硬件可靠性指標(biāo) - PFH和PFD

該博客涵蓋了需求模式，特別是低需求和高需求模式。

PFH = 每小時(shí)危險(xiǎn)故障的概率（IEC 62061 添加了一個(gè)非常有用的“d”，如 PFHd 中，以提醒我們它僅適用于危險(xiǎn)故障）

· PFDavg = 按需平均故障概率（其倒數(shù)是 RRF 或風(fēng)險(xiǎn)降低因子）

PFH 和 PFD 根據(jù) SIL 的隨機(jī)硬件故障表示硬件的可靠性目標(biāo)。IEC 61508-1：2010的表1，2給出了實(shí)際要求

圖1 - PFH和PFD之間的鏈接平均

要記住的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是，這兩個(gè)指標(biāo)都只涉及危險(xiǎn)的故障，這些故障會(huì)阻止系統(tǒng)維護(hù)安全或?qū)崿F(xiàn)安全狀態(tài)。診斷檢測到的危險(xiǎn)故障實(shí)際上是安全的，并且從指標(biāo)中排除。

記得從上一篇博客中，低需求模式和高需求模式之間的劃分是一次/年的需求率，可以看出對(duì)PFH和PFD的要求平均如果將一年視為 10，000 小時(shí)而不是 8，760 小時(shí)，則在一次/年的需求率下相同。

閱讀表格 如果您有 SIL 3 高要求安全功能，則 PFH 需要< 1e-7/h （100 FIT）。這可以使用FMEA（失效模式和影響分析）或FTA（故障樹分析）來確定。對(duì)于低需求，SIL 3 安全功能需要具有小于 0.001 的平均按需故障概率。

使用IEC 61508-6：2010的近似值，上述情況導(dǎo)致了一個(gè)有趣的異常現(xiàn)象，即隨著需求率從10.1 /年變?yōu)?1.0/年，可靠性要求似乎增加了99倍。由于需求率正在下降，這沒有多大意義。

為了說明這一點(diǎn)，假設(shè)您有一個(gè)生命周期為 20 年的單通道系統(tǒng)，并且沒有驗(yàn)證測試（證明測試間隔 = 20 年）。進(jìn)一步假設(shè) 1.01/年的高需求率（1/年以保持?jǐn)?shù)學(xué)簡單），然后滿足 IEC 61508-1：2010 表 3 a λ 的要求的的 0.99e-7 允許在硬件指標(biāo)方面聲明 SIL 3。

但是，如果需求率下降到0.99 /年（為了保持?jǐn)?shù)學(xué)簡單，1 /年），那么需求率下降肯定是一件好事，因此我們允許使用低需求規(guī)則聲明SIL。根據(jù)IEC 61508-6：2010條款B.3.2.2.2，我們得到PFD平均的 9e-3 位于 SIL 2 范圍的頂部，并且L的顯然需要下降 10 倍才能進(jìn)入 SIL 3 范圍。正如我所說，這令人困惑，似乎沒有意義。難道編寫標(biāo)準(zhǔn)的莊嚴(yán)女士們和先生們犯了錯(cuò)誤嗎？不要害怕他們沒有。

即使使用需求率來計(jì)算RRF，明顯的異常也會(huì)繼續(xù)，如下所示。這肯定是不對(duì)的，什么給？

圖 2 - 當(dāng)需求率超過 1/年時(shí)，所需可靠性明顯提高

上述數(shù)字假設(shè)驗(yàn)證測試間隔為 20 年，例如 ISO 10218-1 中規(guī)定的。

出現(xiàn)問題的第一個(gè)警告是，如果您遵循低需求規(guī)則，隨著需求率的進(jìn)一步增加（進(jìn)入高需求區(qū)域），情況會(huì)變得更糟。 這表明在高于 0.1/年的高需求率（包括注意到的 1.0/年）下，低需求近似值存在非常錯(cuò)誤。

第二個(gè)警告是在IEC 61508-6：2010條款B.3.1中給出的，其中指出，“需求之間的預(yù)期間隔至少比證明測試間隔大一個(gè)數(shù)量級(jí)。但是，您必須非常仔細(xì)地閱讀標(biāo)準(zhǔn)才能發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。在這種情況下，證明測試間隔為 20 年，因此近似方程只有在需求率達(dá)到每 200 年一次時(shí)才成立?。?/p>

那么如何合理化呢？下圖有所幫助。

圖3 - 低需求系統(tǒng)如何發(fā)生故障

查看上圖，您可以估計(jì)危險(xiǎn)事件頻率遵循下面的紅色曲線，危險(xiǎn)事件頻率隨著需求率的增加而增加。但是，安全函數(shù)介于需求率和危險(xiǎn)事件之間，因此危險(xiǎn)事件率永遠(yuǎn)不會(huì)超過安全功能的故障率，該故障率與需求率無關(guān)，并由圖表上顯示的紫線顯示。當(dāng)你計(jì)算數(shù)學(xué)時(shí)，你會(huì)得到類似于下面的虛線，給出真正的危險(xiǎn)事件頻率，如果使用這條虛線，1/年需求率周圍的異常就會(huì)消失，危險(xiǎn)事件頻率永遠(yuǎn)不會(huì)超過給出的L的。

圖4 - 最大危險(xiǎn)事件率

在IEC 63161中，上述曲線的方程稱為亨利/熊本方程。

雖然這是一個(gè)復(fù)雜的話題，很難在博客中處理，但這里有一些要點(diǎn)：

· 高需求模式給出給定 λ 的最大危險(xiǎn)事件發(fā)生率 的

· IC供應(yīng)商和實(shí)際上模塊或子系統(tǒng)供應(yīng)商需要給出λ 的并讓PFH和PFD計(jì)算給安全功能設(shè)計(jì)人員

· 計(jì)算低需求RRF/PFD的一個(gè)重要原因是確定系統(tǒng)需求所需的SIL。

· 隨著需求率從一年一次下降到一千年/千年，所需的RRF和SIL（SC）下降

審核編輯：郭婷