تتناول هذه المقالة تصميم وتنفيذ أنظمة التحكم المتعلقة بالسلامة والتي تتعامل مع جميع أنواع الأنظمة الكهربائية والإلكترونية والإلكترونية القابلة للبرمجة (بما في ذلك الأنظمة المعتمدة على الكمبيوتر). النهج العام يتوافق مع المعيار المقترح للجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) 1508 (السلامة الوظيفية: متعلقة بالسلامة
أنظمة) (اللجنة الكهروتقنية الدولية 1993).
خلفيّة
خلال الثمانينيات من القرن الماضي ، تم استخدام الأنظمة المعتمدة على الكمبيوتر - والتي يشار إليها عمومًا باسم الأنظمة الإلكترونية القابلة للبرمجة (PESs) - بشكل متزايد لتنفيذ وظائف السلامة. كانت القوى الدافعة الأساسية وراء هذا الاتجاه هي (1980) تحسين الوظائف والفوائد الاقتصادية (لا سيما بالنظر إلى دورة الحياة الإجمالية للجهاز أو النظام) و (1) الفائدة الخاصة لبعض التصميمات ، والتي لا يمكن تحقيقها إلا عند استخدام تكنولوجيا الكمبيوتر . خلال التقديم المبكر للأنظمة الحاسوبية ، تم التوصل إلى عدد من النتائج:
- كان إدخال التحكم في الكمبيوتر مدروسًا ومخططًا بشكل سيئ.
- تم تحديد متطلبات سلامة غير كافية.
- تم تطوير إجراءات غير كافية فيما يتعلق بالتحقق من صحة البرمجيات.
- تم الكشف عن دليل على سوء الصنعة فيما يتعلق بمعيار تركيب المصنع.
- تم إنشاء وثائق غير كافية ولم يتم التحقق من صحتها بشكل كاف فيما يتعلق بما كان موجودًا بالفعل في المصنع (بخلاف ما كان يعتقد أنه موجود في المصنع).
- تم وضع إجراءات تشغيل وصيانة أقل من الفعالية الكاملة.
- ومن الواضح أنه كان هناك قلق مبرر بشأن أهلية الأشخاص لأداء الواجبات المطلوبة منهم.
من أجل حل هذه المشاكل ، نشرت عدة هيئات أو بدأت في تطوير مبادئ توجيهية لتمكين الاستغلال الآمن لتكنولوجيا PES. في المملكة المتحدة ، وضع مسؤول الصحة والسلامة (HSE) إرشادات للأنظمة الإلكترونية القابلة للبرمجة المستخدمة في التطبيقات المتعلقة بالسلامة ، وفي ألمانيا ، تم نشر مسودة معيار (DIN 1990). داخل المجتمع الأوروبي ، بدأ عنصر مهم في العمل على المعايير الأوروبية المنسقة المعنية بأنظمة التحكم المتعلقة بالسلامة (بما في ذلك تلك التي تستخدم PESs) فيما يتعلق بمتطلبات توجيه الآلات. في الولايات المتحدة ، أنتجت جمعية الأدوات الأمريكية (ISA) معيارًا بشأن PESs لاستخدامه في الصناعات العملية ، وأصدر مركز سلامة العمليات الكيميائية (CCPS) ، وهو أحد مديريات المعهد الأمريكي للمهندسين الكيميائيين ، إرشادات لقطاع العمليات الكيميائية.
تجري حاليًا مبادرة معايير رئيسية داخل اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) لتطوير معيار دولي قائم على أساس عام للأنظمة المتعلقة بالسلامة الكهربائية والإلكترونية والإلكترونية القابلة للبرمجة (E / E / PES) والتي يمكن استخدامها من قبل العديد من قطاعات التطبيقات ، بما في ذلك العملية ، القطاعات الطبية والنقل والآلات. يتألف المعيار الدولي IEC المقترح من سبعة أجزاء تحت العنوان العام IEC 1508. السلامة الوظيفية للأنظمة الإلكترونية ذات الصلة بالسلامة الكهربائية / الإلكترونية / القابلة للبرمجة. الأجزاء المختلفة كالتالي:
- الجزء 1. المتطلبات العامة
- الجزء الثاني: اشتراطات الأنظمة الإلكترونية والكهربائية والإلكترونية القابلة للبرمجة
- الجزء 3. متطلبات البرامج
- الجزء 4. التعاريف
- الجزء 5. أمثلة على طرق تحديد مستويات سلامة السلامة
- الجزء 6. إرشادات حول تطبيق الجزأين 2 و 3
- الجزء 7. نظرة عامة على التقنيات والتدابير.
عند الانتهاء ، ستشكل هذه المواصفة القياسية الدولية بشكل عام منشور أمان أساسي IEC يغطي السلامة الوظيفية للأنظمة الإلكترونية ذات الصلة بالسلامة الكهربائية والإلكترونية والقابلة للبرمجة وستكون لها آثار على جميع معايير IEC ، التي تغطي جميع قطاعات التطبيق فيما يتعلق بالتصميم والاستخدام المستقبلي لـ الأنظمة الإلكترونية المتعلقة بالسلامة الكهربائية / الإلكترونية / القابلة للبرمجة. الهدف الرئيسي للمعيار المقترح هو تسهيل تطوير المعايير للقطاعات المختلفة (انظر الشكل 1).
الشكل 1. معايير القطاع العام والتطبيقي
فوائد ومشاكل PES
كان لاعتماد PESs لأغراض السلامة العديد من المزايا المحتملة ، ولكن تم الاعتراف بأنها لن تتحقق إلا إذا تم استخدام منهجيات التصميم والتقييم المناسبة ، لأن: (1) العديد من ميزات PES لا تمكن سلامة السلامة (أن هو أن أداء السلامة للأنظمة التي تقوم بوظائف السلامة المطلوبة) يمكن التنبؤ به بنفس درجة الثقة التي كانت متاحة تقليديًا للأنظمة القائمة على الأجهزة ("الصلبة") الأقل تعقيدًا ؛ (2) تم الاعتراف بأنه في حين أن الاختبار كان ضروريًا للأنظمة المعقدة ، إلا أنه لم يكن كافياً بمفرده. وهذا يعني أنه حتى لو كانت PES تنفذ وظائف أمان بسيطة نسبيًا ، فإن مستوى تعقيد الإلكترونيات القابلة للبرمجة كان أكبر بكثير من مستوى تعقيد الأنظمة الصلبة التي كانت تستبدلها ؛ و (3) هذا الارتفاع في التعقيد يعني أن منهجيات التصميم والتقييم يجب أن تحظى بمزيد من الاهتمام أكثر من السابق ، وأن مستوى الكفاءة الشخصية المطلوب لتحقيق مستويات مناسبة من أداء الأنظمة المتعلقة بالسلامة كان أكبر لاحقًا.
تشمل فوائد PES المستندة إلى الكمبيوتر ما يلي:
- القدرة على إجراء فحوصات إثبات تشخيصية عبر الإنترنت على المكونات الحرجة بتردد أعلى بكثير مما يمكن أن يكون عليه الحال بخلاف ذلك
- إمكانية توفير أقفال أمان متطورة
- القدرة على توفير وظائف التشخيص ومراقبة الحالة التي يمكن استخدامها لتحليل وتقديم تقرير عن أداء المصنع والآلات في الوقت الفعلي
- القدرة على مقارنة الظروف الفعلية للمصنع مع ظروف النموذج "المثالي"
- إمكانية توفير معلومات أفضل للمشغلين وبالتالي تحسين عملية صنع القرار التي تؤثر على السلامة
- استخدام استراتيجيات التحكم المتقدمة لتمكين المشغلين البشريين من التواجد بعيدًا عن البيئات الخطرة أو المعادية
- القدرة على تشخيص نظام التحكم من مكان بعيد.
يخلق استخدام الأنظمة المعتمدة على الكمبيوتر في التطبيقات المتعلقة بالسلامة عددًا من المشكلات التي تحتاج إلى معالجة مناسبة ، مثل ما يلي:
- إن أوضاع الفشل معقدة ولا يمكن التنبؤ بها دائمًا.
- يعد اختبار الكمبيوتر ضروريًا ولكنه ليس كافيًا في حد ذاته لإثبات أن وظائف السلامة سيتم تنفيذها بدرجة اليقين المطلوبة للتطبيق.
- قد تحتوي المعالجات الدقيقة على اختلافات طفيفة بين الدُفعات المختلفة ، وبالتالي قد تعرض الدُفعات المختلفة سلوكًا مختلفًا.
- الأنظمة القائمة على الكمبيوتر غير المحمية معرضة بشكل خاص للتداخل الكهربائي (التداخل المشع ؛ "المسامير" الكهربائية في إمدادات التيار الكهربائي ، والتفريغ الكهروستاتيكي ، وما إلى ذلك).
- من الصعب وغالباً من المستحيل تحديد احتمالية فشل الأنظمة المعقدة المتعلقة بالسلامة التي تتضمن برمجيات. نظرًا لعدم قبول أي طريقة للقياس الكمي على نطاق واسع ، فقد اعتمد ضمان البرامج على الإجراءات والمعايير التي تصف الأساليب التي سيتم استخدامها في تصميم وتنفيذ وصيانة البرامج.
أنظمة السلامة قيد النظر
أنواع الأنظمة المتعلقة بالسلامة قيد الدراسة هي أنظمة إلكترونية كهربائية وإلكترونية وقابلة للبرمجة (E / E / PESs). يشتمل النظام على جميع العناصر ، لا سيما الإشارات الممتدة من أجهزة الاستشعار أو من أجهزة الإدخال الأخرى على الجهاز الخاضع للسيطرة ، والتي يتم إرسالها عبر طرق البيانات السريعة أو مسارات الاتصال الأخرى إلى المشغلات أو أجهزة الإخراج الأخرى (انظر الشكل 2).
الشكل 2 - النظام الإلكتروني الكهربائي والإلكتروني والقابل للبرمجة (E / E / PES)
على المدى الأجهزة الإلكترونية الكهربائية والإلكترونية والقابلة للبرمجة تم استخدامه ليشمل مجموعة متنوعة من الأجهزة ويغطي الفئات الرئيسية الثلاثة التالية:
- الأجهزة الكهربائية مثل المرحلات الكهروميكانيكية
- الأجهزة الإلكترونية مثل الأدوات الإلكترونية ذات الحالة الصلبة وأنظمة المنطق
- الأجهزة الإلكترونية القابلة للبرمجة ، والتي تضم مجموعة متنوعة من الأنظمة المعتمدة على الكمبيوتر مثل ما يلي:
- المعالجات
- أجهزة تحكم دقيقة
- أجهزة التحكم القابلة للبرمجة (أجهزة الكمبيوتر)
- الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs)
- وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs)
- أجهزة الكمبيوتر الأخرى (مثل أجهزة الاستشعار وأجهزة الإرسال والمشغلات "الذكية").
بحكم التعريف ، يخدم النظام المرتبط بالسلامة غرضين:
- يقوم بتنفيذ وظائف السلامة المطلوبة اللازمة لتحقيق حالة آمنة للمعدات الخاضعة للسيطرة أو الحفاظ على الحالة الآمنة للمعدات تحت السيطرة. يجب أن يؤدي النظام المرتبط بالسلامة وظائف السلامة المحددة في مواصفات متطلبات وظائف السلامة للنظام. على سبيل المثال ، قد تنص مواصفات متطلبات وظائف السلامة على أنه عندما تصل درجة الحرارة إلى قيمة معينة x، صمام y يجب أن تفتح للسماح بدخول الماء إلى الوعاء.
- يحقق ، بمفرده أو مع الأنظمة الأخرى المتعلقة بالسلامة ، المستوى الضروري من سلامة السلامة لتنفيذ وظائف السلامة المطلوبة. يجب أن يتم تنفيذ وظائف السلامة بواسطة الأنظمة المتعلقة بالسلامة بدرجة الثقة المناسبة للتطبيق من أجل تحقيق المستوى المطلوب من الأمان للمعدات الخاضعة للسيطرة.
الشكل 3. السمات الرئيسية للأنظمة المتعلقة بالسلامة
فشل النظام
من أجل ضمان التشغيل الآمن للأنظمة المتعلقة بالسلامة E / E / PES ، من الضروري التعرف على الأسباب المحتملة المختلفة لفشل النظام المرتبط بالسلامة والتأكد من اتخاذ الاحتياطات المناسبة ضد كل منها. يتم تصنيف حالات الفشل إلى فئتين ، كما هو موضح في الشكل 4.
الشكل 4. فئات الفشل
- أعطال الأجهزة العشوائية هي تلك الأعطال التي تنتج عن مجموعة متنوعة من آليات التدهور العادية في الأجهزة. هناك العديد من هذه الآليات التي تحدث بمعدلات مختلفة في مكونات مختلفة ، وبما أن تفاوتات التصنيع تتسبب في فشل المكونات بسبب هذه الآليات بعد أوقات مختلفة من التشغيل ، فإن حالات فشل عنصر إجمالي من المعدات التي تشتمل على العديد من المكونات تحدث في أوقات غير متوقعة (عشوائية). تعتبر مقاييس موثوقية النظام ، مثل متوسط الوقت بين الأعطال (MTBF) ، ذات قيمة ولكنها عادةً ما تهتم فقط بفشل الأجهزة العشوائي ولا تشمل حالات الفشل المنهجية.
- تنشأ الإخفاقات المنهجية من أخطاء في تصميم أو بناء أو استخدام نظام مما يؤدي إلى فشله في ظل مجموعة معينة من المدخلات أو في ظل ظروف بيئية معينة. في حالة حدوث فشل في النظام عند ظهور مجموعة معينة من الظروف ، فعند ظهور هذه الظروف في المستقبل ، سيكون هناك دائمًا فشل في النظام. أي فشل في نظام متعلق بالسلامة لا ينشأ عن عطل عشوائي في الأجهزة هو ، بحكم التعريف ، فشل منهجي. تشمل حالات الفشل المنهجية ، في سياق الأنظمة المتعلقة بالسلامة E / E / PES ، ما يلي:
- فشل منهجي بسبب أخطاء أو سهو في مواصفات متطلبات وظائف السلامة
- فشل منهجي بسبب أخطاء في تصميم أو تصنيع أو تركيب أو تشغيل الأجهزة. قد تشمل هذه الإخفاقات الناشئة عن الأسباب البيئية والخطأ البشري (على سبيل المثال ، عامل التشغيل)
- فشل منهجي بسبب أخطاء في البرنامج
- فشل منهجي بسبب أخطاء الصيانة والتعديل.
حماية الأنظمة المتعلقة بالسلامة
المصطلحات المستخدمة للإشارة إلى التدابير الاحترازية التي يتطلبها نظام متعلق بالسلامة للحماية من أعطال الأجهزة العشوائية والفشل المنهجي هي إجراءات سلامة الأجهزة و إجراءات سلامة السلامة المنهجية على التوالى. توصف التدابير الاحترازية التي يمكن أن يتخذها نظام متعلق بالسلامة لمواجهة كل من أعطال الأجهزة العشوائية والفشل المنهجي سلامة السلامة. هذه المفاهيم موضحة في الشكل 5.
الشكل 5. شروط أداء السلامة
ضمن المعيار الدولي المقترح IEC 1508 ، هناك أربعة مستويات لسلامة السلامة ، يُشار إليها بمستويات سلامة السلامة 1 و 2 و 3 و 4. المستوى 1 من سلامة السلامة هو أدنى مستوى لسلامة السلامة ومستوى سلامة السلامة 4 هو الأعلى. يعتمد مستوى سلامة السلامة (سواء 1 أو 2 أو 3 أو 4) للنظام المتعلق بالسلامة على أهمية الدور الذي يلعبه النظام المرتبط بالسلامة في تحقيق المستوى المطلوب من الأمان للمعدات الخاضعة للتحكم. قد يكون من الضروري وجود العديد من الأنظمة المتعلقة بالسلامة - قد يعتمد بعضها على تقنية تعمل بالهواء المضغوط أو هيدروليكي.
تصميم الأنظمة المتعلقة بالسلامة
وجد تحليل حديث لـ 34 حادثة تتعلق بأنظمة التحكم (HSE) أن 60٪ من جميع حالات الفشل قد "تم بناؤها" قبل استخدام نظام التحكم المتعلق بالسلامة (الشكل 7). يعتبر النظر في جميع مراحل دورة حياة السلامة أمرًا ضروريًا إذا كان سيتم إنتاج أنظمة مناسبة متعلقة بالسلامة.
الشكل 7. السبب الرئيسي (حسب المرحلة) لفشل نظام التحكم
لا تعتمد السلامة الوظيفية للأنظمة المتعلقة بالسلامة على ضمان تحديد المتطلبات الفنية بشكل صحيح فحسب ، بل تعتمد أيضًا على ضمان تنفيذ المتطلبات الفنية بشكل فعال والحفاظ على سلامة التصميم الأولية طوال عمر المعدات. لا يمكن تحقيق ذلك إلا في حالة وجود نظام فعال لإدارة السلامة وكان الأشخاص المشاركون في أي نشاط مؤهلين فيما يتعلق بالواجبات التي يتعين عليهم القيام بها. على وجه الخصوص في حالة وجود أنظمة معقدة متعلقة بالسلامة ، من الضروري وجود نظام مناسب لإدارة السلامة. يؤدي هذا إلى إستراتيجية تضمن ما يلي:
- وجود نظام فعال لإدارة السلامة.
- المتطلبات الفنية المحددة للأنظمة المتعلقة بالسلامة E / E / PES كافية للتعامل مع كل من أسباب الأعطال النظامية والأجهزة العشوائية.
- كفاءة الأشخاص المعنيين كافية للواجبات التي يتعين عليهم القيام بها.
من أجل تلبية جميع المتطلبات الفنية ذات الصلة للسلامة الوظيفية بطريقة منهجية ، تم تطوير مفهوم دورة حياة السلامة. تظهر نسخة مبسطة من دورة حياة السلامة في المعيار الدولي الناشئ IEC 1508 في الشكل 8. المراحل الرئيسية لدورة حياة السلامة هي:
الشكل 8. دور دورة حياة السلامة في تحقيق السلامة الوظيفية
- مواصفة
- تصميم و تنفيذ
- التركيب والتشغيل
- التشغيل والصيانة
- التغييرات بعد التكليف.
مستوى الأمان
يوضح الشكل 9 والشكل 10. استراتيجية التصميم لتحقيق مستويات كافية من سلامة الأنظمة المتعلقة بالسلامة. يستند مستوى سلامة السلامة إلى الدور الذي يلعبه النظام المتصل بالسلامة في تحقيق المستوى العام من سلامة المعدات تحت السيطرة. يحدد مستوى سلامة السلامة الاحتياطات التي يجب مراعاتها في التصميم ضد كل من الأعطال العشوائية للأجهزة والفشل المنهجي.
الشكل 9. دور مستويات سلامة السلامة في عملية التصميم
الشكل 10. دور دورة حياة السلامة في المواصفات وعملية التصميم
ينطبق مفهوم الأمان ومستوى الأمان على المعدات الخاضعة للتحكم. ينطبق مفهوم السلامة الوظيفية على الأنظمة المتعلقة بالسلامة. يجب تحقيق السلامة الوظيفية للأنظمة المتعلقة بالسلامة إذا أريد تحقيق مستوى مناسب من السلامة للمعدات التي تؤدي إلى ظهور الخطر. يعد المستوى المحدد للسلامة لموقف معين عاملاً رئيسياً في مواصفات متطلبات سلامة السلامة للأنظمة المتعلقة بالسلامة.
سيعتمد مستوى الأمان المطلوب على العديد من العوامل - على سبيل المثال ، شدة الإصابة وعدد الأشخاص المعرضين للخطر وتكرار تعرض الأشخاص للخطر ومدة التعرض. ستكون العوامل المهمة هي تصور وآراء أولئك المعرضين للحدث الخطير. للوصول إلى ما يشكل مستوى مناسبًا من الأمان لتطبيق معين ، يتم النظر في عدد من المدخلات ، والتي تشمل ما يلي:
- المتطلبات القانونية ذات الصلة بالتطبيق المحدد
- إرشادات من هيئة تنظيم السلامة المناسبة
- المناقشات والاتفاقيات مع مختلف الأطراف المشاركة في التطبيق
- معايير الصناعة
- المعايير الوطنية والدولية
- أفضل مشورة صناعية وخبيرة وعلمية مستقلة.
نبذة عامة
عند تصميم واستخدام الأنظمة المتعلقة بالسلامة ، يجب أن نتذكر أن المعدات الخاضعة للتحكم هي التي تخلق المخاطر المحتملة. تم تصميم الأنظمة المتعلقة بالسلامة لتقليل تكرار (أو احتمالية) الحدث الخطير و / أو عواقب الحدث الخطير. بمجرد تعيين مستوى الأمان للمعدات ، يمكن تحديد مستوى سلامة السلامة للنظام المرتبط بالسلامة ، وهو مستوى سلامة السلامة الذي يسمح للمصمم بتحديد الاحتياطات التي يجب تضمينها في التصميم من أجل يتم نشرها ضد كل من الأعطال العشوائية للأجهزة والفشل المنهجي.