アーキテクチャリング・アシュアランス：安全システム設計に関する包括的なグローバルガイド

化学プラントや高速製造ラインから、高度な自動車システムや重要なエネルギーインフラまで、ますます複雑化・自動化が進む世界において、私たちの幸福の静かな守護者は、それらに組み込まれた安全システムです。これらは単なるアドオンや後付けではありません。それらは、単一の深遠な目的、つまり破局を防ぐために綿密に設計されたシステムです。安全システム設計の分野は、この保証を設計し、抽象的なリスクを人、資産、および環境に対する有形かつ信頼性の高い保護に変換する芸術と科学です。

この包括的なガイドは、エンジニア、プロジェクトマネージャー、オペレーションリーダー、および安全専門家のグローバルな読者を対象に設計されています。これは、最新の安全システム設計を支配する基本原則、プロセス、および標準への深い洞察として役立ちます。プロセス産業、製造業、またはハザードを制御する必要がある分野に従事しているかどうかにかかわらず、この記事では、自信と能力を持ってこの重要な領域をナビゲートするための基礎知識を提供します。

「理由」：堅牢な安全システム設計の紛れもない重要性

技術的な「方法」を掘り下げる前に、基本的な「理由」を理解することが重要です。安全設計における卓越性の動機は単一ではなく、倫理的責任、法的遵守、および財政的慎重さという3つの柱に基づいています。

道徳的および倫理的義務

その核心において、安全エンジニアリングは深く人間的な分野です。主な推進力は、人命と幸福を保護するという道徳的義務です。ボーパールからディープウォーター・ホライズンまで、あらゆる産業事故は、失敗による壊滅的な人的コストを痛烈に思い出させます。適切に設計された安全システムは、組織の最も貴重な資産、つまり従業員とその事業を展開するコミュニティへのコミットメントの証です。この倫理的コミットメントは、国境、規制、および利益率を超越します。

法的および規制的枠組み

世界的に、政府機関および国際標準化団体は、産業安全に関する厳格な法的要件を確立しています。不遵守は選択肢ではなく、厳しい罰則、営業許可の取り消し、さらには企業リーダーシップに対する刑事告発につながる可能性があります。国際電気標準委員会（IEC）や国際標準化機構（ISO）などの国際規格は、最先端の安全レベルを達成し、実証するための世界的に認められた枠組みを提供します。これらの規格を遵守することは、当然の義務の普遍的な言語です。

財政的および評判的な収益

安全には投資が必要ですが、安全上の失敗のコストはほとんどの場合、指数関数的に高くなります。直接的なコストには、機器の損傷、生産損失、罰金、および訴訟が含まれます。ただし、間接的なコストはさらに壊滅的なものになる可能性があります。ブランドの評判の低下、消費者の信頼の喪失、株価の急落、人材の誘致と維持の困難さです。逆に、強力な安全実績は競争上の優位性です。これは、顧客、投資家、および従業員に対して、信頼性、品質、および責任あるガバナンスを示します。効果的な安全システム設計は、コストセンターではありません。それは、運用上の回復力と長期的なビジネスの持続可能性への投資です。

安全の言語：コアコンセプトの解読

安全システム設計を習得するには、まずその言語に堪能である必要があります。これらのコアコンセプトは、安全関連のすべての議論と意思決定の基盤を形成します。

ハザード対リスク：根本的な区別

日常会話ではしばしば同じ意味で使用されますが、「ハザード」と「リスク」は安全エンジニアリングでは正確な意味を持っています。

• ハザード：危害の潜在的な原因。それは本質的な特性です。たとえば、高圧容器、回転ブレード、または有毒化学物質はすべてハザードです。
• リスク：危害が発生する可能性とその危害の重大さを組み合わせたもの。リスクは、望ましくない事象が発生する確率とその潜在的な結果の両方を考慮します。

私たちは、ハザードを排除するためではなく（これはしばしば不可能です）、関連するリスクを許容できるレベルまたは容認できるレベルまで軽減するために安全システムを設計します。

機能安全：アクティブな保護の実行

機能安全とは、システムの全体的な安全のうち、入力に応じて正しく動作することに依存する部分です。それはアクティブな概念です。鉄筋コンクリートの壁が受動的な安全を提供するのに対し、機能安全システムは危険な状態を積極的に検出し、安全な状態を実現するために特定のアクションを実行します。たとえば、危険なほど高い温度を検出し、自動的に冷却バルブを開きます。

安全計装システム（SIS）：最後の防衛線

安全計装システム（SIS）は、1つ以上の「安全計装機能」（SIF）を実行するように特別に設計された、ハードウェアおよびソフトウェア制御のエンジニアリングされたセットです。 SISは、機能安全の最も一般的で強力な実装の1つです。これは、他のプロセス制御および人的介入が失敗した場合に介入するように設計された、保護の重要なレイヤーとして機能します。例としては、次のものがあります。

• 緊急シャットダウン（ESD）システム：重大な逸脱が発生した場合に、プラントまたはプロセスユニット全体を安全にシャットダウンします。
• 高インテグリティ圧力保護システム（HIPPS）：圧力源を迅速に閉じることにより、パイプラインまたは容器の過圧を防ぎます。
• バーナー管理システム（BMS）：安全な起動、操作、およびシャットダウンシーケンスを保証することにより、炉およびボイラーでの爆発を防ぎます。

パフォーマンスの測定：SILとPLの理解

すべての安全機能が平等に作成されるわけではありません。安全機能の重要性は、必要な信頼性を決定します。国際的に認められた2つのスケールであるSILとPLは、この必要な信頼性を定量化するために使用されます。

安全インテグリティレベル（SIL）は、主にIEC 61508およびIEC 61511規格の下で、プロセス産業（化学、石油、ガス）で使用されます。これは、安全機能によって提供されるリスク軽減の尺度です。離散レベルは4つあります。

• SIL 1：10〜100のリスク軽減係数（RRF）を提供します。
• SIL 2：100〜1,000のRRFを提供します。
• SIL 3：1,000〜10,000のRRFを提供します。
• SIL 4：10,000〜100,000のRRFを提供します。（このレベルはプロセス産業では非常にまれであり、特別な正当性が必要です）。

必要なSILは、リスクアセスメントフェーズで決定されます。 SILが高いほど、システム信頼性、冗長性、およびより厳格なテストが要求されます。

パフォーマンスレベル（PL）は、ISO 13849-1規格に準拠した、機械の制御システムの安全関連部品に使用されます。また、予見可能な条件下でシステムが安全機能を実行する能力も定義します。 PLa（最低）からPLe（最高）までの5つのレベルがあります。

• PLa
• PLb
• PLc
• PLd
• PLe

PLの決定はSILよりも複雑であり、システムアーキテクチャ（カテゴリ）、危険故障までの平均時間（MTTFd）、診断カバレッジ（DC）、および共通原因故障（CCF）に対する耐性など、いくつかの要因に依存します。

安全ライフサイクル：コンセプトから廃止までの体系的な旅

最新の安全設計は、1回限りのイベントではなく、安全ライフサイクルと呼ばれる継続的で構造化されたプロセスです。 IEC 61508などの規格の中心となるこのモデルは、最初のアイデアからシステムの最終的な廃棄まで、すべての段階で安全が考慮されるようにします。多くの場合、「Vモデル」として視覚化され、（Vの左側）仕様と（右側）検証との間のリンクを強調しています。

フェーズ1：分析-安全のための青写真

この初期段階はおそらく最も重要です。ここでのエラーまたは脱落はプロジェクト全体に影響を及ぼし、コストのかかる手直し、またはさらに悪いことに、効果のない安全システムにつながります。

ハザードおよびリスクアセスメント（HRA）：プロセスは、すべての潜在的なハザードの体系的な特定と、関連するリスクの評価から始まります。世界中でいくつかの構造化された手法が使用されています。

• HAZOP（ハザードおよびオペラビリティスタディ）：設計意図からの潜在的な逸脱を特定するための、体系的なチームベースのブレインストーミング手法。
• LOPA（保護レイヤー分析）：既存のセーフガードがリスクを制御するのに十分であるかどうか、または追加のSISが必要かどうか、必要な場合はどのSILで必要かを判断するために使用される半定量的手法。
• FMEA（故障モードおよび影響分析）：個々のコンポーネントがどのように故障し、その故障がシステム全体にどのような影響を与えるかを考慮するボトムアップ分析。

安全要件仕様（SRS）：リスクが理解され、安全機能が必要であることが決定されると、次のステップは、その要件を正確に文書化することです。 SRSは、安全システム設計者にとって明確な青写真です。これは、明確、簡潔、かつ曖昧であってはならない法的および技術的文書です。堅牢なSRSは、システムが何をしなければならないかを指定し、どのように行うかを指定しません。これには、機能要件（たとえば、「容器V-101の圧力が10バールを超えたら、2秒以内にバルブXV-101を閉じる」）およびインテグリティ要件（必要なSILまたはPL）が含まれます。

フェーズ2：実現-設計を具現化する

SRSをガイドとして、エンジニアは安全システムの設計と実装を開始します。

アーキテクチャ設計の選択：ターゲットSILまたはPLを満たすために、設計者はいくつかの重要な原則を採用しています。

• 冗長性：同じ機能を実行するために複数のコンポーネントを使用します。たとえば、1つの圧力トランスミッターの代わりに2つの圧力トランスミッターを使用します（2分の1、または「1oo2」アーキテクチャ）。1つが故障した場合でも、もう1つは安全機能を実行できます。より重要なシステムでは、2oo3アーキテクチャを使用する場合があります。
• 多様性：それらすべてに影響を与える共通の設計上の欠陥から保護するために、冗長コンポーネントに異なるテクノロジーまたはメーカーを使用します。たとえば、あるメーカーの圧力トランスミッターと別のメーカーの圧力スイッチを使用します。
• 診断：安全システム自体の故障を検出し、要求が発生する前に報告できる自動自己テストを組み込みます。

安全計装機能（SIF）の解剖学：SIFは通常、次の3つの部分で構成されています。

1. センサー：プロセス変数（圧力、温度、レベル、流量など）を測定するか、状態（ライトカーテンの破損など）を検出する要素。
2. ロジックソルバー：システムの「頭脳」。通常、認定された安全PLC（プログラマブルロジックコントローラー）であり、センサー入力を読み取り、事前プログラムされた安全ロジックを実行し、最終要素にコマンドを送信します。
3. 最終要素：物理世界で安全アクションを実行する「筋肉」。これは、ソレノイドバルブ、アクチュエータ、およびシャットダウンバルブまたはモーターコンタクタなどの最終制御要素の組み合わせであることがよくあります。

たとえば、高圧保護SIF（SIL 2）では、センサーはSIL 2認定の圧力トランスミッターである可能性があります。ロジックソルバーは、SIL 2認定の安全PLCになります。最終要素アセンブリは、SIL 2認定のバルブ、アクチュエータ、およびソレノイドの組み合わせになります。設計者は、これら3つの部品の組み合わせた信頼性が、全体的なSIL 2要件を満たしていることを確認する必要があります。

ハードウェアおよびソフトウェアの選択：安全システムで使用されるコンポーネントは、目的に適合している必要があります。これは、特定のSIL/PL定格に対して認定機関（TÜVやExidaなど）によって認定されたデバイスを選択するか、「実績のある使用」または「以前の使用」データに基づいて堅牢な正当性を持つデバイスを選択することを意味します。同様のアプリケーションでの高い信頼性の歴史を示しています。

フェーズ3：操作-シールドの維持

完璧に設計されたシステムも、正しく設置、操作、および保守されていなければ役に立ちません。

設置、試運転、および検証：これは、設計されたシステムがSRSのすべての要件を満たしていることを証明する検証フェーズです。これには、出荷前の工場受入テスト（FAT）と、設置後の現場受入テスト（SAT）が含まれます。安全検証は、システムが正しく、完全で、プロセスを保護する準備ができていることを最終的に確認するものです。システムが完全に検証されるまで、稼働させるべきではありません。

操作、保守、およびプルーフテスト：安全システムは、要求に応じた故障確率（PFD）を計算して設計されています。この信頼性を維持するために、定期的なプルーフテストが必須です。プルーフテストは、最後のテスト以降に発生した可能性のある未検出の故障を明らかにするように設計された文書化されたテストです。これらのテストの頻度と徹底性は、SIL/PLレベルとコンポーネントの信頼性データによって決まります。

変更管理（MOC）および廃止：安全システム、そのソフトウェア、または保護するプロセスへの変更は、正式なMOC手順を通じて管理する必要があります。これにより、変更の影響が評価され、安全システムの整合性が損なわれないことが保証されます。同様に、プラントの寿命が尽きたときの廃止は、プロセス全体で安全が維持されるように慎重に計画する必要があります。

グローバル標準の迷路をナビゲートする

規格は、共通言語と能力のベンチマークを提供し、ある国で設計された安全システムが別の国で理解、操作、および信頼されるようにします。これらは、ベストプラクティスに関するグローバルなコンセンサスを表しています。

基礎（包括的）規格

• IEC 61508：「電気/電子/プログラマブル電子安全関連システムの機能安全」。これは、機能安全の基礎となる規格または「母親」規格です。これは、安全ライフサイクル全体の要件を設定し、特定の業界に固有のものではありません。他の多くの業界固有の規格は、IEC 61508の原則に基づいています。
• ISO 13849-1：「機械の安全性—制御システムの安全関連部品」。これは、世界中の機械の安全制御システムを設計するための主要な規格です。安全機能のパフォーマンスレベル（PL）を計算するための明確な方法論を提供します。

主要なセクター固有の規格

これらの規格は、基礎規格の原則を特定の業界の独自の課題に適応させます。

• IEC 61511（プロセス産業）：IEC 61508ライフサイクルを、プロセスセクター（化学、石油、ガス、製薬など）の特定のニーズに適用します。
• IEC 62061（機械）：機械の安全のためのISO 13849-1の代替規格。IEC 61508の概念に直接基づいています。
• ISO 26262（自動車）：道路車両内の電気および電子システムの安全のためのIEC 61508の詳細な適応。
• EN 50126/50128/50129（鉄道）：鉄道アプリケーションの安全性と信頼性を管理する一連の規格。

特定のアプリケーションおよび地域に適用される規格を理解することは、すべての安全設計プロジェクトの基本的な責任です。

一般的な落とし穴と実績のあるベストプラクティス

技術的な知識だけでは十分ではありません。安全プログラムの成功は、組織的要因と卓越性へのコミットメントに大きく依存します。

回避すべき5つの重要な落とし穴

1. 後付けとしての安全：設計プロセスの後半に安全システムを「ボルトオン」追加として扱うこと。これは、コストがかかり、非効率的であり、多くの場合、最適ではなく、統合されていないソリューションにつながります。
2. 曖昧または不完全なSRS：要件が明確に定義されていない場合、設計が正しいことはあり得ません。 SRSは契約です。あいまいさは失敗につながります。
3. 変更の管理（MOC）の不備：正式なリスクアセスメントなしに、安全装置をバイパスしたり、制御ロジックに「無害な」変更を加えたりすると、壊滅的な結果につながる可能性があります。
4. テクノロジーへの過度の依存：高いSILまたはPL定格だけが安全を保証すると信じること。人的要因、手順、およびトレーニングは、全体的なリスク軽減の観点から同等に重要な部分です。
5. メンテナンスとテストの軽視：安全システムは、最後のプルーフテストと同じくらい優れています。 「設計して忘れる」という考え方は、業界で最も危険な態度の1つです。

成功する安全プログラムの5つの柱

1. 積極的な安全文化の育成：安全は、リーダーシップによって擁護され、すべての従業員が受け入れる中核的な価値観でなければなりません。それは、誰も見ていないときに人々が何をするかということです。
2. 能力への投資：エンジニアから技術者まで、安全ライフサイクルに関与するすべての担当者は、自分の役割に適したトレーニング、経験、および資格を持っている必要があります。能力は実証可能であり、文書化されている必要があります。
3. 綿密な文書化の維持：安全の世界では、文書化されていなければ、何も起こらなかったことになります。最初のリスクアセスメントから最新のプルーフテストの結果まで、明確でアクセス可能で正確なドキュメントが最も重要です。
4. 全体的でシステム思考のアプローチの採用：個々のコンポーネントを超えて検討してください。安全システムが、基本的なプロセス制御システム、人間のオペレーター、およびプラントの手順とどのように相互作用するかを検討してください。
5. 独立した評価の義務付け：主要なライフサイクルの段階で機能安全評価（FSA）を実施するために、主要な設計プロジェクトとは独立したチームまたは人を使用します。これにより、重要な、偏りのないチェックとバランスが提供されます。

結論：より安全な未来をエンジニアリングする

安全システム設計は、厳格で要求が厳しく、非常にやりがいのある分野です。これは、単純なコンプライアンスを超えて、エンジニアリングされた保証の積極的な状態に移行します。ライフサイクルアプローチを採用し、グローバルスタンダードを遵守し、中核となる技術的原則を理解し、安全に対する強力な組織文化を育成することにより、生産的で効率的なだけでなく、基本的に安全な施設を構築および運用できます。

ハザードから制御されたリスクへの旅は体系的なものであり、技術的能力と揺るぎないコミットメントという2つの基盤の上に構築されています。テクノロジーがインダストリー4.0、AI、および自律性の向上とともに進化し続けるにつれて、堅牢な安全設計の原則はこれまで以上に重要になります。それは継続的な責任であり、集団的な成果です。すべての人にとって、より安全で安心な未来をエンジニアリングする私たちの能力の究極の表現です。