IEC 61511 là gì? Hướng dẫn về An toàn chức năng của ngành công nghiệp quy trình

1.0 IEC 61511 là gì?

IEC 61511 là tiêu chuẩn quốc tế do Ủy ban Kỹ thuật Điện quốc tế (IEC) phát triển, được thiết kế riêng cho an toàn chức năng trong ngành công nghiệp chế biến. Nó đóng vai trò là triển khai IEC 61508 theo từng lĩnh vực cụ thể và được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu. Tiêu chuẩn này tập trung vào thiết kế, triển khai và quản lý Hệ thống thiết bị an toàn (SIS).

1.1 Giới thiệu về ngành công nghiệp chế biến

Không giống như các ngành sản xuất riêng biệt—chẳng hạn như sản xuất đai ốc, bu lông hoặc phụ tùng ô tô— ngành công nghiệp chế biến xử lý việc chuyển đổi và xử lý vật liệu rời. Các lĩnh vực tiêu biểu bao gồm:

• Sản xuất dầu khí
• Tinh chế
• Sản xuất hóa chất
• Dược phẩm
• Các hoạt động xử lý liên tục khác

Do tính chất rủi ro cao của những môi trường này, an toàn chức năng là điều cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định và đáng tin cậy của các hệ thống kiểm soát an toàn.

1.2 Mục đích và định nghĩa của tiêu chuẩn

IEC 61511 đặt ra một bộ yêu cầu toàn diện để đạt được an toàn chức năng trong lĩnh vực quy trình. Nó đề cập đến kiến trúc hệ thống, phát triển phần cứng và phần mềm, và lập trình ứng dụng, với mục tiêu bao quát là đảm bảo rằng SIS có thể giảm thiểu rủi ro một cách đáng tin cậy trong trường hợp xảy ra sự cố hoặc điều kiện bất thường.

Theo IEC 61511, một Hệ thống thiết bị an toàn (SIS) được định nghĩa là một hệ thống tự động được thiết kế để thực hiện một hoặc nhiều Chức năng thiết bị an toàn (SIF). Nó thường bao gồm ba yếu tố cốt lõi:

• Cảm biến
• Người giải quyết logic
• Các yếu tố cuối cùng

1.3 Phạm vi áp dụng

IEC 61511 bao gồm toàn bộ vòng đời của Hệ thống thiết bị an toàn—từ thiết kế khái niệm và phân tích nguy cơ đến kỹ thuật chi tiết, lắp đặt, đưa vào vận hành, bảo trì và cuối cùng là ngừng hoạt động. Nó cũng bao gồm các yêu cầu về sửa đổi hệ thống trong quá trình vận hành.

1.4 Cấu trúc của Tiêu chuẩn

IEC 61511 được cấu trúc thành ba phần chính:

• IEC 61511-1: An toàn chức năng – Yêu cầu hệ thống
  Đưa ra các định nghĩa cơ bản, cấu trúc hệ thống và các yêu cầu kỹ thuật cho phần cứng và phần mềm.
• IEC 61511-2: Hướng dẫn cho Ứng dụng
  Cung cấp hướng dẫn thực tế về việc thực hiện các yêu cầu từ Phần 1.
• IEC 61511-3: Hướng dẫn xác định mức độ toàn vẹn an toàn (SIL)
  Giúp người dùng xác định SIL cần thiết cho từng chức năng an toàn dựa trên phân tích rủi ro.

1.5 Sự tiến hóa của tiêu chuẩn

Hệ thống thiết bị an toàn đã được sử dụng trong hơn nửa thế kỷ để giảm thiểu rủi ro công nghiệp. SIS ban đầu dựa trên mạch khí nén, thủy lực hoặc điện, đặc trưng bởi kiến trúc đơn giản và chế độ lỗi được hiểu rõ.

Vào những năm 1970, các hệ thống điện tử lập trình bắt đầu được sử dụng trong SIS, mang lại tính linh hoạt cao hơn nhưng cũng tạo ra sự phức tạp và bất ổn mới. Những thay đổi này làm tăng thêm khó khăn trong quản lý rủi ro, thúc đẩy nhu cầu cập nhật các tiêu chuẩn. IEC 61511 đã phát triển theo đó:

Phiên bản đầu tiên và thứ hai đã được phát hành vào 2003.

Phiên bản thứ hai giới thiệu gần như 200 bản cập nhật, bao gồm các yêu cầu đối với Thông số kỹ thuật yêu cầu an toàn (SRS), giám sát hiệu suất, đánh giá tỷ lệ lỗi, bảo mật CNTT và Quản lý an toàn chức năng (FSM).Tóm tắt các yếu tố chính trong IEC 61511

1.6 Thành phần chuẩn và các bên liên quan

IEC 61511 thường được gọi là tiêu chuẩn an toàn chức năng cho ngành công nghiệp chế biến, đặc biệt là đối với Hệ thống thiết bị an toàn (SIS). Nó bao gồm:

1. Phần 1: Khung và yêu cầu về phần cứng và phần mềm
2. Phần 2: Hướng dẫn thực hiện
3. Phần 3: Phương pháp xác định SIL

Tiêu chuẩn này có liên quan đến tất cả nhân sự tham gia vào các chức năng liên quan đến thiết bị an toàn, bao gồm nhà cung cấp hệ thống, người vận hành nhà máy, nhóm bảo trì, nhà thiết kế SIF, nhà phân tích SIL và nhà thầu EPC.

1.7 Vòng đời an toàn chức năng

IEC 61511 định nghĩa một cấu trúc vòng đời an toàn để đảm bảo rằng SIS luôn đáp ứng các yêu cầu về an toàn. Điều này bao gồm:

Phân tích các mối nguy hiểm trong quy trình và lập tài liệu SIF cần thiết

Triển khai hệ thống bằng phần cứng, phần mềm và phương pháp thiết kế phù hợp

Xác minh hiệu suất hệ thống và sửa đổi khi cần thiết

Vận hành và bảo trì SIS bằng các quy trình chuẩn hóa trong khi liên tục theo dõi hiệu suất của nó

1.8 Yêu cầu của hệ thống quản lý SIS

Tiêu chuẩn yêu cầu một phương pháp quản lý có hệ thống với SIS, bao gồm các cảm biến, bộ giải logic, các thành phần cuối cùng và các thành phần hỗ trợ, tất cả cùng hoạt động để triển khai một hoặc nhiều SIF.

Hệ thống quản lý SIS tuân thủ phải bao gồm:

Một quy trình làm việc được xác định trong suốt vòng đời của SIS: đánh giá, thiết kế, xác minh, cài đặt, đưa vào vận hành, xác thực, vận hành, bảo trì và cải tiến liên tục

Phân công trách nhiệm rõ ràng cho tất cả các vai trò liên quan

Các thủ tục được ghi chép hỗ trợ cho từng trách nhiệm

Giám sát hiệu suất và vòng phản hồi để đảm bảo tuân thủ liên tục với SIL được giao

1.9 SIL và Đánh giá hiệu suất

IEC 61511 sử dụng Mức độ toàn vẹn an toàn (SIL) để định lượng mức độ hiệu quả mà SIS có thể giảm thiểu rủi ro.

Mức độ SIL được xác định thông qua phân tích nguy cơ và rủi ro dựa trên mức giảm rủi ro cần thiết cho mỗi SIF

Thiết kế và kiến trúc SIS được thiết kế riêng để đáp ứng SIL được phân bổ

Trong quá trình vận hành, hiệu suất được đánh giá thông qua dữ liệu thực địa và thử nghiệm tính toàn vẹn cơ học

Nếu hiệu suất thực tế không đạt được SIL dự kiến, các hành động khắc phục phải được thực hiện để khôi phục sự tuân thủ

2.0 Hiểu về IEC 61511 và IEC 61508 trong ngành công nghiệp quy trình

2.1 An toàn quy trình là gì?

An toàn quy trình là một khuôn khổ có hệ thống được thiết kế để đảm bảo tính toàn vẹn của các hệ thống và quy trình xử lý vật liệu nguy hiểm. Nó kết hợp các nguyên tắc kỹ thuật, thực hành thiết kế và quy trình vận hành để ngăn ngừa việc giải phóng các chất hoặc năng lượng nguy hiểm ngoài ý muốn. Khái niệm này bắt nguồn từ Cơ quan Quản lý An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp Hoa Kỳ (OSHA) và được áp dụng rộng rãi trong các quy trình liên quan đến Hóa chất cực kỳ nguy hiểm (HHC).

2.2 Tại sao an toàn chức năng lại quan trọng trong ngành công nghiệp quy trình?

Khi các hệ thống quy trình ngày càng phức tạp, hệ thống an toàn chức năng ngày càng được tin cậy để giảm thiểu rủi ro hoạt động. Ở nhiều quốc gia—như Singapore—chế độ trường hợp an toàn đã trở thành bắt buộc. Các tổ chức phải thiết lập các chương trình quản lý an toàn chức năng tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế để đáp ứng các nghĩa vụ theo quy định.

2.3 Mối quan hệ giữa IEC 61511 và IEC 61508

• IEC 61511 là tiêu chuẩn cụ thể của ngành quy trình về an toàn chức năng, tập trung vào toàn bộ vòng đời an toàn của Hệ thống thiết bị an toàn (SIS) trong các ngành công nghiệp như dầu khí và hóa chất.
• IEC 61508 phục vụ như là tiêu chuẩn cơ bản cho an toàn chức năng trên tất cả các lĩnh vực liên quan đến hệ thống điện, điện tử hoặc điện tử lập trình (E/E/PE). Nó hoạt động như tiêu chuẩn gốc hướng dẫn việc triển khai IEC 61511.

2.4 Hệ thống thiết bị an toàn (SIS) và Chức năng thiết bị an toàn (SIF)

Một Hệ thống thiết bị an toàn (SIS) thường bao gồm nhiều Chức năng thiết bị an toàn (SIF). Mỗi SIF bao gồm các thành phần chính sau:

• Cảm biến– phát hiện các sai lệch so với điều kiện hoạt động bình thường
• Người giải quyết logic– xử lý đầu vào cảm biến và thực hiện logic an toàn
• Các yếu tố cuối cùng– khởi tạo phản ứng an toàn (ví dụ, kích hoạt van hoặc tắt thiết bị)

2.5 Mức độ toàn vẹn an toàn (SIL) và giảm thiểu rủi ro

Mức độ toàn vẹn an toàn (SIL) là thước đo hiệu suất được sử dụng để định lượng khả năng giảm thiểu rủi ro của SIS. Theo IEC 61511, các yêu cầu SIL được xác định thông qua Phân tích nguy cơ và rủi ro (H&RA) và được sử dụng để hướng dẫn cả thiết kế và xác minh hệ thống.

2.6 Cấu trúc của IEC 61511

IEC 61511 được cấu trúc thành bốn phần riêng biệt:

2.7 Vòng đời an toàn: Một cách tiếp cận vòng kín từ phân tích đến ngừng hoạt động

IEC 61511 áp dụng một Mô hình vòng đời an toàn SIS, đảm bảo duy trì sự an toàn chức năng trong suốt quá trình vận hành của hệ thống.

Giai đoạn 1: Phân tích (Giai đoạn xanh)

• PHA – Phân tích mối nguy trong quy trình: Xác định nguồn rủi ro, hậu quả tiềm ẩn và tần suất xảy ra sự kiện.
• Xác định SIL: Chỉ định một Hệ số giảm thiểu rủi ro bắt buộc (RRF) và SIL tương ứng cho mỗi SIF.
• SRS – Thông số kỹ thuật yêu cầu an toàn: Xác định các tham số và mục tiêu chức năng của từng SIF.
• FSA – Đánh giá an toàn chức năng: Xác minh độc lập giai đoạn phân tích của bên thứ ba.

Giai đoạn 2: Thiết kế và triển khai (Giai đoạn đỏ)

• Lựa chọn thiết bị: Chọn các thành phần có chứng nhận SIL phù hợp hoặc có lịch sử sử dụng đã được chứng minh.
• Thiết kế hệ thống: Xác định cấu trúc logic, tính dự phòng và chiến lược thử nghiệm theo SRS.
• Xác minh SIL: Sử dụng các công cụ như exSILentia hoặc SILcet để tính toán số liệu độ tin cậy.
• Xác thực FAT/SAT và SIS: Tiến hành thử nghiệm chấp nhận tại nhà máy và công trường để đảm bảo tuân thủ SRS.
• FSA Giai đoạn 2: Đánh giá độc lập về chất lượng thiết kế và triển khai.

Giai đoạn 3: Vận hành và bảo trì (Giai đoạn xanh)

• Kế hoạch bảo trì SIS: Đảm bảo độ tin cậy lâu dài và kiểm tra thường xuyên từng SIF.
• Giám sát hiệu suất và quản lý lỗi: Theo dõi các chỉ số hiệu suất chính (KPI) để đánh giá hoạt động thực tế
• Sửa đổi hệ thống và quản lý thay đổi:Tuân thủ Điều khoản 17 của IEC 61511 để ngăn ngừa rủi ro không mong muốn phát sinh trong quá trình sửa đổi.
• FSA đang diễn ra: Thực hiện kiểm toán định kỳ để đảm bảo tuân thủ liên tục và hiệu quả trong quá trình vận hành và bảo trì.

3.0 IEC 61511 so với IEC 61508: Sự khác biệt chính và sự phụ thuộc lẫn nhau

3.1 Sự khác biệt cốt lõi: Phạm vi và Người dùng mục tiêu

IEC 61511 là một phái sinh theo từng ngành cụ thể của IEC 61508, được tùy chỉnh theo nhu cầu của ngành công nghiệp quy trình. Mặc dù được điều chỉnh theo ứng dụng của nó, cả hai tiêu chuẩn đều chia sẻ một khuôn khổ nhất quán về mặt mô hình vòng đời, số liệu an toàn (ví dụ: SIL, PFD/PFH) và các nguyên tắc quản lý an toàn chức năng.

3.2 Tại sao IEC 61511 lại quan trọng đối với ngành công nghiệp quy trình

Ngay cả khi một hệ thống sử dụng các thành phần tuân thủ IEC 61508, nhìn chung an toàn chức năng trong ngành công nghiệp chế biến không thể chỉ dựa vào sự tuân thủ của từng thiết bị. IEC 61511 đảm bảo giảm thiểu rủi ro ở cấp độ hệ thống thông qua những điều sau:

Đảm bảo hiệu suất SIF: Đánh giá sự phụ thuộc lẫn nhau giữa các thiết bị để xác nhận việc đạt được Mức độ toàn vẹn an toàn (SIL) cần thiết.

Tối ưu hóa bảo trì: Xác định các chiến lược cho khoảng thời gian kiểm tra thử nghiệm và duy trì độ tin cậy của hệ thống.

Yêu cầu giai đoạn hoạt động: Cung cấp hướng dẫn quan trọng về lắp đặt, đưa vào vận hành, vận hành và bảo trì.

Quản lý thay đổi: Khi các hệ thống quy trình phát triển, IEC 61511 yêu cầu rằng bất kỳ sửa đổi nào cũng phải được đánh giá về tác động của nó đối với an toàn chức năng.

Xác thực phần mềm ứng dụng:Trong khi IEC 61508 quản lý phần mềm nhúng, IEC 61511 phác thảo các phương pháp xác minh dành cho logic cấp ứng dụng (ví dụ: chương trình điều khiển Mức/Lưu lượng).

3.3 Sự phối hợp giữa các tiêu chuẩn trong việc thực hiện SIL

IEC 61511 tập trung vào triển khai cấp hệ thống và quản trị vòng đời, trong khi IEC 61508 đảm bảo thiết kế cấp thiết bị, chứng nhận và chức năng an toàn nhúng. Cùng nhau, chúng tạo thành một khung an toàn chức năng bổ sung.

3.4 Yêu cầu của IEC 61511 đối với các thành phần cơ khí

Mặc dù IEC 61511 tập trung vào hệ thống điện tử/điện tử có thể lập trình, nhiều yếu tố cuối cùng là cơ học (ví dụ, van đóng ngắt, bộ truyền động khí nén, van giảm áp). Các lỗi cơ học có thể trực tiếp gây ra lỗi SIF. Do đó, tiêu chuẩn yêu cầu:

Dữ liệu độ tin cậy cho các thành phần cơ khí

Linh kiện cơ khí phải cung cấp dữ liệu PFD/PFH;

Sự tuân thủ có thể được chứng minh thông qua:

• Đã được chứng minh trong sử dụng dữ liệu (phù hợp với yêu cầu của IEC 61508);
• Sự phù hợp của SIL các tuyên bố từ các nhà sản xuất;
• Chứng nhận của bên thứ ba(ví dụ: từ TÜV hoặc Exida).

Kiểm tra định kỳ

Xác định thích hợp khoảng thời gian thử nghiệm bằng chứng;

Kế hoạch bảo trì phải bao gồm kiểm tra chức năng (ví dụ, phản ứng kích hoạt van);

Dữ liệu thử nghiệm phải được được phản hồi vào đánh giá rủi ro và cập nhật vòng đời.

Bao gồm trong mô hình độ tin cậy của hệ thống

Kết hợp các yếu tố cơ học vào mô hình FMEA hoặc FTA cấp hệ thống;

Tính toán PFD của toàn bộ vòng lặp phần tử điều khiển cuối cùng (van + bộ truyền động + logic);

Hệ thống phải đáp ứng SIL được giao trước khi đưa vào hoạt động.

3.5 Chiến lược thực hiện phối hợp

4.0 Phần kết luận

Tiêu chuẩn IEC 61508 và IEC 61511 cùng nhau tạo thành xương sống của an toàn chức năng trong ngành công nghiệp quy trình. Trong khi IEC 61508 cung cấp một khuôn khổ chung, cấp thiết bị cho các hệ thống liên quan đến an toàn, IEC 61511 điều chỉnh các nguyên tắc này theo nhu cầu cụ thể của Hệ thống thiết bị an toàn (SIS) trong thế giới thực trong toàn bộ vòng đời của chúng—từ đánh giá rủi ro và thiết kế hệ thống đến bảo trì và sửa đổi liên tục.

Trong môi trường công nghiệp phức tạp và rủi ro cao, chỉ tuân thủ ở cấp độ thiết bị là không đủ. Chỉ có một cách tiếp cận toàn diện, dựa trên vòng đời—bao gồm định nghĩa SIF, phân bổ SIL, xác minh và giám sát hiệu suất—mới có thể mang lại sự an toàn và độ tin cậy trong vận hành có thể chứng minh được.

Hiểu được cách hai tiêu chuẩn này bổ sung cho nhau là điều cần thiết đối với các kỹ sư, nhà tích hợp và quản lý an toàn muốn xây dựng và duy trì kiến trúc SIS mạnh mẽ. Khi được áp dụng hiệu quả cùng nhau, IEC 61508 và IEC 61511 cho phép có một con đường nhất quán, có thể kiểm toán được để giảm thiểu rủi ro, tuân thủ quy định và an toàn nhà máy lâu dài.

Tài liệu tham khảo

www.wolterskluwer.com/en/expert-insights/functional-safety-the-next-edition-of-iec-61511

safetyandsis.com/tuân-thuc-iec-61511/

www.tuvsud.com/en-in/resource-centre/blogs/iec-61511-explained—tất cả những gì bạn cần biết

www.abhisam.com/iec-61511-iec-61508/

https://www.alekvs.com/iec-61508-explained-functional-safety-and-safety-integrity-levels-sil-guide/