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標準，重點在于舞臺機械控制系統安全相關的內容，同時闡述了舞臺機械專業的國 內外差距。

【關鍵詞】 安全完整性等級；舞臺機械；控制系統；標準；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 我國舞臺機械行業與國際先進水平的差距

4.1 客觀評價我國舞臺機械行業的技術水平

自國家大劇院1998年開始啟動建設以來，我國劇場建設連續20年蓬勃發展，取得了舉世矚目、令人驕傲的成績。國產的舞臺機械（含控制系統）裝備了國內絕大多數劇場，少數還出口國外。據報道，機械設備（含控制系統）的國產化率很高（達80%到90%）。在肯定成績的同時也使不適當的拔高說法有了市場。例如：認為“我國舞臺機械設的產品品質、生產工藝、生產流程等方面與國外先進水平差距不大”，甚至認為“國內骨干企業的機械設備技術達到了國際舞臺機械設備的領先水平”，“產品已經形成多個系列”，通用產品開始標準化、系列化等等。

個人認為，我國舞臺機械（含控制系統）行業的技術水平與國際還有明顯的差距，除了劇場建設因配置形式單一帶來的諸多問題外，標準奇缺（特別是設計標準、設備及管理安全標準、單機及系統使用操作標準、產品系列參數標準、維護及保養標準、控制系統標準等）、設計理念（例如安全設計的理念、系統控制的理念等）偏差、設計方法不當（機械與電氣設計分離、舞臺機械與劇場整體設計分離等）、設備及機構不完善（制動器沒有單獨的安全檢測裝置、松繩——欠載控制機械裝置不靠譜、高速吊機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）、控制安全系統要求低（當前使用的PLC系統是基于程序控制而非運動控制概念，SIL3要求的多個運動控制功能無法達到）等方面的差距是明顯的。試想，舞臺機械專業的標準規范總數不超過10個，其產品如何達到標準化？連舞臺機械設備參數系列標準都沒有，怎么奢談系列化？設計、設備和安全控制等方面存在的明顯差距，豈能空談機械設備技術達到了國際舞臺機械設備的領先水平？

只能說，我國舞臺機械的設備技術只能夠滿足當前劇場低水平（演出場次不多、舞臺機械使用頻率不高、機械設備動作復雜及控制嚴格的歌劇舞劇演出場次極少等）的演出需求，與西歐先進國家舞臺機械在演出中的使用頻率、復雜程度以及對控制系統的嚴格要求，有著明顯的差異。至少水平仍有較大的提升空間，需要業內同仁不斷努力，在標準建設（完善專業標準系列）、設計理念與方法、基礎研究（如高速卷揚機的降噪材料研究、高速卷揚機制動機能研究、新型松繩機構研究等）、系統控制安全設計（從普通的程序控制向運動控制的功能性轉變等）等方面，提高要求，迅速趕上國際先進水平。

4.2 從滿足SIL3安全完整性要求談國內外差距

4.2.1 差距主要表現在控制系統

除上文提到的舞臺機械專業與國外的差距（標準的、設計的、管理的、基礎研究的等）外，從滿足SIL3安全完整性要求出發，可以認為舞臺機械系統與國外的差距，機械專業和控制專業都有，但控制系統表現更為突出，而且差距明顯。目前國內控制系統的主流是PLC系統，由于我們的設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的設計理念是基于系統的運動控制，用有效的運動控制方法達到系統整體安全的目的。國內現有的PLC系統完全達不到國外軸控制系統的安全完整性等級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進行SIL3達標改造，在技術、工期、投資等方面有很多問題。實際上，PLC系統也有運動控制，如西門子的產品就有PLC系統運動控制器。但無論是改造或是新設計，其投資不菲。歐洲先進國家采用的是各制造廠為舞臺機械控制專門開發的軸控制器（軸運動控制器），產品完全符合控制系統的功能安全理念并達到SIL3的要求。以往由于沒有從SIL3對控制的根本要求出發，對軸控制器乃至國外整個控制系統的認識比較膚淺，一些評價有失偏頗，往往強調了軸控制器的缺點而沒有看到它的優越性能。對國內使用的PLC系統只看到它能使用（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、售后服務不及時等問題。

據報道，2018年初，大豐舞臺設計研究院率先研發了國內首臺軸控制器，已經通過了德國T?V的認證，并成功在廣西柳州文化中心劇院等工程使用。其技術參數和專業功能已達到歐洲主要廠商產品的同等水平，價格卻有大幅度的降低。大豐的研究成果和這一產品的成功應用，有望大大提高我國舞臺機械設備的裝備水平，迅速縮小與國外的差距。

4.2.2 安全控制系統的具體差距

（注：以下所述除少數外均為現PLC控制不具備、或不能達到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，受控設備必須配置載荷傳感器，它的作用是：

· 過載保護：在120%額定載荷時設備不能提升運動。

· 欠載保護：即常常稱為松繩保護，簡化了設備結構，保護更準確。

· 復雜運動時精確計算運動曲線，確保運動平穩。

· 某些情況下，可以滿足設備輕載高速、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：升降設備的雙制動器必須能進行單個制動器的性能測試。

· 制動器安全控制SBC（Safe Brake Control）：設備在使用狀態，確保關斷驅動轉矩，并對制動器的制動力矩定時檢測，確保設備靜態、動態的狀態安全；

· 制動器安全測試SBT（Safe Brake Test）：對靜態制動器施加一定轉矩，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SS0（Safe Stop0）：即不可控急停，觸發時直接斷開電源；

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

注：標準中規定了0類和1類緊急停機，且0類緊急停機優先，由于0類緊急停機產生巨大的慣性力，對設備本身和建筑結構不利，近來采用1類緊急停機的越來越多。

（4）運動及精度控制檢測

· 速度控制

安全極限速度：限制設備的最大運行速度，一般為額定速度的125%；

系統默認速度：當操作選定速度超出設備速度參數時，以設定的系統默認速度（一般為額定速度的80%）運行；

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

速度誤差控制：實時檢測演出場景設定的速度是否在規定的誤差范圍內，超出速度誤差范圍時，即發出停機信號。

· 位置控制

場景安全位置限制：檢測設備的所有實際使用位置必須在場景設定的允許范圍內，而不是設備的限位開關限定的范圍，即常說的場景參數設置；

雙編碼器位置測試：雙編碼器的數據進行比較，如果其中一個超出規定誤差，則會產生錯誤信息，并進行自動調整補償。必要時會啟動停機程序。

· 方向控制：保證電動機只能按規定方向運轉，以處理事故并避免事故進一步發展。

在設備的安全開關觸發進行事故處理后，設備第一次運轉的方向必須是產生事故的反方向，即向減小事故趨勢的方向運行。如：

吊桿下降時松繩保護開關觸發停機后，處理事故后吊桿的運行方向必須是提升；

吊桿上升時跳槽保護開關觸發停機后，處理事故后吊桿的運行方向必須是下降；

升降臺上升時防剪切開關觸發停機后，處理事故后升降臺的運行方向必須是下降；

升降臺下降時防剪切開關觸發停機后，處理事故后升降臺的運行方向必須是上升；

（5）成組設備運動控制

· 鎖定型編組

場景需要固定連接到多個舞臺機械設備上，鎖定型編組中所有的舞臺機械設備必須以相同的速度同步運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備間出現速度或位置偏差，引起場景的傾翻或扭曲等危險情況發生，系統應該高速監控該組內各設備的速度和位置，當該組中任一設備的速度和位置超出誤差允許范圍時，系統應停止該組內所有運行的設備，系統發出的停止命令應該是緊急停機命令（EMS）。

注：還有時間同步編組，即在不同位置的設備在相同時間內，運行不同的距離，到達同一設定目標位置。

· 安全型編組

用于控制速度、距離等參數組合復雜的設備組的運行。在這種情況下操作的失誤將導致場景及設備碰撞或損壞等危險情況。系統必須高速監控該組中所有運行設備的速度和位置，當該組中的任一設備沒有按照預先設定或計算出的速度曲線運行，或者速度或位置的偏差超出了系統允許的誤差范圍時，系統必須立即停止該組內所有設備的運行，系統發出的停止命令應該是緊急停機命令（EMS）。

· 聯鎖型編組

用于控制按設定順序運動并有聯鎖關系的設備組的運行。當該組中任一設備的運動順序不符合聯鎖關系或發生故障時，系統必須立即停止該組內所有設備的運行，系統發出的停止命令應該是緊急停機命令（EMS），以免損壞設備和發生危險情況。

· 自由型編組

用于控制相互之間獨立的多個設備的同時聯合運行。自由型編組允許各設備的運行獨立于其他設備，按照預先設定的速度圖和動作距離來運行。當該組中任一設備的速度或位置的偏差超出系統允許的誤差范圍時，系統將發出針對單個設備的停止命令，而其他正常運行的設備不受任何影響。

以上所述運動及其誤差控制，在故障或事故狀態下也同樣適用。

（6）其他：

· 加速度限制控制；

· 安全加速度范圍控制；

· 電動機繼電器的反饋控制；等。

5 結束語

通過以上討論，可以得出以下結論：

（1）安全完整性等級SIL風險評估系統是適用于控制、機械等行業并被世界廣泛認可的風險評估方法。

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

（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險。

（4）如果安全裝置激活，設備應在運行方向停止下來。應該允許與危險運行方向相反的運動。

（5）所有安全裝置的功能應能夠進行檢測。

（6）為應對各類可能產生的故障（速度調節、限位開關、載荷、速度、位置、運動誤差等），提供可靠保護。

（7）不同演出藝術門類劇場的舞臺機械設備、甚至同一劇場內的舞臺機械設備，并不都是一個安全完整性等級，應在風險分析的基礎上，選擇舞臺機械設備的安全功能和安全完整性等級SIL。作者認為：高速和運動關系復雜的舞臺機械設備如吊桿機、單點吊機、臺下設備（有同步運動和連鎖運動要求）的安全完整性等級應為SIL3；低速、簡單運動和舞臺范圍外的機械設備如燈光設備、臺口區設備（防火幕、大幕機、假臺口等）、布景轉運及儲存設備、布景組裝設備、防火隔聲設備等的安全完整性等級應為SIL2。

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

鑒于中外戲劇、劇場和舞臺機械行業發展階段的不同，中外文化及意識形態的差異，演出劇目及舞美設計對安全等級要求的不同，以上提出的差距和問題，應從我國的實際狀態出發，既安全第一，又區別對待，用不同的模式解決劇場的現實問題。特提出幾點建議、最好能制定出相關標準：

（1）按專業劇場演出藝術門類的不同，規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械控制也有不同的要求；

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

（3）除上文第（7）條外的劇場其他設備，應按劇場分類、技術分級的不同，依據風險分析的方法，分別進行風險分析，確定各自的安全完整性等級。