Tiêu chuẩn IEC 61508 (An toàn chức năng) – Nền tảng đảm bảo an toàn trong tự động hóa công nghiệp

Tiêu chuẩn IEC 61508, hay còn gọi là An toàn chức năng (Functional Safety), là một tiêu chuẩn quốc tế nền tảng, thiết lập các yêu cầu chung cho việc thiết kế, triển khai, vận hành và bảo trì các hệ thống điện/điện tử/có thể lập trình liên quan đến an toàn (E/E/PES) trong mọi ngành công nghiệp. Với mục tiêu chính là đảm bảo an toàn cho con người, tài sản và môi trường bằng cách giảm thiểu rủi ro xuống mức chấp nhận được, IEC 61508 cung cấp một khuôn khổ có hệ thống để phát triển các chức năng an toàn đáng tin cậy. Bài viết này sẽ đi sâu vào định nghĩa an toàn chức năng, cấu trúc và mục tiêu của IEC 61508 cùng các ứng dụng thực tế trong các ngành công nghiệp.

1. Giới thiệu tổng quan về Tiêu chuẩn IEC 61508

An toàn chức năng là gì và tại sao nó lại đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống tự động hóa? An toàn chức năng (Functional Safety) là một phần của tổng thể an toàn, tập trung vào việc đảm bảo các chức năng an toàn của hệ thống tự động hóa hoạt động chính xác để đưa thiết bị hoặc quy trình về trạng thái an toàn trong trường hợp xảy ra lỗi hoặc sự cố.

Nó đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong các hệ thống tự động hóa vì những lỗi nhỏ trong phần mềm hoặc phần cứng có thể dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng như tai nạn lao động, thiệt hại tài sản lớn hoặc ô nhiễm môi trường.

An toàn chức năng khác biệt với an toàn cơ học (liên quan đến thiết kế vật lý) và an toàn điện (liên quan đến nguy hiểm điện giật), bởi nó tập trung vào việc ngăn chặn nguy hiểm thông qua các chức năng điều khiển tự động.

Tiêu chuẩn IEC 61508 là gì và phạm vi áp dụng của nó như thế nào? Tiêu chuẩn IEC 61508 là một tiêu chuẩn quốc tế chung được ban hành bởi Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC), cung cấp một khuôn khổ hệ thống để quản lý an toàn chức năng của các hệ thống điện/điện tử/có thể lập trình liên quan đến an toàn (E/E/PES).

Tiêu chuẩn này được hình thành từ những năm 1990 để đáp ứng nhu cầu về một phương pháp tiếp cận an toàn thống nhất cho các hệ thống phức tạp, đa dạng công nghệ.

Phạm vi áp dụng của IEC 61508 rất rộng lớn, bao gồm mọi ngành công nghiệp nơi các hệ thống E/E/PES được sử dụng để thực hiện các chức năng an toàn, từ hóa chất, dầu khí, năng lượng, giao thông vận tải cho đến sản xuất và y tế.

Cấu trúc của IEC 61508 được tổ chức như thế nào và mục tiêu chính của nó là gì? Cấu trúc của Tiêu chuẩn IEC 61508 bao gồm bảy phần chính, mỗi phần tập trung vào các khía cạnh khác nhau của an toàn chức năng:

• Phần 1: Yêu cầu chung: Đề cập đến các khái niệm cơ bản, nguyên tắc quản lý an toàn và vòng đời an toàn.
• Phần 2: Yêu cầu đối với hệ thống E/E/PE: Tập trung vào các yêu cầu về phần cứng và các kỹ thuật, biện pháp thiết kế để đạt được các mức độ toàn vẹn an toàn.
• Phần 3: Yêu cầu đối với phần mềm: Cung cấp hướng dẫn chi tiết cho việc thiết kế, phát triển và kiểm tra phần mềm an toàn.
• Phần 4: Định nghĩa và từ viết tắt: Giải thích các thuật ngữ và khái niệm được sử dụng trong tiêu chuẩn.
• Phần 5: Ví dụ về các phương pháp xác định SIL: Cung cấp các ví dụ minh họa về cách xác định các mức độ toàn vẹn an toàn.
• Phần 6: Hướng dẫn áp dụng IEC 61508-2 và IEC 61508-3: Cung cấp thêm các hướng dẫn và ví dụ thực tế.
• Phần 7: Các kỹ thuật và biện pháp: Liệt kê và mô tả các kỹ thuật, biện pháp cụ thể có thể được sử dụng để đạt được các yêu cầu an toàn chức năng.

Mục tiêu chính của IEC 61508 là đảm bảo rằng các hệ thống an toàn được thiết kế và triển khai một cách có hệ thống, đáng tin cậy để ngăn chặn các sự cố nguy hiểm hoặc giảm thiểu hậu quả của chúng. Tiêu chuẩn này cung cấp một khuôn khổ chung cho toàn bộ vòng đời của hệ thống an toàn, từ phân tích rủi ro ban đầu đến ngừng hoạt động, nhằm giảm thiểu rủi ro đến mức chấp nhận được, bảo vệ an toàn cho con người, tài sản và môi trường.

2. Các khái niệm và định nghĩa quan trọng trong IEC 61508

Chức năng an toàn (Safety Function) là một chức năng cụ thể được thực hiện bởi hệ thống E/E/PE nhằm đạt được hoặc duy trì trạng thái an toàn của thiết bị được kiểm soát (EUC – Equipment Under Control) khi một sự kiện nguy hiểm xảy ra.

Ví dụ về các chức năng an toàn bao gồm: hệ thống dừng khẩn cấp để ngắt nguồn điện khi phát hiện mối nguy, hệ thống bảo vệ quá áp để ngăn chặn áp suất vượt quá giới hạn an toàn trong bình chứa, hoặc hệ thống khóa liên động để ngăn chặn khởi động máy khi cửa bảo vệ chưa đóng. Các thuộc tính cơ bản của một chức năng an toàn là tính toàn vẹn (khả năng thực hiện chức năng an toàn khi có yêu cầu) và tính sẵn sàng (khả năng hoạt động khi được yêu cầu, ngay cả khi có lỗi bên trong).

Mức độ toàn vẹn an toàn (SIL) được định nghĩa như thế nào và ý nghĩa của nó là gì? Mức độ toàn vẹn an toàn (Safety Integrity Level – SIL) là một thước đo định lượng về mức độ giảm thiểu rủi ro mà một chức năng an toàn được thiết kế để đạt được, cho biết xác suất chức năng an toàn sẽ không bị lỗi khi cần thiết. Có bốn mức độ SIL được xác định trong IEC 61508, từ SIL 1 (mức độ giảm thiểu rủi ro thấp nhất) đến SIL 4 (mức độ giảm thiểu rủi ro cao nhất).

• SIL 1: Giảm rủi ro tương đối thấp.
• SIL 2: Giảm rủi ro đáng kể.
• SIL 3: Giảm rủi ro cao.
• SIL 4: Giảm rủi ro cực kỳ cao (thường chỉ áp dụng cho các ngành có rủi ro thảm họa như hạt nhân).

Việc xác định SIL dựa trên các yếu tố như mức độ nghiêm trọng của hậu quả nếu chức năng an toàn bị lỗi và tần suất xảy ra sự cố nguy hiểm.

Bảng 1: Định nghĩa Mức độ toàn vẹn an toàn (SIL) theo IEC 61508

Mức độ toàn vẹn an toàn (SIL)	Xác suất lỗi trên mỗi giờ hoạt động (PFH – Probability of Failure per Hour) cho chế độ liên tục (Continuous Mode of Operation)	Xác suất lỗi theo yêu cầu (PFD – Probability of Failure on Demand) cho chế độ yêu cầu cao/liên tục (High Demand/Continuous Mode of Operation)	Mức độ giảm thiểu rủi ro
SIL 1	10−6 to 10−5	10−2 to 10−1	Thấp
SIL 2	10−7 to 10−6	10−3 to 10−2	Trung bình
SIL 3	10−8 to 10−7	10−4 to 10−3	Cao
SIL 4	10−9 to 10−8	10−5 to 10−4	Rất cao

Rủi ro (Risk) là sự kết hợp giữa xác suất xảy ra một sự cố nguy hiểm và mức độ nghiêm trọng của hậu quả mà sự cố đó gây ra. Trong an toàn chức năng, việc đánh giá rủi ro là bước đầu tiên và quan trọng nhất của vòng đời an toàn.

Các phương pháp đánh giá rủi ro phổ biến bao gồm sử dụng ma trận rủi ro để phân loại rủi ro dựa trên xác suất và mức độ nghiêm trọng, hoặc phương pháp LOPA (Layers of Protection Analysis) để phân tích các lớp bảo vệ hiện có và xác định mức độ giảm thiểu rủi ro cần thiết từ các chức năng an toàn.

3. Quy trình phát triển hệ thống an toàn theo IEC 61508

Vòng đời an toàn (Safety Lifecycle) trong IEC 61508 là một chu trình toàn diện bao gồm những giai đoạn chính nào? Vòng đời an toàn (Safety Lifecycle) là một chu trình quản lý có cấu trúc được xác định trong IEC 61508, bao gồm tất cả các giai đoạn cần thiết để thiết kế, triển khai, vận hành và duy trì một hệ thống an toàn trong suốt tuổi thọ của nó. Chu trình này bắt đầu từ việc phân tích rủi ro và kết thúc khi hệ thống ngừng hoạt động an toàn.

Sơ đồ Vòng đời an toàn theo IEC 61508:

Phân tích rủi ro và xác định yêu cầu an toàn:

• Xác định các mối nguy hiểm.
• Đánh giá rủi ro và xác định SIL mục tiêu.
• Lập Đặc tả Yêu cầu An toàn (SRS).

Thiết kế và triển khai hệ thống an toàn:

• Thiết kế kiến trúc hệ thống E/E/PE (phần cứng và phần mềm).
• Lựa chọn các thành phần an toàn (cảm biến, bộ điều khiển an toàn, bộ chấp hành an toàn).
• Phát triển phần mềm an toàn tuân thủ các quy trình nghiêm ngặt.

Kiểm tra, xác nhận và nghiệm thu hệ thống an toàn:

• Thực hiện các thử nghiệm tích hợp, kiểm tra chức năng an toàn.
• Xác nhận hệ thống đáp ứng các yêu cầu SRS và đạt SIL mục tiêu.
• Nghiệm thu cuối cùng và cấp phép hoạt động.

Vận hành, bảo trì và sửa chữa hệ thống an toàn:

• Thực hiện các quy trình vận hành an toàn.
• Bảo trì định kỳ và hiệu chuẩn các thiết bị an toàn.
• Quản lý thay đổi (Management of Change) để đảm bảo mọi sửa đổi đều không ảnh hưởng đến an toàn.
• Thực hiện các thử nghiệm định kỳ để xác minh hiệu suất an toàn.

Ngừng hoạt động và loại bỏ an toàn:

• Lập kế hoạch và thực hiện quy trình ngừng hoạt động an toàn.
• Thải bỏ các thành phần hệ thống theo quy định.

Các bước phân tích rủi ro và xác định yêu cầu an toàn

• Phân tích rủi ro và xác định yêu cầu an toàn là giai đoạn đầu tiên và quan trọng nhất trong vòng đời an toàn của IEC 61508. Giai đoạn này bao gồm việc nhận diện mối nguy tiềm tàng trong hệ thống hoặc quy trình, sau đó đánh giá rủi ro bằng cách xác định xác suất xảy ra mối nguy và mức độ nghiêm trọng của hậu quả.
• Thiết kế và triển khai hệ thống an toàn theo IEC 61508 đòi hỏi sự cẩn trọng và tuân thủ nghiêm ngặt các nguyên tắc kỹ thuật. Giai đoạn này bao gồm việc thiết kế kiến trúc hệ thống an toàn, bao gồm cả phần cứng và phần mềm, thường sử dụng các nguyên tắc dự phòng (redundancy) hoặc đa dạng hóa (diversity) để đạt được Hardware Fault Tolerance (HFT) cần thiết cho SIL mục tiêu.
• Kiểm tra, xác nhận và nghiệm thu hệ thống an toàn là giai đoạn quan trọng để chứng minh rằng hệ thống đã được triển khai đáp ứng tất cả các yêu cầu an toàn và đạt được mức độ toàn vẹn an toàn (SIL) mong muốn. Giai đoạn này bao gồm các phương pháp kiểm tra toàn diện, từ kiểm tra đơn vị, kiểm tra tích hợp đến kiểm tra hệ thống đầy đủ. Xác nhận (Validation) là quá trình đánh giá xem hệ thống có thực sự đáp ứng các yêu cầu SRS và mục tiêu an toàn hay không, thường thông qua các kịch bản thử nghiệm mô phỏng các tình huống lỗi.
• Vận hành, bảo trì và sửa chữa hệ thống an toàn là các giai đoạn liên tục trong vòng đời an toàn nhằm duy trì hiệu suất an toàn của hệ thống trong suốt tuổi thọ của nó. Các yêu cầu bao gồm việc tuân thủ các quy trình vận hành được thiết lập, thực hiện bảo trì định kỳ và kiểm tra định kỳ (proof testing) để phát hiện các lỗi ẩn. Đặc biệt, việc quản lý thay đổi (Management of Change – MoC) là cực kỳ quan trọng, đảm bảo rằng bất kỳ thay đổi nào đối với phần cứng, phần mềm hoặc quy trình vận hành đều được đánh giá tác động đến an toàn và được phê duyệt trước khi thực hiện. Quá trình sửa chữa và thay thế các thành phần an toàn cũng phải tuân thủ các quy trình nghiêm ngặt để đảm bảo rằng các thành phần mới có hiệu suất an toàn tương đương hoặc tốt hơn.

4. Các yêu cầu cụ thể của IEC 61508 đối với phần cứng và phần mềm

IEC 61508 đặt ra các yêu cầu nghiêm ngặt đối với phần cứng của các hệ thống an toàn nhằm đảm bảo độ tin cậy và khả năng chịu lỗi. Các yêu cầu này bao gồm việc đáp ứng Hardware Fault Tolerance (HFT), nghĩa là khả năng của hệ thống tiếp tục thực hiện chức năng an toàn ngay cả khi một số thành phần phần cứng bị lỗi.

Tiêu chuẩn cũng định nghĩa các yêu cầu về độ tin cậy của các thành phần thông qua các chỉ số như PFD (Probability of Failure on Demand) cho các hệ thống hoạt động ở chế độ yêu cầu cao/liên tục, hoặc PFH (Probability of Failure per Hour) cho các hệ thống hoạt động ở chế độ liên tục. Các phương pháp đánh giá độ tin cậy như FMEDA (Failure Modes, Effects and Diagnostic Analysis) được sử dụng để phân tích các chế độ lỗi tiềm tàng, tác động của chúng và khả năng phát hiện lỗi bằng các biện pháp chẩn đoán.

IEC 61508 cũng đặt ra các yêu cầu chi tiết và cụ thể đối với phần mềm của các hệ thống an toàn, bởi phần mềm là một nguồn lỗi tiềm ẩn lớn. Các yêu cầu này bao gồm việc tuân thủ một quy trình phát triển phần mềm an toàn có cấu trúc chặt chẽ, từ giai đoạn lập kế hoạch, thiết kế, mã hóa, kiểm tra đến xác nhận.

Tiêu chuẩn cũng khuyến nghị và yêu cầu sử dụng các kỹ thuật và biện pháp đảm bảo chất lượng phần mềm như việc áp dụng các tiêu chuẩn mã hóa (coding standards), thực hiện phân tích tĩnh (static analysis) để tìm lỗi trong mã nguồn, và thực hiện kiểm tra động (dynamic testing) toàn diện. Ngoài ra, các yêu cầu về cấu hình và quản lý phần mềm cũng rất quan trọng để đảm bảo rằng các phiên bản phần mềm được kiểm soát, bảo vệ và có thể truy vết.

5. Ứng dụng của IEC 61508 trong các ngành công nghiệp

Ngành dầu khí

Trong ngành dầu khí, IEC 61508 là tiêu chuẩn cốt lõi để đảm bảo an toàn quá trình (Process Safety Management – PSM). Tiêu chuẩn này được áp dụng rộng rãi trong việc thiết kế và triển khai các hệ thống dừng khẩn cấp (Emergency Shutdown System – ESD), có nhiệm vụ đưa nhà máy hoặc một phần của nó về trạng thái an toàn trong trường hợp khẩn cấp (ví dụ: rò rỉ khí, cháy nổ). Các hệ thống ESD thường đạt SIL cao (SIL 2 hoặc SIL 3) do mức độ rủi ro tiềm tàng trong ngành này.

Ngành hóa chất

Trong ngành hóa chất, IEC 61508 là nền tảng cho việc thiết kế các hệ thống liên khóa an toàn (Safety Interlock System – SIS), ngăn chặn các thao tác hoặc điều kiện vận hành nguy hiểm. Ví dụ, SIS có thể ngăn chặn việc mở van khi áp suất vượt quá giới hạn, hoặc không cho phép khởi động một máy bơm nếu mức hóa chất trong bồn chứa quá thấp. Tiêu chuẩn cũng hướng dẫn việc phát triển các hệ thống giảm áp (Pressure Relief System) tự động, đảm bảo an toàn cho các bình chứa và đường ống khi áp suất tăng đột biến.

Hệ thống năng lượng

Trong ngành năng lượng, đặc biệt là trong các nhà máy điện và nhà máy điện hạt nhân, IEC 61508 là tiêu chuẩn bắt buộc cho việc phát triển các hệ thống bảo vệ lò hơi (Boiler Protection System) và các hệ thống điều khiển an toàn khác. Các hệ thống này phải đạt SIL rất cao (thường là SIL 3 hoặc SIL 4 đối với điện hạt nhân) để ngăn chặn các sự cố nghiêm trọng có thể gây ra thảm họa môi trường hoặc mất điện trên diện rộng.

Bảng 2: Ứng dụng của IEC 61508 trong một số ngành công nghiệp

Ngành Công nghiệp	Hệ thống/Ứng dụng điển hình	Mục tiêu an toàn chính	SIL thường áp dụng
Dầu khí	Hệ thống dừng khẩn cấp (ESD), hệ thống phát hiện rò rỉ khí.	Ngăn chặn cháy nổ, rò rỉ hóa chất, bảo vệ tài sản và con người.	SIL 2, SIL 3
Hóa chất	Hệ thống liên khóa an toàn (SIS), hệ thống giảm áp.	Ngăn chặn phản ứng hóa học ngoài kiểm soát, bảo vệ thiết bị.	SIL 1, SIL 2, SIL 3
Năng lượng	Hệ thống bảo vệ lò hơi, hệ thống điều khiển an toàn nhà máy điện.	Ngăn ngừa quá nhiệt, nổ lò hơi, đảm bảo ổn định lưới điện.	SIL 2, SIL 3, SIL 4 (hạt nhân)
Giao thông vận tải	Hệ thống điều khiển tàu hỏa, hệ thống phanh ABS, hệ thống lái tự động.	Đảm bảo an toàn hành khách, ngăn ngừa va chạm.	SIL 2, SIL 3, SIL 4
Sản xuất	Hệ thống an toàn robot công nghiệp, cổng an toàn, rèm chắn ánh sáng.	Bảo vệ người lao động khỏi các bộ phận chuyển động.	SIL 1, SIL 2

6. Lợi ích và thách thức khi áp dụng IEC 61508

Việc áp dụng Tiêu chuẩn IEC 61508 mang lại nhiều lợi ích vượt trội cho các doanh nghiệp và xã hội, đặc biệt trong bối cảnh tự động hóa trong sản xuất công nghiệp ngày càng phát triển. Lợi ích quan trọng nhất là nâng cao mức độ an toàn cho con người, tài sản và môi trường bằng cách giảm thiểu xác suất xảy ra các sự cố nguy hiểm.

• Điều này trực tiếp dẫn đến việc giảm thiểu rủi ro và chi phí liên quan đến tai nạn, bao gồm chi phí khắc phục sự cố, bồi thường và các chi phí pháp lý.
• Hơn nữa, việc tuân thủ một tiêu chuẩn quốc tế được công nhận rộng rãi giúp tăng cường uy tín của doanh nghiệp, củng cố niềm tin từ khách hàng, đối tác và các cơ quan quản lý.
• Việc tuân thủ pháp luật và các quy định an toàn cũng được đảm bảo, tránh các hình phạt pháp lý.
• Cuối cùng, việc áp dụng IEC 61508 thúc đẩy quá trình tạo ra các sản phẩm và hệ thống an toàn hơn ngay từ giai đoạn thiết kế, nâng cao chất lượng tổng thể của các giải pháp tự động hóa.

Những thách thức

Mặc dù mang lại nhiều lợi ích, việc triển khai và tuân thủ IEC 61508 cũng đi kèm với một số thách thức đáng kể.

• Thách thức đầu tiên là chi phí đầu tư ban đầu có thể cao, bao gồm chi phí cho việc thiết kế, thử nghiệm, chứng nhận các hệ thống an toàn, cũng như chi phí đào tạo nhân sự.
• Thứ hai, tiêu chuẩn này yêu cầu kiến thức chuyên môn cao về an toàn chức năng, bao gồm hiểu biết sâu sắc về đánh giá rủi ro, kiến trúc hệ thống, và các quy trình phát triển phần cứng, phần mềm an toàn.
• Thứ ba, quá trình triển khai và chứng nhận tuân thủ IEC 61508 có thể rất phức tạp và tốn thời gian, đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa các bên liên quan và sự tham gia của các tổ chức chứng nhận độc lập.
• Cuối cùng, việc duy trì sự tuân thủ trong suốt vòng đời của hệ thống, bao gồm các hoạt động bảo trì, sửa chữa và quản lý thay đổi, cũng là một thách thức liên tục.

7. Các tiêu chuẩn liên quan đến an toàn chức năng

Ngoài IEC 61508 là tiêu chuẩn nền tảng, có nhiều tiêu chuẩn khác đã được phát triển để cụ thể hóa các yêu cầu về an toàn chức năng cho các ngành công nghiệp hoặc loại hình thiết bị cụ thể. Các tiêu chuẩn này thường kế thừa các nguyên tắc từ IEC 61508 và áp dụng chúng vào ngữ cảnh riêng biệt, giúp các ngành có được hướng dẫn chi tiết hơn.

• IEC 61511: Tiêu chuẩn này cụ thể hóa các yêu cầu về an toàn chức năng cho hệ thống thiết bị đo lường, điều khiển và tự động hóa quá trình (Process Industry), thường được gọi là SIS (Safety Instrumented Systems). Nó được áp dụng rộng rãi trong các ngành dầu khí, hóa chất và hóa dầu.
• IEC 61513: Tiêu chuẩn này cung cấp các yêu cầu chung đối với hệ thống an toàn trong nhà máy điện hạt nhân, đảm bảo rằng các hệ thống điều khiển và bảo vệ được thiết kế và vận hành an toàn trong môi trường rủi ro cao này.
• ISO 26262: Đây là tiêu chuẩn chuyên biệt về an toàn chức năng cho hệ thống điện/điện tử trong xe cơ giới, được áp dụng trong ngành công nghiệp ô tô để đảm bảo an toàn cho các hệ thống như phanh chống bó cứng (ABS), túi khí, và hệ thống lái tự động.
• EN 50156: Tiêu chuẩn này đặt ra các yêu cầu an toàn đối với hệ thống đốt lò và các thiết bị liên quan, đảm bảo việc vận hành an toàn của các hệ thống gia nhiệt trong các ứng dụng công nghiệp.
• ISO 13849: Tiêu chuẩn này tập trung vào các bộ phận của hệ thống điều khiển liên quan đến an toàn của máy móc, định nghĩa các mức độ hiệu suất (Performance Levels – PL) tương đương với SIL nhưng được áp dụng cụ thể cho an toàn máy móc.

8. Kết luận

Tiêu chuẩn IEC 61508 đóng vai trò không thể thiếu và là nền tảng cốt lõi trong việc đảm bảo an toàn cho các hệ thống tự động hóa công nghiệp. Tiêu chuẩn IEC 61508 đã chứng minh tầm quan trọng tối cao của mình trong việc thiết lập một khuôn khổ toàn diện và hệ thống để quản lý an toàn chức năng cho các hệ thống điện/điện tử/có thể lập trình liên quan đến an toàn (E/E/PES). Nó không chỉ cung cấp các yêu cầu chi tiết về thiết kế, triển khai, kiểm tra mà còn bao quát toàn bộ vòng đời an toàn của hệ thống, từ phân tích rủi ro đến ngừng hoạt động.