Функциональная безопасность машин

Функциональная безопасность машин — это часть общей безопасности системы, которая зависит от правильного функционирования её систем управления, электрических, электронных и программируемых электронных систем, а также других связанных с безопасностью систем, для снижения риска до приемлемого уровня. Основная цель функциональной безопасности — предотвращение неприемлемого риска травмирования людей или нанесения вреда здоровью, вызванного опасными событиями, которые могут возникнуть в результате неправильного функционирования системы управления или её компонентов.

Основные понятия и определения

Функциональная безопасность машин базируется на концепции, согласно которой система управления должна не только выполнять свои рабочие функции, но и обеспечивать безопасное состояние оборудования или процесса при возникновении отказа. Ключевым понятием является безопасное состояние — такое состояние машины, при котором риск причинения вреда снижен до приемлемого уровня. Для разных машин безопасное состояние может различаться: это может быть остановка, отключение энергии, поддержание определённого параметра в заданных пределах или переход в режим пониженной мощности.

Другим важным понятием является опасный отказ — отказ системы, который может привести к возникновению опасной ситуации. В отличие от безопасного отказа, который не приводит к опасности, опасный отказ требует специальных мер по обнаружению и предотвращению. Диагностическое покрытие — это мера эффективности диагностики, показывающая долю опасных отказов, которые могут быть обнаружены встроенными средствами контроля.

История развития

Концепция функциональной безопасности начала формироваться в середине XX века с развитием автоматизированных систем управления. Первоначально безопасность машин обеспечивалась в основном за счёт механических защитных устройств и блокировок. С появлением программируемых электронных систем в 1970-х годах возникла необходимость в систематическом подходе к оценке рисков, связанных с отказами электроники.

В 1980-х годах в Европе начали разрабатываться первые стандарты, регламентирующие требования к системам управления, связанным с безопасностью. Значительным этапом стало принятие международного стандарта МЭК 61508 (IEC 61508) «Функциональная безопасность электрических, электронных, программируемых электронных систем, связанных с безопасностью», первая версия которого вышла в 1998 году. Этот стандарт стал базовым для многих отраслевых нормативных документов.

В области машиностроения ключевым стандартом является ГОСТ Р МЭК 62061 (IEC 62061) «Безопасность машин. Функциональная безопасность электрических, электронных и программируемых электронных систем управления, связанных с безопасностью», а также ГОСТ Р ИСО 13849-1 (ISO 13849-1) «Безопасность машин. Части систем управления, связанные с безопасностью». В России эти стандарты действуют в рамках системы технического регулирования и обязательны к применению при сертификации машин и оборудования.

Классификация уровней безопасности

Уровни полноты безопасности (SIL)

В стандарте МЭК 61508 и его отраслевых аналогах используется понятие уровня полноты безопасности (Safety Integrity Level, SIL). SIL — это дискретный уровень, определяющий требования к снижению риска. Существует четыре уровня SIL (от SIL 1 до SIL 4), где SIL 4 предъявляет самые высокие требования к надёжности и диагностике, а SIL 1 — минимальные. Для машин обычно применяются уровни SIL 1, SIL 2 и SIL 3, так как SIL 4 используется в особо критичных отраслях, таких как атомная энергетика или железнодорожный транспорт.

Каждому уровню SIL соответствует определённый диапазон вероятности опасного отказа в час. Например, для SIL 2 допустимая вероятность опасного отказа составляет от 10⁻⁷ до 10⁻⁶ в час. Достижение требуемого SIL обеспечивается за счёт архитектуры системы (например, резервирование каналов), диагностического покрытия и поведения при отказах.

Категории безопасности (PL)

В стандарте ISO 13849-1 используется понятие уровня производительности (Performance Level, PL) — от PL a (самый низкий) до PL e (самый высокий). Категории безопасности (B, 1, 2, 3, 4) описывают архитектурные требования к частям системы управления, связанным с безопасностью. Категория B — базовая, без специальных требований к диагностике, категория 4 — с полным резервированием и высоким диагностическим покрытием. PL и SIL взаимосвязаны: например, PL d соответствует SIL 2, а PL e — SIL 3.

Устройство и компоненты системы функциональной безопасности

Система функциональной безопасности машины обычно включает три основных компонента:

1. Датчики — устройства, обнаруживающие опасные состояния или события (например, концевые выключатели, фотоэлектрические барьеры, датчики давления, температуры, частоты вращения). Датчики должны быть надёжными и иметь достаточный уровень диагностики для обнаружения собственных отказов.

1. Логический блок — устройство обработки сигналов от датчиков и принятия решения о выполнении защитных действий. Это может быть программируемый логический контроллер безопасности (PLC), релейная логика или специализированный модуль. Логические блоки безопасности обычно имеют резервированные каналы и встроенные средства самодиагностики.

1. Исполнительные устройства — механизмы, которые приводят машину в безопасное состояние. К ним относятся контакторы, отключающие питание, тормозные системы, клапаны сброса давления, задвижки. Исполнительные устройства также должны быть спроектированы с учётом требований к надёжности и диагностике.

Процесс обеспечения функциональной безопасности

Процесс обеспечения функциональной безопасности машин включает несколько этапов:

1. Анализ рисков — идентификация опасностей, связанных с машиной, и оценка связанных с ними рисков. Проводится в соответствии с ГОСТ Р ИСО 12100 «Безопасность машин. Основные принципы конструирования. Оценка риска и снижение риска».

1. Определение требуемого уровня безопасности — на основе анализа рисков устанавливается необходимый SIL или PL для каждой функции безопасности.

1. Разработка системы управления — проектирование архитектуры, выбор компонентов, обеспечение диагностического покрытия и устойчивости к отказам.

1. Валидация и верификация — проверка того, что система соответствует заданным требованиям. Включает тестирование, расчёты надёжности, анализ видов и последствий отказов (FMEA).

1. Эксплуатация и техническое обслуживание — поддержание работоспособности системы в течение всего срока службы машины, включая периодические проверки и замену компонентов с ограниченным ресурсом.

Применение

Функциональная безопасность машин применяется в самых разных отраслях промышленности. В машиностроении она используется для обеспечения безопасности прессов, станков, роботизированных комплексов, конвейерных линий. В пищевой промышленности — для оборудования, работающего с высокими температурами и давлениями. В химической и нефтегазовой промышленности — для систем управления технологическими процессами, где отказ может привести к аварии с выбросом опасных веществ. В автомобилестроении — для систем активной безопасности, таких как антиблокировочная система тормозов (ABS) и электронная система стабилизации (ESP).

Критика и ограничения

Несмотря на широкое распространение, подходы функциональной безопасности имеют определённые ограничения. Основная критика связана с высокой сложностью и стоимостью внедрения, особенно для малых и средних предприятий. Разработка системы, соответствующей требованиям SIL 3, требует значительных затрат на проектирование, сертификацию и техническое обслуживание. Кроме того, стандарты функциональной безопасности в основном ориентированы на случайные аппаратные отказы и в меньшей степени учитывают систематические ошибки, связанные с программным обеспечением или человеческим фактором. Также существует проблема неоднозначности интерпретации требований стандартов разными разработчиками и органами по сертификации.

Источники

1. ГОСТ Р МЭК 61508-1-2012 «Функциональная безопасность электрических, электронных, программируемых электронных систем, связанных с безопасностью. Часть 1. Общие требования».
2. ГОСТ Р МЭК 62061-2015 «Безопасность машин. Функциональная безопасность электрических, электронных и программируемых электронных систем управления, связанных с безопасностью».
3. ГОСТ Р ИСО 13849-1-2014 «Безопасность машин. Части систем управления, связанные с безопасностью. Часть 1. Общие принципы конструирования».
4. ГОСТ Р ИСО 12100-2013 «Безопасность машин. Основные принципы конструирования. Оценка риска и снижение риска».
5. IEC 61508:2010 «Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems».
6. Smith, D. J., & Simpson, K. G. L. (2020). «The Safety Critical Systems Handbook: A Straightforward Guide to Functional Safety: IEC 61508 (2010 Edition), IEC 61511 (2015 Edition) and Related Guidance». Butterworth-Heinemann.