기능 안전에서 기계의 안전 기능은 단 한 번 반응하는 것 이상의 역할을 수행해야 합니다. 예측 가능한 작동 조건과 고장 조건에서도 신뢰성 있게 작동해야 합니다.
바로 이 지점에서 성능 레벨, 즉 PL이 중요해집니다. 성능 레벨은 제어 시스템의 안전 관련 부품이 정의된 안전 기능을 수행하는 능력을 나타냅니다. 실무에서 이는 엔지니어가 안전 회로 또는 안전 하위 회로가 요구되는 수준의 위험 감소를 제공하는지 평가하는 데 도움이 됩니다.
이 글에서는 성능 레벨을 결정하는 데 사용되는 주요 매개변수의 개요를 간략하게 소개합니다. 이 글은 기술 가이드로 제공되며, 프로젝트별 위험성 평가, 유효성 검증, 표준 검토를 대체하지 않습니다.
성능 레벨은 예측 가능한 조건에서 안전 회로가 안전 기능을 수행하는 능력을 나타냅니다. 성능 레벨은 다음과 같이 다섯 가지 개별 수준으로 구분됩니다:
이 분류에서 PL a는 가장 낮은 수준을, PL e는 가장 높은 수준을 나타냅니다.
성능 레벨은 완전한 안전 회로 또는 완전한 안전 하위 회로에 대해서만 결정됩니다. 전체 안전 관련 기능과 회로 구조를 고려하지 않은 채 개별 표준 부품에 성능 레벨을 부여하지는 않습니다.
성능 레벨을 평가하기 전에 기계의 위험성을 평가해야 합니다. 위험성 평가는 각 안전 기능에 필요한 위험 감소 수준을 정의합니다.
이 위험성 평가를 바탕으로 안전 기능 또는 안전 하위 기능을 실행하는 각 안전 회로에 요구 성능 레벨이 지정됩니다. 그런 다음 구현된 회로가 달성한 성능 레벨을 해당 요구 사항과 비교하여 평가해야 합니다.
다음 순서를 따르는 것이 중요합니다.
1. 위험 요소 식별
2. 요구 성능 레벨 결정
3. 필요한 안전 기능 정의
4. 안전 회로 또는 안전 하위 회로 디자인
5. 달성한 성능 레벨이 요구 사항을 충족하는지 평가
6. 기계의 실제 사용 환경에서 안전 기능의 유효성 검증
여러 정량적, 정성적 매개변수가 달성한 성능 레벨에 영향을 미칩니다. 다음 개요에서는 가장 중요한 매개변수를 설명합니다.
안전 회로의 구조는 구성품 배치, 진단, 신뢰성 확보 조치에 따라 달라집니다. 이러한 구조는 카테고리 B부터 4까지로 구분됩니다.
카테고리는 안전 회로의 고장 내성과 고장 발생 시 회로의 동작 방식을 나타냅니다. 예를 들어, 회로 아키텍처에 따라 단일 고장이 안전 기능의 상실로 이어질 수 있는지, 또는 해당 고장이 감지되고 관리되는지가 달라질 수 있습니다.
위험 고장까지의 평균 시간, 즉 MTTFD는 안전 회로에 사용되는 구성품의 신뢰성을 고려합니다.
MTTFD는 위험 고장에 초점을 맞춥니다. 이는 안전 기능이 올바르게 수행되는 것을 방해할 수 있는 고장입니다. 관련된 모든 안전 관련 구성품의 신뢰성 데이터를 전체 회로의 맥락에서 고려해야 합니다.
진단 범위, 즉 DC는 안전 회로에서 진단의 효과를 측정합니다.
이는 감지되지 않는 위험 고장 대비 감지할 수 있는 위험 고장의 비율을 나타냅니다. 일반적으로 위험이 높을수록 더 효과적인 진단이 필요합니다. 따라서 진단 조치는 달성된 성능 레벨에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
공통 원인 고장, 즉 CCF는 동일한 문제로 인해 두 개 이상의 개별 결함이 발생하는 경우를 말합니다.
이는 특히 다중 채널 안전 회로와 밀접한 관련이 있습니다. 두 채널을 별도로 디자인하더라도 환경적 스트레스, 잘못된 설치, 부적절한 디자인 가정, 공통 공급 문제와 같은 공통 원인이 두 채널 모두에 영향을 미칠 수 있습니다. 공통 원인 고장에 대한 대책은 여러 채널이 동일한 이유로 고장 날 확률을 줄이는 데 도움이 됩니다.
결함 조건에서 안전 회로의 동작을 평가해야 합니다. 주요 결함과 고장은 다음과 같은 적절한 방법을 사용하여 분석해야 합니다.
애플리케이션, 회로 카테고리, 선택한 구성품에 따라 ISO 13849 요구사항을 충족하기 위해 추가적인 디자인 또는 진단 조치가 필요할 수 있습니다.
안전 관련 사용자 소프트웨어가 제어 시스템에 포함된 경우, 개발 프로세스에는 결함을 방지하기 위한 조치가 포함되어야 합니다.
V-model과 같은 구조화된 개발 모델은 사양 정의, 구현, 검증, 유효성 확인을 서포트할 수 있습니다. 목표는 읽기 쉽고, 이해하기 쉽고, 테스트와 유지보수가 가능하며, 결함이 최대한 없는 소프트웨어를 개발하는 것입니다.
체계적 고장은 무작위 하드웨어 고장과 다릅니다. 이러한 고장은 인적 요인, 프로세스 또는 디자인 관련 원인으로 발생하는 경우가 많습니다.
예시는 다음과 같습니다:
기능 안전 계획은 체계적 고장에 대응하기 위한 가장 중요한 공구, 툴 중 하나입니다. 이 계획은 안전 관련 기능의 사양 정의, 구현, 검증, 유효성 확인 또는 추후 수정 과정에서 오류를 방지하기 위한 조치를 규정합니다.
최종 성능 레벨 평가는 모든 관련 파라미터를 종합합니다. 개요에는 회로 카테고리, MTTFD, 진단 커버리지, 공통 원인 고장 대책, 결함 발생 시 동작, 소프트웨어 품질, 체계적 고장 대책이 안전 기능의 달성 PL에 어떻게 기여하는지 제시되어야 합니다.
성능 레벨 평가는 단순한 계산 작업이 아닙니다. 이는 기계의 전반적인 조건과 상황을 고려해야 하는 안전 엔지니어링 작업입니다.
동일한 구성품도 안전 기능, 회로 구조, 진단, 소프트웨어, 환경, 검증 개념에 따라 다르게 동작할 수 있습니다. 따라서 안전 관련 회로는 개별 구성품이 아니라 전체 기능이나 하위 기능을 기준으로 평가해야 합니다.
훼스토는 기계 제조업체에 안전 관련 디자인 작업을 서포트할 수 있는 자동화 구성품, 문서, 애플리케이션 지식을 제공합니다. 위험성 평가, 구현, 검증에 대한 최종 책임은 기계 제조업체 또는 엔지니어링 팀에 있습니다.