什么是IEC 61511？过程工业功能安全指南

1.0什么是 IEC 61511？

1.1流程工业简介

与离散制造业（例如生产螺母、螺栓或汽车零部件的制造业）不同， 流程工业 从事散装物料的转化和处理。典型行业包括：

• 石油和天然气生产
• 精制
• 化学制造
• 制药
• 其他连续加工操作

由于这些环境的高风险性质，功能安全对于确保安全控制系统的稳定可靠运行至关重要。

1.2标准的目的和定义

IEC 61511 为实现过程工业的功能安全制定了一套全面的要求。它涵盖了系统架构、硬件和软件开发以及应用程序编程，其总体目标是确保 SIS 可以可靠地降低风险 发生故障或异常情况时。

根据 IEC 61511， 安全仪表系统（SIS） 被定义为一个自动化系统，旨在执行一个或多个 安全仪表功能 (SIF)它通常包含三个核心要素：

• 传感器
• 逻辑解算器
• 最后元素

1.3适用范围

IEC 61511 涵盖 整个生命周期 安全仪表系统——从概念设计和危害分析到详细的工程设计、安装、调试、运行、维护以及最终的退役。它还包括运行期间系统修改的要求。

1.4标准的结构

IEC 61511 分为三个主要部分：

• IEC 61511-1：功能安全 - 系统要求
  规定了硬件和软件的基本定义、体系结构和技术要求。
• IEC 61511-2：应用指南
  提供关于实施第 1 部分要求的实用指导。
• IEC 61511-3：确定安全完整性等级 (SIL) 的指南
  帮助用户根据风险分析确定每个安全功能所需的 SIL。

1.5标准的演变

安全仪表系统 (SIS) 已应用于降低工业风险超过半个世纪。早期的 SIS 基于气动、液压或电路，其特点是架构简单且故障模式易于理解。

20世纪70年代，可编程电子系统开始应用于SIS系统，这不仅提供了更大的灵活性，也带来了新的复杂性和不确定性。这些变化增加了风险管理的难度，促使人们需要更新标准。IEC 61511也随之发展：

第一版和第二版分别于 2003.

第二版介绍了近 200 次更新，包括以下要求 安全要求规范（SRS）、性能监控、故障率评估、IT 安全以及 功能安全管理（FSM）.IEC 61511 关键要素摘要

1.6标准组成和利益相关者

IEC 61511 通常被称为 过程工业的功能安全标准，特别是对于 安全仪表系统（SIS）。它包括：

1. 第一部分：硬件和软件的框架和要求
2. 第二部分：实施指南
3. 第 3 部分：确定 SIL 的方法

它与涉及安全仪表功能的所有人员相关，包括系统供应商、工厂操作员、维护团队、SIF 设计师、SIL 分析师和 EPC 承包商。

1.7功能安全生命周期

IEC 61511 定义了结构化 安全生命周期 确保 SIS 始终满足安全要求。这包括：

分析过程危害并记录所需的 SIF

使用合适的硬件、软件和设计方法实现系统

验证系统性能并根据需要进行修改

使用标准化程序操作和维护 SIS，同时持续监控其性能

1.8SIS 管理系统要求

该标准要求 系统管理方法 SIS 由传感器、逻辑解算器、最终元件和支持组件组成，它们共同作用以实现一个或多个 SIF。

合规的 SIS 管理系统必须包括：

整个 SIS 生命周期的定义工作流程：评估、设计、验证、安装、调试、确认、操作、维护和持续改进

明确分配所有相关角色的职责

支持每项职责的记录程序

性能监控和反馈循环，以确保持续符合指定的 SIL

1.9SIL 和绩效评估

IEC 61511 使用 安全完整性等级 (SIL) 量化 SIS 降低风险的有效性。

SIL 等级是通过基于每个 SIF 所需的风险降低的危害和风险分析来确定的

SIS 设计和架构经过定制，以满足分配的 SIL

在运行期间，通过现场数据和机械完整性测试来评估性能

如果实际性能未达到预期的 SIL，则必须采取纠正措施以恢复合规性

2.0了解过程工业中的 IEC 61511 和 IEC 61508

2.1什么是过程安全？

过程安全 是一个系统框架，旨在确保处理危险材料的系统和流程的完整性。它结合了工程原理、设计实践和操作程序，以防止危险物质或能量的意外释放。该概念源自美国职业安全与健康管理局 (OSHA)，广泛应用于涉及 高度危险化学品（HHC）.

2.2为什么功能安全对于过程工业至关重要？

随着流程系统变得越来越复杂， 功能安全系统 越来越依赖于降低运营风险。在许多国家（例如新加坡）安全案例制度 已成为强制性规定。组织必须建立符合国际标准的功能安全管理计划，以履行监管义务。

2.3IEC 61511 与 IEC 61508 之间的关系

• 国际电工委员会 61511 是针对过程工业的功能安全标准，重点关注 安全仪表系统（SIS）的整个安全生命周期 在石油天然气和化学品等行业。
• 国际电工委员会 61508 作为 基础标准 适用于涉及电气、电子或可编程电子 (E/E/PE) 系统的所有领域的功能安全。它是指导 IEC 61511 实施的母标准。

2.5安全完整性等级 (SIL) 和风险降低

安全完整性等级 (SIL) 是用于量化SIS风险降低能力的性能指标。根据IEC 61511，SIL要求通过以下方式确定： 危害与风险分析（H&RA） 并用于指导系统设计和验证。

2.6IEC 61511的结构

IEC 61511 的结构包括 四个不同的部分:

部分	内容
第 1 部分	规范要求：术语、系统设计、软件开发、验证、测试
第 2 部分	应用指南：实施第 1 部分的实用建议
第 3 部分	危害与风险评估以及确定 SIL 的指南
第 4 部分	技术报告：第二版中更新的理由和解释

2.7安全生命周期：从分析到退役的闭环方法

IEC 61511 采用 SIS安全生命周期模型确保在系统的整个运行寿命期间保持功能安全。

第一阶段：分析（蓝色阶段）

• PHA——过程危害分析：识别风险源、潜在后果和事件频率。
• SIL测定：分配 所需风险降低因子（RRF） 以及每个 SIF 对应的 SIL。
• SRS——安全要求规范：定义每个 SIF 的参数和功能目标。
• FSA——功能安全评估：由第三方对分析阶段进行独立验证。

第二阶段：设计和实施（红色阶段）

• 设备选择：选择具有适当的 SIL 认证或经过验证的使用历史的组件。
• 系统设计：根据SRS定义逻辑结构、冗余和测试策略。
• SIL验证：使用以下工具 埃西伦蒂亚 或者 丝氨酸蛋白酶 计算可靠性指标。
• FAT/SAT 和 SIS 验证：进行工厂和现场验收测试以确保符合 SRS。
• FSA第2阶段：独立评估设计和实施质量。

第三阶段：运营和维护（绿色阶段）

• SIS 维护计划：确保每个 SIF 的长期可靠性和定期验证测试。
• 性能监控和故障管理：跟踪关键绩效指标 (KPI) 来评估实际操作
• 系统修改和变更管理：遵守 IEC 61511 第 17 条，以防止在修改过程中引入意外风险。
• 正在进行的FSA：进行定期审核，以确保 O&M 期间的持续合规性和有效性。

3.0IEC 61511 与 IEC 61508：主要区别和相互依赖性

3.1核心区别：范围和目标用户

标准	范围	主要用户	重点领域
IEC 61508	功能安全基础标准	设备制造商、系统设计师	硬件和嵌入式软件中安全相关功能的设计和验证
IEC 61511	针对流程工业的特定行业标准	系统集成商、最终用户（例如化工、石化、制药）	安全仪表系统（SIS）的生命周期管理

IEC 61511 是 特定行业衍生品 IEC 61508 的一项改进，专门针对过程工业的需求而定制。虽然两个标准在应用方面各有不同，但在以下方面却拥有一致的框架： 生命周期模型、安全指标（例如 SIL、PFD/PFH）和功能安全管理原则.

3.2IEC 61511 对过程工业至关重要的原因

即使系统使用符合 IEC 61508 的组件，总体而言 功能安全 在过程工业中 不能仅仅依赖单个设备的合规性. IEC 61511 通过以下方式确保降低系统级风险：

SIF 性能保证：评估设备之间的相互依赖性，以确认达到所需的安全完整性等级 (SIL)。

维护优化：定义验证测试间隔和系统可靠性维护的策略。

运营阶段要求：提供有关安装、调试、操作和维护的关键指导。

变更管理：随着过程系统的发展，IEC 61511 要求 任何修改都必须评估其对功能安全的影响.

应用软件验证：虽然 IEC 61508 管理嵌入式软件， IEC 61511 概述了验证方法 用于应用程序级逻辑（例如，级别/流控制程序）。

3.3SIL实施中的标准协调

项目区域	IEC 61511 要求	与 IEC 61508 的关系
SIS 设计与验证	需要完整的生命周期控制，包括 SRS、验证、测试、维护	使用的设备必须符合 IEC 61508
SIF SIL 测定	SIL 1–3 可在 IEC 61511 范围内管理	SIL 4 需要 IEC 61508 设计和验证
安全性能数据	允许使用 已证实有效 作战历史	数据必须满足 IEC 61508 完整性要求

IEC 61511 重点关注 系统级实施和生命周期治理而 IEC 61508 确保 设备级设计、认证和嵌入式安全功能。它们共同构成了一个 补充功能安全框架.

3.4IEC 61511 机械元件要求

尽管 IEC 61511 的核心是 电气/可编程电子系统, 许多最终元素都是机械的 （例如，截止阀、气动执行器、泄压阀）。机械故障可能直接导致SIF失效。因此，该标准要求：

机械部件的可靠性数据

机械部件 必须提供 PFD/PFH 数据;

合规性可以通过以下方式证明：

• 已证明使用 数据（符合IEC 61508的要求）；
• SIL适用性 语句 来自制造商；
• 第三方认证（例如来自 TÜV 或 Exida）。

定期验证测试

定义适当的 验证测试间隔;

维护计划必须包括 功能测试 （例如，阀门驱动响应）；

测试数据必须 反馈到风险评估和生命周期更新中.

纳入系统可靠性建模

将机械元素融入 系统级 FMEA 或 FTA 模型;

计算 整个最终控制元件循环 （阀门+执行器+逻辑）；

系统必须满足指定的 SIL 进入运行状态前。

3.5协调实施战略

活动区域	推荐标准	关键实施重点
设备选择	IEC 61508	选择具有 SIL 认证或使用验证数据的组件
系统架构	IEC 61511	定义SRS，配置安全架构，规划验证策略
运维实践	IEC 61511	执行验证测试、管理变更、监控实时性能
高 SIL 要求	IEC 61508 + 61511	对于 SIL 4，设备和系统级设计和验证都是强制性的

4.0结论

IEC 61508 和 IEC 61511 共同构成了过程工业功能安全的支柱。IEC 61508 为安全相关系统提供了通用的设备级框架，而 IEC 61511 则根据现实世界中安全仪表系统 (SIS) 在其整个生命周期（从风险评估和系统设计到持续维护和修改）的具体需求，定制了这些原则。

在复杂且高风险的工业环境中，仅靠设备级合规性是不够的。只有基于生命周期的全面方法（涵盖 SIF 定义、SIL 分配、验证和性能监控）才能提供可证明的安全性和运行可靠性。

对于致力于构建和维护稳健 SIS 架构的工程师、集成商和安全经理来说，了解这两项标准如何相互补充至关重要。IEC 61508 和 IEC 61511 的有效结合应用，能够提供一致、可审计的途径，从而降低风险、确保法规合规性，并实现长期的工厂安全。

 

参考

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

safetyandsis.com/compliance-with-iec-61511/

www.tuvsud.com/en-in/resource-centre/blogs/iec-61511-explained—all-you-need-to-know

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

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