安全儀表系統(tǒng)的設計

劉 偉 ，蘇成利 ， 任 泓

（1. 遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001； 2. 中國寰球工程公司遼寧分公司， 遼寧 撫順 113006）

由于石化設備的經(jīng)濟規(guī)模逐漸大型化,生產(chǎn)裝置間的密集程度的逐步提高,對控制、操作及安全等方面的要求也越發(fā)嚴格。石油、石化裝置的產(chǎn)品絕大部分都屬于有毒、有腐蝕性或易燃、易爆介質(zhì),生產(chǎn)過程稍有不慎就會造成重大的事故,使生產(chǎn)、設備、人員等方面的遭受不可挽回損失。安全儀表系統(tǒng)作為保障過程工業(yè)安全必不可少的措施, 必須不斷的提高安全儀表系統(tǒng)的可靠性的來保證過程工業(yè)的安全[1]。一般來說，安全儀表系統(tǒng)的經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段:氣動系統(tǒng),繼電器系統(tǒng),固態(tài)繼電器系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)。雖然有些裝置仍然采用這些系統(tǒng),但是顯然已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求，因此先進的一體化和智能化的安全儀表系統(tǒng)得到迅速的發(fā)展。

1 安全儀表系統(tǒng)

1.1 安全儀表系統(tǒng)定義

安全儀表系統(tǒng)(Safety instrumented systems, SIS)是一種自動安全保護系統(tǒng),在保障正常生產(chǎn)和人身、設備安全等方面是不可替代的,如今已發(fā)展成為工業(yè)過程自動化不可或缺的部分。安全儀表系統(tǒng)主要作用就是在裝置運行或操作過程發(fā)生異常工況并且危及安全生產(chǎn)時,獨立及時的完成安全保護動作。辨識發(fā)生危險的程度,及時采取有效的措施,聯(lián)鎖儀表執(zhí)行相關(guān)動作,切斷與危險源的聯(lián)系,這樣可以確保事故被有效的遏制同時保護人身和設備的安全[2]。對于過程工業(yè)而言,安全儀表系統(tǒng)本身的安全性可以左右事故造成的影響,多數(shù)過程工業(yè)的安全事故都會伴隨著巨額財產(chǎn)損失和重大的人員傷亡,因此只有對過程工業(yè)安全儀表系統(tǒng)進行實時的安全評定與評估，才能確保過程工業(yè)的安全。通過收集相關(guān)資料,證實在過程工業(yè)中,由于對安全儀表系統(tǒng)安全等級的要求不符合標準以及投產(chǎn)運行后的項目在改造過程中對安全儀表系統(tǒng)的改建不合理或沒有及時更改安全儀表系統(tǒng)而導致的安全事故在所有發(fā)生的事故中所占的比例最高。如果安全儀表系統(tǒng)設計不恰當,可能出現(xiàn)兩種嚴重的后果：可能的后果之一是不應該跳車時反而跳車,從而導致誤動作;另一種可能的后果是該跳車時卻不跳車,導致拒動作。誤動作直接使裝置停車,浪費了時間和精力。拒動作后果不堪設想，可能導致嚴重甚至災難性的事故,造成人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失，因而需要合理運用安全儀表系統(tǒng)以規(guī)避風險和危險。

談及安全儀表系統(tǒng)的定量分析,必須提到幾個重要的指標: 平均失效概率(PFD) 、 安全完整性等級(SIL)和安全失效分數(shù)(SFF)，其中安全完整性等級的確定尤為重要，安全度等級是用來描述安全儀表系統(tǒng)安全綜合評價的等級,指在規(guī)定的時間內(nèi)、規(guī)定的條件下,安全儀表系統(tǒng)達到所要求的安全功能的概率[3]。每個安全儀表系統(tǒng)應根據(jù)裝置的不同需求確定SIL，且不能掉入單獨考慮邏輯控制器的誤區(qū)，同時也需要足夠重視安全儀表系統(tǒng)的其他組成部分（如檢測元件、執(zhí)行元件）的可靠性及可用性。比如在IEC61508標準中, 將安全儀表系統(tǒng)分為3個安全等級:SIL1～SIL3, SIL3最高級, SIL1最低級，一般安全度等級[4]用故障發(fā)生危險的平均概率(PFD)來描述的,且對應關(guān)系如下：

1.2 安全系統(tǒng)設計的基本原則

設計安全儀表系統(tǒng)的應滿足以下要求:(1)必須在裝置條件危險且未發(fā)生事故的情況下迅速做出響應;(2)假如系統(tǒng)沒有反應,將會致使加重危險等級的安全系統(tǒng)及時做出響應，然后把信號及時準確的傳遞到現(xiàn)場,以避免事故的發(fā)生。傳感器、最終執(zhí)行元件、邏輯運算器、過程接口、人機接口、通訊接口、軟件組態(tài)等部分共同構(gòu)成了安全儀表系統(tǒng)，因此設計過程不能針對單個設備，應把系統(tǒng)有關(guān)設備納入整體進行考慮。

設計安全儀表系統(tǒng)時應遵守的原則:能夠獨立于其它系統(tǒng)，自主實現(xiàn)安全保護功能,應設計成故障安全型,應采用中間環(huán)節(jié)最少的結(jié)構(gòu),把傳感器、最終執(zhí)行元件單獨進行設置,這樣可與管理系統(tǒng)或過程控制系統(tǒng)實時的通訊。安全儀表系統(tǒng)應安裝與邏輯運算器相獨立的手動裝置, 直接對執(zhí)行元件進行操作,當一套安全儀表系統(tǒng)同時執(zhí)行多個單元的保護功能時,其共用部分的安全等級須設計成最高級別。

1.3 可靠性和可用性是系統(tǒng)設計的重要指標

在規(guī)定的時間間隔之內(nèi),故障發(fā)生的概率即為系統(tǒng)的可靠性。安全儀表系統(tǒng)的各個組成單元的可靠性[R1(t),R2(t),R3(t)…]的乘積構(gòu)成整個系統(tǒng)的可靠性 R0(t),即[R0(t)=R1(t)R2(t)R3(t)…]。因而只有提高各個環(huán)節(jié)的可靠性才能最終提高整個系統(tǒng)的可靠性。一般設計人員只關(guān)注安全控制系統(tǒng)的可靠性,卻很少考慮檢測元件和執(zhí)行元件的可靠性,導致整套安全儀表系統(tǒng)可靠性低,達不到規(guī)避受控設備風險的要求。系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要，因為它決定系統(tǒng)的安全性。

系統(tǒng)可以使用工作時間的概率即為系統(tǒng)的可用性。雖然系統(tǒng)的可靠性不受可用性的影響,但是系統(tǒng)的可用性低可能會導致某一裝置停產(chǎn)乃至整個工廠都無法正常的運轉(zhuǎn)。

從某種程度上說，安全儀表系統(tǒng)的可靠性與可用性是矛盾的兩個方面。某些措施的采取可能會提高可靠性，同時也可能會導致可用性的下降，反之亦然?？煽啃耘c可用性是衡量一個安全儀表系統(tǒng)的重要指標，無論是可用性低、還是可靠性低，都會提高損失或發(fā)生事故的概率。因此，在設計安全儀表系統(tǒng)時，要兼顧可用性和可靠性?？捎眯允窍到y(tǒng)的基礎，沒有高可用性的可靠性是不現(xiàn)實的; 可靠性是系統(tǒng)前提，可用性必須服從可靠性[5]。而在石化等行業(yè)的現(xiàn)實應用當中，裝置停車可能造成巨額的財產(chǎn)損失，這就要求系統(tǒng)既具有高可用性，又具有高可靠性。安全儀表系統(tǒng)的設計過程中，不是可靠性越高越好，要尋求一種最優(yōu)配置，在達到安全度等級后，配置合理的系統(tǒng)。

1.4 SIS設計時應注意的事項

（1）SIS系統(tǒng)采用的可編程控制器及其數(shù)據(jù)網(wǎng)絡連接必須經(jīng)TUV安全認證。

（2）SIS系統(tǒng)的機柜中需安裝中央邏輯處理器、I/O模件、內(nèi)部通信模件、電源模件等硬件設備，獨立完成工藝裝置的緊急停車和安全保護。系統(tǒng)輔助操作臺上的緊急停車手動開關(guān)信號和報警信號應連接到SIS系統(tǒng)。此外，控制器負荷不應超過50%。

（3）SIS系統(tǒng)與 DCS系統(tǒng)互相通信，在 DCS操作站顯示信息或發(fā)出報警信號。

（4）SIS系統(tǒng)應具備報警事件順序記錄功能(SOE)。 SIS應與DCS時鐘同步，以準確記錄發(fā)生事故時間，方便分析事故原因。

（5）在中央控制室設有兩個重要的工作站：SOE工作站和工程師站。SOE工作站有記錄順序時間事件的功能；工程師站的任務是對SIS系統(tǒng)進行組態(tài)、調(diào)試、下裝和維護等。SOE工作站和工程師站可相互備用，也可共用一站。

（6）SIS系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)的連接采用硬接線的方式[6]。

SIS設計還應合理利用冗余容錯、自診斷和在線維護等技術(shù)。總言之，在設計安全儀表系統(tǒng)時，首先要進行風險評估或分析;然后確定SIL等級，以確定安全儀表系統(tǒng)達到的風險指標;最后，綜合考慮系統(tǒng)的可靠性與可用性，采用多種技術(shù)，合理配置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

安全儀表系統(tǒng)由一系列元件或裝置組成,是一個有機整體，邏輯控制器是系統(tǒng)中的重要的元件,現(xiàn)場檢測與執(zhí)行設備, 安全柵、輔助按鈕、信號線路、供電、開關(guān)等配套設備也是系統(tǒng)組成部分，而我們通常重點研究的是整個系統(tǒng)中的邏輯控制單元，包括控制器、I/O模塊、總線等。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

SIS系統(tǒng)常采用基于三重化表決模式的分散式架構(gòu)，控制器與I/O都采用三重化結(jié)構(gòu)，主機架內(nèi)包括控制器、電源、通訊模塊等，I/O模塊三個一組固定于獨立底座上。

控制器與操作站間通過冗余 SCnetⅡ工業(yè)以太網(wǎng)通訊，控制器與I/O模塊、以及I/O模塊彼此之間通過串行 I/O BUS相連，以便連接和擴展系統(tǒng)規(guī)模[7]。

2.2 系統(tǒng)規(guī)模

系統(tǒng)規(guī)模由I/O總線的傳輸速率決定。SIS應用于安全控制領(lǐng)域，要求較快的響應速度，系統(tǒng)規(guī)模一般較小。但是可以采用多重冗余技術(shù)，增加 I/O模塊，擴展I/O點數(shù)。

3 簡述兩款主流安全儀表系統(tǒng)的應用

3.1 康吉森系統(tǒng)（consen）

國內(nèi)安全控制領(lǐng)域應用較為廣泛的TRICON系統(tǒng)是康吉森公司的產(chǎn)品。TRICON采用三重化容錯技術(shù)(TMR)，除了常規(guī)的ESD，TRICON在透平機組控制 Turbomachinery control方面業(yè)務拓展得也很快。在TRICON成功的基礎上，康吉森公司又推出了面向較小規(guī)模應用場合的 Trident，同樣也獲得TUV的 SIL3級認證，該系列產(chǎn)品運算速度更快，也更為靈活。

3.2 黑馬系統(tǒng)（HIMA）

HIMA系統(tǒng)是德國的一家公司的產(chǎn)品，在安全控制領(lǐng)域歷史悠久，目前該公司的CPU四重化技術(shù)(QMR，即四取二技術(shù))在該領(lǐng)域被廣泛地認可，甚至有的系統(tǒng)的安全等級達到 SIL4。在PES(Programmable Electronic Systems)領(lǐng)域，產(chǎn)品主要有兩個系列:H4lq/H51q和HIMatrix，前者應用于過程控制Process Applications。涉及的領(lǐng)域有化工、石油、石化、制藥、造紙等，一般系統(tǒng)規(guī)模龐大:后者應用于 Factory Applications，包括機械制造、汽車等，多數(shù)系統(tǒng)規(guī)模小，基于安全以太網(wǎng)，響應速度特別快，也極為靈活。

表1對兩款產(chǎn)品進行綜合比較，列出兩種產(chǎn)品的主要的性能指標，供設計安全儀表系統(tǒng)時參考。

4 結(jié)束語

（1）安全儀表系統(tǒng)能有效為過程工業(yè)降低風險，提高安全性，因此得到越來越多的關(guān)注，安全儀表系統(tǒng)的主要目的是提高工業(yè)生產(chǎn)過程的可靠性與安全性,使整個工業(yè)生產(chǎn)過程安全平穩(wěn)的運行。

（2）安全儀表系統(tǒng)的設計包含的多個方面,只有過程工業(yè)中多個專業(yè)的設計人員的緊密合作才能圓滿的完成。安全儀表系統(tǒng)的設計時應進行HAZOP分析,然后采用定性或定量的分析和評估方法來確定實際安全儀表系統(tǒng)的安全完整性水平,從而達到整個安全儀表系統(tǒng)的基本要求。但是由于應用方法不同，確定的安全完整性水平可能有差異,這就需要設計者靈活的分析具體的情況，確定合適的安全完整性水平分析方法。

（3）隨著技術(shù)的不斷更新完善使得安全儀表系統(tǒng)的成本大大的降低，其功能亦越來越強大,設計也變得更為便捷，應用將更為廣泛。安全儀表系統(tǒng)將為過程工業(yè)的安全生產(chǎn)提供更可靠的保障。

表1 兩種安全儀表系統(tǒng)產(chǎn)品綜合性能比較Table 1 The performance comparison of two kinds of safety instrument system product

［1］ 工業(yè)生產(chǎn)過程中安全儀表系統(tǒng)的應用 SY/T10045 2003[S].2003.

［2］ 陽憲惠,郭海濤.安全儀表系統(tǒng)的功能安全[M].北京:清華大學出版社,2007.

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