安全完整性等級（SIL）雜談（二）

段慧文

【摘 要】 介紹安全完整性等級的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，重點在于舞臺機(jī)械控制系統(tǒng)安全相關(guān)的內(nèi)容，同時闡述了舞臺機(jī)械專業(yè)的國 內(nèi)外差距。

【關(guān)鍵詞】 安全完整性等級；舞臺機(jī)械；控制系統(tǒng)；標(biāo)準(zhǔn)；差距

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.08.017

Safety Integrity Level （SIL） （2）

-A Discussion on the Gap between Domestic and Foreign in the Major of Stage Machinery

DUAN Hui-wen

【Abstract】The author introduces the relevant standards of safety integrity level， focusing on the safety related contents of the stage mechanical control system， and at the same time expounds the domestic and foreign gap of the stage machinery specialty.

【Key Words】safety integrity level； stage machinery； control system； standard； gap

4 我國舞臺機(jī)械行業(yè)與國際先進(jìn)水平的差距

4.1 客觀評價我國舞臺機(jī)械行業(yè)的技術(shù)水平

自國家大劇院1998年開始啟動建設(shè)以來，我國劇場建設(shè)連續(xù)20年蓬勃發(fā)展，取得了舉世矚目、令人驕傲的成績。國產(chǎn)的舞臺機(jī)械（含控制系統(tǒng)）裝備了國內(nèi)絕大多數(shù)劇場，少數(shù)還出口國外。據(jù)報道，機(jī)械設(shè)備（含控制系統(tǒng)）的國產(chǎn)化率很高（達(dá)80%到90%）。在肯定成績的同時也使不適當(dāng)?shù)陌胃哒f法有了市場。例如：認(rèn)為“我國舞臺機(jī)械設(shè)的產(chǎn)品品質(zhì)、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)流程等方面與國外先進(jìn)水平差距不大”，甚至認(rèn)為“國內(nèi)骨干企業(yè)的機(jī)械設(shè)備技術(shù)達(dá)到了國際舞臺機(jī)械設(shè)備的領(lǐng)先水平”，“產(chǎn)品已經(jīng)形成多個系列”，通用產(chǎn)品開始標(biāo)準(zhǔn)化、系列化等等。

個人認(rèn)為，我國舞臺機(jī)械（含控制系統(tǒng)）行業(yè)的技術(shù)水平與國際還有明顯的差距，除了劇場建設(shè)因配置形式單一帶來的諸多問題外，標(biāo)準(zhǔn)奇缺（特別是設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備及管理安全標(biāo)準(zhǔn)、單機(jī)及系統(tǒng)使用操作標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品系列參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、維護(hù)及保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)、控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)等）、設(shè)計理念（例如安全設(shè)計的理念、系統(tǒng)控制的理念等）偏差、設(shè)計方法不當(dāng)（機(jī)械與電氣設(shè)計分離、舞臺機(jī)械與劇場整體設(shè)計分離等）、設(shè)備及機(jī)構(gòu)不完善（制動器沒有單獨(dú)的安全檢測裝置、松繩——欠載控制機(jī)械裝置不靠譜、高速吊機(jī)鋼絲繩偏角修正裝置不全、防火幕下降到位檢測裝置缺失等）、控制安全系統(tǒng)要求低（當(dāng)前使用的PLC系統(tǒng)是基于程序控制而非運(yùn)動控制概念，SIL3要求的多個運(yùn)動控制功能無法達(dá)到）等方面的差距是明顯的。試想，舞臺機(jī)械專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范總數(shù)不超過10個，其產(chǎn)品如何達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化？連舞臺機(jī)械設(shè)備參數(shù)系列標(biāo)準(zhǔn)都沒有，怎么奢談系列化？設(shè)計、設(shè)備和安全控制等方面存在的明顯差距，豈能空談機(jī)械設(shè)備技術(shù)達(dá)到了國際舞臺機(jī)械設(shè)備的領(lǐng)先水平？

只能說，我國舞臺機(jī)械的設(shè)備技術(shù)只能夠滿足當(dāng)前劇場低水平（演出場次不多、舞臺機(jī)械使用頻率不高、機(jī)械設(shè)備動作復(fù)雜及控制嚴(yán)格的歌劇舞劇演出場次極少等）的演出需求，與西歐先進(jìn)國家舞臺機(jī)械在演出中的使用頻率、復(fù)雜程度以及對控制系統(tǒng)的嚴(yán)格要求，有著明顯的差異。至少水平仍有較大的提升空間，需要業(yè)內(nèi)同仁不斷努力，在標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)（完善專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)系列）、設(shè)計理念與方法、基礎(chǔ)研究（如高速卷揚(yáng)機(jī)的降噪材料研究、高速卷揚(yáng)機(jī)制動機(jī)能研究、新型松繩機(jī)構(gòu)研究等）、系統(tǒng)控制安全設(shè)計（從普通的程序控制向運(yùn)動控制的功能性轉(zhuǎn)變等）等方面，提高要求，迅速趕上國際先進(jìn)水平。

4.2 從滿足SIL3安全完整性要求談國內(nèi)外差距

4.2.1 差距主要表現(xiàn)在控制系統(tǒng)

除上文提到的舞臺機(jī)械專業(yè)與國外的差距（標(biāo)準(zhǔn)的、設(shè)計的、管理的、基礎(chǔ)研究的等）外，從滿足SIL3安全完整性要求出發(fā)，可以認(rèn)為舞臺機(jī)械系統(tǒng)與國外的差距，機(jī)械專業(yè)和控制專業(yè)都有，但控制系統(tǒng)表現(xiàn)更為突出，而且差距明顯。目前國內(nèi)控制系統(tǒng)的主流是PLC系統(tǒng)，由于我們的設(shè)計理念基于過程控制，雖然表面上滿足了劇場的使用要求，實際上只是低水平的要求。而SIL3的設(shè)計理念是基于系統(tǒng)的運(yùn)動控制，用有效的運(yùn)動控制方法達(dá)到系統(tǒng)整體安全的目的。國內(nèi)現(xiàn)有的PLC系統(tǒng)完全達(dá)不到國外軸控制系統(tǒng)的安全完整性等級SIL3的要求，只是一般意義上的程序控制。要對全國大部分劇場的控制系統(tǒng)進(jìn)行SIL3達(dá)標(biāo)改造，在技術(shù)、工期、投資等方面有很多問題。實際上，PLC系統(tǒng)也有運(yùn)動控制，如西門子的產(chǎn)品就有PLC系統(tǒng)運(yùn)動控制器。但無論是改造或是新設(shè)計，其投資不菲。歐洲先進(jìn)國家采用的是各制造廠為舞臺機(jī)械控制專門開發(fā)的軸控制器（軸運(yùn)動控制器），產(chǎn)品完全符合控制系統(tǒng)的功能安全理念并達(dá)到SIL3的要求。以往由于沒有從SIL3對控制的根本要求出發(fā)，對軸控制器乃至國外整個控制系統(tǒng)的認(rèn)識比較膚淺，一些評價有失偏頗，往往強(qiáng)調(diào)了軸控制器的缺點而沒有看到它的優(yōu)越性能。對國內(nèi)使用的PLC系統(tǒng)只看到它能使用（處于低水平）、價格低（安全性能差）、易掌握（缺乏安全性）、能滿足低水平演出使用等方面，而沒有從SIL3的基本要求去衡量。國外的專用軸控制器也確有諸如不通用、價格高、備品備件獲得受廠商“終生”控制、售后服務(wù)不及時等問題。

據(jù)報道，2018年初，大豐舞臺設(shè)計研究院率先研發(fā)了國內(nèi)首臺軸控制器，已經(jīng)通過了德國T?V的認(rèn)證，并成功在廣西柳州文化中心劇院等工程使用。其技術(shù)參數(shù)和專業(yè)功能已達(dá)到歐洲主要廠商產(chǎn)品的同等水平，價格卻有大幅度的降低。大豐的研究成果和這一產(chǎn)品的成功應(yīng)用，有望大大提高我國舞臺機(jī)械設(shè)備的裝備水平，迅速縮小與國外的差距。

4.2.2 安全控制系統(tǒng)的具體差距

（注：以下所述除少數(shù)外均為現(xiàn)PLC控制不具備、或不能達(dá)到SIL3要求的功能，以黑體字表示）

（1）載荷安全控制

為了載荷安全控制，受控設(shè)備必須配置載荷傳感器，它的作用是：

· 過載保護(hù)：在120%額定載荷時設(shè)備不能提升運(yùn)動。

· 欠載保護(hù)：即常常稱為松繩保護(hù)，簡化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，保護(hù)更準(zhǔn)確。

· 復(fù)雜運(yùn)動時精確計算運(yùn)動曲線，確保運(yùn)動平穩(wěn)。

· 某些情況下，可以滿足設(shè)備輕載高速、重載低速的特殊指令。

（2）制動器安全檢測

· 單制動器分別檢測：升降設(shè)備的雙制動器必須能進(jìn)行單個制動器的性能測試。

· 制動器安全控制SBC（Safe Brake Control）：設(shè)備在使用狀態(tài)，確保關(guān)斷驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，并對制動器的制動力矩定時檢測，確保設(shè)備靜態(tài)、動態(tài)的狀態(tài)安全；

· 制動器安全測試SBT（Safe Brake Test）：對靜態(tài)制動器施加一定轉(zhuǎn)矩，周期性測試制動器的實際位移，確保制動器安全，避免載荷自動滑落。

（3）安全停止SS（Safe Stop）：

0類緊急停機(jī)SS0（Safe Stop0）：即不可控急停，觸發(fā)時直接斷開電源；

1類緊急停機(jī)SS1（Safe Stop1）：即可控急停，觸發(fā)時先定時控制減速然后切斷電源。

注：標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了0類和1類緊急停機(jī)，且0類緊急停機(jī)優(yōu)先，由于0類緊急停機(jī)產(chǎn)生巨大的慣性力，對設(shè)備本身和建筑結(jié)構(gòu)不利，近來采用1類緊急停機(jī)的越來越多。

（4）運(yùn)動及精度控制檢測

· 速度控制

安全極限速度：限制設(shè)備的最大運(yùn)行速度，一般為額定速度的125%；

系統(tǒng)默認(rèn)速度：當(dāng)操作選定速度超出設(shè)備速度參數(shù)時，以設(shè)定的系統(tǒng)默認(rèn)速度（一般為額定速度的80%）運(yùn)行；

安全速度控制：實時檢測演出場景設(shè)定的速度并進(jìn)行限制，一般為設(shè)定速度的125%；

速度誤差控制：實時檢測演出場景設(shè)定的速度是否在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，超出速度誤差范圍時，即發(fā)出停機(jī)信號。

· 位置控制

場景安全位置限制：檢測設(shè)備的所有實際使用位置必須在場景設(shè)定的允許范圍內(nèi)，而不是設(shè)備的限位開關(guān)限定的范圍，即常說的場景參數(shù)設(shè)置；

雙編碼器位置測試：雙編碼器的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果其中一個超出規(guī)定誤差，則會產(chǎn)生錯誤信息，并進(jìn)行自動調(diào)整補(bǔ)償。必要時會啟動停機(jī)程序。

· 方向控制：保證電動機(jī)只能按規(guī)定方向運(yùn)轉(zhuǎn)，以處理事故并避免事故進(jìn)一步發(fā)展。

在設(shè)備的安全開關(guān)觸發(fā)進(jìn)行事故處理后，設(shè)備第一次運(yùn)轉(zhuǎn)的方向必須是產(chǎn)生事故的反方向，即向減小事故趨勢的方向運(yùn)行。如：

吊桿下降時松繩保護(hù)開關(guān)觸發(fā)停機(jī)后，處理事故后吊桿的運(yùn)行方向必須是提升；

吊桿上升時跳槽保護(hù)開關(guān)觸發(fā)停機(jī)后，處理事故后吊桿的運(yùn)行方向必須是下降；

升降臺上升時防剪切開關(guān)觸發(fā)停機(jī)后，處理事故后升降臺的運(yùn)行方向必須是下降；

升降臺下降時防剪切開關(guān)觸發(fā)停機(jī)后，處理事故后升降臺的運(yùn)行方向必須是上升；

（5）成組設(shè)備運(yùn)動控制

· 鎖定型編組

場景需要固定連接到多個舞臺機(jī)械設(shè)備上，鎖定型編組中所有的舞臺機(jī)械設(shè)備必須以相同的速度同步運(yùn)行并移動相同的距離，即時間位移同步。為避免鎖定型編組中因設(shè)備間出現(xiàn)速度或位置偏差，引起場景的傾翻或扭曲等危險情況發(fā)生，系統(tǒng)應(yīng)該高速監(jiān)控該組內(nèi)各設(shè)備的速度和位置，當(dāng)該組中任一設(shè)備的速度和位置超出誤差允許范圍時，系統(tǒng)應(yīng)停止該組內(nèi)所有運(yùn)行的設(shè)備，系統(tǒng)發(fā)出的停止命令應(yīng)該是緊急停機(jī)命令（EMS）。

注：還有時間同步編組，即在不同位置的設(shè)備在相同時間內(nèi)，運(yùn)行不同的距離，到達(dá)同一設(shè)定目標(biāo)位置。

· 安全型編組

用于控制速度、距離等參數(shù)組合復(fù)雜的設(shè)備組的運(yùn)行。在這種情況下操作的失誤將導(dǎo)致場景及設(shè)備碰撞或損壞等危險情況。系統(tǒng)必須高速監(jiān)控該組中所有運(yùn)行設(shè)備的速度和位置，當(dāng)該組中的任一設(shè)備沒有按照預(yù)先設(shè)定或計算出的速度曲線運(yùn)行，或者速度或位置的偏差超出了系統(tǒng)允許的誤差范圍時，系統(tǒng)必須立即停止該組內(nèi)所有設(shè)備的運(yùn)行，系統(tǒng)發(fā)出的停止命令應(yīng)該是緊急停機(jī)命令（EMS）。

· 聯(lián)鎖型編組

用于控制按設(shè)定順序運(yùn)動并有聯(lián)鎖關(guān)系的設(shè)備組的運(yùn)行。當(dāng)該組中任一設(shè)備的運(yùn)動順序不符合聯(lián)鎖關(guān)系或發(fā)生故障時，系統(tǒng)必須立即停止該組內(nèi)所有設(shè)備的運(yùn)行，系統(tǒng)發(fā)出的停止命令應(yīng)該是緊急停機(jī)命令（EMS），以免損壞設(shè)備和發(fā)生危險情況。

· 自由型編組

用于控制相互之間獨(dú)立的多個設(shè)備的同時聯(lián)合運(yùn)行。自由型編組允許各設(shè)備的運(yùn)行獨(dú)立于其他設(shè)備，按照預(yù)先設(shè)定的速度圖和動作距離來運(yùn)行。當(dāng)該組中任一設(shè)備的速度或位置的偏差超出系統(tǒng)允許的誤差范圍時，系統(tǒng)將發(fā)出針對單個設(shè)備的停止命令，而其他正常運(yùn)行的設(shè)備不受任何影響。

以上所述運(yùn)動及其誤差控制，在故障或事故狀態(tài)下也同樣適用。

（6）其他：

· 加速度限制控制；

· 安全加速度范圍控制；

· 電動機(jī)繼電器的反饋控制；等。

5 結(jié)束語

通過以上討論，可以得出以下結(jié)論：

（1）安全完整性等級SIL風(fēng)險評估系統(tǒng)是適用于控制、機(jī)械等行業(yè)并被世界廣泛認(rèn)可的風(fēng)險評估方法。

（2）要采取合適的措施來盡量減少危險事件發(fā)生的可能性。所要求的措施和措施執(zhí)行的程度，不管是單個的或聯(lián)合的，都應(yīng)滿足系統(tǒng)的安全完整性等級。

（3）可以用提供冗余（部分或整體）、避免危險操作（存在故障情況下的操作）、提供使用信息等措施來降低風(fēng)險。

（4）如果安全裝置激活，設(shè)備應(yīng)在運(yùn)行方向停止下來。應(yīng)該允許與危險運(yùn)行方向相反的運(yùn)動。

（5）所有安全裝置的功能應(yīng)能夠進(jìn)行檢測。

（6）為應(yīng)對各類可能產(chǎn)生的故障（速度調(diào)節(jié)、限位開關(guān)、載荷、速度、位置、運(yùn)動誤差等），提供可靠保護(hù)。

（7）不同演出藝術(shù)門類劇場的舞臺機(jī)械設(shè)備、甚至同一劇場內(nèi)的舞臺機(jī)械設(shè)備，并不都是一個安全完整性等級，應(yīng)在風(fēng)險分析的基礎(chǔ)上，選擇舞臺機(jī)械設(shè)備的安全功能和安全完整性等級SIL。作者認(rèn)為：高速和運(yùn)動關(guān)系復(fù)雜的舞臺機(jī)械設(shè)備如吊桿機(jī)、單點吊機(jī)、臺下設(shè)備（有同步運(yùn)動和連鎖運(yùn)動要求）的安全完整性等級應(yīng)為SIL3；低速、簡單運(yùn)動和舞臺范圍外的機(jī)械設(shè)備如燈光設(shè)備、臺口區(qū)設(shè)備（防火幕、大幕機(jī)、假臺口等）、布景轉(zhuǎn)運(yùn)及儲存設(shè)備、布景組裝設(shè)備、防火隔聲設(shè)備等的安全完整性等級應(yīng)為SIL2。

（8）使用信息是機(jī)械設(shè)備交付不可或缺的一部分，使用信息包括對機(jī)器設(shè)備安全和正確使用所需要的所有指示，也包括技術(shù)措施達(dá)不到預(yù)定安全要求時，采取的必要的組織性安全措施。

鑒于中外戲劇、劇場和舞臺機(jī)械行業(yè)發(fā)展階段的不同，中外文化及意識形態(tài)的差異，演出劇目及舞美設(shè)計對安全等級要求的不同，以上提出的差距和問題，應(yīng)從我國的實際狀態(tài)出發(fā)，既安全第一，又區(qū)別對待，用不同的模式解決劇場的現(xiàn)實問題。特提出幾點建議、最好能制定出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：

（1）按專業(yè)劇場演出藝術(shù)門類的不同，規(guī)定出不同的控制要求，如音樂廳、戲劇場和歌劇舞劇劇場的舞臺機(jī)械控制要求有明顯的差異；不同等級的歌劇舞劇劇場的舞臺機(jī)械控制也有不同的要求；

（2）將國內(nèi)大部分多用途劇場從演出需要和技術(shù)上分級，以規(guī)定各級劇場起碼的控制要求。級別的區(qū)分要考慮城市的規(guī)模和國際化程度、劇場的規(guī)模和國外演出團(tuán)體來華演出的需求等因素。

（3）除上文第（7）條外的劇場其他設(shè)備，應(yīng)按劇場分類、技術(shù)分級的不同，依據(jù)風(fēng)險分析的方法，分別進(jìn)行風(fēng)險分析，確定各自的安全完整性等級。