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2022-01-28
关于安全完整性等级的知识,例如1.什么是安全完整性SlL?2.SlL等级如何确定?3.舞台机械的SlL等级如何确定?4.符合SIL3的舞台机械控制系统必须具备那些条件?5.从S1L3出发客观评价国内舞台机械的水平及国内外差距。6.所有剧场的舞台机械控制系统都应达到SⅠL3吗?上述问题在以往的论坛和技术交流中均未很好地解决,大部分还处于似是而非的状态。为此,杂志特邀行业专家普及相关内容,以供交流。
一、概述
1.1功能安全、安全完整性和安全相关系统
(1)功能安全
(2)安全完整性(safety integrity)
(3)安全相关系统(safety-related system)
1.2安全完整性等级SIL(Safety Integrity Level)认证
1.3安全完整性等级SIL认证的主要标准
1.3.1 主要参考标准
(1)IEC 61508:电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全性
(2)IEC 61511:工业领域仪表系统的功能安全要求
(3)ISO 13849.1:机械安全控制系统的安全第1部分:设计用一般原理
(4)IEC/EN 62061:机械安全电气、电子和可编程序电子控制系统的功能安全
(5)IEC 618005.2:可调速的电动设备标准.第5.2部分:功能安全要求
安全断开的力矩停车,即0类急停(STO- SafeTorque Off);
安全停车1,即1类急停SS1(Safety Stop1);
安全停车2,即2类停车SS2(Safety Stop2);
安全操作停止(Safety Operation Halt);
停车安全,即检测制动器力矩,保证停车是安全的。
加速度安全监控;
行程安全监控;
运动方向安全监控;
速度安全监控;
力矩和力的安全监控;
位置安全监控;
电动机温度安全监控。
(6)DIN 56950演艺设备技术机械装置安全要求和测试
1.3.2 安全完整性等级(SIL)的确定方法
(1) 根据标准ISO13849.1关于性能等级PL(Performance Level)进行风险分析,如图1。图中:

1:评估安全功能对风险降低作用的起始点;L:对风险降低作用小;
H:对风险降低作用大;
PL:要求的性能水平,分为a、b、c、d和e五级。
风险参数:
S:受伤的严重性;
S1:轻微;
S:严重;
F:危险的频率和/或暴露时间;
F1:很少到不经常,和/或暴露时间短;
F2:经常到持续性,和/或暴露时间长;
P:避免危险或限制危害程度的可能性;
P1:在特定条件下可能;
P2:几乎不可能。
标准ISO 13849.1给出了PFHd、PL和SIL的对应关系,见表1。

(2)DIN EN 61508.4风险分析中各参数与SIL等级的关系。

表中:后果风险参数(C)
CA:轻微受伤;
CB:一个或更多人员严重永久伤残;一个人员死亡;
CC:几个人员死亡;
CD:很多人员死亡。
频率与暴露时间风险参数(F):考虑危险区域的频率和持续时间
FA:在危险区域,从很少到经常发生;
FB:在危险区域,从频繁到持续发生;
避免危险可能性的参数(P):考虑避免危险事件的可能性
PA:某些条件下可能;
PB:几乎不可能。
意外事件风险概率的参数(W):W因素的目的是在不考虑任何相关安全系统(E/E/EP),但考虑其他风险降低的措施下,估计意外事件发生的频率
W1:意外事件来临的可能性非常小,只有很少意外事件有可能发生;
W2:意外事件来临的可能性小,少量意外事件有可能发生;
W3:意外事件来临的可能性相对较大,可能经常发生意外事件。
-----表示无安全要求;
a表示无特殊安全要求;
b表示单一的E/E/PE安全系统还不够。
(3)IEC 61508-1 7.6中SIL和PFD、PFH对应关系

表中,PFD:实现设计要求功能平均失效率;
PFH:每小时危险失效率。
2 DIN 56950附录D中列出的实例
2.1低速、单卷扬机吊物
(1)设备配置及要求如下:
使用未调速的三相异步电机,双制动,以0.15 m/s的速度升降载荷,如图2:

(2)要求:在电气系统中发生故障时不应导致危险状况。
(3)风险评估
2.2高速、多卷扬机同步吊物
设备配置及要求。一组卷扬机悬吊一个景物,以1.2 m/s的速度在演员上空进行自动同步运行,当设备运动超过同步公差时,使用计算机控制来提供保护,见图3。

要求:计算机控制系统用于完成安全功能,即在卷扬机的同步分组运行中,全行程监控是否符合同步公差的要求。一旦达到了规定的同步公差值,吊机组应停止移动,并且应该清晰显示是哪个吊机超出了公差。
风险评估:按DIN EN 61508.4风险分析中各参数与SIL等级进行评估。在这种情况下需要避免的意外事件是:运载同一载荷(比如布景,桁架梁等)吊机的运行超出同步误差,结果是造成载荷的损坏和坠落。后果(C):该意外事件会在舞台面上发生,当发生故障时,可能造成一个或多个人员的严重伤害或死亡,这样,该后果风险参数为:CB。危险的频率以及在危险区域暴露的时间(F):在舞台上,人员经常处于危险区域中,因此风险参数为:FB。避免危险事件的可能性(P):由于很高的速度,几乎不可能避免危险事件,因此该风险参数为:PB。意外事件的概率(W):由于对这个参数没有可靠的经验,参数W只能估计为:W3。在参数CB、FB、PB、W3的基础上,选择结果为:SIL3。
3 舞台机械(含控制)系统具有那些基本条件才能达到SIL3
(1)机械设计
按相关标准进行机械设计,使其在整个生命周期内不因机械本身的设计问题产生故障。如:足够的强度与刚度;承载钢丝绳对额定载荷的安全系数应≥10。钢丝绳的绳端固定应至少有钢丝绳最小破断力的80%;承载的环链条对额定载荷的安全系数应≥8;升降台静止时地板的安全工作载荷:500 kg/m2;升降台驱动系统的所有零、部件应按额定载荷的两倍、使用寿命400小时进行计算;或按静止状态下系统载荷的1.5倍进行计算。
悬吊和升降设备应配有两套独立控制的制动器,第二套制动器可以延时动作。应能够对制动器分别进行检测与控制。
在机械装置下方(如:舞台升降台下面),为工作人员提供安全保护空间、安全通道、防护装置和适当照明。
有完善的机构或装置,如防松绳、防跳槽、防挤压、防剪切的安全保障及防坠落保护装置,以配合安全开关(或安全回路)的检测与控制。
配置双编码器(增量编码器和绝对值编码器),以满足各种运动参数的检测和控制要求。
有可靠的现场执行机构和元件,如行程开关、安全开关、编码器等。
装设载荷传感器,以满足载荷安全检测与控制的要求。
设备有较好的可接近性和维修性等。
(2)电气控制:在设计电气设备时,应根据相关的安全完整性等级(SIL3)选择适当的安全措施。
有完善的设备故障保护如:防短路、过流、失压、错相、接地、防雷、电动机失速等。
任何情况下,应防止设备的自动重启。
机械设备所有的运动都要通过控制设备启动和终止。
有可靠的安全系统和功能,包括:安全仪表系统SIS(Safety Instrument Function);安全停车系统;安全停止功能;紧急停止功能;过程关闭系统;启动功能等。
完善的检测(主要是运动参数)和控制(参数及偏差)功能:速度及速度偏差控制;超载和欠载控制;位置限制;同步及同步偏差控制;行程及规定轨迹线的偏差控制;超行程控制;
故障诊断功能:
维修开关:
声音及信号显示等。
(3)完整的使用信息和操作维护手册。
(未完待续)
节选自《演艺科技》2018年第7期段慧文《安全完整性等级(SIL)杂谈(一)》,转载请标注:演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技》。
(本文仅用于行业交流学习,并不用于商业用途。文中观点为作者独立观点。如不慎侵涉第三方权益,请与我们联络,我们将第一时间删除处理。)
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