自動化控制系統(tǒng)的風(fēng)險分析與控制

文/何瓊 湖南有色冶金勞動保護(hù)研究院

自動化控制系統(tǒng)的風(fēng)險分析與控制

文/何瓊 湖南有色冶金勞動保護(hù)研究院

自動化控制系統(tǒng)概述

縱觀國內(nèi)外自動控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，三電一體化是發(fā)展的主流。三電（電氣、自動化儀表、過程控制計算機(jī)一體化控制系統(tǒng)）具有功能分配合理、系統(tǒng)構(gòu)成簡捷、綜合投資經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

三電系統(tǒng)為多級分散式控制系統(tǒng)，系統(tǒng)分為二級，并留有與MES（L3）級通訊接口。

一級（L1）是電氣、儀表系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)自動化級；

二級（L2）是以過程計算機(jī)為中心的過程控制級。

三電系統(tǒng)之間采取以太網(wǎng)高速數(shù)據(jù)通道進(jìn)行連接，構(gòu)成多級數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

電氣、儀表系統(tǒng)采用電儀一體化的基礎(chǔ)自動化設(shè)備，系統(tǒng)由可編程序控制器、彩色大屏幕監(jiān)控系統(tǒng)和高速數(shù)據(jù)通道組成。

系統(tǒng)中主要危險、有害因素辨識

危險因素是指能對人造成傷亡或?qū)ξ镌斐赏话l(fā)性損害的因素，有害因素是指能影響人的身體健康、導(dǎo)致疾病，或?qū)ξ镌斐陕該p害的因素。存在能量、有害物質(zhì)和失控是危險、有害因素產(chǎn)生的根本原因。

自動控制系統(tǒng)的危險有害因素可能來自以下幾個方面：系統(tǒng)自身、系統(tǒng)與其他機(jī)器或裝置的相互作用、系統(tǒng)所在的物理環(huán)境、操作人員和系統(tǒng)的相互作用等。

本系統(tǒng)的主要危險、有害因素有：機(jī)械危害、電氣危害、電磁場危害、光危害、放射性危害、生物危害、化學(xué)危害（腐蝕和侵蝕影響）、氣候影響等。

1、機(jī)械危害

（1）重力可能成為危險源，如在提升或者下落時。

（2）壓力可能成為危險源，如由于管道或者容器破損。

（3）彈力可能成為危險源，如由于彈簧或機(jī)械結(jié)構(gòu)破損。

（4）振動可能成為危險源，如由于材料疲勞或發(fā)出過大聲音。

（5）溫度可能成為危險源，如熱的物體。

01—02.電氣、儀表系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)自動化(L1)

03—04.以過程計算機(jī)為中心的過程控制(L2)

（6）磨損可能成為危險源，如釋放有毒粒子或者使部件變?nèi)酢?/p>

（7）機(jī)械結(jié)構(gòu)可能成為危險源，如銳利邊緣或粗糙表面。

2、電氣危害

電壓或電流可能成為危險源，如由于發(fā)生短路（熱）或絕緣擊穿（電擊）。自動化控制系統(tǒng)中存在大量電氣設(shè)備，因此存在電氣火災(zāi)事故危害。電氣設(shè)備如果長時間過負(fù)荷運行，會產(chǎn)生大量熱量，電氣設(shè)施內(nèi)部絕緣損壞，保護(hù)監(jiān)測裝置失效，可能造成電氣火災(zāi)事故；另外，配電線路、開關(guān)、熔斷器、插銷座、電熱設(shè)備、照明器具、電動機(jī)等均有可能成為電氣火災(zāi)的引燃源。

3、電磁場危害

系統(tǒng)能發(fā)出不同強(qiáng)度和頻率的電磁場，這些電磁場可能成為危險源。電磁場對人體的傷害表現(xiàn)為能導(dǎo)致新陳代射變化、眼損傷或器官受損，對設(shè)備的影響為導(dǎo)致電磁干擾、數(shù)據(jù)改變等。

導(dǎo)磁物質(zhì)能積聚在磁場內(nèi)也會產(chǎn)生危害。例如，磁性物質(zhì)積聚在永久磁鐵氣隙內(nèi)會嚴(yán)重影響受力線圈和檢流計的轉(zhuǎn)動甚至完全受阻。同樣，磁性物質(zhì)積聚在轉(zhuǎn)子和定子之間會嚴(yán)重?fù)p壞電動機(jī)。

4、光危害

系統(tǒng)能發(fā)出不同強(qiáng)度和頻率的光，這些光可能成為危險源，如短路或光學(xué)發(fā)射器工作會產(chǎn)生和傳播強(qiáng)度可達(dá)到危險程度的光。光能導(dǎo)致人員眼損傷或灼傷，導(dǎo)致設(shè)備材料特性改變。

5、放射性危害

含有放射性元件（例如傳感器）的系統(tǒng)可能成為危險源。放射性能導(dǎo)致人員新陳代謝變化、眼損傷或器官受損，導(dǎo)致設(shè)備材料特性改變。

6、生物危害

生物可能成為控制系統(tǒng)的危險源。溫?zé)釟夂驐l件下的植物區(qū)內(nèi)霉菌最具有侵蝕性；菌絲體的吸濕性會侵蝕電子裝置；昆蟲用筑巢的粘土樣膠泥堵塞氣動儀表的所有氣孔，會造成氣動儀表意外停機(jī)；蟑螂和嚙齒動物等經(jīng)常會啃咬導(dǎo)線上的絕緣材料，導(dǎo)致絕緣材料受損。

7、化學(xué)危害

大量采用過程控制裝置和控制系統(tǒng)的工業(yè)化地區(qū)普遍存在一般程度的污染，被控制的工業(yè)過程會將各種污染物帶進(jìn)現(xiàn)場環(huán)境，造成使用過程控制裝置的局部區(qū)域確實存在污染程度比較高的現(xiàn)象。在多數(shù)情況下，對測量和控制裝置的影響是同污染物的濃度、溫度和暴露周期成正比，并往往因濕度的增加而加重。短時間的高濃度（峰值）腐蝕性污染物可造成異常嚴(yán)重的危害。

系統(tǒng)和系統(tǒng)的部件可能接觸的大氣污染物有氣體、蒸汽、液體和固體。這些污染物的影響是各不相同的，例如化學(xué)活性污染物產(chǎn)生腐蝕影響，砂塵阻塞產(chǎn)生侵蝕影響。不同種類的污染物還會混合出現(xiàn)，各種氣體、蒸汽和液體污染物主要產(chǎn)生腐蝕影響，而固體污染物則可能產(chǎn)生有害的侵蝕、腐蝕、熱或電磁影響。

8、氣候條件影響

環(huán)境氣候條件，如空氣溫度、濕度和大氣壓力等對工業(yè)過程測量和控制裝置在工作期間有較大的影響。根據(jù)氣候條件確定幾種場所等級，各種工作條件參數(shù)的嚴(yán)酷度值是以極限值表示。根據(jù)氣候條件確定的場所類型：

（1）有氣候防護(hù)的場所

A級：空調(diào)場所

B級：升溫和（或）降溫的封閉場所

C級：掩蔽和（或）非升溫的封閉場所

（2）無氣候防護(hù)的場所

D級：戶外場所

這些場所類型是以氣候條件參數(shù)及其極限值適當(dāng)組合為依據(jù)確定的，對應(yīng)的氣候等級如表1所示。

溫度應(yīng)是局部環(huán)境中某個具有代表性的點上（包括發(fā)熱裝置附近）測得的場所溫度。同時應(yīng)注意到陽光輻射可能會使裝置表面溫度上升。同樣的考慮也適用于濕度測量。當(dāng)一些儀表集中于一處時，由于儀表產(chǎn)生的熱量，實際的空氣溫度和相應(yīng)的相對濕度可能有影響。

控制場所的陽光輻射也有一定的影響。若裝置靠近窗戶，則A級和B級應(yīng)包括陽光輻射。單側(cè)輻射或冷風(fēng)等現(xiàn)象造成的局部環(huán)境空間中的溫度梯度，能在裝置中產(chǎn)生熱應(yīng)力。

對出現(xiàn)冷凝、降水和結(jié)冰等現(xiàn)象，也對自動化控制裝置有較大影響。

對于裝置在各種場所的正常工作及其壽命空氣質(zhì)量較為重要。

大氣壓力某些變化是由氣候條件造成的，一般來說，其主要變化是海拔高度造成的。人為加壓可增加某些場所的環(huán)境壓力。

（1）空調(diào)場所（A級）

在空調(diào)場所中，空氣溫度和濕度都被控制在規(guī)定的極限值范圍內(nèi)。這些場所常用于需要一個受控大氣環(huán)境的過程控制計算機(jī)和其他電子設(shè)備。裝有過程控制關(guān)鍵設(shè)備的主中央控制室通常屬于這一類場所。

（1）額定溫度值的允差為±2℃；（2）高海拔時，大氣壓力下限為70kPa。

（2）升溫和（或）降溫的封閉場所（B級）

在升溫和（或）降溫的封閉場所中，只有空氣溫度被控制在規(guī)定的極限值范圍內(nèi)。這類場所通常用于控制裝置中那些需操作人員連續(xù)監(jiān)視操作的場所（即該場所為非空調(diào)場所）。

在B3級場所中，可能偶然出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象（特別是相對濕度較高的情況下），但持續(xù)時間較短。

（3）掩蔽場所（C級）

在掩蔽場所中，空氣溫度和濕度都不受控制，但裝置得到保護(hù)，不直接受到諸如陽光輻射、雨淋、其他形式的降水以及全風(fēng)壓之類氣候因素的作用。既不升溫也不降溫的封閉場所可看作是“掩蔽場所”。

這種場所若有通風(fēng)，通常也是采用自然通風(fēng)方式。最低溫度可低到與戶外大氣條件下的溫度相當(dāng)；而最高溫度則可能大大高于戶外大氣條件下的溫度（那是因為陽光輻射作用于掩蔽物上的緣故）。由于這些掩蔽場所可能不完全密閉，因此仍可能受到一些（局部的）刮風(fēng)、降水的影響。

典型的掩蔽場所是操作儀表的“擁房”、不升溫的貯藏倉庫和車廂封閉的運輸汽車。人們也許會注意到：在某些類型的倉庫中（偶爾也在其他掩蔽場所中），濕度值增加導(dǎo)致貯藏的裝置上產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象。

變送器、執(zhí)行器和一些與控制器分離的指示器往往置于掩蔽場所中。無需操作人員經(jīng)常監(jiān)視的控制器、記錄儀和其他裝置也可工作在掩蔽場所中。

掩蔽場所可能出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。除因溫度迅速變化引起的偶然冷凝外，置于這些場所的裝置還會受到刮風(fēng)、降水、滴水和水霧的影響

（4）戶外場所（D級）

在戶外場所中，空氣溫度和濕度都不受到控制，且裝置暴露在大氣條件下，直接承受諸如陽光輻射、風(fēng)、雨、冰雹、凍雨、雪和結(jié)冰之類的侵襲。

傳感器、變送器、執(zhí)行器以及諸如一些與控制器分離的指示器之類的操作器往往置于戶外場所中。

應(yīng)該注意到戶外場所的大氣溫度會發(fā)生迅速變化，尤其要注意的是外露裝置向陽面及背陰面之間的溫度梯度。在戶外場所中裝置溫度會迅速變化，例如，陽光直射下的裝置突然遭雨淋。

戶外場所可能出現(xiàn)偶然的冷凝現(xiàn)象。除因溫度迅速變化引起的冷凝外，置于戶外場所的裝置還會直接受到雨淋、水霧、水濺、漏水等的浸襲。

因此氣候條件對自動控制系統(tǒng)的安全性有較大的影響。

風(fēng)險控制措施

現(xiàn)針對自動化控制系統(tǒng)可能存在的風(fēng)險，提出一些事故防范措施，以降低和排除系統(tǒng)中的危險有害因素。

首先是在保證系統(tǒng)具有能夠接受的性能水平的前提下考慮系統(tǒng)設(shè)計中的風(fēng)險控制措施，包含以下幾項：規(guī)定系統(tǒng)的極限參數(shù)；制訂安全對策；具體列出所有的危險；評估有關(guān)風(fēng)險；消除危險或盡最大可能限制風(fēng)險。如果采用以上措施仍不可能將風(fēng)險減小到能接受的程度，則在設(shè)計階段必須考慮安全防護(hù)措施。這些措施必須是保持系統(tǒng)的靈活性而不減少系統(tǒng)的安全性。此外還必須提供那些難于識別的危險的有關(guān)信息，例如編寫說明書及警告標(biāo)記。

1、自動控制系統(tǒng)必須按照風(fēng)險評估設(shè)計并防護(hù)，使其確保能夠正常安裝以及正確安全地使用和維護(hù)。為此，要考慮人為因素、工作任務(wù)、可能發(fā)生的事故和生產(chǎn)方法等之間的關(guān)系。還必須考慮諸如噪音、有害物質(zhì)、高溫、低溫、輻射以及物理運行環(huán)境的其他有害影響，以免造成對人身健康的損害。

2、系統(tǒng)或系統(tǒng)部件設(shè)計必須說明：對物理環(huán)境的條件和外部電源的要求以及如何連接，以保證正常運行。項目單位應(yīng)該保證滿足這些條件，或者提供替代手段，并保證系統(tǒng)在按照技術(shù)條件要求的環(huán)境條件下運行。

3、控制系統(tǒng)的設(shè)計與安裝必須具有能保證控制功能與控制系統(tǒng)不受干擾源影響的良好的工程措施，如果能預(yù)知風(fēng)險是干擾引起的，則必須采取隔離措施，以確保對控制功能的干擾在機(jī)器工作的任何時刻均不會造成危害。

4、控制系統(tǒng)的設(shè)計、組裝、安裝、使用雖無法避免系統(tǒng)內(nèi)的單個控制部件失效而產(chǎn)生停機(jī)動作，但是應(yīng)保證在故障排除之前，系統(tǒng)不再啟動或繼續(xù)運行。除此之外，還必須考慮采用成熟的線路和部件，以及下列一項或多項的安全措施：

（1）部分或全部地冗余

電器電子或液壓系統(tǒng)的控制部件的失效保護(hù)，通常采用多部件或多路的并聯(lián)或串聯(lián)來實現(xiàn)控制。部件的失效保護(hù)不應(yīng)僅依賴簡單冗余。

（2）采用分布控制方式接地

（3）降低危險動作的速率（功率）

采用“減速法”是基于事故出現(xiàn)時，人員能及時從危險區(qū)內(nèi)退出。

（4）監(jiān)測控制功能

采用“監(jiān)測控制功能”措施為的是識別故障，并當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時應(yīng)能發(fā)出一個安全信號（大多是停止信號）。

（5）使能裝置

采用“使能裝置”措施為的是，使用使能裝置的人員能發(fā)現(xiàn)危險并及時采取直接行動防止事故。

（6）利用可解鎖的單向閥、不經(jīng)常動作的滑閥的周期性轉(zhuǎn)換動作、壓力閥、無彈性作用的脈沖閥。

在液壓或氣動系統(tǒng)中可能蓄有可觀的能量。必須確保它們不致引起危險動作。積蓄的能量可以被引發(fā)安全功能（如復(fù)原動作）。如有必要應(yīng)提供防止后繼危險（如：由于壓力下降、主管路關(guān)閉、泄漏管路破裂等所引起的危險）的附加措施，如機(jī)械力鎖定、可解鎖單向閥等。

5、附加安全措施

當(dāng)單純的控制上的安全措施不足以防止危險性故障的后果時，必須采取諸如機(jī)械安全保護(hù)、備用照明等補充措施。

通過對自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行危險有害因素辨識，系統(tǒng)可能存在的危險、有害因素主要有：機(jī)械危險源、電氣危險源、電磁場、光、放射性危險源、生物危險源、化學(xué)危險源（腐蝕和侵蝕影響）、氣候影響等。系統(tǒng)中存在的危險有害因素所引起的風(fēng)險，可以通過采取相應(yīng)的安全技術(shù)措施和管理措施，得到有效控制，以減少安全事故的發(fā)生或消除事故隱患，減輕職業(yè)危害。因此，企業(yè)應(yīng)遵循消除、預(yù)防、減弱、隔離、連鎖原則，按國家的有關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計規(guī)范的規(guī)定采取合理的控制措施，以確保安全生產(chǎn)工作順利進(jìn)行。