[논문]공통원인고장을 고려한 안전제어시스템의 신뢰성 평가척도에 관한 고찰 : IEC 61508을 중심으로

서순근

doi:10.7232/ieif.2012.25.4.405

공통원인고장을 고려한 안전제어시스템의 신뢰성 평가척도에 관한 고찰 : IEC 61508을 중심으로
On Reliability Performance of Safety Instrumented Systems with Common Cause Failures in IEC 61508 Standard 원문보기

산업공학 = IE Interfaces, v.25 no.4, 2012년, pp.405 - 415

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The reliability performance measures for low and high or continuous demand modes of operation of safety instrumented systems(SISs) are examined and compared by analyzing the official definitions in IEC 61508 standard. This paper also presents a status of common cause factor(CCF) models used in IEC 61508 and problems relating CCF modelling are discussed and ideas to solve these ones are suggested. An example with mixed M-out-of-N architecture is carried out to illustrate the proposed methods.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 N 중 M 구조일 경우에 먼저 낮은 요구 작동모드와 높은 요구 작동모드의 신뢰성 평가 척도에 대한 이해와 고찰, IEC 61508에서 제공되는 공식의 근사 정확도를 조사하고자 한다.
따라서 본 절에서는 IEC 61508 2판(2010)에서 정의된 PFD와 PFH에 대한 근거를 고찰하며, 대표적인 N 중 M(M ≤ N, MooN로 표기) 구조 중에서 표준에 언급된 구조(2중 1구조의 변형인 1oo2D 구조는 제외)에 대해 이들 식의 근사 정확도를 조사해 보고자 한다.
본 논문은 IEC 61508 2판에 제시된 CCF 방법론에 대해 고찰과 더불어 SIL 수준 결정 시 신뢰성 평가척도를 산정하는데 일어나는 문제점의 일부를 해결할 수 있는 방법을 제안하며, 예제로서 이의 유용성을 보여주고자 한다.
본 논문은 둘째를 제외한 세 가지 상황을 검토할 수 있는 다음 절의 예제를 대상으로 어떻게 이런 난점을 해소해야 되는지를 예시하였다.
(1988) 등에 소개된 충격모형인 이항 고장률모형을 Part 6 Annex D에 기술하고 있다. 여기서 충격의 수가 4를 초과할 때는 이항고장률 모형을 추천하고 있는데, 본 논문에서는 N 중 M 구조에 유용한 다중 베타인자 모형을 대상으로 삼고자 한다.

가설 설정

또한 T₁ 간격으로 정기적인 검사(즉, 보증시험 간격)가 실시되는 SIS에서 교체나 수리가 수행되면 신품상태(as good as new)로 회복된다고 가정하며, 보증시험에 의해 모든 잠재적인 위험고장은 모두 발견된다고 가정한다.
첫째, 각 채널의 고장률이 다를 경우가 일반적인데, 다중 베타 인자모형은 채널이 동일한 고장률을 가정하고 있다. IEC 615082판(2010)에는 이에 대한 명확한 언급이 없으며, PDS법은 각 고장률의 기하평균을 추천하고 있다.

제안 방법

각 구성품이 고장률이 다를 경우에 CCF에 의한 기여 고장률 산정방법에 대해서는 전절에서 추천된 두 가지 방법을 적용하고, 형상계수는 근거가 모호한 IEC 61508의 2판(2010)보다는 PDS-2010에서 제공된 값을 적용하고자 한다. 또한 독립 고장률도 CCF가 기여하는 고장률을 차감하는 IEC 61508과의 부합도가 높은 PDS-2006 절차를 따른다.
대상 시스템은 1년에 1회(즉, T1 = 8,760hr) 보증시험을 실시하며, 각 구성품의 고장률은 다음과 같고, CCF 고장비율인 β는 0.05로 알려져 있다.
더불어 SIS의 SIL 수준 결정에 중대한 영향을 미치는 공통원인고장(CCF)에 대해 IEC 61508 2판(2010)에 제시된 CCF 방법론에 대해 고찰을 하고 실제 적용 시 일어나는 몇 가지 문제점, 예를 들면, 각 채널의 고장률이 동일하다고 가정하여 PFD와 PFH에 대한 근사적 공식을 제공하고 있는데 이보다 보편적인 각 채널이 고장률이 다를 경우에 어떻게 공식을 변형해야 되는 등을 해결할 수 있는 방안을 제시하고 이의 활용 가능성을 검토하였다. 이에 따라 CCF에 의한 기여 고장률 산정 시에 기초가 되는 공통 고장률을 산정하는 방법을 추천하였다.
공통의 동일한 고장률로 기하평균도 의미가 있지만 PDS 방법에서 특별히 근거를 제시하지 못하고 있다. 따라서 본 논문에서는 제 3.3절에서 언급한 바와 같이 기하평균 외에 산술평균과 평균 고장률 등을 서브시스템을 감안하여 적용하고 비교하였다.
이에 따라 CCF에 의한 기여 고장률 산정 시에 기초가 되는 공통 고장률을 산정하는 방법을 추천하였다. 또한 각 구성품이 고장률이 다르고 혼합된 N 중 M 구조를 가진 예제를 선정하여 제시된 방안을 적용하여 이의 유용성을 예시하였다.
상기와 같이 IEC 61508은 두 신뢰성 척도를 연관시키고 있으므로 본 절에서는 PFD를 주로, PFH를 부가하는 형식으로 이 식들의 근사 정확도를 조사하였다.
더불어 SIS의 SIL 수준 결정에 중대한 영향을 미치는 공통원인고장(CCF)에 대해 IEC 61508 2판(2010)에 제시된 CCF 방법론에 대해 고찰을 하고 실제 적용 시 일어나는 몇 가지 문제점, 예를 들면, 각 채널의 고장률이 동일하다고 가정하여 PFD와 PFH에 대한 근사적 공식을 제공하고 있는데 이보다 보편적인 각 채널이 고장률이 다를 경우에 어떻게 공식을 변형해야 되는 등을 해결할 수 있는 방안을 제시하고 이의 활용 가능성을 검토하였다. 이에 따라 CCF에 의한 기여 고장률 산정 시에 기초가 되는 공통 고장률을 산정하는 방법을 추천하였다. 또한 각 구성품이 고장률이 다르고 혼합된 N 중 M 구조를 가진 예제를 선정하여 제시된 방안을 적용하여 이의 유용성을 예시하였다.
이에 따라 본 논문에서는 먼저 IEC 61508에서 요구 작동모드의 수준에 따라 PFD와 PFH으로 구별하여 표현되는 신뢰성 평가척도에 대해 해석과 대표적인 N 중 M 구조에 대해 이의 근사 정확도를 고찰하였다. 비록 표준에서 제공되는 근사공식의 정확도가 상당히 떨어지는 경우도 있지만 대체적으로 과대평가를 하고 있어 안전한 근사법으로 볼 수 있다.
의 우월성을 비교할 수 있다. 즉, 제시된 8가지 공통 고장률 산정방식에 따라 PFD를 계산하여 PFD^(O)와 비교함으로써 이들의 우월성을 평가할 수 있다.

대상 데이터

05로 알려져 있다. 또한 이 예제는 구성품 고장률이 다를뿐만 아니라 병렬구조를 가진 서브시스템이 내부에 존재하는 3중 2구조이다.

후속연구

CCF 모형으로 MBF를 고려할 때 베타인자를 채택할 경우와 비교하면 PFD값에 약간의 차이가 발생된다. 두 모형의 우월성 비교에는 엄밀한 이론적 및 실제 현장 자료에 의한 검증이 필요하지만 MBF 모형이 보다 실제 현상을 잘 반영한 확장된 모형이므로 이에 의한 PFD 계산이 더 유용할 것으로 예견된다.
앞으로 국내외에 제품 안전의 역할과 관심이 더욱 더 증대될 것이므로 본 논문의 결과가 기능안전성의 평가와 보급에 기여할 수 있을 것이며, 앞으로 다양한 SIS 아키텍처에 대한 공통 고장률 산정방식에 대해 광범위한 수치실험을 통해 우수한 방식을 추천하는 등의 후속연구도 요망된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	높은 요구 작동모드의 예는?	그리고 요구율이 연간 1회보다 작거나 보증시험 빈도의 2배보다 작을 경우는 낮은 요구 작동모드로 구별한다. 높은 요구 작동모드의 예로는 긴급 정지 시스템(emergency shutdown system), 화재가스 검출시스템, 공정 정지 시스템, 자동차의 에어백, 낮은 요구 작동모드로는 선박이나 해상 플랫폼의 동적 위치유지 시스템(dynamic positioning system), 자동차의 ABS(anti-lock braking system), 철도 신호시스템이 속한다(Jin et al., 2011).
	IEC 61508 1판(2000)에 대한 개정판이 가지고 있는 한계점으로 인해 어떤 난점을 접하게 되는가?	IEC 61508에서 두 요구 작동모드에 따라 분리 적용되는 PFD(Average Probability of Failure on Demand)와 PFH(Probability of Dangerous Failure per Hour)로 표현되는 신뢰성 평가척도가 신뢰성 분야에서 널리 쓰이는 순간 및 평균 고장률, 신뢰도와 불신뢰도, B수명, 가용도와 비가용도 등과 달라 의미가 쉽게 전달되지 못하고 있다. 또한 IEC 61508 2판(2010)에서는 1판(2000)에 비해 이런 두 척도의 정의를 구체적으로 기술하는 부분을 Part 6에 추가하였지만 아직도 명쾌하게 이해하기가 쉽지 않다.
	IEC 61508는 SIS의 작동모드를 어떻게 나누는가?	IEC 61508(2000, 2010)은 SIS의 작동모드를 두 가지, 낮은 요구 작동모드(low demand mode)와 높은 요구 작동모드(high demand mode)로 대별한다. 즉, 요구율이 연간 1회보다 크거나 보증시험(proof or functional test) 빈도의 2배보다 클 경우는 높은 요구 작동모드로 보며, 이 모드에는 연속적 작동도 포함된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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