安全完整性等级（SIL）杂谈（二）

段慧文

【摘 要】 介绍安全完整性等级的相关标准，重点在于舞台机械控制系统安全相关的内容，同时阐述了舞台机械专业的国 内外差距。

【关键词】 安全完整性等级；舞台机械；控制系统；标准；差距

文章编号： 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 我國舞台机械行业与国际先进水平的差距

4.1 客观评价我国舞台机械行业的技术水平

自国家大剧院1998年开始启动建设以来，我国剧场建设连续20年蓬勃发展，取得了举世瞩目、令人骄傲的成绩。国产的舞台机械（含控制系统）装备了国内绝大多数剧场，少数还出口国外。据报道，机械设备（含控制系统）的国产化率很高（达80%到90%）。在肯定成绩的同时也使不适当的拔高说法有了市场。例如：认为“我国舞台机械设的产品品质、生产工艺、生产流程等方面与国外先进水平差距不大”，甚至认为“国内骨干企业的机械设备技术达到了国际舞台机械设备的领先水平”，“产品已经形成多个系列”，通用产品开始标准化、系列化等等。

个人认为，我国舞台机械（含控制系统）行业的技术水平与国际还有明显的差距，除了剧场建设因配置形式单一带来的诸多问题外，标准奇缺（特别是设计标准、设备及管理安全标准、单机及系统使用操作标准、产品系列参数标准、维护及保养标准、控制系统标准等）、设计理念（例如安全设计的理念、系统控制的理念等）偏差、设计方法不当（机械与电气设计分离、舞台机械与剧场整体设计分离等）、设备及机构不完善（制动器没有单独的安全检测装置、松绳——欠载控制机械装置不靠谱、高速吊机钢丝绳偏角修正装置不全、防火幕下降到位检测装置缺失等）、控制安全系统要求低（当前使用的PLC系统是基于程序控制而非运动控制概念，SIL3要求的多个运动控制功能无法达到）等方面的差距是明显的。试想，舞台机械专业的标准规范总数不超过10个，其产品如何达到标准化？连舞台机械设备参数系列标准都没有，怎么奢谈系列化？设计、设备和安全控制等方面存在的明显差距，岂能空谈机械设备技术达到了国际舞台机械设备的领先水平？

只能说，我国舞台机械的设备技术只能够满足当前剧场低水平（演出场次不多、舞台机械使用频率不高、机械设备动作复杂及控制严格的歌剧舞剧演出场次极少等）的演出需求，与西欧先进国家舞台机械在演出中的使用频率、复杂程度以及对控制系统的严格要求，有着明显的差异。至少水平仍有较大的提升空间，需要业内同仁不断努力，在标准建设（完善专业标准系列）、设计理念与方法、基础研究（如高速卷扬机的降噪材料研究、高速卷扬机制动机能研究、新型松绳机构研究等）、系统控制安全设计（从普通的程序控制向运动控制的功能性转变等）等方面，提高要求，迅速赶上国际先进水平。

4.2 从满足SIL3安全完整性要求谈国内外差距

4.2.1 差距主要表现在控制系统

除上文提到的舞台机械专业与国外的差距（标准的、设计的、管理的、基础研究的等）外，从满足SIL3安全完整性要求出发，可以认为舞台机械系统与国外的差距，机械专业和控制专业都有，但控制系统表现更为突出，而且差距明显。目前国内控制系统的主流是PLC系统，由于我们的设计理念基于过程控制，虽然表面上满足了剧场的使用要求，实际上只是低水平的要求。而SIL3的设计理念是基于系统的运动控制，用有效的运动控制方法达到系统整体安全的目的。国内现有的PLC系统完全达不到国外轴控制系统的安全完整性等级SIL3的要求，只是一般意义上的程序控制。要对全国大部分剧场的控制系统进行SIL3达标改造，在技术、工期、投资等方面有很多问题。实际上，PLC系统也有运动控制，如西门子的产品就有PLC系统运动控制器。但无论是改造或是新设计，其投资不菲。欧洲先进国家采用的是各制造厂为舞台机械控制专门开发的轴控制器（轴运动控制器），产品完全符合控制系统的功能安全理念并达到SIL3的要求。以往由于没有从SIL3对控制的根本要求出发，对轴控制器乃至国外整个控制系统的认识比较肤浅，一些评价有失偏颇，往往强调了轴控制器的缺点而没有看到它的优越性能。对国内使用的PLC系统只看到它能使用（处于低水平）、价格低（安全性能差）、易掌握（缺乏安全性）、能满足低水平演出使用等方面，而没有从SIL3的基本要求去衡量。国外的专用轴控制器也确有诸如不通用、价格高、备品备件获得受厂商“终生”控制、售后服务不及时等问题。

据报道，2018年初，大丰舞台设计研究院率先研发了国内首台轴控制器，已经通过了德国T?V的认证，并成功在广西柳州文化中心剧院等工程使用。其技术参数和专业功能已达到欧洲主要厂商产品的同等水平，价格却有大幅度的降低。大丰的研究成果和这一产品的成功应用，有望大大提高我国舞台机械设备的装备水平，迅速缩小与国外的差距。

4.2.2 安全控制系统的具体差距

（注：以下所述除少数外均为现PLC控制不具备、或不能达到SIL3要求的功能，以黑体字表示）

（1）载荷安全控制

为了载荷安全控制，受控设备必须配置载荷传感器，它的作用是：

· 过载保护：在120%额定载荷时设备不能提升运动。

· 欠载保护：即常常称为松绳保护，简化了设备结构，保护更准确。

· 复杂运动时精确计算运动曲线，确保运动平稳。

· 某些情况下，可以满足设备轻载高速、重载低速的特殊指令。

（2）制动器安全检测

· 单制动器分别检测：升降设备的双制动器必须能进行单个制动器的性能测试。

· 制动器安全控制SBC（Safe Brake Control）：设备在使用状态，确保关断驱动转矩，并对制动器的制动力矩定时检测，确保设备静态、动态的状态安全；

· 制动器安全测试SBT（Safe Brake Test）：对静态制动器施加一定转矩，周期性测试制动器的实际位移，确保制动器安全，避免载荷自动滑落。

（3）安全停止SS（Safe Stop）：

0类紧急停机SS0（Safe Stop0）：即不可控急停，触发时直接断开电源；

1类紧急停机SS1（Safe Stop1）：即可控急停，触发时先定时控制减速然后切断电源。

注：标准中规定了0类和1类紧急停机，且0类紧急停机优先，由于0类紧急停机产生巨大的惯性力，对设备本身和建筑结构不利，近来采用1类紧急停机的越来越多。

（4）运动及精度控制检测

· 速度控制

安全极限速度：限制设备的最大运行速度，一般为额定速度的125%；

系统默认速度：当操作选定速度超出设备速度参数时，以设定的系统默认速度（一般为额定速度的80%）运行；

安全速度控制：实时检测演出场景设定的速度并进行限制，一般为设定速度的125%；

速度误差控制：实时检测演出场景设定的速度是否在规定的误差范围内，超出速度误差范围时，即发出停机信号。

· 位置控制

场景安全位置限制：检测设备的所有实际使用位置必须在场景设定的允许范围内，而不是设备的限位开关限定的范围，即常说的场景参数设置；

双编码器位置测试：双编码器的数据进行比较，如果其中一个超出规定误差，则会产生错误信息，并进行自动调整补偿。必要时会启动停机程序。

· 方向控制：保证电动机只能按规定方向运转，以处理事故并避免事故进一步发展。

在设备的安全开关触发进行事故处理后，设备第一次运转的方向必须是产生事故的反方向，即向减小事故趋势的方向运行。如：

吊杆下降时松绳保护开关触发停机后，处理事故后吊杆的运行方向必须是提升；

吊杆上升时跳槽保护开关触发停机后，处理事故后吊杆的运行方向必须是下降；

升降台上升时防剪切开关触发停机后，处理事故后升降台的运行方向必须是下降；

升降台下降时防剪切开关触发停机后，处理事故后升降台的运行方向必须是上升；

（5）成组设备运动控制

· 锁定型编组

场景需要固定连接到多个舞台机械设备上，锁定型编组中所有的舞台机械设备必须以相同的速度同步运行并移动相同的距离，即时间位移同步。为避免锁定型编组中因设备间出现速度或位置偏差，引起场景的倾翻或扭曲等危险情况发生，系统应该高速监控该组内各设备的速度和位置，当该组中任一设备的速度和位置超出误差允许范围时，系统应停止该组内所有运行的设备，系统发出的停止命令应该是紧急停机命令（EMS）。

注：还有时间同步编组，即在不同位置的设备在相同时间内，运行不同的距離，到达同一设定目标位置。

· 安全型编组

用于控制速度、距离等参数组合复杂的设备组的运行。在这种情况下操作的失误将导致场景及设备碰撞或损坏等危险情况。系统必须高速监控该组中所有运行设备的速度和位置，当该组中的任一设备没有按照预先设定或计算出的速度曲线运行，或者速度或位置的偏差超出了系统允许的误差范围时，系统必须立即停止该组内所有设备的运行，系统发出的停止命令应该是紧急停机命令（EMS）。

· 联锁型编组

用于控制按设定顺序运动并有联锁关系的设备组的运行。当该组中任一设备的运动顺序不符合联锁关系或发生故障时，系统必须立即停止该组内所有设备的运行，系统发出的停止命令应该是紧急停机命令（EMS），以免损坏设备和发生危险情况。

· 自由型编组

用于控制相互之间独立的多个设备的同时联合运行。自由型编组允许各设备的运行独立于其他设备，按照预先设定的速度图和动作距离来运行。当该组中任一设备的速度或位置的偏差超出系统允许的误差范围时，系统将发出针对单个设备的停止命令，而其他正常运行的设备不受任何影响。

以上所述运动及其误差控制，在故障或事故状态下也同样适用。

（6）其他：

· 加速度限制控制；

· 安全加速度范围控制；

· 电动机继电器的反馈控制；等。

5 结束语

通过以上讨论，可以得出以下结论：

（1）安全完整性等级SIL风险评估系统是适用于控制、机械等行业并被世界广泛认可的风险评估方法。

（2）要采取合适的措施来尽量减少危险事件发生的可能性。所要求的措施和措施执行的程度，不管是单个的或联合的，都应满足系统的安全完整性等级。

（3）可以用提供冗余（部分或整体）、避免危险操作（存在故障情况下的操作）、提供使用信息等措施来降低风险。

（4）如果安全装置激活，设备应在运行方向停止下来。应该允许与危险运行方向相反的运动。

（5）所有安全装置的功能应能够进行检测。

（6）为应对各类可能产生的故障（速度调节、限位开关、载荷、速度、位置、运动误差等），提供可靠保护。

（7）不同演出艺术门类剧场的舞台机械设备、甚至同一剧场内的舞台机械设备，并不都是一个安全完整性等级，应在风险分析的基础上，选择舞台机械设备的安全功能和安全完整性等级SIL。作者认为：高速和运动关系复杂的舞台机械设备如吊杆机、单点吊机、台下设备（有同步运动和连锁运动要求）的安全完整性等级应为SIL3；低速、简单运动和舞台范围外的机械设备如灯光设备、台口区设备（防火幕、大幕机、假台口等）、布景转运及储存设备、布景组装设备、防火隔声设备等的安全完整性等级应为SIL2。

（8）使用信息是机械设备交付不可或缺的一部分，使用信息包括对机器设备安全和正确使用所需要的所有指示，也包括技术措施达不到预定安全要求时，采取的必要的组织性安全措施。

鉴于中外戏剧、剧场和舞台机械行业发展阶段的不同，中外文化及意识形态的差异，演出剧目及舞美设计对安全等级要求的不同，以上提出的差距和问题，应从我国的实际状态出发，既安全第一，又区别对待，用不同的模式解决剧场的现实问题。特提出几点建议、最好能制定出相关标准：

（1）按专业剧场演出艺术门类的不同，规定出不同的控制要求，如音乐厅、戏剧场和歌剧舞剧剧场的舞台机械控制要求有明显的差异；不同等级的歌剧舞剧剧场的舞台机械控制也有不同的要求；

（2）将国内大部分多用途剧场从演出需要和技术上分级，以规定各级剧场起码的控制要求。级别的区分要考虑城市的规模和国际化程度、剧场的规模和国外演出团体来华演出的需求等因素。

（3）除上文第（7）条外的剧场其他设备，应按剧场分类、技术分级的不同，依据风险分析的方法，分别进行风险分析，确定各自的安全完整性等级。