类完整性的要求项目。

SIL有关硬件安全完整性的条件是以要求的几率分析为基础。若要达到特定的SIL等级，设备的最大危险失效几率（probability of dangerous failure）及最小安全故障失效比率（Safe Failure Fraction）需符合该等级SIL的要求。待测系统的“危险失效”需明确的定义，一般会以需求限制的方式表示，而其完整性也会在系统开发的过程中被验证。实际要达到的目标仍会依需求、设备复杂度及使用的冗余种类而不同。

IEC EN 61508 针对低要求操作模式（low demand operation）时，不同的安全完整性等级定义以下的要求失效概率（Probability of Failure on Demand，简称PFD）及风险减低系数（Risk Reduction Factor，简称RRF）：

安全完整性等级（SIL） 要求失效概率（PFD） 风险减低系数（RRF）
1 0.1-0.01 10-100
2 0.01-0.001 100-1000
3 0.001-0.0001 1000-10,000
4 0.0001-0.00001 10,000-100,000

连续操作模式下的要求失效概率及风险减低系数如下所示：

安全完整性等级（SIL） 要求失效概率（PFD） 风险减低系数（RRF）
1 0.00001-0.000001 100,000-1,000,000
2 0.000001-0.0000001 1,000,000-10,000,000
3 0.0000001-0.00000001 10,000,000-100,000,000
4 0.00000001-0.000000001 100,000,000-1,000,000,000

必须透过风险分析的流程，识别及分析控制系统的风险。然后会利用各种方式减轻风险，直到整体的风险降低到可接受的程度为止。风险的允许程度就是安全需求中的项目之一，表示成一段特定时间的目标危险失效概率（target probability of a dangerous failure），对应不同的SIL等级。

一般会用认证的方式确认一项设备是否符合特定的SIL等级[5]。符合认证的方式可以利用建立一个严谨的开发流程来达成，或者是搜集许多设备运作的历史资料，以实际的设备运作资料来证实此设备已达到特定的SIL等级。

电机及电子设备可以依据IEC 61508进行功能安全的认证，以说服客户此设备可以和客户的应用系统相容。IEC 61511是依据IEC 61508，应用在程序控制产业的标准，主要用在石化产业及危险化学品的制造产业，也用在其他场合。

用到SIL的安全标准

以下的标准都使用SIL来衡量可靠度或风险降低的程度。

  • ANSI/ISA S84
  • IEC 61508 - 功能安全基础标准
  • IEC 61511（英语：IEC 61511） - 制程工业功能安全标准
  • IEC 62061（英语：IEC 62061） - 工业机器功能安全标准
  • ISO 26262 - 道路汽车功能安全标准
  • EN 50128
  • EN 50129
  • MISRA（英语：Motor Industry Software Reliability Association） - 衡量可靠度
  • Defence Standard 00-56 Issue 2 - 衡量事故后果

在特定安全标准中的SIL其数字或定义可能和IEC EN 61508中所定义的数字及定义不同[6]。

参照

  • ALARP
  • 误动作等级（STL）
  • 高完整性压力保护系统（英语：HIPPS）：其主要零件均需通过SIL-3认证。
  • 工业安全系统

有许多是以IEC 61508为准的标也用到SIL，例如 IEC 62061、ISO 26262。

参考文献

  1. ^ Net Safety Monitoring Inc., SAFETY INTEGRITY LEVEL (SIL) - IEC 61508/61511, http://www.net-safety.com/about/whitepaper/wpt0015.pdf （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  2. ^ 刘建侯. 功能安全技術基礎. 北京: 机械工业出版社. 2008: p9.  )
  3. ^ M. Charlwood, S Turner and N. Worsell, UK Health and Safety Executive Research Report 216, “A methodology for the assignment of safety integrity levels (SILs) to safety-related control functions implemented by safety-related electrical, electronic and programmable electronic control systems of machines”, 2004. ISBN 0-7176-2832-9
  4. ^ F. Redmill, "Understanding the Use, Misuse, and Abuse of SILs" http://www.csr.ncl.ac.uk/FELIX_Web/3A.SILs.pdf （页面存档备份，存于互联网档案馆） with capture date of 11th October 2010
  5. ^ CASS Scheme, Conformity Assessment of Safety Systems, http://www.cass.uk.net/ （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  6. ^ F. Redmill, "Understanding the Use, Misuse, and Abuse of SILs" http://www.csr.ncl.ac.uk/FELIX_Web/3A.SILs.pdf （页面存档备份，存于互联网档案馆） with capture dates of 9th July 2010 and 11 October 2010

外部链接