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機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所功能安全中心主任 史學玲

1　工業安全的相關概念

工業安全是一個寬泛的概念，通常指工業生產過程中沒有不可容忍風險。由于生產過程不同，危險源特征差異很大，比如機械領域的生產過程主要危險是機械傷害、電氣傷害；煙花爆竹行業主要危險源是爆炸物；而石油化工領域生產過程中的主要危險是能量或物料違背設計意圖的意外泄漏導致的火災、爆炸、毒害等等，在石油化工領域習慣稱為過程安全，也稱工藝安全。通常需要對每一個工業生產場所進行詳細的危險識別和風險評估，才能確定都包括哪些危險源、應該如何控制、風險實際控制水平，最終確定是否實現了工業安全。

與工業安全相關，還需要了解固有安全、本質安全和功能安全的概念。

固有安全（Inherent Safety）是工業安全的最理想狀態，它要求通過生產系統或產品的根本再設計、化學品存量削減或在該設施改用不太危險的化學品，降低或消除事故發生的可能性。比如說，長輸管道全部等壓設計，最壞情況下管道內壓力也不會超過管道的承壓，那么這條管道對于壓力來說就是固有安全設計，整條管道不需要任何壓力保護。

本質安全（Intrinsic Safety）是我們的實際追求。通常情況下我們很難做到固有安全，隨著技術的發展，人們在不斷追求高速、高效，但同時又受限于成本控制，因此本質安全設計就是我們的實際追求。我們在設備、設施或技術工藝內加入能夠從根本上防止事故發生的功能，包括“失誤-安全”功能和“故障-安全”功能，操作者即使操作失誤，也不會發生事故或傷害，或者說設備、設施和技術工藝本身具有自動防止人的不安全行為的功能；設備設施或技術工藝發生故障或損壞時，還能暫時維持正常工作或者自動轉變為安全狀態。

功能安全（Functional Safety）是保證系統或設備執行正確的功能。它要求系統識別工業現場的所有風險，并將它控制在可容忍范圍內。

這幾種安全的關系是：為了實現工業安全，我們最理想的是進行固有安全設計，或者選擇本質安全，但實現本質安全的前提是首先要實現功能安全。

2　功能安全解析

功能安全是整體安全的一部分，它依賴于系統或設備執行正確的功能。

在工業現場，有三類系統或設備：第一類是保證工業過程正常生產，生產出合格產品的系統；第二類是不參與生產，只負責降低風險（預防事故發生的預防系統，或降低事故發生后果嚴重程度的減輕系統）的系統；第三類是兩種功能兼有的系統。功能安全只針對第二類和第三類系統，研究風險降低系統或設備執行功能的可靠性。由于第二、三類系統承擔風險降低作用，一旦失效，風險就會加大，工業現場的風險就不可容忍，處于不安全狀態，事故隨時可能發生。

所謂功能安全防護應該指的就是降低這類風險的系統和設施，在石油、化工、冶金、機械等領域廣泛使用。這類系統或設施在不同領域有不同的名稱，如安全儀表系統、安全相關系統、安全聯鎖系統、緊急停車系統、安全控制系統、安全保護系統等等。

以鍋爐壓力保護系統為例。燃燒導致鍋爐壓力升高，當壓力異常達到危險值時，壓力控制系統會自動關閥斷氣滅火。但如果這個壓力保護系統功能失效，壓力異常達到危險值時不能關火，火持續燃燒，壓力持續增大，最后鍋爐爆炸。此時安全依賴于壓力保護系統正常行使功能，功能失效，形成了第二類危險源，危險發生。

再比如沖壓機上安裝的防護系統，當人身體任何部分進入危險區域時，沖壓機會自動停止動作，避免危險發生。又比如石油化工領域的緊急停車系統，當檢測到危險量時會自動觸發停車動作，避免嚴重后果發生。

3　功能安全的安全完整性等級指標

安全完整性等級（SIL）是功能安全的一個關鍵技術指標。指的是風險降低系統功能在規定時段內、在所有規定條件下滿意執行要求功能的平均概率，分4個等級：SIL1~SIL4。安全完整性等級對應兩個含義：

SIL是風險降低能力，SIL1指標表示風險降低1個數量級，假如有一個油罐每年會溢罐一次，加一個SIL1的高液位保護系統，就能保證該油罐幾十年溢罐一次，風險降低一個數量級。

SIL同時也是衡量風險降低系統功能失效的參數，某功能SIL1表示這個功能幾十年只能失效一次，SIL4就表示這個功能幾萬年只能失效一次了。某一功能安全的SIL一旦確定，即表示它的風險降低能力要求確定了，同時，對系統的設計、管理、維護的要求嚴格程度也確定了。

4　功能安全與信息安全的關系

在解釋功能安全與信息安全之間的關系時，首先要了解IEV（國際電工術語委員會）對Safety和Security定義的內涵差異。

Security安保/安全/信息安全（351-57-07）：Freedom fromunacceptable risk to the physical units considered from the outside（所考慮的物理單元沒有來自外部的不可接受的風險 ）。

Safety安全（351-57-05）：Freedom from unacceptable risk tothe outside from the functional and physical units considered（所考慮的物理單元沒有對外部的不可接受風險）。

從定義可以看出， 對于控制系統而言， 功能安全（Functional Safety）研究的是如何避免系統功能失效而導致的對人身、財產、環境、聲譽的不利影響，它需要研究隨機硬件失效、系統性失效（包括軟件）和安防（Security）（外部攻擊或人為故意行為）三方面的影響。安防也稱為信息安全，是系統互聯互通之后帶來的新問題。因此，從這個角度，信息安全是功能安全的一部分。

但信息安全還會有信息泄密導致有可能的經濟損失，這是另一個問題，需要單獨分析考慮。

在功能安全標準定義的生命周期中，有兩個階段會提及信息安全。一是在風險分析階段，要考慮安防水平、信息泄密導致的風險；二是在安全驗證階段，需要把安防不足可能導致的功能失效考慮進去。

5　國內外功能安全標準發展現狀

國際上功能安全基礎標準IEC61508于2000年正式發布，隨后，過程工業領域功能安全標準IEC61511、機械領域功能安全標準IEC62061等領域標準陸續出臺。同時，功能安全PLC標準IEC61131-6、功能安全網絡標準IEC61784-3等安全產品標準也紛紛出臺，正在形成IEC61508為基礎加上領域和產品的標準簇，工業信息安全國際標準IEC62443標準也正在制定中。

我國目前各相關標委會正積極地將功能安全標準系列轉化為中國國家標準，如全國工業過程測量與控制自動化標準化委員會已經將IEC61508和IEC61511轉化為中國的國家標準GB/T20438和GB/T21109。因此，與國際標準對應的功能安全中國國家標準簇已經形成。

2014年安監局發布了116號文，要求涉及“兩重點一重大”生產裝置或設施的化工企業和危險化學品儲存單位應按GB/T21109和GB/T20438兩個標準設置符合功能安全要求的安全儀表系統。在鐵路、汽車、機械、電梯、鑄塑機等領域，也都以強制性標準的條款對功能安全防護提出了要求，要求功能安全標準實施的環境已經形成。

在功能安全標準制定方面，我國與國際水平差距巨大。我們只是等同采用國際標準，翻譯的成分占多數，真正理解功能安全標準理念與方法、并能正確使用的人才相對不多，能自主寫出功能安全標準的專家人才也不多，這是影響我國功能安全標準正確使用的主要障礙。

6　智能制造給功能安全帶來新挑戰

制造業引入智能化、物聯網之后，給制造業帶來的有益處，也有挑戰。

益處是顯而易見的。智能化系統可以使制造業更好地實現本質安全，也就是說，它可以充分發揮智能化優勢，在設計階段即采取措施使生產設備或生產系統本身具有安全性，即使在誤操作或設備發生故障的情況下也不會發生事故。

但挑戰也是巨大的。最大的挑戰來自于智能化系統的功能可靠性和功能安全性。當制造業引入智能化系統，我們最需要擔心的就是智能化系統失控導致的人身傷害、財產損失、環境破壞和聲譽掃地。試想一下，如果家里使用的機器人保姆，它隨時會因功能失效撂挑子不干活；可能會因功能錯亂攻擊你；如果它受你敵人的控制可能會竊取你的秘密甚至暗殺你，你還敢用它嗎？所以，如果智能化系統的功能可靠性和功能安全性難題不解決，智能制造就不可能被廣泛接受和應用。

工信部于2015年啟動的智能制造專項“功能安全和工業信息安全標準研究和驗證平臺建設”項目就是為了解決這個難題，通過研究建立我國智能制造系統功能安全標準體系，并建立實驗驗證平臺形成標準實施能力，保證我國智能制造系統在安全的框架內發展，使制造業受益新技術發展的同時，避免因技術失效導致新的風險。

機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所功能安全中心至今已經舉辦了40多期功能安全培訓，在中石油、中車等企業和電力、冶金、儀表控制等領域完成了70多套系統及產品的功能安全評估或SIL評測。發現的問題主要有：

（1）對功能安全理念和標準不了解也不理解，甚至有抵觸；

（2）人才隊伍嚴重缺乏，不會進行功能安全防護的設計、使用和評估；

（3）危險與風險分析不清，過保護和欠保護同時存在；

（4）一些評估機構進行的功能安全評估存在缺陷。

我們建議：第一步，在高危行業應率先實施功能安全標準，對新建項目和在用項目，在電氣、電子、可編程電子安全相關系統的設計和制造過程中，提高工藝裝置的本質安全水平，同時逐步形成符合我國國情的中國國家功能安全標準體系，彌補我國法規體系與歐美等國的差異，使功能安全標準實際能在中國實施。進一步，在國家提出的《中國制造2025》戰略中，要以功能安全的理念建立智能制造系統的安全保障框架，研究建立智能制造系統安全保障標準體系，以保證新技術在安全的框架內發展。

7　我國實施功能安全標準戰略建議

功能安全技術標準對實現功能安全保障、打破技術壁壘都具有重大作用，但要實現這些作用，決不只是制定完標準就解決了所有問題。要實現這個目標，需要國家從全局的角度進行戰略部署，需要各行業管理部門、地方政府、企業和中介機構等社會各方積極配合。

具體地說，需要國家安全生產管理局、國家標準化管理委員會、國家認監委協同，分別對企業提出功能安全要求、組織制定功能安全標準、建立認可我國自主的功能安全檢測檢驗機構。需要科技部、工信部、發改委等部委組織功能安全技術攻關、產業扶持，幫助形成我國功能安全技術能力和產業能力。

作者簡介

史學玲（1961-），女，吉林舒蘭人，副總工程師，教授級高工，現就任機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所功能安全中心主任，是國家安全生產專家組成員，主要研究方向為功能安全技術。

摘自《自動化博覽》2016年2月刊