比较安全分析技术外文翻译资料

 2022-08-07 02:08

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比较安全分析技术

  1. L. Rouvroye*, E.G. van den Bliek

摘要:在过程工业中,安全仪表系统(SIS)和紧急关闭系统(ESD)对于管理或者降低风险都非常重要。在电气、电子、可编程电子相关的系统功能安全的新标准(如参考文献[1])中,通常需要对安全性进行量化。这些新标准没有规定如何计算所达到的安全性,仅给出了指南和建议。这种方法存在的问题是不同的分析技术都使用不同的方法和假设,这就意味着结果可能不具有可比性。本文提出了一种比较不同分析技术的方法,并且从这种比较中我们可以得到定性和定量结果。文中所描述的增强马尔可夫分析技术就是这种比较不同分析技术的方法,它涵盖了与安全量化相关的大多数方面。

关键词:IEC61508;标准;安全量化;分析技术

  1. 简介

在过程工业中,安全仪表系统(SIS)和紧急停车系统(ESD)对工业过程的风险管理非常重要。这些系统(通常由传感器、计算机逻辑和执行器组成)降低了工业中意外事件的可能性和后果。这些事件一旦发生,可能导致人员伤亡、环境破坏、生产损失和设备投资损失。通常,在意外事件发生时,这些系统使受保护的进程进入安全状态(例如关闭)。SIS在安全性和可用性方面的性能可能受到许多参数的影响,如系统布局、诊断、共因效应以及测试和维修。

新的国际标准,如IEC61508[1]和ISA-S84.01[2,3],特别是对于高安全应用,需要对安全性进行量化。为了符合这些标准,SIS的安全性必须量化到所谓的“安全完整性水平”(SIL)。即实现安全系统功能行为(设计、规划、实现、维护和停用)的可靠性以及安全数量化。该需求以SIS按需失效概率(PFD)表示。

像DIN19250和DIN0801[4plusmn;7]这样的现有标准更是基于经验或者设计规则,不需要定量分析。新标准是规范性的,这意味着在这些标准中,定义了SIS必须满足的要求。实现这些定量和定性要求的方法没有具体说明,只给出了信息示例和指南。指南和建议说明了如何计算系统的SIL,这种规范方法允许使用不同的分析技术。这可能会产生问题,因为不同的分析技术使用不同的分析方法,并可能导致不同的定量结果[8]。本文的其余部分展示了所使用的方法和对一些常用(和标准中推荐的)可靠性和安全性分析技术进行比较的结果,主要集中在定量方面。

2.标准中常用的分析技术

当前,许多分析技术被用于安全性评估。 这在图1中用图形表示。可以将使用的分析技术分为定量技术(结果数与结果数之比的区间具有含义)和定性技术(结果数仅用于区分或等级排序)。值得注意的是,本文并非研究所有的分析技术, 仅描述了最常用的分析技术(因此在IEC 61508和ISA-S84.01标准中建议使用)。

图1.最常用的分析技术概述

在本段的以下部分中,将简要介绍所研究的分析技术。

专家分析:基于以前在类似应用程序中的经验进行分析。示例是德国DIN / VDE0801标准[4,7]中使用的要求,例如操作规范,标准,设计准则和清单[9]。本文中对专家分析的处理主要是根据德国DIN标准[4-7]进行的。这些步骤导致对需求类别(德语:“ Anforderungsklasse”)AK 1至8进行分类,这在本质上被认为是定性的。

故障模式和影响分析及衍生工具(FMEA):通过检查所有组件故障并确定这些故障对整个系统的影响来对系统进行自下而上的分析[10,11]。尽管FMEA可能导致定量指标,例如风险优先级数字,但该技术本质上也被认为是定性的,因为它不能为获得的PFD提供结果。

零件计数分析或组件计数分析是一种在系统组件的故障率已知时计算系统故障率的分析技术[12,13]。

可靠性框图(RBD):通过以图形方式显示成功运行的条件来构建系统行为的模型[14]。功能块代表系统结构。

混合技术:可靠性框图和马尔可夫或故障树分析结果的组合,用于冗余配置[1,15]。故障树分析(FTA):一种用于显示自上而下的基本事件(-的组合)如何导致某个(不希望的)顶级事件的方法[16]。

马尔可夫分析(Markov analysis):一种分析方法,通过使用不同的(失效)状态和这些状态之间的转换来表示系统,从而分析系统的安全性[12,17]。

增强型马尔可夫分析:马尔可夫分析,不确定性分析(通过蒙特卡洛技术)和灵敏度分析的组合[18-21]。

3.结论

使用前面描述的分析,可以得出以下一般结论:

1.大量不同的技术和工具被用来分析工业过程的安全性和可用性。

2.所有技术都可用于比较和分类不同系统的安全性,尽管通常基于完全不同的标准。定性技术如专家分析和FMEA是根据分析师的经验对安全性进行比较和分类。定量技术根据使用数学模型的计算结果对安全性进行比较和分类。

3.一些分析技术还提供了对所分析系统及其功能执行方式的理解和文档。

4.只有定量技术提供了计算安全性能参数的方法。不同分析技术中遵循的分析过程从不同的动作开始,以不同的动作结束,在开始和结束之间遵循不同的路径。

5.不同的定量技术涵盖了系统行为的不同方面。即使这些技术涵盖相同的方面,不同的技术也可能使用不同的、不兼容的甚至矛盾的方式来建模这些方面。

6.定量技术是建立在数学分析的基础上,利用一定的模型。这些模型中使用的模型参数具有高度的不确定性。

7.如果定量分析技术根据建模能力进行分级,结果将类似于图3。零件计数分析可以建模的细节最少,而马尔可夫模型最多。一个主要问题是,随着建模能力(覆盖率)的增加,分析的复杂性和执行分析的工作量也会增加。

8.不同定量技术的比较表明,马尔可夫分析涵盖了定量安全的大部分的评价。但是马尔可夫分析不包括不确定性分析和敏感性分析。而增强马尔可夫分析技术涵盖了这些方面。

目前的一个实际问题是不清楚哪种分析技术最适合哪种分析情况练习,零件计数分析和FMEA的结果通常被用作更复杂的定量分析技术(如故障树分析和markov分析)的输入和进一步分析,埃因霍温大学目前正在进行这方面的研究。

作者建议,由于不同的方法分析结果会有不同,所以应该规定一种分析方法。增强马尔可夫分析技术就是这种方法,因为它涵盖了与安全量化相关的很多方面。使用这种技术时的一个问题是分析很复杂。目前,埃因霍温大学正在开发设计这些系统的工程师使用的安全系统分析工具[20-27]。

参考文献

  1. Chen CC, Ma WH, Zhao JC. Semiconductor-mediated photodegradation of pollutants under visible-light irradiation. Chem Soc Rev 2010;39:4206e19.
  2. Jing LQ, Zhou W, Tian GH, Fu HG. Surface tuning for oxidebased nanomaterials as effificient photocatalysts. Chem Soc Rev 2013;42:9509e49.
  3. Zhang JL, Wu YM, Xing MY, Leghari SAK, Sajjad S. Development of modifified N doped TiO2 photocatalyst with metals, nonmetals and metal oxides. Energy Environ Sci 2010;3:715e26.
  4. Chen XB, Shen SH, Guo LJ, Mao SS. Semiconductor-based photocatalytic hydrogen generation. Chem Rev 2010;110:6503e70.
  5. Pirhashemi M, Habibi-Yangjeh A, Pouran SR. Review on the criteria anticipated for the fabrication of highly effificient ZnO-based visible-light-driven photocatalysts. J Ind Eng Chem 2018;62:1e25.
  6. Wu KF, Lian TQ. Quantum confifined colloidal nanorod heterostructures for solar-to-fuel conversion. Chem Soc Rev 2016;45:3781e810.
  7. Bagheri S, Julkapli NM. Synergistic effects on hydrogenated TiO2 for photodegradation of synthetic compounds pollutants. Int J Hydrogen Energy 2016;41:14652e64.
  8. Jiang D, Xu Y, Wu D, Sun YH. Visible-light responsive dyemodifified TiO2 photocatalyst. J Solid State Chem 2008;181:593e602.
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  10. Zuo F, Wang L, Wu T, Zhang ZY, Borchardt D, Feng PY. Selfdoped Ti3thorn; enhanced photocatalyst for hydrogen production under visible light. J Am Chem Soc 2010;132: 11856e7.
  11. Kim TW, Park M, Kim HY, Park SJ. Preparation of flflower-like TiO2 sphere/reduced graphene oxide composites for photocatalytic degradation of organic pollutants. J Solid State Chem 2016;239:91e8.
  12. Cui XK, Yang XF, Xian XZ, Tian L, Tang H, Liu QQ. Insights into highly improved solar-driven photocatalytic oxygen evolution over integrated Ag3PO4/MoS2 heterostructures. Front Chem 2018;6:123. https://doi.org/10.3389/ fchem.2018.00123.
  13. Tian L, Xian XZ, Cui XK, Tang H, Yang XF. Fabrication of modifified g-C3N4 nanorod/Ag3PO4 nanocomposites for solardriven photocatalytic oxygen evolution from water splitting. Appl Surf Sci 2018;430:301e8.
  14. Wang P, Huang BB, Qin XY, Zhang XY, Dai Y, Wei JY, et al. Ag@AgCl: a highly effificient and stable photocatalyst act

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