安全計装システムとは

コア・ビジネスの一環として危険物を取り扱う組織は、従業員の安全を確保し、火災、爆発、有毒化学物質の放出、原子炉の炉心溶融などの壊滅的な事故の可能性を減らすために、安全計装システムを利用しています。

安全計装システムは、基本プロセス制御システム（BPCS）と呼ばれる別のタイプのビジネス・プロセス・システムと密接に関連しています。ただし、BCPSが通常の運用を維持することに重点を置いているのに対し、SISは安全性にのみ焦点を当てています。SISは危険な状態を検知すると、バルブからの圧力の解放や緊急シャットダウン・システムの作動など、事前定義された対応を開始します。

安全計装システムは主に、原料を化学的、物理的、生物学的または熱的プロセスを通じて変換して製品を製造する業界であるプロセス産業で使用されます。これらの産業には、石油・ガス、化学製造、エネルギー、製薬、水処理などがあります。これらの産業で事業を展開する企業は、リスクを管理するために安全関連システムを導入して危険な状態を検知し、システムを安全な状態に移行させます。

SISの主な目標は、システムまたはプロセスを安全な状態に移行させることです。安全な状態とは、危険な事象の後に設備または個々の施設が再び安全になる状態のことです。

すべての安全計装システムの中核には、1つ以上の安全計装機能（SIF）があり、これはSISが危険状態を検知した際に実行する機能です。例えば、SISが化学反応装置の危険なレベルを検知した場合、緊急遮断弁とポンプ制御を使用して、それ以上の材料が反応器に流入するのを自動的に防ぐことができます。

すべての安全計装システムは、国際電気標準会議（IEC）が定めた規格によって厳しく規制されています。標準IEC 61508およびIEC 61511は、組織がSISアーキテクチャーを構築する際に従うべき詳細な枠組みを提供します。

安全計装システム（SIS）は、システムとプロセスを監視し、危険な状態を検知した場合に事前定義された処理を実行することで機能します。システム設計は用途や業界によって異なりますが、ほとんどのSISアーキテクチャーは3つの主要なコンポーネントで構成されています。

• センサー
• ロジック・ソルバー
• 最終制御要素

SISの最初の層は、システムまたはプロセス内の圧力、温度、液位、流量の微妙な変化を常に測定するセンサーとトランスミッターで構成されています。これらの小型装置は、稼働状況に関するリアルタイム・データを提供し、危険な状況が存在することを示す可能性のある異常を検出します。

最新のSISツールのほとんどは、冗長性を確保し、誤警報の可能性を減らすために複数のセンサーを利用しています。冗長構成は、単一の機器故障が検知を逃れる可能性を低減し、ソフトウェア計装システムの信頼性を高めます。

ロジック・ソルバーはSISの意思決定コンポーネントであり、センサーとトランスミッターから入力を受信し、事前定義された安全条件をデータが満たしているかどうかを評価します。ロジック・ソルバーが評価したデータが危険な状態を示している場合、自動的に安全対策を実行できます。

現代のほとんどの産業オートメーション環境では、ロジック・ソルバーは、信号を受信および評価し、安全機能を開始するために、安全プログラマブル・ロジック・コントローラー（PLC）と呼ばれる特殊なコントローラーを利用しています。生産の最適化に重点を置いている従来のPLCとは異なり、安全PLCはSIS内の機能安全アプリケーションのみを制御します。

最終制御要素とは、SIS内部にある実際の物理的な構成要素（オペレーショナル・テクノロジー）であり、プロセスの変更を実行し、安全な状態に復帰させるものです。一般的な最終制御要素には、バルブ、隔離バルブ、モーター・スターター、リレー、ブレーキング、アクチュエーターなどがあります。ロジック・ソルバーが危険な状態を検知すると、最終制御要素は事前定義された保護対策を実行します。

例えば、パイプ内の危険物質のレベルが事前に設定された制限を超えることがセンサーでロジック制御に示されると、ロジック・ソルバーはアクチュエーターを作動させてバルブを物理的に閉じ、物質の流れを停止します。正しく実行されると、このプロセスはシステムを安全な状態に復帰させます。

安全ライフサイクル管理は、安全計装システム（SIS）とその計測機能が正しく動作することを保証するために組織が利用している、厳密に体系化されたプロセスです。

安全ライフサイクルを効果的に管理し、SISの効果を保証するために、3つの主要な構成要素が極めて重要です。

• 安全度水準：安全度水準（SIL）は、SISの特定の安全計装機能によって必要とされるリスク軽減のレベルです。SILはSIL 1からSIL 4までの範囲で、レベルが高いほど信頼性が高いことを示します。多くの組織では、SIL 2およびSIL 3が許容されるレベルとされています。これは、実用性と費用対効果を維持しながら、大幅なリスク低減を実現できるためです。
• 安全要求仕様書：安全要求仕様書（SRS）は、SISの特定の安全機能の信頼性と運用要件を定義します。SISを設定する際、組織は通常、さまざまな種類の危険とリスクの評価を実施します。最も一般的なものは、危険操作性解析（HAZOP）と保護層解析（LOPA）です。これらの広く認められた手法は、機械操作者や技術者が、潜在的に危険なプロセスに対して講じるべき適切な安全対策を判断するのに役立ちます。
• プルーフ・テスト：最後に、SISを設計して運用する組織は、その安全機能が正しく機能することを検証するために、常にテストを行う必要があります。プルーフ・テストには、安全計測システムの定期点検と、危険な状態が発生したときにSISが正しく動作することを検証するための慎重な調整が含まれます。プルーフ・テストに加えて、組織は、故障率や要求時機能失敗確率（PFoD）など、危険なプロセスに関わる設備の主要な指標も追跡しています。

現代の産業施設は、人工知能（AI）やモノのインターネット（IoT）などの複雑な自動化技術への依存度が高まっています。これらの技術は効率と生産性を向上させる一方で、環境・安全衛生（EHS）と事業継続性に新たなリスクをもたらします。例えば、適切な安全対策が講じられていない場合、現代の施設で発生した１つの設備の誤動作が危険な事象に発展する可能性があります。

安全計装システム（SIS）を導入することは、組織がプロセスの信頼性を高め、作業者の安全性を向上させ、最も重要な設備をより適切に保護するのに役立ちます。最近の報告によると、SISツールの需要は増加しており、現在の市場規模は52億6千万米ドルで、今後5年間で73億2千万米ドルに達すると予測されています。

ここでは、エンタープライズ・レベルでSISを導入することの一般的なメリットをいくつか紹介します。

SISは、危険な状況を引き起こすおそれのあるプロセスやシステムを継続的に監視することで、プロセス安全管理を強化します。あるレポートによると、SISは検知機能と対応機能により、職場でのインシデントを最大80％削減できます。安全計装システムは、変数を自動的に監視し、保護対策を開始することで、事故や壊滅的な故障が発生する可能性を低減します。

例えば、産業施設の作業員は、日常業務の一環として危険で可燃性の化学物質を扱うことがよくあります。SISが開始する安全停止システムは、潜在的な曝露を警告し、是正措置を講じることができます。状況が特定の許容しきい値を超えると、SISは人間よりも迅速に、一貫して対応できます。

SISが監視する多くのプロセスやシステムは、業務運営管理の中核を成しています。業務運営管理とは、効率性とレジリエンスを促進するために、ビジネス・プロセスを設計および最適化することです。設備の故障は安全上の問題を引き起こすだけでなく、重大な経済的損失をもたらす可能性があります。

SISは、反応器、パイプライン、コンプレッサー、タービン、その他の重要設備の損傷を防止することで、修理コストと計画外ダウンタイムを削減できます。例えば、大型遠心コンプレッサーは、天然ガス業界で最も重要で高価な設備の1つです。技術者や機械操作者は、コンプレッサーを通過するガスの流れが不安定になり、設備が損傷する可能性があるサージと呼ばれる状態を防ぐために、流量、圧力、振動レベルを監視する安全計測システムをプログラムします。

SISの設計と運用により、組織はコンプライアンス監視機能さまざまな面で向上させることができます。まず、プロセス産業では、ビジネス・プロセスの中核となる物質を扱うため、厳格な安全規制や基準の対象となることがよくあります。IEC 61508およびIEC 61511に準拠することは、作業員の安全に対する組織の取り組みを示し、機能安全管理のベスト・プラクティスを適切に実装していることを示しています。

第2に、規制当局や保険会社は多くの場合、施設に対してSIS設計、プルーフ・テストの文書化、保全作業の記録を含む文書化された安全プログラムを維持することを要求しています。

信頼性の高いSISは、本当に危険な状況でのみ設備を停止することで、組織が誤ってシャットダウンする可能性を減らすのに役立ちます。SISがなければ、機械操作者は手動プロセスに頼らざるを得ず、手動プロセスは自動プロセスほど信頼できないため、誤ったシャットダウンの可能性が高くなります。

また、危険な条件下で設備を稼働させると、故障の可能性が高まります。適切に設計されたSISは、設備の壊滅的な損傷を防止し、緊急修理、二次的故障、計画外停止の数を減らすのに役立ちます。

安全計装システムは、危険事象に対する独立保護層（ILP）を提供することで、リスク管理の取り組みを改善するのに役立ちます。適切な手順や操作者による介入は、訓練時のリスク低減に役立ちますが、SISは能動的に状態を監視し、危険な状態になった場合に介入することができます。

ここでは、安全計装システムによって防止できる危険な事象の一般的な例をいくつか紹介します。

• 有毒な化学物質のレベルを制御する制御弁の故障
• 安全状態を維持するためのプロセス制御システムの故障
• 危険な状態が生じているが、操作者がそれを認識できないこと
• ベアリング、パイプ、モーター、その他のハードウェア・コンポーネントの故障

安全計装システム（SIS）は主にプロセス産業で使用され、石油、水、化学物質などの原材料を製品へ変換するプロセスを保護します。ここでは、最も一般的な5つの事例を紹介します。

• 石油・ガス：石油・ガス業界では、製油所、海上掘削プラットフォーム、パイプライン、処理プラントなどを監視するために、安全計装システムに依存しています。石油・ガス専用に設計された安全計装システムは、定期的に高圧シャットダウンを行い、危険な化学物質を検出し、設備の自動隔離を実施します。
• 化学製造：化学メーカーは、反応性、有毒性、可燃性の液体や気体を監視するために安全計測システムを利用しています。化学製造工場では、作業員の安全を確保し、壊滅的な故障を防ぐために、SISが反応器の温度、液体とガスの圧力、化学物質の濃度を監視しています。
• 発電所：発電事業者は、タービン、ボイラー、補助システムなどの重要設備を保護するために、安全計装システム（SIS）を使用しています。発電所のSISの安全機能には通常、タービンの過速度保護、ボイラーの停止、冷却システムの監視が含まれます。
• 製造業界：医薬品業界では、安全計装システムが製造設備や極めて重要なシステムの安全な運用を確保するのに役立ちます。多くの製薬工場では、可燃性溶液、有毒化学物質、高圧システムを使用しています。製薬工場のワークロード向けに設計されたSISは、合成反応器、溶媒貯蔵システム、蒸留装置、高圧反応器などの制御・保護を支援します。
• 排水処理施設：水処理施設では、化学薬品の注入システム、貯蔵タンク、ポンプ場を適切に管理するために、SIS技術を利用しています。廃水処理の安全機能は、コンベア・システムの故障、ガスや有毒化学物質の漏出、火災や爆発など、さまざまな潜在的に危険な事故を防止するのに役立ちます。