控制与安全的结合:在哪儿划出分界线

   2023-08-21 互联网2390
核心提示:新的数字技术现在可以灵活的把过程控制和安全仪表功能集成在一个常见的自动化设备上。虽然这可以提高生产率和管理效益,但是如果

新的数字技术现在可以灵活的把过程控制和安全仪表功能集成在一个常见的自动化设备上。虽然这可以提高生产率和管理效益,但是如果操作不当,就会危及工业操作的安全。所以,在过程工厂中使用者理解两者的区别就十分重要了。网络安全和一些破坏活动进一步强调了 SIS(安全仪表系统)的安全性。

当然,“通用平台”的解决方案,即为控制和安全功能使用相似的硬件和软件,可以论证,会对每个领域都会有不同程度的费用节省。但是,为安全和控制使用分开、独立、不同的硬件、软件是抵制经常发生的潜在灾难性后果和系统设计和应用错误的最好方法,这一观点已经被广泛认同。

不同的供应商提供了不同等级的各式各样的解决方案。问题是,怎样才能提供一个不降低安全和控制性能,甚至可以增强功能和生产率的综合解决方案呢?还有,用户怎么才能划分出安全与控制的分界线呢?

这个答案可以基于Invensys最近展开的一项聚焦化工、石油、天然气等过程操作公司的一些调查中得出。调查显示,在200名受访者中,78%的受访人士表示为了安全保护坚持严格的把安全和控制区分开。74%的受访者表明独立保护层十分重要,66%的受访者把这个看成一个重大问题。

在同样的调查中,只有8%的人表示,“差异”不是它们所关注的,同时89%的用户,他们选择系统时,控制和安全都非常重要。

这个调查的结果,结合了与世界范围内过程工业大量终端用户的深入讨论,清晰的表明,大部分用户在安全手段与过程控制系统上的区分是在维持独立层的保护与差异性上。

独立层保护的重要性

在国际安全标准(包括IEC61508和IEC61511)的核心,纵深防御和独立保护层的概念的基础就是每个层的保护,包括控制和安全层,都应该是完全独立的。这个基本要求的原因就是避免连带性的错误,最小化系统错误,和抵制意外访问和网络攻击而进行的安全保护。把两层保护合并在一起,就可能引起安全隐患。

加州大学土木工程学院的一份最新的研究显示,主管修建和监控飓风防洪堤的工程公司在20世纪70年代中期开始把他们的理念由安全转向了效益。飓风克特里娜在30年后的一次袭击中揭示了他们系统设计上的重大问题。在过程工业里,由于暂时的诱惑而跨过那条分界线的一些行为即把IPL合并起来,只能在未来重大的化学灾难事故中才能发现了。

那些发现自己已经站在这个分岔路口的过程工厂的用户,应该要全面了解通过合并独立保护层而在安全上的危害。保持这些层间的独立无疑是一条零妥协的道路,这条道路可以使风险降到最低。

对安全标准的解释

性能所依据的标准,如IEC61508、IEC61511和ANSI ISA-S84.00.01-2004,旨在为蓬勃发展的工程设计领域开启一扇门。这些标准设置了一些性能指标,而不是规定具体的配置。问题就出在执行这些性能标准时断章取义或者只是选择执行。

一些控制系统供应商似乎毫无创造力。然而,除了在技术驱动下的过程安全,我们也应该使用数字技术在信息、预测维护和HMI水平结合起来。

IEC61511-1的第11.2.4号条款规定,BPCS(基本过程控制系统)应该是相互分开且独立的,其程度要达到SIS的功能完整性不受损。

一些自动化厂商却片面理解为标准没有要求物理上分开或是存在差异。

然而相同的标准IEC61511-1,条款9.5,要求防止关联性失败。条款9.5.2说明评估时应该考虑到(a)保护层之间的独立性(b)保护层之间的差异性(c)保护层之间的物理分离性(d)保护层和BPCS之间的关联性失败。

问题是,我们怎样遵循条款11.2.4而没有物理上的差异?IEC 61508和IEC61511也承认实际上无法评估一个软件的失败率,进而无法对系统失败进行量化。

试图解决分离性和差异性的问题,而且同时要提高可靠性和自诊断能力并不是一个正确的选择。只关注PFD,而在工程可靠性上减少对标准的依赖,本身不会完成安全性指标。在安全整体评估的过程中就会出现系统错误、关联性错误、软件错误。

ISA TR84.00.04的第一部分是对IEC615511的执行情况的一些解释。这个技术报告有很多好的建议,包括附件F中的F.4部分。

尽管没有人真的会置疑物理分离和多样性的优点,但是,有一些问题,譬如“我们能把这个标准的解释延伸多远呢?”。设计系统时,如果我们断章取义,而忽略整个标准的意图,是不会通过一个良好的工程实践创造一个安全的工作环境的。

“基于风险”与“以风险为指引的”制定决策的区别就是风险只能是决策时的一个输入条件,而不是解决办法。“纵深防御”才是一个安全设计的基石。

作为一个对过程安全负有责任的用户。他不应该忽视这样一个新的术语“功能完整且相互分离的安全和控制”。物理上的分离和多样性是保证完全分离的唯一途径。把控制和安全混淆只会使问题恶化,有时甚至会产生危险。为了灵活性或是低价格而牺牲安全性是不可取的。

关于分离性的其它应用标准的说明

除了上述讨论的性能标准以外,一系列专门的应用标准也将会实施。例如:

● NFPA 85—锅炉和燃烧系统危险等级标准 2001版-条款1.9.3.2.3对于独立性是这样要求的:“为锅炉管理执行安全功能的逻辑系统不应与其它任何逻辑混合使用”。

● API 14C-海洋石油生产平台基本表面安全系统的分析、设计、安装和试验。11页3.3和3.4章节指出“两个级别的保护层应该分开,另外,在日常操作中使用控制设备”。

● API操作规程建议554(1995)-过程检测与控制:“停车和控制功能应该相互独立并且在硬件上相互独立”

● IEEE 1993核电站安全系统的数字计算机标准准则7-4.3.2-“为了防止错误在安全通道和不安全计算机上传播,要考虑将安全和控制分离”。

● IEEE 1992标准384-1E级设备和电路独立性的判定标准“1E级电路在物理上要与安全系统设备分离,其分离程度要达到使安全系统在非安全设备失败时可以完成其职能的目的”。

如果你关心过程安全,SIS和BPCS之间的物理分离和差异性是一个很好的工程实践,有益于安全工作环境。

在SIL要求下安全控制融合的效果

控制与安全的结合可能会影响你的SIL(安全完整性水平)要求。例如,如果你使用LOPA或是其它的SIL分配算法,这些算法集成了外层的保护优点,这些优点可以使控制系统更加完整并减少了SIS的一些要求。我们必须要对工程重新进行评估。

一个控制/安全集成的系统已经跨越了各层分离和独立界线,因为在控制系统中内置了相同的SIS逻辑解决方案,或是使用了相同的操作系统。这就会产生系统设计和连带性错误,这会导致BPCS层所采取的独立性措施无效。底线是安全手段的功能完整性可能会有一些妥协。

如果HAZOP/SIL决定某个安全功能需要SIL2,作为一个IPL,BPCS不会得到任何好处,最新的分配最有可能因为安全功能而增加新的要求(SIL3)。

在这种情况下,任何由于把安全和控制集成起来所得到的性能都会一笔勾销的。事实上,如果增加新的现场测试来满足SIL目标,花费有可能还会增加。

我们都十分警惕黑客、病毒。木马、蠕虫等入侵防火墙、破译安全密码、破坏计算网络系统。

把安全系统和控制系统融合到一起,结果就会连接到LAN或是WAN,这样也会增加危险指数。

通过网络连接进行远程进程监控、远程诊断、维护和评估管理已经成为一个有效的工具。然而,密码和防火墙只是黑客们的一个暂时挑战,花费一定的时间和精力,他们就会破译。安全系统,作为防御的最好一道防线,需要被很好的保护起来。在澳大利亚昆士兰州的一个计算机化的废品处理工厂,一个系统承包商由于不满该工厂不再选用他继续承包而对废品处理厂进行破坏。这个黑客把上百万加仑的未处理的污水转道流入排水沟和河流。

内部人员、不满的员工、网络黑客和恐怖分子都是过程工厂的实实在在的威胁,2005年10月4号,亚洲某媒体报道的公司新闻里说,南韩的500名计算机黑客为了要入侵北韩、美国、日本的计算机系统而接受5年的军事院校的培训项目。

即使再多的防火墙和入侵检测系统也是不够用的。所有的系统都是脆弱的。没有什么是绝对安全的,只有通过各层的保护。

问题:

怎样才能提供一个综合的解决方案具有更高的性能和生产率而不损害安全性呢?

大多数化工、原油、天然气工厂(上述调查中所涉及到的)工厂操作人员认为,只有严格保持过程控制和安全手段之间物理的分离和差异,促进在信息、诊断、配置和HMI水平上的安全性的结合才能做到。这才是划出分界线的地方。过程工厂应该对自动化供应商的要求应该是在这个水平上的融合。

把SIS嵌入到控制系统的做法和这项技术虽然旨在功能上的融合,但是却带来了系统及连带问题和一些网络安全问题。

另外,任何等级上保护层的融合都会在SIL的安全仪表功能上带来不好的影响。


 
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