文/梁驍

功能安全在電梯領(lǐng)域的應(yīng)用

文/梁驍

通過(guò)北京自動(dòng)扶梯安全事故引入IEC 61508《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)功能安全概念、整體安全生命周期的各個(gè)階段及安全完整性等級(jí)進(jìn)行了介紹；并對(duì)功能安全在電梯領(lǐng)域的應(yīng)用作了具體解析。

功能安全 整體安全 生命周期 安全完整性等級(jí)

當(dāng)前我國(guó)電梯產(chǎn)量、電梯保有量、年增長(zhǎng)量均為世界第一。然而不斷增長(zhǎng)的電梯數(shù)量，給電梯安全使用帶來(lái)了挑戰(zhàn)。據(jù)國(guó)家質(zhì)檢總局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，隨著電梯保有量的增加和使用年限的增長(zhǎng)，我國(guó)近年來(lái)每年因電梯事故導(dǎo)致的人員傷亡有40余人，呈上升趨勢(shì)。

一、電梯事故案例起因分析

《特種設(shè)備事故報(bào)告和調(diào)查處理規(guī)定》中明確指出特種設(shè)備事故的發(fā)生主要由兩方面造成：一方面是由相關(guān)人員的不安全行為造成的；另一方面則是由電梯的不安全狀態(tài)造成的。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐和發(fā)展，電梯在設(shè)計(jì)上是有較完備的安全保護(hù)措施的，如電梯有上行超速保護(hù)裝置、層門(mén)門(mén)鎖裝置等；自動(dòng)扶梯、自動(dòng)人行道有梯級(jí)鏈斷裂保護(hù)裝置、非操縱逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置、驅(qū)動(dòng)鏈斷裂保護(hù)裝置等。同時(shí)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及安全技術(shù)規(guī)范中還規(guī)定電梯制造廠商必須配置這些保護(hù)措施和裝置，電梯產(chǎn)品出廠前必須要安裝好保護(hù)裝置。既然電梯已有了這些保護(hù)裝置，在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)應(yīng)能保護(hù)設(shè)備及乘客的財(cái)產(chǎn)及生命安全，可事實(shí)并非如此。

2011年7月5日上午9點(diǎn)36分，北京地鐵四號(hào)線動(dòng)物園站A口上行自動(dòng)扶梯發(fā)生設(shè)備故障，正搭乘電梯的部分乘客出現(xiàn)摔倒、擠壓情況，致1名男孩死亡，多人受傷。經(jīng)調(diào)查，導(dǎo)致此次事故發(fā)生的原因是：涉事自動(dòng)扶梯在運(yùn)行過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)主機(jī)固定螺栓發(fā)生斷裂，造成主機(jī)傾覆、驅(qū)動(dòng)鏈條脫落，梯級(jí)失去上行動(dòng)力，在梯級(jí)自重及乘客的作用下逆向下滑，附加制動(dòng)器開(kāi)關(guān)未正常啟動(dòng)。

據(jù)官方調(diào)查顯示，涉事自動(dòng)扶梯已設(shè)置了附加制動(dòng)器、斷鏈等保護(hù)裝置，可事故發(fā)生時(shí)，自動(dòng)扶梯的防斷裂、防逆轉(zhuǎn)等保護(hù)裝置并未動(dòng)作，梯級(jí)制動(dòng)失效，致使人員傷亡事故發(fā)生。

二、功能安全的引入

任何設(shè)備在運(yùn)行中百分百不出故障的概率幾乎是零，但如何最大限度地降低危險(xiǎn)故障的發(fā)生是要我們認(rèn)真去解決的問(wèn)題。但對(duì)于與安全相關(guān)的電氣元器件及控制系統(tǒng)的失效或故障，卻沒(méi)有引起足夠的重視。要從根本上避免風(fēng)險(xiǎn)，不能僅僅是停留在安全保護(hù)和防護(hù)，而是要解決與安全相關(guān)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、元器件的選擇及軟件的驗(yàn)證等根本問(wèn)題，這些則屬于功能安全的范疇。

國(guó)際電工委員會(huì)在2000年2月發(fā)布了功能安全基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)——IEC 61508《電氣/電子/可編程電子E/E/PE安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》系列標(biāo)準(zhǔn)。在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容尚不夠全面、明確，經(jīng)過(guò)幾年的補(bǔ)充和修訂，近期發(fā)布了最新版本IEC 61508。IEC 61508作為功能安全的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，在新版標(biāo)準(zhǔn)中明確提出了安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全，給出了一個(gè)全面的電氣/電子/可編程電子系統(tǒng)功能安全管理的框架。它是一個(gè)技術(shù)理念、科學(xué)的評(píng)估體系和優(yōu)化的管理手段的集合，可應(yīng)用于機(jī)械制造、流程工業(yè)、運(yùn)輸、醫(yī)藥等所有領(lǐng)域。

IEC 61508-4∶2010《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全第四部分：定義和縮略語(yǔ)》中給出了功能安全的概念：與受控設(shè)備（EUC）和EUC控制系統(tǒng)有關(guān)的整體安全組成部分，它取決于E/E/PE安全相關(guān)系統(tǒng)，其他技術(shù)安全相關(guān)系統(tǒng)和外部風(fēng)險(xiǎn)降低設(shè)施功能的正確使用。

無(wú)論零部件或者整體系統(tǒng)發(fā)生的失效是隨機(jī)失效、系統(tǒng)失效還是共因失效，都不會(huì)導(dǎo)致安全系統(tǒng)的故障，進(jìn)而不會(huì)對(duì)人員或者環(huán)境產(chǎn)生危害，那么這個(gè)系統(tǒng)在功能上就是安全的。功能安全是安全儀表系統(tǒng)中能否有效執(zhí)行其安全功能的體現(xiàn)，它是一種基于風(fēng)險(xiǎn)的安全技術(shù)和管理模式。

功能安全管理的目的就是確定對(duì)達(dá)到E/E/PE安全相關(guān)系統(tǒng)要求的功能安全所必需的整體的安全生命周期及軟件的安全生命周期所有階段的管理和技術(shù)活動(dòng)。

按照IEC 61508要求，安全相關(guān)產(chǎn)品從概念、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、整體安裝和試運(yùn)行、操作直至停用等每個(gè)階段都要采取故障避免和控制措施并且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和確認(rèn)。功能安全的管理就是貫穿于整體安全生命周期的所有階段之中（如圖1所示）。

圖1 整體安全生命周期

由圖1可以看出，功能安全的管理在整體安全生命周期中無(wú)處不在。整體安全生命周期是安全相關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中所必須的生命活動(dòng)，這些活動(dòng)的發(fā)生從一項(xiàng)工程的概念階段開(kāi)始，直到所有E/E/PE安全相關(guān)系統(tǒng)、其他技術(shù)安全相關(guān)系統(tǒng)，以及外部風(fēng)險(xiǎn)降低設(shè)施停止使用為止的一段時(shí)間內(nèi)。整體安全生命周期構(gòu)建了功能安全管理的框架，其基本思想是功能安全相關(guān)的所有活動(dòng)都是按一個(gè)有計(jì)劃的系統(tǒng)方法進(jìn)行管理。

IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)作為一項(xiàng)用于工業(yè)領(lǐng)域的國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)，功能安全早已在飛機(jī)、鐵路、汽車等領(lǐng)域運(yùn)用，目前在電梯領(lǐng)域功能安全的理念也在逐漸得到運(yùn)用。

①PESSRAL和PESSRAE

用于電梯的可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)（PESSRAL）及用于自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)（PESSRAE）是功能安全在電梯領(lǐng)域應(yīng)用的最好體現(xiàn)。

目前我國(guó)無(wú)論是電梯還是自動(dòng)扶梯、自動(dòng)人行道，在控制及驅(qū)動(dòng)技術(shù)上已經(jīng)相當(dāng)先進(jìn)，但是保證電梯安全的相關(guān)技術(shù)這幾十年卻基本上沒(méi)有變化。

由于與安全相關(guān)方面的設(shè)計(jì)全部是面向機(jī)械或電氣的設(shè)計(jì)，這些安全部件均是基于最基本的機(jī)械、電氣原理和測(cè)試。在滿足維修要求的情況下，理論上不會(huì)出問(wèn)題，這給電梯設(shè)計(jì)者和使用者提供了相對(duì)程度的安全感。

我國(guó)電梯數(shù)量雖多，但電梯的使用頻率也居高不下。由于電梯機(jī)械部件可靠性的限制，經(jīng)常發(fā)生由于磨損、調(diào)整不當(dāng)及塵埃所引起的電梯故障，造成使用人員被困。這種情況下救援和恢復(fù)運(yùn)行就十分復(fù)雜、緩慢。

因此，在電梯領(lǐng)域運(yùn)用PESSRAL和PESSRAE系統(tǒng)，能進(jìn)一步提高電梯的安全性和監(jiān)控能力。同時(shí)還可以提高電梯的可靠性和故障的可預(yù)測(cè)性，避免因觸點(diǎn)的污漬、燒蝕或機(jī)械損壞導(dǎo)致電梯故障的發(fā)生。

②SIL

安全完整性等級(jí)（SIL）是功能安全的一部分，是一個(gè)描述安全相關(guān)系統(tǒng)安全功能失效概率的指標(biāo)，即當(dāng)要求它不起作用時(shí)它不能起作用的概率?？煞謨煞N情況，一種針對(duì)低要求情況，即要求安全相關(guān)系統(tǒng)的安全功能起作用的頻率小于每年一次，這種情況下安全完整性等級(jí)用每當(dāng)要求時(shí)其失效的概率來(lái)表示；另一種針對(duì)高要求或連續(xù)操作的情況，即連續(xù)操作或要求安全相關(guān)系統(tǒng)的安全功能起作用的頻率大于每年一次，這種情況下，安全完整性等級(jí)用每小時(shí)危險(xiǎn)失效數(shù)來(lái)表示。

在IEC安全標(biāo)準(zhǔn)中，定義有4種SIL，分別是SIL 1、SIL 2、SIL 3、SIL 4。在功能安全的執(zhí)行上，SIL 4是最可靠的，SIL 1是最不可靠的。

電梯規(guī)范中的安全完整性等級(jí)是指各種因素導(dǎo)致電梯故障率（包括隨機(jī)硬件故障和系統(tǒng)性故障）的可能性，這些故障將導(dǎo)致不安全狀態(tài)的出現(xiàn)，如硬件故障、軟件故障、電子干擾所致故障等。安全完整性等級(jí)是電梯安全保護(hù)系統(tǒng)的核心指標(biāo)。GB 16899-2011《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道安裝安全規(guī)范》中規(guī)定：自動(dòng)扶梯、自動(dòng)人行道最高安全完整性等級(jí)為SIL 2。EN81-1∶1998-A1中規(guī)定曳引式或強(qiáng)制式乘客電梯、病床電梯及載貨電梯的最高安全完整性等級(jí)為SIL 3。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，IEC 61508國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是安全相關(guān)系統(tǒng)的通用標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)危險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)分析確定允許風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)必要的風(fēng)險(xiǎn)降低確定安全完整性等級(jí)要求，具有用技術(shù)手段改進(jìn)安全和經(jīng)濟(jì)功能，對(duì)安全相關(guān)系統(tǒng)具有重大意義和重要地位，各個(gè)領(lǐng)域的安全相關(guān)系統(tǒng)都必須遵循這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，電梯領(lǐng)域也不例外。按照安全生命周期各階段的要求，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)及電梯安全的相關(guān)系統(tǒng)，為電梯的設(shè)計(jì)、使用提供強(qiáng)有力的安全保障。

[1] 史學(xué)玲.功能安全標(biāo)準(zhǔn)的理論特點(diǎn)與管理模式[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量:2006,4:2-4.

[2] 陽(yáng)憲惠.安全儀表系統(tǒng)的功能安全[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

Through Beijing escalator accident case,the paper discussed IEC 61508 international standard"Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems".The paper introduces functional safety concept,integral safety,safety of the various stages of the life cycle,and safety integrity level.The paper analyzes in specific the applications of functional safety in elevator area.

Functional Safety;Overall Safety;Life cycle;SIL

（作者單位：上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院）