浅析起重机械安全保护装置的功能安全

段治斌，牛宇峰

（山西省检验检测中心（山西省标准计量技术研究院），山西 太原 030012）

起重机械被称为工业的脊梁，是国家经济生产的重要装备，广泛应用于冶金、造船、机械等行业。“十四五”规划我国将发展重心转向质量，把人的生命财产安全作为第一位，但起重机械对人民生命财产安全有着非常大的危险性。2020年全国特种设备安全状况通告中，起重机械事故死亡人数占所有特种设备事故死亡人数的29.25%，为各类设备死亡人数占比最大。起重机械被列入特种设备目录，我国制定了一系列法律、法规、规范、标准，对其安全做出要求预防事故发生。

起重机械事故的发生一般是人的不安全行为、设备的不安全状态导致的。因此，国家对起重机械的设计、制造、安装、改造、维修、使用、报废、检查等各个方面都作出了安全规定。对于起重机械的结构、机械、电气都做出了安全要求。为了防止起重机械事故，还要求起重机械必须设置必要措施、安全防护装置，用于限制起重机械的运动行程和工作位置、防止起重机械超载、防止起重机械倾翻和滑移、联锁保护等。TSG7015-2016《起重机械定期检验规则》、GB6067《起重机安全规程》、GB17907《机械式停车设备通用安全要求》对各种起重机械需要设置的安全防护装置和安全保护装置的功能要求做出了规定。这种设计人员根据经验性标准设计的安全保护功能的起重机安全相关系统，通常认为就达到了安全。然而，由于起重机械本身结构、硬件、软件及其周围环境等原因，不可避免地存在安全性问题，而且相关安全保护系统大多长期处于被动休眠状态，往往不易发现它的缺陷，因此，安全保护装置是否安装，是否具有正确的功能非常重要，而且其执行安全功能的可靠程度——安全性能或者说是安全完整性等级（Safety Interity Level,SIL)也必须重视。而这些是现行的制造或管理所忽视的。

功能安全技术和设备已经广泛应用于石油、化工、电力、铁路、核电、机械、冶金、电梯、汽车等领域。在起重机械领域功能安全正成为热点技术，孙远韬等研究了一种基于功能安全的起重机械安全防护系统设计方法。基于功能安全的起重机安全防护系统SIL划分方法。

近年来，我国关于建立风险分级管控和隐患排查治理双重预防机制以保障特种设备安全的体系的建立正在进行，急需功能安全标准体系中的先进方法，完善我国起重机械的相关功能安全标准体系，为双预防提供科学的标准体系支撑。

1 功能安全的概念

功能安全是国际标准IEC61508首先提出的一种全新的保障安全的原理与方法。在流程工业、机械工业、交通等安全相关控制领域，逐渐称为普遍遵循的法则。下面介绍功能安全相关的基本概念。

（1）功能安全。整体安全中与EUC(Equipment Under Control,受控设备）和EUC控制系统相关部分，它取决于E/E/PE(Electrical/Electroin/Programmable Electronic，电气/电子/可编程电子）安全相关系统和其它风险降低措施功能的正确行使。

（2）安全功能。针对特地的危险事件，为实现或保持EUC的安全状态，由E/E/PE安全相关系统或其他分线降低措施实现的功能。安全功能的例子包括：在要求时执行的功能，作为主动行动以避免危险状况（如关闭电机）；采取预防行为的功能（如防止马达启动）。

（3）安全完整性。在规定的时间段内，在规定的条件下安全相关系统成功执行规定的安全功能的概率。安全完整性越高，安全相关系统在要求时未能执行规定的安全功能或未能达到规定的状态的概率就越低。标准规定了4种安全完整性水平。安全完整性由硬件安全完整性和系统安全完整性构成（表1和图1）。

图1 安全完整性分配——安全相关保护系统

表1 安全完整性等级

PFD安全防护系统的目标安全完整性可通过式（1）计算。

式中，PFDavg为安全相关防护系统在要求时的平均危险失效概率；Ft为一个可容忍危险频率；Fnp为安全相关防护系统的要求率。

2 起重机械功能安全标准

我国现行对电气安全装置的规定认为，符合技术安全技术规范的要求，则不必考虑电气安全装置失效的可能性。虽然规定在日常检查和维护保养中对安全保护装置功能的确认，但不同设备使用场所环境恶劣、设备使用的繁重程度等不同，检查和维护周期确定的科学依据缺失。在起重机设计规范中对起重机工作繁重程度不同，划分出了不同的工作级别，相同主参数起重机械随工作级别的提高，起重机械的结构、机械、电气的安全要求均需要提高，但安全保护装置却未提出不同要求的规定。

国内外起重机械标准只有少数提高功能安全，如GB7950-1999《臂架型起重机起重力矩限制器通用技术条件》中提出了力矩限制器可靠性指标的要求，要求力矩限制器在产品规定的技术条件下使用，首次故障前平均工作时间为500h，可靠性试验时间为3000h。可靠度应大于90%。力矩限制器的使用寿命应为7500h。GB 5226.2-2002《机械安全 机械电气设备第32部分：起重机械技术条件》中，对电子设备的要求指出，可编程序电子设备不应用于紧急停车和/或紧急断开功能。由于控制系统误动作而引发严重危险的情况下，当前人们还很难有把握地认为，仅仅依靠可编程序电子设备的单通道的正确工作便是保险的。在这一问题没有得到解决之前，单纯依赖这种单通道期间的正确工作是不明智的。EN 13135-1-2003Cranes -Safety; Design; Requirements for equipment - Part 1: Electrotechnical equipment中5.9软件的功能安全 应遵循EN60204-32:1998中9.5的规定。另外，要参照IEC61508的有关内容。GB28526-2012/IEC62061：2005机械电气安全安全相关电气、电子和可编程电子控制系统的功能安全给出了直接接近或使用机器而造成人身危害风险的功能安全要求。起重机械领域功能安全的研究基于的都是功能安全领域的通用标准中的方法，起重机械有着自身的特点，我国目前又是起重机械的生产和使用最多的国家，起重机械领域的功能安全标准却尚未形成具有自身特色的系统标准，因此，将功能安全通用性的标准转化为更好的适用于起重机械的功能安全标准十分重要。

3 结语

起重机械日益趋向自动化、智能化发展，其控制系统日趋复杂，使用场所通常环境恶劣、复杂多变，更加安全可靠的安全防护系统越来越受到重视，国内外功能安全的通用标准和各领域标准已有许多，但起重机械标准涉及功能安全概念的只有个别，并未形成领域内标准体系。将功能安全的概念和国外先进技术标准引入，建立我国起重机械安全防护系统功能法规标准体系，对保障特种设备安全、促进经济建设有重要作用。