【导读】各行各业的安全要害型运用一般城市思量遵守功效安全尺度1 ，由于这些运用一旦发生妨碍，可能会对于职员、产业及情况造成风险。产物设计师根据功效安全尺度对于设计的产物举行认证，让客户可以安心地利用产物，确保产物可以或许于具备安全法例的国度/地域举行发卖，并引领功效安全市场的趋向。本文夸大了高机能监控电路2 进一步切合3等功效安全尺度的主要性。此外，本文也是会商与这些电路相干的工业功效安全合规性系列文章中的第一篇。

相识功效安全尺度

IEC 61508尺度3 也称为电气/电子/可编程电子安全相干体系功效安全尺度，旨于为所有类型的E/E/PE安全相干体系(SRS)的规范、设计及操作划定整体要求。它合用在各类行业，由于它是制订多个行业特定尺度的基础，例如历程工业中的IEC 61511四、机械工业中的IEC 62061五、核电工业中的IEC 61513六、汽车工业中的ISO 262627 、铁路运输中的IEC 62279 八、医疗装备9中的IEC 6230410 等，如图1所示。

图1. 基本尺度及一些特定行业的功效安全尺度。

虽然特定行业的尺度始终优先在IEC 61508，但它凡是要求利用SRS中的组件来证实切合功效安全尺度。为此，可以根据特定行业尺度（如ISO 26262 7）开发组件，利用“经利用验证”3参数，遵照基本安全尺度IEC 61508（如IEC 61511 11），或者者利用尺度组件但采纳分外的架构减缓办法。

甚么是安全仪表体系？

IEC 61508的E/E/PE SRS于历程工业范畴被称为安全仪表体系(SIS)，于机械行业中称为安全相干电气节制体系(SRECS)，于核电行业中称为仪器仪表及节制(I C)体系。于本文中，术语“SIS”将用在统称这些体系。11

图2为典型SIS的示用意，此中包罗至少一个安全仪表功效(SIF)。SIF于IEC 61508中也指安全功效，但为了便在会商，将利用术语SIF。SIF由输入子体系、逻辑解算器子体系及终极元件子体系构成，用途是于当需求发生时，将受控装备(EUC)置在安全状况。EUC是指受SIS掩护的体系。图3显示了SIF的典型框图以和子体系的示例。输入子体系包罗至少一个传感器，作为监测体系，可以检测妨碍并向逻辑解算器发送旌旗灯号。逻辑解算器会处置惩罚吸收到的旌旗灯号，然后决议下一步做甚么。好比，可能要求终极元件经由过程断路器、继电器或者封闭阀等履行装配将SIS置在安全状况。11

图2. SIS的典型框图。

图3. SIF的典型框图

值患上留意的是，监控电路 2于SIS中颇有用。它们可以于输入子系 统中阐扬作用以检测异样，于逻辑解算器子体系中监测电源或者其他微节制器功效及旌旗灯号妨碍，或者者作为SIF自己，经由过程复位旌旗灯号使体系进入安全状况。这一点可以从图3中看出。

高机能监控电路怎样实现工业功效安全合规性

可以经由过程安全完备性等级(SIL)来量化IEC 61508合规性。每一个SIF都有SIL评级，暗示SIF于管控危害方面的体现。IEC 61508划定了SIL 1到SIL 4四个SIL级别，此中SIL 4暗示最靠得住。凡是，起首举行伤害阐发及危害评估，以相识所需的安全功效，然后相识危害降低系数，从而相识所需的SIL等级。《历程安全手册一》 12中展示了一种利用危害矩阵校准的要领。

特定的SIL级别有其自身的要求，受三个因素影响3,11,13: 3：定量靠得住性要求、架构约束及体系安全完备性。对于在每一个因素，下一末节将展示监控器怎样经由过程诊断要求帮忙实现IEC 61508合规性。

定量靠得住性要求

表1显示了IEC 61508-1第7.6.2.9节中关在安全完备性要求的择要，这项要求针对于SIF的方针妨碍丈量划定了响应的SIL。 PFDavg是指低需求事情模式下，于需要安全功效时发生伤害妨碍的平均几率。PFH是指高需求模式或者持续事情模式下，安全功效每一小时发生伤害妨碍的平均频率。

表1. 与事情模式相干的SIS的SIL方针3,11

影响随机硬件妨碍平均几率的因素有许多，此中包括诊断测试笼罩率、诊断测试距离及未检测到的伤害妨碍率（用 λDU暗示）3,14,15。未检测到的伤害妨碍是指没法经由过程体系诊断检测到而只能经由过程验证测试来辨认的妨碍，如图4所示。这就是利用监控电路的主要性地点，由于监控电路可以作为诊断办法，帮忙检测伤害妨碍，从而降低发生此类妨碍的几率。如许，就能够将未检测到的伤害妨碍转化为检测到的妨碍。

图4. 影响靠得住性要求的妨碍类型。12

架构约束

除了了量化的靠得住性要求外，IEC 61508还有对于SIS的稳健性及布局提出了要求。这些架构约束增长了设计职员于选择硬件架构时需要思量的因素。按照IEC 61508-2第7.4.4节，可用在证实切合SIL的线路之一是线路 1H。该线路基在硬件容错(HFT)及安全掉效比率(SFF)观点。

面临架构约束，需要思量元件的繁杂性及类型。A类元件或者简朴组件具备明确界说的妨碍模式、妨碍前提下可猜测的举动以和靠得住妨碍数据（满意所要求的未检测到的伤害妨碍率）。不然视为B类元件或者复合组件。

表2以集成电路等电子体系为例，显示了B类元件的要求。SFF是权衡元件偏向在酿成安全状况掉败的指标，而HFT为N象征着N+1是可能致使安全功效损失的最小妨碍数，是以需要必然量的冗余。这象征着，假如体系的HFT为0，则一次妨碍就可能致使安全功效损失，而HFT为1则象征着需要两次妨碍才会造成安全功效损失。

表2. B类安全相干元件或者子体系履行的安全功效的最年夜答应安全完备性等级3

此中λ是妨碍率，SD暗示安全检测到，SU暗示安全未检测到，DD暗示伤害检测到，DU暗示伤害未检测到，如图4所示。

诊断笼罩率用在评估SIS的诊断办法于展现伤害妨碍方面的体现。这会影响体系的量化靠得住性，如前所述，而且与SFF相干，如公式1及2所示。IEC 61508-2于其附件A中还有提供了一种要领，用在确定于利用差别技能及办法检测随机硬件妨碍时，所能到达的最年夜答应诊断笼罩率。

表3显示了各个等级的诊断笼罩率分类。

表3. IEC 61508诊断笼罩率分类3,11

表4摘自IEC 61508-2附件A表A.1，此中指定了于量化随机硬件妨碍的影响时要假定的妨碍或者掉效，或者于推导SFF时要思量的妨碍或者掉效。值患上留意的是，诊断笼罩率妨碍模子需要到达较高的诊断笼罩率。诊断笼罩率妨碍模子包括固定电平妨碍、开路妨碍、开路或者高阻抗输出以和旌旗灯号线之间的短路等妨碍模式，所有这些妨碍模式均可以经由过程过压(OV)及欠压(UV)监督器等监控电路检测到。

表4. 诊断笼罩率要素的要求3

总之，IEC 61508按照SIF的HFT及SFF划定了SIL要求。因为SFF及诊断笼罩率参数遭到体系检测妨碍能力的显著影响，改良诊断办法（例如添加监控电路）也将提高SIF的SIL等级。

体系安全完备性

体系安全完备性的要求素质上是定性的，用在评估体系开发历程于消弭妨碍方面的能力。为此，需要完全查抄硬件及软件的设计、出产及测试步伐。SIL越高，查抄就必需越严酷，而且需要组件制造商提供更多文件来证实切合要求。

IEC 61508划定了设计职员应于合用环境下课实行的几种技能及办法，以消弭SIS安全生命周期各个阶段的体系妨碍。对于此，表5列出了IEC 61508-2表A.16中的一些项目。该表显示了节制由情况压力及影响引起的体系妨碍所需的技能及办法，此中M暗示强迫，HR暗示强烈保举，R暗示保举。这些标志下面是实现此类诊断办法需要支付的事情量。例如，SIL 3等级必需采用电压监督器等办法来应答电压变化，同时强烈建议采用步伐序列监控（如看门狗按时器），此中诊断笼罩率必需至少到达90%。

表5. IEC 61508-2附件A表A.16中的部门项目3

体系安全完备性要求的另外一个要害是具备优良的质量治理系统(QMS)。构造可以经由过程得到ISO 9001:2015质量治理系统认证来证实16 。值患上留意的是，IEC 61508关在总体安全生命周期及功效安全评估的年夜部门要求与ISO 9001对于总体安全生命周期的要求相一致。是以，拥有QMS证书可以加速认证历程17。这与企业的功效安全战略相辅相成，例如，于功效安全尺度（如IEC 61508）的基础上按照自身需求举行调解。

利用集成解决方案改良功效安全设计

为了设计出切合功效安全要求的体系，需要细心思量前面会商的要求。此中触及实行充足的安全办法，以确保于发生妨碍时仍能靠得住、安全地运行，但可能会由于增长电路元件而增长成本。是以，利用具备集成安全功效的元件可以简化体系级实 施，经由过程削减元件数目提高体系靠得住性，并经由过程缩短诊断测试距离来提高诊断笼罩率13。详细可以拜见图5，ADI的 MAX42500可以经由过程将多种安全功效组合于一个封装中（而不是利用零丁的 监控电路），为安全要害电路提供充足的诊断笼罩率。该电源体系监督器可满意多种办法要求，例如针对于电压击穿、电压变化、过压、低电压、可能致使伤害妨碍的交流电源频率变化等其他征象以和步伐序列监督的办法，从而帮忙实现功效安全合规性。第一个要求夸大了对于所有安全要害电压轨举行UV及OV检测的须要性。第二个要求夸大了单通道体系中尺度微节制器单位需要零丁的看门狗按时器。MAX42500可满意这两种需求，它具备七个电源监督器及一个经由过程 I2C 通讯的看门狗按时器。

图5. 于安全设计中引入充实的监测及掩护办法。

另外一个考量因素是有无安全文件来证实切合功效安全要求，特别是于认证功效安全尺度时。切合或者得到IEC 61508认证的元件（例如MAX42500）已经经由过程提供须要的安全文档（安全手册、妨碍模式影响及诊断阐发(FMEDA)、优良的QMS等）来提供这方面的撑持。只管云云，思量到IEC 61508确当前修订版本，根据图5所示，仍可使用非合规的产物（如LTC2965 及 LTC4365）来提高体系的诊断笼罩率及稳健性。然而，体系设计职员需要获取须要的安全文件以满意功效安全合规性要求。

结论

本文阐了然高机能电压监控器于促成工业功效安全合规方面阐扬的要害作用。经由过程研究基础功效安全尺度IEC 61508和其对于特定行业尺度的影响，为加深理解奠基了基础。并且，还有界说了要害术语以便在清楚理解，例如安全仪表体系、安全仪表功效及安全完备性等级。此外，咱们深切研究了IEC 61508的基本要求，包括量化靠得住性、架构约束及体系安全完备性，尤其夸大了采用高机能监控电路（如电源监督器及看门狗按时器）的影响。本文以MAX42500为例会商了集成安全功效的运用，有助在于体系设计中思量除了了功效安全合规之外的更多方面。经由过程此次研究，夸大了高机能电压监控器对于在包管工业体系安全性及靠得住性的主要意义。

请继承存眷本系列的下一篇文章，咱们将会商于为安全要害型运用设计功效安全电源体系时利用SIL级电压监控器的上风。

参考文献

1 Tom Meany。“功效安全及工业4.0”。ADI公司，2018年3月。

2 Noel Tenorio及Anthony Serquiña。“高机能电压监控器详解——第1部门”。《模仿对于话》，第58卷第2期，2024年4月。

3 IEC 61508《电气/电子/可编程电子安全相干体系的功效安全》 的所有部门。国际电工委员会，2010年。

4 IEC 61511《功效安全–历程工业范畴的安全仪表体系》的所有部门。国际电工委员会，2016年。

5 IEC 62061《机械安全–安全相干电气、电子及可编程电子节制体系的功效安全》。国际电工委员会，2005年。

6 IEC 61513《核电站–安全主要仪器及节制–体系的一般要求》。国际电工委员会，2011年。

7 ISO 26262《门路车辆功效安全》的所有部门。国际尺度化构造，2011年。

8 IEC 62279《铁路运用–通讯、旌旗灯号及处置惩罚体系：铁路节制及掩护体系软件》。国际电工委员会，2015年。

9 IEC 62304《医疗装备软件–软件生命周期流程》。国际电工委员会，2006年。

10 “常见问题解答： 医疗装备的功效安全 ”。TÜV SÜD，2024年。

11 Marvin Rausand。“安全要害体系的靠得住性：理论与运用 ”。Wiley，2014年1月。

12 《历程安全手册一：历程工业中的功效安全》。Rockwell Automation，2013年3月。

13 Tom Meany。“集成电路的功效安全”。ADI公司，2018年2月。

14 Loren Stewart。“回归基础16 PFDavg”。Exida，2019年10月。

15 Loren Stewart。“回归基础17 PFH”。Exida，2019年11月。

16 《ISO 9001:2015质量治理系统–要求》。2015年

17 “功效安全：周全质量要领”。RTP Corp., 2021年。

作者

Bryan Angelo Borres在2022年10月插手ADI公司，担当MMP-East的产物运用工程师。他拥有马普阿年夜学电力电子研究生学位。Bryan于开关电源设计研发范畴拥有跨越四年的事情经验。

Christopher Macatangay是多市场Power-East事业部的高级产物运用工程师。他在2015年插手ADI公司，担当产物运用工程师。于插手ADI公司以前，Christopher曾经于一家电源公司担当测试开发工程师，堆集了六年的事情经验。他拥有亚当森年夜学电子与通讯工程学士学位。