เนื้อหาวันที่ : 2011-06-03 16:43:12 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 5907 views

อัตราความผิดพลาดสำหรับเครื่องมือวัดแบบเครื่องกล

การคำนวณค่าความผิดพลาดของอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่ถูกใช้อยู่ในฟังก์ชันนิรภัยจะต้องถูกดำเนินการ เพื่อใช้เป็นข้อมูลในการตรวจสอบความสมบูรณ์ของการออกแบบฟังก์ชันนิรภัย ว่ามีค่าความสมบูรณ์ของอุปกรณ์ที่เลือกใช้เป็นไปตามรายละเอียดที่ถูกกำหนดไว้ในช่วงการออกแบบหรือไม่

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.


สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด