Trong lĩnh vực an toàn chức năng, một chức năng an toàn của máy không chỉ đơn thuần là phản ứng lại sự cố một lần duy nhất. Chức năng này phải hoạt động một cách đáng tin cậy dưới các điều kiện vận hành và tình trạng lỗi có thể dự đoán trước.
Đó là lý do tại sao Mức hiệu suất hay PL trở nên quan trọng. Mức hiệu suất quy định khả năng thực hiện một chức năng an toàn được quy định của các bộ phận liên quan đến an toàn trong hệ thống điều khiển. Trong thực tế, chỉ số này giúp các kỹ sư đánh giá liệu một mạch an toàn hoặc mạch con an toàn có mang lại mức độ giảm thiểu rủi ro theo yêu cầu hay không.
Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về các thông số chính được sử dụng để xác định Mức hiệu suất. Tài liệu này được biên soạn như một hướng dẫn kỹ thuật, không nhằm mục đích thay thế cho quy trình đánh giá rủi ro, kiểm định hoặc rà soát tiêu chuẩn cụ thể của từng dự án.
Mức hiệu suất quy định khả năng thực hiện chức năng an toàn của một mạch an toàn dưới các điều kiện có thể dự đoán được. Các Mức hiệu suất được quy định thành năm mức riêng biệt:
PL a đại diện cho mức thấp nhất và PL e đại diện cho mức cao nhất trong hệ thống phân loại này.
Các Mức hiệu suất chỉ được xác định cho các mạch an toàn hoàn chỉnh hoặc các mạch con an toàn hoàn chỉnh. Chúng không áp dụng cho các linh kiện tiêu chuẩn riêng lẻ mà không xem xét đầy đủ chức năng liên quan đến an toàn và cấu trúc mạch.
Trước khi đánh giá Mức hiệu suất, cần phải đánh giá rủi ro của máy. Việc đánh giá rủi ro sẽ xác định mức độ giảm rủi ro cần thiết cho từng chức năng an toàn.
Dựa trên đánh giá rủi ro đó, một Mức hiệu suất bắt buộc được quy định cho từng mạch an toàn thực hiện một chức năng an toàn hoặc chức năng phụ an toàn. Mức hiệu suất đạt được của mạch đã triển khai sau đó phải được đánh giá dựa trên yêu cầu đó.
Trình tự này rất quan trọng:
1. Xác định mối nguy
2. Xác định Mức hiệu suất yêu cầu
3. Xác định chức năng an toàn yêu cầu
4. Thiết kế mạch an toàn hoặc mạch con an toàn
5. Đánh giá xem Mức hiệu suất đạt được có đáp ứng yêu cầu hay không
6. Xác thực chức năng an toàn trong bối cảnh máy móc
Một số thông số định lượng và định tính ảnh hưởng đến Mức hiệu suất đạt được. Phần tổng quan dưới đây giải thích những điểm quan trọng nhất.
Cấu trúc của một mạch an toàn phụ thuộc vào cách bố trí các linh kiện, khả năng chẩn đoán lỗi và các biện pháp đảm bảo độ tin cậy. Những cấu trúc này được chia thành các cấp danh mục từ B đến 4.
Cấp danh mục này mô tả mức độ chống chịu lỗi của mạch an toàn với các lỗi cũng như cách mạch hoạt động khi có lỗi xảy ra. Ví dụ, cấu trúc có thể ảnh hưởng đến việc liệu một lỗi đơn lẻ có thể dẫn đến mất chức năng an toàn hay lỗi đó sẽ được phát hiện và xử lý.
Thời gian trung bình đến khi lỗi nguy hiểm, hay MTTFD tính đến độ tin cậy của các linh kiện được sử dụng trong mạch an toàn.
MTTFD tập trung vào những lỗi nguy hiểm. Đây là các lỗi có thể ngăn cản chức năng an toàn được thực hiện đúng cách. Dữ liệu độ tin cậy của tất cả các linh kiện liên quan đến an toàn phải được xem xét trong bối cảnh của toàn bộ mạch.
Phạm vi chẩn đoán, hoặc DC, đo lường hiệu quả của các chức năng chẩn đoán trong mạch an toàn.
Chỉ số này thể hiện tỷ lệ các lỗi nguy hiểm có thể được phát hiện so với các lỗi nguy hiểm chưa được phát hiện. Nhìn chung, mức độ rủi ro cao hơn đòi hỏi khả năng chẩn đoán hiệu quả hơn. Do đó, các biện pháp chẩn đoán có thể ảnh hưởng lớn đến Mức hiệu suất đạt được.
Lỗi do nguyên nhân chung, hoặc CCF, xảy ra khi hai hoặc nhiều lỗi riêng biệt bắt nguồn từ cùng một vấn đề.
Điều này đặc biệt quan trọng đối với các mạch an toàn đa kênh. Ngay cả khi hai kênh được thiết kế tách biệt, một nguyên nhân chung như áp lực từ môi trường, cài đặt không chính xác, giả định thiết kế không phù hợp hoặc vấn đề về nguồn cấp chung vẫn có thể ảnh hưởng đến cả hai kênh. Các biện pháp ngăn chặn sự cố do nguyên nhân chung giúp giảm khả năng nhiều kênh bị lỗi vì cùng một lý do.
Hành vi của một mạch an toàn trong điều kiện xảy ra lỗi cần phải được đánh giá. Các lỗi và sự cố quan trọng cần được phân tích bằng các phương pháp phù hợp như:
Tùy thuộc vào ứng dụng, cấp danh mục mạch và các linh kiện được chọn, có thể cần áp dụng thêm các biện pháp thiết kế hoặc chẩn đoán để đáp ứng các yêu cầu của ISO 13849.
Nếu phần mềm người dùng liên quan đến an toàn là một phần của hệ thống điều khiển, quá trình phát triển phải bao gồm các biện pháp phòng ngừa lỗi.
Một mô hình phát triển có cấu trúc, như mô hình V, có thể hỗ trợ các công đoạn thiết lập thông số kỹ thuật, triển khai thực hiện, kiểm chứng và xác nhận. Mục tiêu là tạo ra phần mềm dễ đọc, dễ hiểu, dễ thử nghiệm, dễ bảo trì và ít lỗi nhất có thể.
Lỗi mang tính hệ thống không phải là lỗi phần cứng ngẫu nhiên. Chúng thường bắt nguồn từ các nguyên nhân liên quan đến con người, quy trình hoặc thiết kế.
Các ví dụ bao gồm:
Kế hoạch an toàn chức năng là một trong những bộ tool quan trọng nhất để giải quyết các lỗi mang tính hệ thống. Kế hoạch này định rõ các biện pháp để ngăn chặn sai sót trong khâu xác định thông số kỹ thuật, triển khai, kiểm chứng, xác nhận hoặc sửa đổi về sau đối với các chức năng liên quan đến an toàn.
Bước đánh giá Mức hiệu suất cuối cùng sẽ tổng hợp tất cả các tham số liên quan lại với nhau. Bảng tổng quan cần chỉ rõ cách mà cấp danh mục mạch, MTTFD, Phạm vi chẩn đoán, các biện pháp phòng ngừa lỗi do nguyên nhân chung, hành vi khi xảy ra lỗi, chất lượng phần mềm và các biện pháp phòng ngừa lỗi mang tính hệ thống góp phần đạt được mức PL mục tiêu của chức năng an toàn.
Việc đánh giá Mức hiệu suất không đơn thuần là một bài toán về tính toán. Đây là một nhiệm vụ kỹ thuật an toàn phụ thuộc hoàn toàn vào bối cảnh vận hành tổng thể của máy móc.
Cùng một linh kiện có thể hoạt động khác nhau tùy thuộc vào chức năng an toàn, cấu trúc mạch, hệ thống chẩn đoán lỗi, phần mềm, môi trường và quy trình xác thực. Đó là lý do tại sao các mạch liên quan đến an toàn phải được đánh giá dựa trên mối tương quan với tổng thể chức năng hoặc chức năng phụ, chứ không phải dựa trên các linh kiện riêng lẻ.
Festo cung cấp cho các đơn vị chế tạo máy các linh kiện tự động hóa, tài liệu và kiến thức ứng dụng nhằm hỗ trợ họ trong suốt quá trình thiết kế hệ thống an toàn. Tuy vậy, trách nhiệm cuối cùng đối với quy trình đánh giá rủi ro, triển khai và xác thực hệ thống vẫn thuộc về đơn vị chế tạo máy hoặc đội ngũ kỹ thuật.