确定安全完整性等级(SIL)需求的方法

确定安全完整性等级(SIL)需求的方法

——优势与弊端

1简介

安全完整性等级(SIL)的概念是随着BS EN 61508的发展被引进的。对于具有安全功

能的系统，SIL是对其质量或者说靠性进行的一种度量，具体来说，就是对系统能

否按预期执行相应功能的可信赖程度的一种度量。

本文主要讨论在过程工业设备领域流行的两种确定SIL需求的方法：风险图表法和

保护层级分析(LOPA)法并指出两种方法各自的优势和局限，特别是针对风险图表法。

同时也给何种情况下应选择何种方法的推荐标准。

2SIL的定义

相关标准承认，不同的安全功能，其所需的运作方式也迥然不同。很多功能的实际

使用频率非常低，比如汽车的如下两项功能：

?防抱死系统（ABS）。（当然，这跟司机也有关系）

?安全气囊（SRS）

另一方面，有些功能的使用频率很高，甚至是持续运作的，比如汽车的这两项功能：?刹车

?转向

如此，一个根本性的问题便是：这两种类型的功能，其发生故障的频度达到多大会

导致事故的发生？针对二者的答案是不同的：

?对于使用频率低者，事故频率由两个参数构成：

1)功能的使用频率

2)当使用时，该功能发生故障的概率——故障概率（PFD）

因此，这种情况下，PFD便能恰当地衡量该功能的性能表现，而PFD的倒

数则称为：风险消除因数（RRF）。

?对于使用频率高者，或持续运作的功能，能恰当地衡量其表现的数据则是故障频率（λ），或者平均无故障时间（MTTF）。假设故障的发生呈指数

分布，则MTTF与λ互为倒数。

当然，以上的两种表达方式并不是独立的，而是相互关联的。最简单地，假设可以

以一个比正常使用频率高的频度对某功能进行检验，则以下关系成立：

PFD = λT/2 = T/(2xMTTF) 或者：

RRF = 2/( λT) 或 = (2xMTTF)/T

其中T是检验间隔（注意：若要将事故速率显著降低到故障速率λ以下，检验频率

1/T应至少为正常使用频率的两倍，最好是能达到5倍或更高。）但这两者却是不

同的量：PFD是一个概率，是无量纲量；λ是一个速率，量纲是t-1 。然而标准中对两种度量都使用相同的术语——SIL，定义见下表：

表1 – BS EN 61508 中低使用频率下的SIL定义

表2 – BS EN 61508 中高使用频率或持续运作下的SIL定义

在低使用频率模式下，SIL是PFD的代表；在高使用频率或持续运作模式下，SIL则是故障速率的代表。（在标准中，高低使用频率的分界大体上被设置在每年一次，这与3到6个月的检验间隔是相符的。在很多情况下，要使检验间隔比这更短也不大可行。）

现在，考虑有这样一项功能，它可以同时对两种危险进行保护：其中一种平均两周发生一次，约合25次每年，也就是高使用频率型；另一种大约10年发生一次，也就是低使用频率型。如果该功能的平均无故障时间为50年，那么对高频危险的保护将达到SIL1级别。同时，对于低频危险的保护来说，高频危险的发生有效地检验了该功能。其他条件相同的情况下，对低频危险的防护等级实际上达到了：

PFD = 0.04/(2x50) = 4 x 10-4即：SIL3

那么，该功能达到的SIL等级究竟为何呢？显然答案不是唯一的，而是取决于具体保护的危险，特别是危险发生的频率是高还是低。

①此栏并非标准中所定义，但通常RRF比PFD更易处理。

②此栏并非标准中所定义，但作者发现在过程工业领域，这些近似的MTTF值更有用，因为在这里，时间更多地是以年来计，而不是小时。

安全完整性等级认证

SIL（Safety Integrity Level）-安全完整性等级。 SIL认证就是基于IEC 61508, IEC 61511, IEC 61513, IEC 13849-1, IEC 62061, IEC 61800-5-2等标准，对安全设备的安全完整性等级(SIL)或者性能等级(PL)进行评估和确认的一种第三方评估、验证和认证。功能安全认证主要涉及针对安全设备开发流程的文档管理(FSM)评估，硬件可靠性计算和评估、软件评估、环境试验、EMC电磁兼容性测试等内容。 欧洲电工标准化（CENELEC的缩写）委员会，欧洲三大标准化组织之一。 CENELEC 负责电子工程领域的欧洲标准化。CENELEC连同电信标准化（ETSI）和CEN（所有其他技术领域的标准化）形成了欧洲标准化体系。 SIL认证一共分为4个等级，SIL1、SIL2、SIL3、SIL4，包括对产品和对系统两个层次。其中，以SIL4的要求最高。 2主要标准 IEC 61508: 电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全性 IEC61508标准规定了常规系统运行和故障预测能力两方面的基本安全要求。这些要求涵盖了一般安全管理系统、具体产品设计和符合安全要求的过程设计，其目标是既避免系统性设计故障，又避免随机性硬件失效。 IEC61508标准的主要目标为： · 对所有的包括软、硬件在内的安全相关系统的元器件，在生命周期范围提供安全监督的系统方法; · 提供确定安全相关系统安全功能要求的方法; · 建立基础标准，使其可直接应用于所有工业领域。同时，亦可指导其他领域的标准，使这些标准的起草具有一致性(如基本概念、技术术语、对规定安全功能的要求等); · 鼓励运营商和维护部门使用以计算机为基础的技术; · 建立概念统一、协调一致的标准架构和体系。 IEC61511: 过程工业领域安全仪表系统的功能安全要求 IEC61511是专门针对流程工业领域安全仪表系统的功能安全标准，它是国际电工委员会继功能安全基础标准IEC61508之后推出的专业领域标准，IEC61511在国内的协调标准为GB/T 21109。在过程工业中，仪表安全系统都被用来执行仪

确定安全完整性等级(SIL)需求的方法

确定安全完整性等级(SIL)需求的方法 ——优势与弊端 1简介 安全完整性等级(SIL)的概念是随着BS EN 61508的发展被引进的。对于具有安全功 能的系统，SIL是对其质量或者说靠性进行的一种度量，具体来说，就是对系统能 否按预期执行相应功能的可信赖程度的一种度量。 本文主要讨论在过程工业设备领域流行的两种确定SIL需求的方法：风险图表法和 保护层级分析(LOPA)法并指出两种方法各自的优势和局限，特别是针对风险图表法。 同时也给何种情况下应选择何种方法的推荐标准。 2SIL的定义 相关标准承认，不同的安全功能，其所需的运作方式也迥然不同。很多功能的实际 使用频率非常低，比如汽车的如下两项功能： ?防抱死系统（ABS）。（当然，这跟司机也有关系） ?安全气囊（SRS） 另一方面，有些功能的使用频率很高，甚至是持续运作的，比如汽车的这两项功能：?刹车 ?转向 如此，一个根本性的问题便是：这两种类型的功能，其发生故障的频度达到多大会 导致事故的发生？针对二者的答案是不同的： ?对于使用频率低者，事故频率由两个参数构成： 1)功能的使用频率 2)当使用时，该功能发生故障的概率——故障概率（PFD） 因此，这种情况下，PFD便能恰当地衡量该功能的性能表现，而PFD的倒 数则称为：风险消除因数（RRF）。 ?对于使用频率高者，或持续运作的功能，能恰当地衡量其表现的数据则是故障频率（λ），或者平均无故障时间（MTTF）。假设故障的发生呈指数 分布，则MTTF与λ互为倒数。 当然，以上的两种表达方式并不是独立的，而是相互关联的。最简单地，假设可以 以一个比正常使用频率高的频度对某功能进行检验，则以下关系成立： PFD = λT/2 = T/(2xMTTF)或者： RRF = 2/( λT) 或 = (2xMTTF)/T 其中T是检验间隔（注意：若要将事故速率显著降低到故障速率λ以下，检验频率 1/T应至少为正常使用频率的两倍，最好是能达到5倍或更高。）但这两者却是不

安全完整性等级认证(SIL)

1SIL认证简介 SIL（Safety Integrity Level）-安全完整性等级。 SIL认证就是基于IEC 61508, IEC 61511, IEC 61513, IEC 13849-1, IEC 62061, IEC 61800-5-2等标准，对安全设备的安全完整性等级(SIL)或者性能等级(PL)进行评估和确认的一种第三方评估、验证和认证。功能安全认证主要涉及针对安全设备开发流程的文档管理(FSM)评估，硬件可靠性计算和评估、软件评估、环境试验、EMC电磁兼容性测试等内容。 欧洲电工标准化（CENELEC的缩写）委员会，欧洲三大标准化组织之一。 CENELEC 负责电子工程领域的欧洲标准化。CENELEC连同电信标准化（ETSI）和CEN（所有其他技术领域的标准化）形成了欧洲标准化体系。 SIL认证一共分为4个等级，SIL1、SIL2、SIL3、SIL4，包括对产品和对系统两个层次。其中，以SIL4的要求最高。 2主要标准 IEC 61508: 电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全性 IEC61508标准规定了常规系统运行和故障预测能力两方面的基本安全要求。这些要求涵盖了一般安全管理系统、具体产品设计和符合安全要求的过程设计，其目标是既避免系统性设计故障，又避免随机性硬件失效。 IEC61508标准的主要目标为： · 对所有的包括软、硬件在内的安全相关系统的元器件，在生命周期范围提供安全监督的系统方法; · 提供确定安全相关系统安全功能要求的方法; · 建立基础标准，使其可直接应用于所有工业领域。同时，亦可指导其他领域的标准，使这些标准的起草具有一致性(如基本概念、技术术语、对规定安全功能的要求等); · 鼓励运营商和维护部门使用以计算机为基础的技术; · 建立概念统一、协调一致的标准架构和体系。 IEC61511: 过程工业领域安全仪表系统的功能安全要求 IEC61511是专门针对流程工业领域安全仪表系统的功能安全标准，它是国际电工委员会继功能安全基础标准IEC61508之后推出的专业领域标准，IEC61511在国内的协调标准为GB/T 21109。在过程工业中，仪表安全系统都被用来执行仪表安全功能，IEC61511标准解决了仪表应达到怎样的安全完整性和性能水平的问题。

ASIL安全完整性等级

目录 [隐藏] ? 1 SIL的分配 ? 2 SIL应用上的误解 ? 3 SIL的认证 ? 4 用到SIL的安全标准 ? 5 参照 ? 6 参考资料 ?7 外部链接 [编辑] 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）

[编辑] 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。 ?系统（特别是软件系统）的复杂度，使得安全完整性等级的估计困难到几乎不可能的程度。 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，以确保在部份设备故障时不会有安全性问题。 [编辑] 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机率分析为基础。若要达到特定的SIL等级，设备的最大危险失效机率（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：

007燕山石化安全仪表系统安全完整性等级评估管理规定

1 基本要求 安全仪表系统主要包括安全联锁系统、紧急停车系统、火/气保护系统

（F/G）、燃烧炉管理系统（BMS）、高完整性压力保护系统（HIPPS）等。 安全仪表系统安全完整性等级评估（以下简称SIL评估）使用于新建、改建和扩建的建设项目（以下简称建设项目）和在役装置或设施（以下简称在役装置）。 各单位应将建设项目SIL评估纳入建设项目设计管理，将在役装置SIL 评估纳入日常安全生产管理。 SIL评估应严格工艺技术保密和知识产权保护。对涉及中国石化专有技术或有技术保密要求的项目，应由各单位或委托系统内的技术机构负责实施。 2 管理职责 安全监察部负责制修订SIL评估的相关管理规定；负责在役装置的SIL 评估的组织、检查和监督工作。 发展计划部负责建设项目SIL评估的组织和落实工作。 工程管理部负责监督检查建设项目SIL评估提出建议措施的落实情况。 生产管理部、化工事业部、炼油事业部、机械动力部负责配合安全监察部开展在役装置SIL评估工作；负责在役装置SIL评估的专业指导、检查和监督工作。 科技部负责科研项目的SIL评估工作。 二级单位负责具体实施本单位SIL评估工作，负责SIL评估结果或建议措施的整改关闭。 3 管理内容和程序 SIL评估包括SIL分级和SIL验证。 各部门、各单位应对建设项目以及在役装置所涉及的安全仪表功能（SIF）确定相应的安全完整性等级（SIL）,保证安全仪表功能满足目标SIL要求。 建设项目以及在役装置危险与可操作性分析（HAZOP分析）完成后，若保护措施和建议措施涉及安全仪表功能，应及时对安全仪表功能实施SIL 分级。 在役装置SIL评估频次按照《燕山石化危险与可操作性分析实施管理规定（试行）》的HAZOP分析频次执行。 在役装置进行安全联锁变更时，各单位根据具体情况进行SIL评估。 建设项目SIL评估结果或建议措施应在装置投料试车前落实并整改。

安全仪表系统安全完整性等级(SIL)评估步骤

安全仪表系统安全完整性等级（SIL）评估方法 《国家安全监管总局关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见（安监总管三〔2014〕116号）》要求：涉及“两重点一重大”在役生产装置或设施的化工企业和危险化学品储存单位，要在全面开展过程危险分析(如危险与可操作性分析)基础上，通过风险分析确定安全仪表功能及其风险降低要求，并尽快评估现有安全仪表功能是否满足风险降低要求。《国家安全监管总局关于加强化工过程安全管理的指导意见安监总管三〔2013〕88号》：对涉及重点监管危险化学品、重点监管危险化工工艺和危险化学品重大危险源（以下统称“两重点一重大”）的生产储存装置进行风险辨识分析，要采用危险与可操作性分析（HAZOP）技术，一般每3年进行一次。对其他生产储存装置的风险辨识分析，针对装置不同的复杂程度，选用安全检查表、工作危害分析、预危险性分析、故障类型和影响分析（FMEA）、HAZOP技术等方法或多种方法组合，可每5年进行一次。 目前SIL评估主要依靠保护层分析(LOPA)来确定每一个安全仪表功能(SIF)的安全完整性等级(SIL)。一个典型的化工过程包含的保护层，如本安设计、BPCS、报警与人员干预、安全仪表系统、物理保护、释放后保护措施、工厂应急响应和社区应急响应等（如下图示）。LOPA是一种半定量的风险评估技术，一般使用初始事件频率、后顾严重程度和IPL 失效频率的数量级大小来表征场景的风险。

其步骤主要包括： 1）SIF选择； 2）场景识别及筛选； 3）IE确认； 4）IPL评估； 5）场景频率计算； 6）风险评估与决策，分配SIF的SIL等级； 7）下一个SIF重复以上步骤，直至所有场景分析完毕。 LOPA分析是考验经验知识积累和方法掌握，对于LOPA 分析团队，需具有工艺、仪表、安全、设备等多方面的经验

燕山石化安全仪表系统安全完整性等级评估管理规定

制度名称燕山石化安全仪表系统安全完整性等级评估管理规定 制度编号QZ/YSSH.AJ.00 7.2014 制度 文号燕化企〔2014〕464号 制度 版本2014版主办 部门安全监察部 所属业务类别健康安全环境管理/安全 生产监督管理/专项安全 监督管理 会签 部门 发展计划部 工程管理部 机械动力部 生产管理部 炼油事业部 化工事业部 科技部 下位制度制定者/ 审核 部门信息部 法律事务部企业管理部 解释权归属安全监察部签发 日期2014年8月18日 废止说明燕山石化安全仪表系统 安全完整性等级评估管 理规定（试行） （QZ/YSSH.AJ.007.20 13）同时废止 生效 日期2014年8月18日 制定目的规范安全仪表系统安全完整性等级（SIL）评估 制定依据中国石化安全仪表系统安全完整性等级评估管理规定 （试行） 适用范围燕山石化公司 约束对象安全仪表系统 涉及的相关制度燕山石化危险与可操作 性分析实施管理规定业务 类别 健康安全环境管理/安全 生产监督管理/专项安全 监督管理 所属 层级企业制度-执行类

1 基本要求 1.1 安全仪表系统主要包括安全联锁系统、紧急停车系统、火/气保护系统（F/G）、燃烧炉管理系统（BMS）、高完整性压力保护系统（HIPPS）等。 1.2 安全仪表系统安全完整性等级评估（以下简称SIL评估）使用于新建、改建和扩建的建设项目（以下简称建设项目）和在役装置或设施（以下简称在役装置）。 1.3 各单位应将建设项目SIL评估纳入建设项目设计管理，将在役装置SIL评估纳入日常安全生产管理。 1.4 SIL评估应严格工艺技术保密和知识产权保护。对涉及中国石化专有技术或有技术保密要求的项目，应由各单位或委托系统内的技术机构负责实施。 2 管理职责 2.1 安全监察部负责制修订SIL评估的相关管理规定；负责在役装置的SIL评估的组织、检查和监督工作。 2.2 发展计划部负责建设项目SIL评估的组织和落实工作。 2.3 工程管理部负责监督检查建设项目SIL评估提出建议措施的落实情况。 2.4 生产管理部、化工事业部、炼油事业部、机械动力部负责配合安全监察部开展在役装置SIL评估工作；负责在役装置SIL评估的专业指导、检查和监督工作。

ASIL安全完整性等级

安全完整性等级 目录 [隐藏] 1 SIL的分配 2 SIL应用上的误解 3 SIL的认证 4 用到SIL的安全标准 5 参照 6 参考资料 7 外部链接

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。 [编辑] 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。 系统（特别是软件系统）的复杂度，使得安全完整性等级的估计困难到几乎不 可能的程度。 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，以确保在部份设备故障时不会有安全性问题。

007燕山石化安全仪表系统安全完整性等级评估管理规定

制度类型：企业制度-执行类 －1－

1 基本要求 1.1 安全仪表系统主要包括安全联锁系统、紧急停车系统、火/气保护系统（F/G）、燃烧炉管理系统（BMS）、高完整性压力保护系统（HIPPS）等。 1.2 安全仪表系统安全完整性等级评估（以下简称SIL评估）使用于新建、改建和扩建的建设项目（以下简称建设项目）和在役装置或设施（以下简称在役装置）。 1.3 各单位应将建设项目SIL评估纳入建设项目设计管理，将在役装置SIL评估纳入日常安全生产管理。 1.4 SIL评估应严格工艺技术保密和知识产权保护。对涉及中国石化专有技术或有技术保密要求的项目，应由各单位或委托系统内的技术机构负责实施。 2 管理职责 2.1 安全监察部负责制修订SIL评估的相关管理规定；负责在役装置的SIL评估的组织、检查和监督工作。 2.2 发展计划部负责建设项目SIL评估的组织和落实工作。 2.3 工程管理部负责监督检查建设项目SIL评估提出建议措施的落实情况。 2.4 生产管理部、化工事业部、炼油事业部、机械动力部负责配合安全监察部开展在役装置SIL评估工作；负责在役装置SIL评估的专业指导、检查和监督工作。 －2－

2.5 科技部负责科研项目的SIL评估工作。 2.6 二级单位负责具体实施本单位SIL评估工作，负责SIL 评估结果或建议措施的整改关闭。 3 管理内容和程序 3.1 SIL评估包括SIL分级和SIL验证。 3.2 各部门、各单位应对建设项目以及在役装置所涉及的安全仪表功能（SIF）确定相应的安全完整性等级（SIL）,保证安全仪表功能满足目标SIL要求。 3.3 建设项目以及在役装置危险与可操作性分析（HAZOP分析）完成后，若保护措施和建议措施涉及安全仪表功能，应及时对安全仪表功能实施SIL分级。 3.4 在役装置SIL评估频次按照《燕山石化危险与可操作性分析实施管理规定（试行）》的HAZOP分析频次执行。3.5 在役装置进行安全联锁变更时，各单位根据具体情况进行SIL评估。 3.6 建设项目SIL评估结果或建议措施应在装置投料试车前落实并整改。 3.7 在役装置SIL评估结果或建议措施应按照风险管理程序予以落实，必要时与设计单位沟通并重新设计；对不能及时整改关闭的风险，应提出充分的风险控制措施，并落实相应的责任人和完成时间。 3.8 SIL分级应采用审查会议形式，工作流程主要包括： －3－