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活動(dòng)鏈接：2014年控制網(wǎng)行業(yè)專題---打造有中國(guó)特色的智能電網(wǎng)

    風(fēng)力發(fā)電是一種理想的清潔能源，與其它燃料能源的發(fā)電有著無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在我國(guó)的發(fā)展極為迅速，隨著風(fēng)能發(fā)電方式的廣泛使用，風(fēng)電的安全控制技術(shù)也成為一個(gè)關(guān)注的焦點(diǎn)話題。本文就將以風(fēng)電中安全技術(shù)為主，講述安全評(píng)估方法和西門(mén)子安全解決方案在風(fēng)電行業(yè)和風(fēng)機(jī)控制中的應(yīng)用。

   為什么說(shuō)安全是風(fēng)機(jī)控制中一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)呢？

   任何一臺(tái)機(jī)械存在危險(xiǎn)，都會(huì)給人員或者機(jī)械自身帶來(lái)傷害，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備也不例外。這里的安全涵蓋了安全自動(dòng)化技術(shù)、安全保護(hù)設(shè)備、安全控制系統(tǒng)、以及安全操作規(guī)程。

   我們可以看到很多風(fēng)機(jī)在其調(diào)試、運(yùn)行以及維護(hù)過(guò)程當(dāng)中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，比如：颶風(fēng)導(dǎo)致的超速或者失速，可能會(huì)引發(fā)軸承損毀，凸輪軸折損或者發(fā)電機(jī)燒毀的風(fēng)險(xiǎn)；風(fēng)機(jī)葉片槳距偏差超限或者沒(méi)有提供位置信號(hào)會(huì)導(dǎo)致的過(guò)載或超速的風(fēng)險(xiǎn)；扭纜帶來(lái)的失控和停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)；以及接地故障有可能造成的火災(zāi)等等潛在風(fēng)險(xiǎn)。

   在這些情況下，都需要控制系統(tǒng)可靠而穩(wěn)定的運(yùn)行、錯(cuò)誤檢測(cè)以及可靠地停車(chē)，一旦出現(xiàn)由于各種原因的系統(tǒng)失效，或者不能正確執(zhí)行控制功能保證停車(chē)，將會(huì)造成人員和設(shè)備的巨大損失。除此之外，控制系統(tǒng)還需要能夠全面確切的報(bào)告故障，提供完善的診斷信息。因此，將保護(hù)人和機(jī)器處于安全狀態(tài)的安全技術(shù)是不可或缺甚至是尤為重要的。

   西門(mén)子故障安全系統(tǒng)是為確保風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在出現(xiàn)故障或者失效時(shí)仍能夠處于安全狀態(tài)的系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全系統(tǒng)主要包括安全控制系統(tǒng)和剎車(chē)系統(tǒng)兩部分。安全控制系統(tǒng)是獨(dú)立于運(yùn)行控制計(jì)算機(jī)的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，安裝在風(fēng)機(jī)的一些獨(dú)立于運(yùn)行控制計(jì)算機(jī)并可以直接控制停機(jī)的傳感器上與安全控制器連為一體，當(dāng)這些傳感器動(dòng)作時(shí)，直接觸發(fā)安全控制系統(tǒng)，一旦安全控制系統(tǒng)被觸發(fā)則立即停機(jī)，并切斷所有接觸器和閥體的控制電壓，此時(shí)風(fēng)機(jī)脫離運(yùn)行控制計(jì)算機(jī)的控制，最大限度地保證了機(jī)組的安全。通常情況下，安全系統(tǒng)也稱為安全鏈。

   安全系統(tǒng)在邏輯上優(yōu)先于控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的功能應(yīng)服從安全系統(tǒng)的要求；在超過(guò)有關(guān)安全的限值后，或者如控制系統(tǒng)不能使機(jī)組保持在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，則安全系統(tǒng)動(dòng)作，使機(jī)組保持在安全狀態(tài)。

   而安全系統(tǒng)和控制系統(tǒng)屬于兩個(gè)不同的概念。

   控制系統(tǒng)指根據(jù)接受到的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組信息和/或環(huán)境信息，調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，使其保持在正常運(yùn)行范圍內(nèi)的系統(tǒng)。 當(dāng)控制系統(tǒng)和安全功能發(fā)生沖突之時(shí)，控制系統(tǒng)的功能應(yīng)服從安全系統(tǒng)的要求。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全標(biāo)準(zhǔn)方面，世界范圍內(nèi)有很多相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，比如丹麥的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) DS 472描述了風(fēng)機(jī)安全要求和認(rèn)證的流程；荷蘭的風(fēng)機(jī)主要依托于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) IEC 61400-1（第二版）；印度從2000年開(kāi)始，有IEC標(biāo)準(zhǔn)以及丹麥系統(tǒng)類似一個(gè)初步的認(rèn)證系統(tǒng)；中國(guó)風(fēng)機(jī)的安全標(biāo)準(zhǔn)主要以 GB18451.1-2001—風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全要求為主。

   另一個(gè)風(fēng)電的常用參考規(guī)范是GL2010，根據(jù)GL2010中涉及的風(fēng)機(jī)保護(hù)功能列表，西門(mén)子也列出了相應(yīng)的解決方案，以及如何滿足規(guī)范中要求的安全等級(jí)。

   要實(shí)現(xiàn)要求的安全等級(jí)，需要按照安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定執(zhí)行下列步驟：

   （1）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

   （2）實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的降低通過(guò)安全設(shè)計(jì)；技術(shù)保護(hù)方法以及提供殘余風(fēng)險(xiǎn)的用戶信息來(lái)實(shí)現(xiàn)

   （3）設(shè)備的驗(yàn)證和確認(rèn)

   （4）交付業(yè)主/投放市場(chǎng)

   一個(gè)安全相關(guān)系統(tǒng)的完整性不僅限于設(shè)備的完整性，還與功能設(shè)計(jì)、操作、測(cè)試、維護(hù)和管理等有關(guān)。所以在上述過(guò)程的每一步都需要技術(shù)文檔的支持，這些文檔包括每一步驟的過(guò)程和結(jié)果本身，具體到每一步驟測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果以及責(zé)任方。以上的步驟是通向機(jī)器安全的必由之路，下面將其展開(kāi)進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

  1　風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

   在構(gòu)建一個(gè)安全的設(shè)備或系統(tǒng)前，正規(guī)的安全評(píng)估是不可或缺的步驟。設(shè)計(jì)一個(gè)安全設(shè)備或系統(tǒng)時(shí)，必須分析其潛在風(fēng)險(xiǎn)并提供避免這些風(fēng)險(xiǎn)的具體方法。圖1顯示了一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基本流程，整個(gè)過(guò)程是一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，它將不斷重復(fù)直到設(shè)備滿足安全要求（除了不可避免的殘余風(fēng)險(xiǎn)）。
  
                  
                              圖1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基本流程

   對(duì)于上述的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的具體流程，下面以一個(gè)壓機(jī)的安全評(píng)估為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

   首先要先定義壓機(jī)的功能限制。比如該設(shè)備本身的詳細(xì)說(shuō)明，其功用、操作模式、預(yù)期的使用方式以及可預(yù)見(jiàn)的會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的干擾和誤動(dòng)作。

   接下來(lái)，定義該壓機(jī)可能發(fā)生的潛在風(fēng)險(xiǎn)。其中包括機(jī)械上，電氣上的各種危險(xiǎn)。除此之外，也包括在壓機(jī)整個(gè)生命周期中（從安裝、調(diào)試、正常運(yùn)行、維修和淘汰）各個(gè)環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)。

   下一步，應(yīng)針對(duì)每一個(gè)已識(shí)別的危險(xiǎn)，正確的評(píng)估和評(píng)價(jià)出其發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法有一個(gè)公式：

   風(fēng)險(xiǎn)（Risk）=傷害的嚴(yán)重程度（Severity）×發(fā)生的可能性（Probability）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)則取決于是否應(yīng)用了保護(hù)措施及保護(hù)措施能否有效地規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

   最后一步，需要判斷在進(jìn)行了上述步驟后，風(fēng)險(xiǎn)是否得以充分降低以保證人員和設(shè)備在整個(gè)設(shè)備生命周期中是安全的。當(dāng)然，在任何設(shè)備和系統(tǒng)中，風(fēng)險(xiǎn)不可能完全不存在。在這里涉及到一個(gè)殘余風(fēng)險(xiǎn)的概念，殘余風(fēng)險(xiǎn)是在采取和執(zhí)行了所有保護(hù)措施之后存在的風(fēng)險(xiǎn)。如果當(dāng)存在的殘余風(fēng)險(xiǎn)是合理的，不會(huì)對(duì)人員、設(shè)備和環(huán)境產(chǎn)生危害時(shí)，可以完成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

   需要注意的是，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估階段不涉及具體的安全等級(jí)，安全等級(jí)在進(jìn)行具體的風(fēng)險(xiǎn)降低時(shí)才有意義。

   2　風(fēng)險(xiǎn)降低

     根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，設(shè)備制造商和系統(tǒng)集成商需要通過(guò)合適的方法去降低和消除風(fēng)險(xiǎn)。圖2描述了對(duì)于每一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)降低的流程和步驟。
    
                
                            圖2 風(fēng)險(xiǎn)降低的基本流程 

   2.1　安全設(shè)計(jì)

   首先，應(yīng)從機(jī)器和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度去降低風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)“安全設(shè)計(jì)”實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)降低。該方法是通過(guò)設(shè)備本身的本質(zhì)安全來(lái)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。比如避免電擊，發(fā)生緊急事故時(shí)的安全停車(chē)等等。安全設(shè)計(jì)在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中也是處于最高的優(yōu)先級(jí)。

   2.2　安全技術(shù)保護(hù)方法

  如果風(fēng)險(xiǎn)不能通過(guò)安全設(shè)計(jì)來(lái)降低，那么就需要采用合適的保護(hù)措施，通過(guò)執(zhí)行安全系統(tǒng)的安全功能來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)。比如說(shuō)像壓機(jī)外圍的防護(hù)罩，或者防護(hù)圍欄和安全門(mén)的應(yīng)用。當(dāng)防護(hù)罩或安全門(mén)打開(kāi)時(shí)，電機(jī)肯定處于停止?fàn)顟B(tài)。

   這里提到的安全系統(tǒng)由多個(gè)安全子系統(tǒng)構(gòu)成，像安全門(mén)功能，它就是由檢測(cè)、處理和執(zhí)行三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，如圖3所示。子系統(tǒng)1安全門(mén)鎖，對(duì)安全門(mén)鎖的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。如果有一個(gè)安全門(mén)打開(kāi)的信號(hào)，該信號(hào)會(huì)發(fā)送到子系統(tǒng)2的安全PLC或者安全繼電器來(lái)進(jìn)行安全進(jìn)好的處理，最后給到安全的驅(qū)動(dòng)裝置使電機(jī)停止。

  一個(gè)機(jī)器或者系統(tǒng)中，可能包含著多個(gè)安全功能，比如說(shuō)安全門(mén)鎖，安全區(qū)域的掃描，緊急停車(chē)按鈕，或雙手按鈕功能等等。這就需要一一去定義相關(guān)的安全功能，確定每一個(gè)安全功能需要滿足的安全等級(jí)。之后對(duì)此安全功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，并測(cè)試是否達(dá)到預(yù)先確定的安全級(jí)別。

   在這里會(huì)涉及到幾個(gè)重要的國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)，IEC61508、IEC62061和EN ISO 13849-1。其中，標(biāo)準(zhǔn)IEC61508-“電氣、電子和可編程電子安全相關(guān)型系統(tǒng)的運(yùn)行安全”是一個(gè)最基本的安全標(biāo)準(zhǔn)，它雖然與具體應(yīng)用無(wú)關(guān)，但它是具體應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)IEC62061和EN ISO 13849-1的基礎(chǔ)。作為具體應(yīng)用的指導(dǎo)，需要使用IEC62061或EN ISO 13849-1標(biāo)準(zhǔn)，用于機(jī)器安全領(lǐng)域中機(jī)器的安全相關(guān)型控制。在這些標(biāo)準(zhǔn)中，涉及到了對(duì)安全功能的定義，安全級(jí)別的設(shè)定，以及設(shè)計(jì)和測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)。
     
          
                        圖3 安全系統(tǒng)是由各個(gè)安全子系統(tǒng)構(gòu)成的 

   （1）定義安全功能

   在這里需要考慮和定義安全功能的邊界條件，包括設(shè)備中的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)受影響的人員，以及操作模式。除此之外，需要給出安全功能的具體功能性定義；響應(yīng)時(shí)間；對(duì)故障的響應(yīng)方式等等。

   （2）確定需要的安全等級(jí)

     安全級(jí)別在上文提到的國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)中有詳細(xì)的分級(jí)，它是保證安全功能可靠實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。安全級(jí)別大體由幾個(gè)因素決定（根據(jù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)不同略有區(qū)別）：人員受傷的嚴(yán)重性Se；發(fā)生的時(shí)間和頻度Fr；避免的可能性P等。在標(biāo)準(zhǔn)IEC62061中定義了安全完整性等級(jí)SIL1-SIL3的計(jì)算方法，如圖4所示。進(jìn)行評(píng)估時(shí)根據(jù)該安全功能的具體情況選擇參數(shù)的數(shù)值，然后根據(jù)下圖進(jìn)行技術(shù)。
    
            
                          圖4 IEC62061標(biāo)準(zhǔn)中定義的安全完整性等級(jí) 

   對(duì)于ISO13849-1標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)安全級(jí)別的定義與IEC61508略有區(qū)別，是根據(jù)受傷的嚴(yán)重程度Se，危險(xiǎn)發(fā)生的頻率Fr和避免的可能性P三個(gè)參數(shù)按如圖5所示確定。

   在IEC61508和ISO13849-1標(biāo)準(zhǔn)中，描述了安全功能允許的最大失效概率—每小時(shí)危險(xiǎn)失效的平均概概率 PFHD。該值越小，則安全等級(jí)越高。每小時(shí)產(chǎn)生危險(xiǎn)故障的平均概率

   該安全完整性等級(jí)的確定需要貫穿從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品淘汰整個(gè)產(chǎn)品生命周期的始終。

   在標(biāo)準(zhǔn)中，也對(duì)安全等級(jí)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行的描述。系統(tǒng)的安全等級(jí)的實(shí)現(xiàn)需要考慮兩個(gè)方面—工程和流程。
 
                  
                    圖5 ISO13849-1標(biāo)準(zhǔn)中定義的安全完整性等級(jí)

   • 工程方面：考慮能夠?qū)崿F(xiàn)該安全等級(jí)的硬件結(jié)構(gòu)、故障檢測(cè)裕度和模塊的可靠性，可通過(guò)雙通道的冗余結(jié)構(gòu)，增加診斷功能增加系統(tǒng)的安全性。
  
                  
 
   • 流程管理：需要通過(guò)項(xiàng)目管理，測(cè)試和技術(shù)文檔來(lái)保證系統(tǒng)安全等級(jí)符合要求。

   西門(mén)子提供的安全系列產(chǎn)品可以從各個(gè)部分—安全的檢測(cè)、評(píng)估和響應(yīng)滿足客戶對(duì)安全等級(jí)的要求，構(gòu)成支持SIL2/SIL3或者PLd/Ple的高可靠性系統(tǒng)。詳見(jiàn)圖6。
 
                  
                        圖6 構(gòu)成安全系統(tǒng)的安全產(chǎn)品系列

  并且，西門(mén)子還提供了一款免費(fèi)的評(píng)估工具SET (SiemensEvaluation Tool)幫助客戶或者系統(tǒng)集成商簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)安全評(píng)估，符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，以滿足SIL或者PL等級(jí)的要求。除此之外，SET還可以打印報(bào)告，作為驗(yàn)收資料的組成部分。 

   摘自《自動(dòng)化博覽》2013年12期