自動化控制系統的風險分析與控制

文/何瓊 湖南有色冶金勞動保護研究院

自動化控制系統的風險分析與控制

文/何瓊 湖南有色冶金勞動保護研究院

自動化控制系統概述

縱觀國內外自動控制系統的現狀及發展趨勢，三電一體化是發展的主流。三電（電氣、自動化儀表、過程控制計算機一體化控制系統）具有功能分配合理、系統構成簡捷、綜合投資經濟等優點，得到了越來越廣泛的應用。

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

一級（L1）是電氣、儀表系統組成的基礎自動化級；

二級（L2）是以過程計算機為中心的過程控制級。

三電系統之間采取以太網高速數據通道進行連接，構成多級數據通信網絡系統。

電氣、儀表系統采用電儀一體化的基礎自動化設備，系統由可編程序控制器、彩色大屏幕監控系統和高速數據通道組成。

系統中主要危險、有害因素辨識

危險因素是指能對人造成傷亡或對物造成突發性損害的因素，有害因素是指能影響人的身體健康、導致疾病，或對物造成慢性損害的因素。存在能量、有害物質和失控是危險、有害因素產生的根本原因。

自動控制系統的危險有害因素可能來自以下幾個方面：系統自身、系統與其他機器或裝置的相互作用、系統所在的物理環境、操作人員和系統的相互作用等。

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

1、機械危害

（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，如由于彈簧或機械結構破損。

（4）振動可能成為危險源，如由于材料疲勞或發出過大聲音。

（5）溫度可能成為危險源，如熱的物體。

01—02.電氣、儀表系統組成的基礎自動化(L1)

03—04.以過程計算機為中心的過程控制(L2)

（6）磨損可能成為危險源，如釋放有毒粒子或者使部件變弱。

（7）機械結構可能成為危險源，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，如由于發生短路（熱）或絕緣擊穿（電擊）。自動化控制系統中存在大量電氣設備，因此存在電氣火災事故危害。電氣設備如果長時間過負荷運行，會產生大量熱量，電氣設施內部絕緣損壞，保護監測裝置失效，可能造成電氣火災事故；另外，配電線路、開關、熔斷器、插銷座、電熱設備、照明器具、電動機等均有可能成為電氣火災的引燃源。

3、電磁場危害

系統能發出不同強度和頻率的電磁場，這些電磁場可能成為危險源。電磁場對人體的傷害表現為能導致新陳代射變化、眼損傷或器官受損，對設備的影響為導致電磁干擾、數據改變等。

導磁物質能積聚在磁場內也會產生危害。例如，磁性物質積聚在永久磁鐵氣隙內會嚴重影響受力線圈和檢流計的轉動甚至完全受阻。同樣，磁性物質積聚在轉子和定子之間會嚴重損壞電動機。

4、光危害

系統能發出不同強度和頻率的光，這些光可能成為危險源，如短路或光學發射器工作會產生和傳播強度可達到危險程度的光。光能導致人員眼損傷或灼傷，導致設備材料特性改變。

5、放射性危害

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

6、生物危害

生物可能成為控制系統的危險源。溫熱氣候條件下的植物區內霉菌最具有侵蝕性；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；蟑螂和嚙齒動物等經常會啃咬導線上的絕緣材料，導致絕緣材料受損。

7、化學危害

大量采用過程控制裝置和控制系統的工業化地區普遍存在一般程度的污染，被控制的工業過程會將各種污染物帶進現場環境，造成使用過程控制裝置的局部區域確實存在污染程度比較高的現象。在多數情況下，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重的危害。

系統和系統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，例如化學活性污染物產生腐蝕影響，砂塵阻塞產生侵蝕影響。不同種類的污染物還會混合出現，各種氣體、蒸汽和液體污染物主要產生腐蝕影響，而固體污染物則可能產生有害的侵蝕、腐蝕、熱或電磁影響。

8、氣候條件影響

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

（1）有氣候防護的場所

A級：空調場所

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）無氣候防護的場所

D級：戶外場所

這些場所類型是以氣候條件參數及其極限值適當組合為依據確定的，對應的氣候等級如表1所示。

溫度應是局部環境中某個具有代表性的點上（包括發熱裝置附近）測得的場所溫度。同時應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。當一些儀表集中于一處時，由于儀表產生的熱量，實際的空氣溫度和相應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級應包括陽光輻射。單側輻射或冷風等現象造成的局部環境空間中的溫度梯度，能在裝置中產生熱應力。

對出現冷凝、降水和結冰等現象，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境壓力。

（1）空調場所（A級）

在空調場所中，空氣溫度和濕度都被控制在規定的極限值范圍內。這些場所常用于需要一個受控大氣環境的過程控制計算機和其他電子設備。裝有過程控制關鍵設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定的極限值范圍內。這類場所通常用于控制裝置中那些需操作人員連續監視操作的場所（即該場所為非空調場所）。

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

（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，不直接受到諸如陽光輻射、雨淋、其他形式的降水以及全風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，通常也是采用自然通風方式。最低溫度可低到與戶外大氣條件下的溫度相當；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、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），濕度值增加導致貯藏的裝置上產生冷凝現象。

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

掩蔽場所可能出現冷凝現象。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、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、雨、冰雹、凍雨、雪和結冰之類的侵襲。

傳感器、變送器、執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。

應該注意到戶外場所的大氣溫度會發生迅速變化，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。

戶外場所可能出現偶然的冷凝現象。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的安全性有較大的影響。

風險控制措施

現針對自動化控制系統可能存在的風險，提出一些事故防范措施，以降低和排除系統中的危險有害因素。

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

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

2、系統或系統部件設計必須說明：對物理環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。項目單位應該保證滿足這些條件，或者提供替代手段，并保證系統在按照技術條件要求的環境條件下運行。

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

4、控制系統的設計、組裝、安裝、使用雖無法避免系統內的單個控制部件失效而產生停機動作，但是應保證在故障排除之前，系統不再啟動或繼續運行。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的控制部件的失效保護，通常采用多部件或多路的并聯或串聯來實現控制。部件的失效保護不應僅依賴簡單冗余。

（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”是基于事故出現時，人員能及時從危險區內退出。

（4）監測控制功能

采用“監測控制功能”措施為的是識別故障，并當發現故障時應能發出一個安全信號（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現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、不經常動作的滑閥的周期性轉換動作、壓力閥、無彈性作用的脈沖閥。

在液壓或氣動系統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安全功能（如復原動作）。如有必要應提供防止后繼危險（如：由于壓力下降、主管路關閉、泄漏管路破裂等所引起的危險）的附加措施，如機械力鎖定、可解鎖單向閥等。

5、附加安全措施

當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，必須采取諸如機械安全保護、備用照明等補充措施。

通過對自動化控制系統進行危險有害因素辨識，系統可能存在的危險、有害因素主要有：機械危險源、電氣危險源、電磁場、光、放射性危險源、生物危險源、化學危險源（腐蝕和侵蝕影響）、氣候影響等。系統中存在的危險有害因素所引起的風險，可以通過采取相應的安全技術措施和管理措施，得到有效控制，以減少安全事故的發生或消除事故隱患，減輕職業危害。因此，企業應遵循消除、預防、減弱、隔離、連鎖原則，按國家的有關法規、標準及設計規范的規定采取合理的控制措施，以確保安全生產工作順利進行。