功能安全在電梯領域的應用

文/梁驍

功能安全在電梯領域的應用

文/梁驍

通過北京自動扶梯安全事故引入IEC 61508《電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全》國際標準，對功能安全概念、整體安全生命周期的各個階段及安全完整性等級進行了介紹；并對功能安全在電梯領域的應用作了具體解析。

功能安全 整體安全 生命周期 安全完整性等級

當前我國電梯產量、電梯保有量、年增長量均為世界第一。然而不斷增長的電梯數量，給電梯安全使用帶來了挑戰。據國家質檢總局的統計數據顯示，隨著電梯保有量的增加和使用年限的增長，我國近年來每年因電梯事故導致的人員傷亡有40余人，呈上升趨勢。

一、電梯事故案例起因分析

《特種設備事故報告和調查處理規定》中明確指出特種設備事故的發生主要由兩方面造成：一方面是由相關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造成的。經過多年的實踐和發展，電梯在設計上是有較完備的安全保護措施的，如電梯有上行超速保護裝置、層門門鎖裝置等；自動扶梯、自動人行道有梯級鏈斷裂保護裝置、非操縱逆轉保護裝置、驅動鏈斷裂保護裝置等。同時，國家標準及安全技術規范中還規定電梯制造廠商必須配置這些保護措施和裝置，電梯產品出廠前必須要安裝好保護裝置。既然電梯已有了這些保護裝置，在突發事件發生時應能保護設備及乘客的財產及生命安全，可事實并非如此。

2011年7月5日上午9點36分，北京地鐵四號線動物園站A口上行自動扶梯發生設備故障，正搭乘電梯的部分乘客出現摔倒、擠壓情況，致1名男孩死亡，多人受傷。經調查，導致此次事故發生的原因是：涉事自動扶梯在運行過程中，驅動主機固定螺栓發生斷裂，造成主機傾覆、驅動鏈條脫落，梯級失去上行動力，在梯級自重及乘客的作用下逆向下滑，附加制動器開關未正常啟動。

據官方調查顯示，涉事自動扶梯已設置了附加制動器、斷鏈等保護裝置，可事故發生時，自動扶梯的防斷裂、防逆轉等保護裝置并未動作，梯級制動失效，致使人員傷亡事故發生。

二、功能安全的引入

任何設備在運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故障的發生是要我們認真去解決的問題。但對于與安全相關的電氣元器件及控制系統的失效或故障，卻沒有引起足夠的重視。要從根本上避免風險，不能僅僅是停留在安全保護和防護，而是要解決與安全相關控制系統的設計、元器件的選擇及軟件的驗證等根本問題，這些則屬于功能安全的范疇。

國際電工委員會在2000年2月發布了功能安全基礎標準——IEC 61508《電氣/電子/可編程電子E/E/PE安全相關系統的功能安全》系列標準。在應用過程中發現該標準內容尚不夠全面、明確，經過幾年的補充和修訂，近期發布了最新版本IEC 61508。IEC 61508作為功能安全的基礎標準，在新版標準中明確提出了安全相關系統的功能安全，給出了一個全面的電氣/電子/可編程電子系統功能安全管理的框架。它是一個技術理念、科學的評估體系和優化的管理手段的集合，可應用于機械制造、流程工業、運輸、醫藥等所有領域。

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

無論零部件或者整體系統發生的失效是隨機失效、系統失效還是共因失效，都不會導致安全系統的故障，進而不會對人員或者環境產生危害，那么這個系統在功能上就是安全的。功能安全是安全儀表系統中能否有效執行其安全功能的體現，它是一種基于風險的安全技術和管理模式。

功能安全管理的目的就是確定對達到E/E/PE安全相關系統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活動。

按照IEC 61508要求，安全相關產品從概念、設計實現、整體安裝和試運行、操作直至停用等每個階段都要采取故障避免和控制措施并且經過驗證和確認。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處不在。整體安全生命周期是安全相關系統實現過程中所必須的生命活動，這些活動的發生從一項工程的概念階段開始，直到所有E/E/PE安全相關系統、其他技術安全相關系統，以及外部風險降低設施停止使用為止的一段時間內。整體安全生命周期構建了功能安全管理的框架，其基本思想是功能安全相關的所有活動都是按一個有計劃的系統方法進行管理。

IEC 61508標準作為一項用于工業領域的國際通用標準，功能安全早已在飛機、鐵路、汽車等領域運用，目前在電梯領域功能安全的理念也在逐漸得到運用。

①PESSRAL和PESSRAE

用于電梯的可編程電子安全相關系統（PESSRAL）及用于自動扶梯和自動人行道的可編程電子安全相關系統（PESSRAE）是功能安全在電梯領域應用的最好體現。

目前我國無論是電梯還是自動扶梯、自動人行道，在控制及驅動技術上已經相當先進，但是保證電梯安全的相關技術這幾十年卻基本上沒有變化。

由于與安全相關方面的設計全部是面向機械或電氣的設計，這些安全部件均是基于最基本的機械、電氣原理和測試。在滿足維修要求的情況下，理論上不會出問題，這給電梯設計者和使用者提供了相對程度的安全感。

我國電梯數量雖多，但電梯的使用頻率也居高不下。由于電梯機械部件可靠性的限制，經常發生由于磨損、調整不當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運行就十分復雜、緩慢。

因此，在電梯領域運用PESSRAL和PESSRAE系統，能進一步提高電梯的安全性和監控能力。同時還可以提高電梯的可靠性和故障的可預測性，避免因觸點的污漬、燒蝕或機械損壞導致電梯故障的發生。

②SIL

安全完整性等級（SIL）是功能安全的一部分，是一個描述安全相關系統安全功能失效概率的指標，即當要求它不起作用時它不能起作用的概率?？煞謨煞N情況，一種針對低要求情況，即要求安全相關系統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用每當要求時其失效的概率來表示；另一種針對高要求或連續操作的情況，即連續操作或要求安全相關系統的安全功能起作用的頻率大于每年一次，這種情況下，安全完整性等級用每小時危險失效數來表示。

在IEC安全標準中，定義有4種SIL，分別是SIL 1、SIL 2、SIL 3、SIL 4。在功能安全的執行上，SIL 4是最可靠的，SIL 1是最不可靠的。

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

三、結語

綜上所述，IEC 61508國際標準是安全相關系統的通用標準，通過危險分析和風險分析確定允許風險，通過必要的風險降低確定安全完整性等級要求，具有用技術手段改進安全和經濟功能，對安全相關系統具有重大意義和重要地位，各個領域的安全相關系統都必須遵循這個標準，電梯領域也不例外。按照安全生命周期各階段的要求，設計、開發及電梯安全的相關系統，為電梯的設計、使用提供強有力的安全保障。

[1] 史學玲.功能安全標準的理論特點與管理模式[J].儀器儀表標準化與計量:2006,4:2-4.

[2] 陽憲惠.安全儀表系統的功能安全[M].北京:清華大學出版社,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：上海市特種設備監督檢驗技術研究院）