ทวิช ชูเมือง

          การคำนวณค่าความผิดพลาดของอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่ถูกใช้อยู่ในฟังก์ชันนิรภัยจะต้องถูกดำเนินการ เพื่อใช้เป็นข้อมูลในการตรวจสอบความสมบูรณ์ของการออกแบบฟังก์ชันนิรภัย (Safety Instrumented Function) ว่ามีค่าความสมบูรณ์ของอุปกรณ์ที่เลือกใช้เป็นไปตามรายละเอียดที่ถูกกำหนดไว้ในช่วงการออกแบบหรือไม่ ในการดำเนินการดังกล่าวจะมีความต้องการข้อมูลอัตราความผิดพลาด (Failure Rate) และวิธีการผิดพลาด (Failure Mode) ของอุปกรณ์ทั้งหมดที่ถูกใช้ทำหน้าที่อยู่ในฟังก์ชันนิรภัย ซึ่งก็จะรวมไปถึงอุปกรณ์ที่เป็นเครื่องกล (Mechanical Devices) อยู่ด้วยดังเช่น วาล์วปิดเปิด (On-Off valve)

สำหรับอุปกรณ์หลายชนิดนั้น ข้อมูลความผิดพลาดจะมีอยู่พร้อมให้นำไปใช้งานในฐานข้อมูลอุตสาหกรรม (Industrial Database) ทั่วไป แต่ส่วนใหญ่แล้วในฐานข้อมูลอุตสาหกรรมจะมีเฉพาะข้อมูลอัตราความผิดพลาดที่ถูกแสดงไว้ จึงทำให้มีข้อมูลที่เกี่ยวกับวิธีการผิดพลาดมีน้อยเพื่อนำไปใช้งานสำหรับการหาค่า SFF (Safe Failure Fraction) ของอุปกรณ์ ส่วนใหญ่แล้วผู้ดำเนินการตรวจสอบจะใช้วิธีการสมมุติฐานในการประเมินวิธีการผิดพลาด เป็นแบบอันตราย (Dangerous Failure) 50 เปอร์เซ็นต์และปลอดภัย (Safe Failure) 50 เปอร์เซ็นต์ ในบางกรณีการสมมุติฐานลักษณะแบบนี้อาจจะไม่เหมาะสม และในบางกรณีอาจมีค่ามากเกินไป

          ข้อมูลสถิติความผิดพลาดที่มีคุณภาพดีมีน้อยให้เลือกใช้งาน อย่างไรก็ตามปัญหาดังกล่าวสามารถทำให้ลดลงได้ถ้ามองไปยังส่วนประกอบของการออกแบบอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่มีความสัมพันธ์กับข้อมูลสถิติความผิดพลาด เทคนิคดังกล่าวได้ถูกพัฒนาขึ้นมา เพื่อนำมาใช้งานในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งจะเรียกว่าหลักการ FMEDA (Failure Mode Effects and Diagnostic Analysis) รายละเอียดของ FMEDA จะจัดเตรียมวิธีการผิดพลาดที่แม่นยำและประเมินค่า Diagnostic Coverage สำหรับผลิตภัณฑ์บนข้อมูลของส่วนประกอบต่าง ๆ ในอุปกรณ์

ข้อมูลความผิดพลาดสำหรับส่วนประกอบทางกลต่าง ๆ สามารถหาได้จากรายงานความผิดพลาดจากการใช้งานส่วนประกอบเหล่านี้ ขณะที่เทคนิคเหล่านี้ได้ถูกพัฒนาอย่างต่อเนื่องและสามารถถูกใช้ในปัจจุบันในการหาข้อมูลความผิดพลาดที่ดีกว่าข้อมูลที่ได้มาจากบางแหล่งข้อมูล เพื่อสำหรับจุดประสงค์ในการนำไปใช้ตรวจสอบความสมบูรณ์ของฟังก์ชันนิรภัย เมื่อเทคนิคดังกล่าวถูกนำมาใช้บ่อยครั้ง อัตราความผิดพลาดของส่วนประกอบทางกลและข้อมูลวิธีการผิดพลาดจึงมีความแม่นยำมากขึ้น ในบทความเป็นการแสดงการใช้ เทคนิค FMEDA ในการหาค่าอัตราความผิดพลาดของอุปกรณ์แบบเครื่องกลซึ่งรวมไปถึงหัวขับวาล์วแบบความดันอากาศ (Pneumatic Actuator)

การออกแบบระบบนิรภัยที่ใช้เครื่องมือวัดอุตสาหกรรมหรือระบบ SIS
          ในการออกแบบอุตสาหกรรมกระบวนการผลิต ผู้เชี่ยวชาญด้านความปลอดภัยจะทำการวิเคราะห์กระบวนการผลิต เพื่อกำหนดและค้นหาโอกาสที่จะเกิดเหตุการณ์อันตราย สำหรับแต่ละความเสี่ยงเหล่านี้ ผู้เชี่ยวชาญด้านความเสี่ยงกระบวนการผลิตจะค้นหาและกำหนดชั้นการป้องกัน (Layer of Protection) ที่ถูกออกแบบไว้ทั้งหมดในกระบวนการผลิต และกำหนดค่าการลดความเสี่ยงจากด้านอื่น ๆ มีความต้องการอีกหรือไม่ การดำเนินตามมาตรฐานฟังก์ชันนิรภัยเป็นการกำหนดในรูปแบบฟังก์ชันที่ต้องการจริงและลดความเสี่ยงในระดับขนาด (Order of Magnitude Level) ที่ถูกเรียกตามมาตรฐานสากลว่า SIL (Safety Integrity Level)

          ในการออกแบบกระบวนการผลิตต้องมีการวิเคราะห์ความเสี่ยงและจัดเตรียมการลดความเสี่ยงด้วยวิธีการต่าง ๆ หลังจากได้มีการลดความเสี่ยงด้วยวิธีการอื่น ๆ แล้ว บ่อยครั้งที่วิศวกรออกแบบกระบวนการผลิตจะเลือกการติดตั้งระบบ SIS (Safety Instrumented System) เพื่อลดความเสี่ยงไปยังค่าที่ยอมรับได้ การออกแบบถูกดำเนินการในแต่ละฟังก์ชันนิรภัยสำหรับการตรวจจับสถานการณ์อันตรายและดำเนินการอย่างอัตโนมัติในการป้องกันหรือยับยั้งความอันตราย ฟังก์ชันนิรภัยที่ถูกออกแบบจะเรียกว่า SIF (Safety Instrumented Function) ระบบฟังก์ชันนิรภัยอย่างง่าย ๆ ดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 ฟังก์ชันนิรภัยอย่างง่าย ๆ

          จากรูปที่ 1 แสดงตัวอย่างฟังก์ชันนิรภัยเป็นหนึ่งฟังก์ชันที่ใช้ในการป้องกันกระบวนการผลิต ที่ประกอบไปด้วยเครื่องมือวัดความดัน, ส่วนประมวลผลและวาล์วปิดเปิด การจัดเตรียมระบบ SIS ในการป้องกันกระบวนการผลิตจริง ๆ แล้วจะมีความเกี่ยวข้องกับการป้องกันหลาย ๆ ประเภท ซึ่งจะทำให้มีฟังก์ชันนิรภัยหลายฟังก์ชัน ตามสภาวะในการเกิดอันตรายของกระบวนการผลิตที่รู้จักในชื่อของ Demand
          ในอุตสาหกรรมกระบวนการผลิตระบบ SIS ประกอบไปด้วยสิ่งต่าง ๆ ดังนี้
          * จุดต่อกับกระบวนการผลิต
          * เครื่องมือวัดตัวแปรกระบวนการผลิต
          * ส่วนประมวลผล
          * อุปกรณ์สุดท้าย (Final Element)

          เครื่องมือวัดตัวแปรกระบวนการผลิตอาจจะเป็นอุปกรณ์ประเภทต่าง ๆ ดังนี้
          * เครื่องมือวัดอุณหภูมิ (Temperature Transmitter)
          * เครื่องมือวัดความดัน (Pressure Transmitter)
          * ตัวตรวจจับเปลวไฟ (Flame Detector)
          * ตัวตรวจจับก๊าซพิษ (Toxic Gas Detector)
          * สวิตช์ฉุกเฉิน (Emergency Switch)
          * หรืออุปกรณ์อื่น ๆ อีกหลายชนิด
     ส่วนประมวลผลในปัจจุบันนิยมใช้ Safety PLC (Programmable Logic Controller)
     อุปกรณ์สุดท้ายมีตั้งแต่ โซลินอยด์แบบง่าย ๆ ไปจนถึงหัวขับวาล์วขนาดใหญ่กับความหลากหลายของส่วนประกอบทางกล

การตรวจสอบฟังก์ชันนิรภัยในระบบ SIS
          การตรวจสอบต้องดำเนินการในทุก ๆ ฟังก์ชันนิรภัย เพื่อให้แน่ใจว่าการออกแบบตรงกับความต้องการ การตรวจสอบเหล่านี้รวมไปถึงการหาค่าความผิดพลาดเฉลี่ยที่เรียกว่า PFDavg (Probability of Failure on Demand average) ที่ถูกกำหนดเป็นเวลาเฉลี่ยของความเป็นไปได้ของการทำงานที่ผิดพลาดบนเวลาที่ต้องการ ตัวแปรอีกค่าหนึ่งจะเรียกว่า SFF (Safety Failure Fraction) ซึ่งถูกกำหนดในมาตรฐาน IEC 61508 ทั้งสองค่าต้องมีการกำหนดค่าให้เหมาะสมกับจุดประสงค์การออกแบบฟังก์ชันนิรภัยให้ตรงกับความต้องการของมาตรฐาน

          ในบางกรณีเทคนิคเชิงจำนวนอย่างง่าย (Simple Quantitative Techniques) ถูกนำมาใช้ในการตรวจสอบการออกแบบฟังก์ชันนิรภัยให้ตรงกับความต้องการของค่า SIL หลักการเหล่านี้ใช้การสมมุติฐานมาก ซึ่งบางครั้งไม่แม่นยำและจะทำให้ผลลัพธ์ที่ได้มีความไม่ถูกต้อง ปัญหาทั้งหมดเนื่องจากข้อมูลอัตราความผิดพลาดและวิธีการผิดพลาดทั่วไปของส่วนประมวลผลที่ถูกใช้ในฟังก์ชันนิรภัย ปัญหาอื่น ๆ อาจเนื่องจากความซับซ้อนในรูปแบบของฟังก์ชันนิรภัย

          ตัวอย่างการตรวจสอบฟังก์ชันนิรภัย พิจารณาในกรณีของฟังก์ชันป้องกันดังแสดงในรูปที่ 1 ซึ่งหลังจากผ่านขั้นตอนการประเมินความเสี่ยง (Risk Assessment) แล้วมีความต้องระดับความปลอดภัยที่ SIL 3 การออกแบบเริ่มต้นประกอบไปด้วยอุปกรณ์ต่าง ๆ ดังนี้

          * เครื่องมือวัดความดันที่ถูกรับรองในระบบนิรภัย (Certified Transmitter) ในรูปแบบ 1oo2 (One out of Two Voting) ซึ่งมีค่าความผิดพลาดที่ได้จากผู้ผลิตเป็นดังนี้

          * SIL 3 Safety PLC ซึ่งมีค่าความผิดพลาดที่ได้จากผู้ผลิตเป็นดังนี้

          * หัวขับกับบอลวาล์วพร้อมกับโซลินอยด์แบบ 3 ทาง ในรูปแบบ 1oo2 (One out of Two voting) ซึ่งมีค่าความผิดพลาดที่ได้จากฐานข้อมูลอุตสาหกรรมทั่วไปเป็นดังนี้

          สำหรับข้อมูลอัตราความผิดพลาดประเภทต่าง ๆ ของอุปกรณ์ที่ถูกรับรองให้นำมาใช้งานในระบบนิรภัยนั้น ผู้ผลิตจะต้องจัดเตรียมรายละเอียดทั้งหมดให้กับผู้ใช้งานเพื่อนำไปตรวจสอบความสมบูรณ์ของการออกแบบ ในตัวอย่างนี้จะใช้เครื่องมือวัดความดันและส่วนประมวลผลที่ถูกรับรองให้ใช้งานในระบบนิรภัยจึงมีข้อมูลพร้อมให้ใช้งาน ส่วนอุปกรณ์สุดท้ายจะเป็นวาล์วปิดเปิด (On-Off Valve) ซึ่งไม่มีข้อมูลรายละเอียดจากผู้ผลิต จึงใช้ข้อมูลความผิดพลาดจากฐานข้อมูลอุตสาหกรรม

          จากนั้นนำข้อมูลทั้งหมดไปคำนวณหาค่า PFDavg ของรูปแบบฟังก์ชันนิรภัยจะได้ผลลัพธ์ดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 ค่า PFDavg ที่ได้จากการคำนวณ

          จากผลการคำนวณสำหรับการออกแบบดังกล่าวจะไม่ตรงกับความต้องการระดับความปลอดภัยที่ SIL 3 ซึ่งค่า PFDavg ที่ได้จะอยู่ที่ ระดับความปลอดภัยที่ SIL 2 เท่านั้น จะสังเกตเห็นว่าปัญหาหลักอยู่ที่อุปกรณ์สุดท้ายเนื่องจากมีค่า PFDavg อยู่ที่ 98 เปอร์เซ็นต์ของฟังก์ชันโดยรวม ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 เปอร์เซ็นต์ความผิดพลาดของวาล์วปิดเปิดในฟังก์ชันนิรภัย

          จากผลการคำนวณจะเห็นได้ว่าปัญหาหลักจะเป็นการขาดข้อมูลอัตราความผิดพลาดและวิธีการผิดพลาดที่ดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์ทางกล ดังเช่น โซลินอยด์, หัวขับด้วยความดันอากาศ, บอลวาล์ว ดังนั้นการจัดเตรียมเทคนิค FMEDA ของผลิตภัณฑ์จะให้ข้อมูลที่แม่นยำกว่าดังจะแสดงรายละเอียดในหัวข้อต่อไป

เทคนิค FMEDA
          FMEDA เป็นหลักการหาค่าอัตราความผิดพลาดที่มีแบบแผน ขั้นตอนรายละเอียดจะเป็นการแสดงรายการส่วนประกอบทั้งหมดพร้อมกับวิธีการผิดพลาดที่ทราบของผลิตภัณฑ์ซึ่งจะมีส่วนต่าง ๆ เป็นดังนี้
          * วิธีการผิดพลาดของแต่ละส่วนประกอบ
          * ผลกระทบบนส่วนประกอบถูกแสดงด้วยอัตราความผิดพลาด
          * วิธีการผิดพลาด
          * แสดงความเป็นไปได้
          * การตรวจสอบภายในระบบจะตรวจจับวิธีการผิดพลาดได้

          รูปแบบ FMEDA จะดูเหมือนตารางพร้อมกับแถวที่แสดงแต่ละส่วนประกอบและแต่ละวิธีการผิดพลาดของแต่ละส่วนประกอบ ส่วนแถวอื่น ๆ แสดงผลกระทบของวิธีการผิดพลาดของส่วนประกอบ, วิธีการผิดพลาดของผลิตภัณฑ์, อัตราความผิดพลาดของส่วนประกอบและเปอร์เซ็นต์ความผิดพลาดของส่วนประกอบในแต่ละวิธีการผิดพลาดของผลิตภัณฑ์ รูปแบบ FMEDA ของหัวขับและบอลวาล์ว แสดงได้ดังตารางที่ 1

ตารางที่ 1 ตาราง FMEDA ของหัวขับและบอลวาล์ว

          ผลลัพธ์ของ FMEDA เป็นการแสดงรายการของอัตราความผิดพลาดสำหรับแต่ละวิธีการผิดพลาดของผลิตภัณฑ์ เป็นข้อมูลที่ถูกต้องการโดยผู้ออกแบบระบบในการดำเนินการตรวจสอบค่า SIL เมื่อจำนวนต่างๆถูกดำเนินการสำหรับผลิตภัณฑ์ที่กำหนด อัตราความผิดพลาดโดยรวม โดยทั่วไปจะต่ำกว่าข้อมูลที่ได้จากฐานข้อมูลอุตสาหกรรม ผลลัพธ์ของ FMEDA สำหรับหัวขับวาล์วแสดงดังตารางที่ 2

ตารางที่ 2 ผลลัพธ์อัตราความผิดพลาดของหัวขับและบอลวาล์ว

          ผลลัพธ์ที่ได้จะมีการจัดเตรียมข้อมูลต่าง ๆ เป็นดังนี้
          * อัตราความผิดพลาดรวม
          * อัตราความผิดพลาดอันตราย (Dangerous Failure rate)
          * อัตราความผิดพลาดปลอดภัย (Safe Failure Rate)

          นอกเหนือจากนั้น ยังแสดงให้เห็นถึงผลกระทบของการดำเนินการทดสอบการทำงานแบบ Partial Stroke Testing เพื่อทำการตรวจวิเคราะห์บนหัวขับเป็นการแสดงในรูปของความผิดพลาดอันตรายที่ถูกตรวจจับได้ (Dangerous Failure Detected) และความผิดพลาดอันตรายที่ตรวจจับไม่ได้ (Dangerous Failure Undetected) จำนวนเหล่านี้ถูกนำมาใช้ในการคำนวณหาค่า SFF (Safe Failure Fraction) ของผลิตภัณฑ์ สำหรับค่า SFF ของทั้ง 2 รูปแบบจะแสดงได้ดังนี้
          ค่า SFF แบบไม่มีการทดสอบจะเป็นดังนี้
                SFF  = (Safe Failure + No effect)/Total failure
                         = (2.81E-7 + 5.70E-7)/1.40E-6
                         = 61 %
          ค่า SFF แบบมีการทดสอบจะเป็นดังนี้
                SFF  = (Safe Failure + No effect + Dangerous Detected)/Total failure
                         = (2.81E-7 + 5.70E-7 + 4.38E-7)/1.40E-6
                         = 92 %

          การคำนวณหาค่า PFDavg สำหรับรูปแบบฟังก์ชันนิรภัยจากตัวอย่างที่ผ่านมา โดยใช้ค่าอัตราความผิดพลาดที่ได้จากวิธีการ FMEDA จะได้ผลลัพธ์ตรงกับความต้องการที่ระดับ SIL 3 ซึ่งมีรายละเอียดเป็นดังนี้

     
          อัตราความผิดพลาดของ SDV ที่ได้จากตาราง FMEDA จะเป็นดังนี้

          รูปแบบ FMEDA ได้ถูกดำเนินการสำหรับผลิตภัณฑ์หลายๆชนิด ทั้งผลิตภัณฑ์ที่เป็นอิเล็กทรอนิกส์หรือ Electro-mechanical เป็นเรื่องจริงที่ว่า เทคนิคนี้ได้ถูกพัฒนาขึ้นมาสำหรับผลิตภัณฑ์ที่เป็นส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ อย่างไรก็ตาม หลักการพื้นฐานเป็นการแยกผลิตภัณฑ์ไปยังส่วนประกอบและวิเคราะห์ความผิดพลาดของส่วนประกอบที่ใช้เหมือนกันกับผลิตภัณฑ์ทางเครื่องกล เป็นหลักการที่ทำให้รู้ค่าวิธีการผิดพลาดของส่วนประกอบ

          ไม่มีใครโต้แย้งว่าหลักการนี้ให้อัตราความผิดพลาดที่คาดหวังได้อย่างแม่นยำสมบูรณ์ ข้อมูลอัตราความผิดพลาดของส่วนประกอบเป็นตัวแปรตามฟังก์ชันการใช้งาน การวิเคราะห์ ความเครียด-ความแข็งแรง (Stress-Strength) เป็นที่ต้องการเพื่อให้มีความแม่นยำมากยิ่งขึ้น ถ้าการวิเคราะห์นี้ถูกควบรวมด้วยข้อมูลความเครียดที่กำหนด ความแม่นยำมากขึ้นสามารถหาได้ เครื่องมือที่ต้องการในการวิเคราะห์สำหรับหลักการนี้มีพร้อมให้ใช้งาน

          รูปแบบ FMEDA เป็นเทคนิคที่ถูกใช้มาหลายปีในการประมาณค่าอัตราความผิดพลาดที่แม่นยำของแต่ละวิธีการผิดพลาดในผลิตภัณฑ์ ซึ่งจำนวนเหล่านี้ถูกจัดเตรียมให้มีความแม่นยำมากสำหรับเป็นข้อมูลให้กับการคำนวณค่า PFDavg สำหรับตรวจสอบความสมบูรณ์ของฟังก์ชันนิรภัย ในปัจจุบัน รูปแบบ FMEDA ได้ถูกนำมาใช้งานกับผลิตภัณฑ์ทางเครื่องกลด้วยผลลัพธ์ที่ว่าให้ความแม่นยำของข้อมูลความผิดพลาดมากกว่าข้อมูลจากฐานข้อมูลอุตสาหกรรม จึงมีการคาดหวังว่า เมื่อรูปแบบ FMEDA เป็นข้อกำหนดของผลิตภัณฑ์และไม่ได้ครอบคลุมในทุก ๆ ผลิตภัณฑ์ รูปแบบ FMEDA ดังนั้นจึงยังคงสามารถนำไปใช้งานกับผลิตภัณฑ์ที่มีส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์และเครื่องกลต่อไป

เอกสารอ้างอิง
          [1] IEC 61508, Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related system,
          [2] William M. Goble and Harry Cheddie,” Safety Instrumented System Verification Practical Probabilistic Calculations”, ISA -The Instrumentation, Systems and Automation Society
          [3] William M. Goble,” Accurate failure metrics for mechanical instruments in safety applications, www.exida.com
          [4] ทวิช ชูเมือง, ระบบวัดคุมนิรภัยในอุตสาหกรรมกระบวนการผลิต, ISBN 974-212-172-9, บริษัท ซีเอ็ดยูเคชั่น จำกัด (มหาชน), 2548.