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作者簡介：史學(xué)玲，機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所副總工程師，功能安全中心主任，教授級高工。1982年畢業(yè)于浙江大學(xué)，近年來主要致力于以IEC61508為基礎(chǔ)的功能安全技術(shù)研究。主持并完成了包括國家軟科學(xué)研究項目、國家“863”項目、科技部科研院所開發(fā)項目等多項功能安全相關(guān)課題，是IEC61511國際標準工作組專家，TüV認證的功能安全工程師，在多份雜志及學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了多篇有關(guān)功能安全的論文，對功能安全標準及標準實施認證相關(guān)的技術(shù)、法律、政策等問題有深入研究。
摘 要：安全性表現(xiàn)產(chǎn)品的安全品質(zhì)，是通過設(shè)計、制造出來的，但只靠產(chǎn)品無法維持。自動化產(chǎn)品的安全品質(zhì)表現(xiàn)在兩個方面，一是單個產(chǎn)品的安全性，二是作為系統(tǒng)的一個單元時的系統(tǒng)安全性。
關(guān)鍵詞：安全性問題；安全品質(zhì)；功能安全；安全完整性等級
Abstract： Safety is one kind of product characteristics，the safety characteristic of a product is dominated by the process of design and manufacture，but it can not be sustained by product itself.Two aspects the safety of single product and the whole system’s safety when a product acts as a union in the loop，play a large role in the safety characteristic of Automation product.
Key words：safety problem；safety characteristic；functional safety；SIL
隨著社會進步，政府和企業(yè)在安全方面的投入日益增大。為了改善效益，越來越多的儀表與自動化企業(yè)正在著手向安全領(lǐng)域轉(zhuǎn)產(chǎn)，如傳統(tǒng)生產(chǎn)DCS的企業(yè)向SIS領(lǐng)域進軍、傳統(tǒng)的PLC企業(yè)轉(zhuǎn)而生產(chǎn)安全PLC、傳統(tǒng)的儀表企業(yè)開始研制安全型儀表等等。但如果不能正確理解與掌握“安全性”問題，不了解產(chǎn)品應(yīng)具備什么安全特征，這樣的轉(zhuǎn)產(chǎn)是有很大風(fēng)險的。
本文介紹一下儀表與自動化產(chǎn)品的安全性問題，同時介紹其產(chǎn)品具有的安全特征。
1 安全性問題的基礎(chǔ)
安全性表現(xiàn)產(chǎn)品的安全品質(zhì)，是通過設(shè)計、制造出來的，但只靠產(chǎn)品無法維持。安全有其自身特點，不了解其基本概念與方法，僅靠原有的自動化技術(shù)知識是不能合理地處理安全性問題的。
從事安全工作的人必須深刻了解以下幾個要點：
（1）安全的對象是人
我們說，自動化控制系統(tǒng)可以用來保護人、環(huán)境與設(shè)備，但安全的最終關(guān)注點在人，也就是說，安全的對象是人。是人就會有人性的弱點，出了事故就要考慮承擔(dān)法律責(zé)任。要充分考慮所有與人有關(guān)的安全模式，執(zhí)行安全標準來規(guī)避風(fēng)險，避免法律糾紛。
·理解人性弱點，增加生理學(xué)知識
由于人性的弱點，會產(chǎn)生無知、好奇、恐慌等不良情緒，誤判導(dǎo)致錯誤操作最終導(dǎo)致事故，應(yīng)盡可能對上述所有異常行為采取相應(yīng)措施，如果不能，也需要對使用者規(guī)定一般的素質(zhì)要求，針對不同的種類考慮不同的限制，規(guī)定相應(yīng)的界限。
舉一些例子。某飛機進入著陸姿勢時開關(guān)已經(jīng)扳向自動操縱方式，但飛行員錯誤地認為處于手動位置，并持續(xù)地扳動操縱桿，結(jié)果自動裝置向相反方面動作，最終導(dǎo)致了墜機事故。某段鐵路的兩個信號表示不同線路的狀態(tài)，司機由于看錯了相鄰的信號而發(fā)生撞車事故。有很多安全事故的原因違反了技術(shù)人員的常識，是技術(shù)人員所不能理解的。如電梯中有開門和關(guān)門兩個按鈕，電路設(shè)計時會充分考慮按下任意按鈕時電梯應(yīng)做出的反映，但乘客可能會同時按下兩個按扭，或者以極微小的時差按下兩個按鈕。對于這種“游戲”動作估計不足，就會導(dǎo)致電梯非正常停車，結(jié)果把乘客關(guān)在電梯中，不得不靠外面的救援。
這類錯誤很多，安全產(chǎn)品開發(fā)時應(yīng)從生理學(xué)的角度進行深入研究，并找出避免出錯的措施；充分考慮異常的動作、對狀況判斷失誤等“可預(yù)見與不可預(yù)見的”事件，即使萬一出錯，也應(yīng)該有補救的方法，不至于最終導(dǎo)致事故。
·了解與人有關(guān)的安全模式。
研究安全模式就是找出產(chǎn)品使用過程中所有可能導(dǎo)致人員傷害的機制與可能性。
自動化產(chǎn)品與系統(tǒng)的安全模式主要分為兩類。第一類是與功能失效相關(guān)的安全模式，在領(lǐng)域內(nèi)人們稱這類安全為功能安全，如緊急停車系統(tǒng)的故障會導(dǎo)致危險時無法緊急停機；第二類是產(chǎn)品在使用過程中對人體產(chǎn)生如觸電、電擊、熱燙、著火、爆炸、機械等直接的傷害，在領(lǐng)域內(nèi)人們稱這類安全為電氣安全、機械安全與防爆安全。
（2）安全需要高成本
為“安全”而設(shè)計的自動化產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)會比原來只考慮功能結(jié)構(gòu)時復(fù)雜，成本也會增加。如果不肯下功夫增成本，就會制造出危險的產(chǎn)品，一旦發(fā)生事故，造成巨大的損失。
（3）危險特點要了解
應(yīng)用于安全領(lǐng)域的儀表與自動化產(chǎn)品，承擔(dān)著“在生產(chǎn)過程中監(jiān)測與安全有關(guān)的狀態(tài)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)故障與異常，及時采取措施以避免事故發(fā)生”的重要任務(wù)，但不同的應(yīng)用領(lǐng)域危險特點不同，不了解這些特點，輕易轉(zhuǎn)產(chǎn)到“安全領(lǐng)域”，容易忽視新的應(yīng)注意的問題點，導(dǎo)致重要損失。
例如，某工廠在加工過程中使用大量酒精，由于設(shè)置在廠房頂部的排風(fēng)扇發(fā)生故障，致使酒精濃度上升，引起爆炸。分析事故原因時，發(fā)現(xiàn)原來設(shè)計安全控制方案時已經(jīng)預(yù)料到風(fēng)扇故障會導(dǎo)致爆炸危險，所以設(shè)計安裝了安全聯(lián)鎖裝置來監(jiān)視電動機轉(zhuǎn)速，保證電動機停時生產(chǎn)線停。但沒料到的是，傳動皮帶輪脫落導(dǎo)致不能排氣，這種故障在一般的工廠是通過使用者定期檢查皮帶張力時發(fā)現(xiàn)的，但這家工廠的屋頂非常高，維修人員無法到達，安全控制方案的設(shè)計者沒有充分考慮該廠的實際情況。在安全控制方案存在嚴重缺陷的情況下，安全聯(lián)鎖裝置設(shè)計得再好、產(chǎn)品再可靠，安全性也沒有保障。
（4）標準規(guī)范很重要
重大事故是低概率事件，一個企業(yè)不可能都經(jīng)歷過，企業(yè)內(nèi)的個人沒有學(xué)習(xí)過有關(guān)經(jīng)驗，這與通過積累經(jīng)驗取得進步的質(zhì)量管理是完全不同的，因此，借鑒外部他人的經(jīng)驗，執(zhí)行行業(yè)公認的標準是十分重要的。
比如說，功能安全標準是歐美等國安全控制領(lǐng)域的專家多年經(jīng)驗的總結(jié)，它不但提出了一整套完整的實現(xiàn)安全的方案，還規(guī)定了從控制方案提出、實現(xiàn)直到停用的整個生命周期中所有相關(guān)人員的工作目標與職責(zé)，建立了與安全控制相關(guān)的法律責(zé)任體系。執(zhí)行標準是保證安全的重要措施，同時也是規(guī)避風(fēng)險、免除法律責(zé)任的重要手段。
2 自動化產(chǎn)品應(yīng)具備的安全品質(zhì)
產(chǎn)品的安全品質(zhì)表現(xiàn)在兩個方面：一是單個產(chǎn)品的安全性，二是單個產(chǎn)品作為系統(tǒng)的一個單元時，需要考慮的系統(tǒng)安全性。
單個產(chǎn)品的安全性是每一個產(chǎn)品都必須滿足的安全品質(zhì)，自動化產(chǎn)品的安全品質(zhì)首先表現(xiàn)在防爆安全、電氣安全與機械安全等方面，也就是說，產(chǎn)品使用過程中不能對人體與環(huán)境產(chǎn)生如觸電、電擊、熱燙、著火、爆炸、機械等直接的傷害。
自動化產(chǎn)品的系統(tǒng)安全性主要表現(xiàn)在功能安全方面。獨立的儀表及自動化產(chǎn)品不存在功能安全問題，但它用于組合成安全控制系統(tǒng)或安全保護系統(tǒng)時，就需要考慮它執(zhí)行某一特定安全功能的能力，用SIL表示，即產(chǎn)品的安全完整性能力（SIL Capable），或稱為該產(chǎn)品最大可聲明的SIL等級。
這很像由多塊木板組成的一個木桶，拿出任何一塊木板，問這塊木板能不能讓桶里的水保持1米的水位，誰都回答不了。組成這個木桶的每一塊木板必須足夠長，才能組成一個能裝至少1米深水的木桶。
產(chǎn)品具有越高等級的SIL，就表示該產(chǎn)品可以被用于更高等級的安全相關(guān)系統(tǒng)中，有能力承擔(dān)更高等級的風(fēng)險控制任務(wù)。
具有SIL能力的產(chǎn)品，或稱為功能安全型產(chǎn)品的主要特征是能有效地避免故障與失效。對于純硬件組成的產(chǎn)品，技術(shù)的核心集中在如何避免硬件隨機失效，而對于由軟硬件組合的自動化產(chǎn)品，技術(shù)的核心除了考慮避免硬件隨機失效，還要避免系統(tǒng)失效。系統(tǒng)失效是只有對設(shè)計或制造過程、操作規(guī)程、文檔或其它相關(guān)因素進行修改后，才有可能排除的失效。
概要地說，儀表與自動化產(chǎn)品如果聲稱具有安全完整性能力，它必須具有以下特性：
（1）有確定、較高的產(chǎn)品可靠性
提高產(chǎn)品可靠性，就是降低硬件中由一種或幾種機能退化可能產(chǎn)生的隨機失效率。該失效率是SIL中唯一可用可靠性工程方法定量確定的部分，根據(jù)每個組成部件的失效率、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)狀態(tài)、約束條件等參量，分析計算，可優(yōu)化出PFD（要求時的失效率），從而控制硬件的隨機失效。
（2）有較高的容錯（故障）能力
目前在行業(yè)內(nèi)流行的叫法是“容錯”，也有叫“故障容忍度”，在IEC61508標準中正式的術(shù)語是“硬件故障裕度”。一般采用冗余技術(shù)來提高硬件故障裕度。硬件故障裕度為0，就如一個單通道系統(tǒng)，出現(xiàn)一個故障就會導(dǎo)致該通道功能喪失。故障裕度為1就如1oo2系統(tǒng)，出現(xiàn)一個故障時仍能正常工作，只有兩個故障同時出現(xiàn)才會導(dǎo)致系統(tǒng)的功能喪失。故障裕度為2就如1oo3系統(tǒng)，它能在2個故障同時發(fā)生時仍能正常工作，只有3個故障同時出現(xiàn)才會導(dǎo)致系統(tǒng)的功能喪失。
有一點要著重強調(diào)的：采用冗余方法提高自動化產(chǎn)品的SIL等級時，必須考慮共同原因失效問題，也就是說，必須盡力防止一個故障導(dǎo)致幾個冗余通道同時失效的問題。這就是為什么用“硬件故障裕度”來評價產(chǎn)品的SIL等級，而不是直接用冗余數(shù)來評價SIL等級。西門子、皮爾磁等公司在他們的安全產(chǎn)品中，采用3個不同公司生產(chǎn)的微處理器來構(gòu)成3個冗余通道，就是為了避免共因失效，提高產(chǎn)品的容錯能力與安全性能。
（3）具有較高自診斷覆蓋率
對自動化產(chǎn)品來說，安全失效分數(shù)的定義為該產(chǎn)品的平均安全失效率加檢測到的平均危險失效率與子系統(tǒng)總平均失效率之比。提高安全失效分數(shù)，就是提高產(chǎn)品的故障安全能力，也就是說，當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)故障時，具有的使系統(tǒng)以安全的方式失效的能力。提高安全失效分數(shù)的辦法有很多，最重要的就是提高診斷覆蓋率，也就是用各種內(nèi)部診斷的方式將可能導(dǎo)致危險的失效檢測出來，提高診斷測試檢測到的危險失效概率在危險失效總概率中的比例。
（4）有嚴格管理的開發(fā)過程
由于硬件和軟件設(shè)計時存在的技術(shù)缺陷，會直接導(dǎo)致系統(tǒng)失效，因此，產(chǎn)品的開發(fā)過程中必須采取措施，有效控制硬件和軟件設(shè)計錯誤引起的系統(tǒng)失效。
（5）能有效抵御環(huán)境應(yīng)力影響
環(huán)境因素，如電壓波動、電磁干擾、環(huán)境溫度、濕度、水、振動、灰塵、腐蝕物等的影響可能直接導(dǎo)致系統(tǒng)失效，因此，應(yīng)研究并應(yīng)用抗環(huán)境應(yīng)力的技術(shù)與措施，有效控制系統(tǒng)失效。
（6）能避免因操作失效導(dǎo)致系統(tǒng)功能失效
操作員動作失誤是導(dǎo)致系統(tǒng)失效的重要原因，因此，產(chǎn)品設(shè)計時就要充分考慮到操作員失誤的可能性，并采取措施，有效避免由此而導(dǎo)致的系統(tǒng)功能失效。
（7）在系統(tǒng)安全生命周期不同階段采取措施避免系統(tǒng)失效
在系統(tǒng)與產(chǎn)品的整個生命周期中，有許多原因會導(dǎo)致系統(tǒng)失效，但不可能為避免系統(tǒng)失效進行定量分析。通常可以將系統(tǒng)失效分為兩類：
·失效由產(chǎn)品安裝之前或產(chǎn)品安裝之中的故障誘發(fā)（例如，軟件故障包括規(guī)范和程序故障；硬件故障包括制造故障和部件的不正確選擇）；
·失效由產(chǎn)品安裝之后的故障誘發(fā)（例如，硬件隨機失效，或使用不當(dāng)引起的失效）。
為了在系統(tǒng)安全生命周期的安全要求規(guī)范、設(shè)計開發(fā)、集成、操作和維護規(guī)程、安全確認等階段避免和控制上述情況發(fā)生引起失效，必須采取大量技術(shù)與措施，包括：項目管理、遵循指南和標準、編制文檔、分離開E/E/PE安全相關(guān)系統(tǒng)與非安全相關(guān)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)化規(guī)范、結(jié)構(gòu)化設(shè)計、模塊化、功能測試、操作和維護說明書、用戶友善性、維護友善性、在環(huán)境條件下測試功能、浪涌抗擾性測試、故障插入測試（當(dāng)要求的診斷覆蓋率≥90%時）、形式化方法、半形式化方法、計算機輔助規(guī)范工具、檢查列表、規(guī)范的檢查、經(jīng)充分試驗過的部件使用、仿真、硬件的檢查、硬件的走查、受限的操作可能性、僅可由熟練操作員操作、防止操作員出錯、黑盒測試、統(tǒng)計測試、現(xiàn)場經(jīng)驗、靜態(tài)分析、動態(tài)分析、失效分析、最差情況分析、擴展的功能測試、最差情況測試、故障插入測試等等。
3 結(jié)束語
從上世紀70～80年代國際上推出故障安全型儀表與設(shè)備，到2000年發(fā)布功能安全基礎(chǔ)標準，國際上對自動化產(chǎn)品與系統(tǒng)的安全性問題已經(jīng)提出并有了一套解決方案，但是這套方案還在不斷修改與完善之中。在我國，越來越多的用戶已經(jīng)使用了安全控制設(shè)備或系統(tǒng)，也有很多企業(yè)準備開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品，在了解安全性的同時，明確知道這類產(chǎn)品的安全特性對其是十分重要的。
——轉(zhuǎn)自《自動化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號