SIL定量計(jì)算評(píng)估方法在BPCS中的應(yīng)用

宋雷，孫軍

(1. 中國石油工程建設(shè)公司 華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島 266071；2.北京化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)模擬與系統(tǒng)安全工程研究中心，北京 10029)

對(duì)于安全儀表系統(tǒng)(SIS)，通過安全完整性等級(jí)(SIL)的定量計(jì)算與評(píng)估，可以得到SIL等級(jí)和平均失效概率PFDavg等定量數(shù)據(jù)，用以衡量其執(zhí)行所設(shè)計(jì)的安全功能能力的大小[1]。在SIS全生命周期的不同階段，進(jìn)行SIL的定量計(jì)算與評(píng)估，可以為SIS的設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)、更換、拆除等工作提供可靠的科學(xué)依據(jù)；為企業(yè)在保證人身安全、正常生產(chǎn)的前提下，最大限度地降低生產(chǎn)成本及能耗，提升生產(chǎn)裝置運(yùn)行性能，實(shí)現(xiàn)公司效益最大化的目標(biāo)提供強(qiáng)有力的支持。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，具有多種控制結(jié)構(gòu)的基本過程控制系統(tǒng)(BPCS)的使用遠(yuǎn)多于SIS，用于構(gòu)成BPCS的各類儀表的數(shù)量也遠(yuǎn)多于構(gòu)成SIS的儀表數(shù)量。而且，由于目前SIS的安裝等工作主要依靠專家經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行，使得現(xiàn)場(chǎng)安裝的SIS難免存在很多不合理的地方。因此，在目前的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，BPCS在很多場(chǎng)合下都在代替SIS起到一定的安全作用，BPCS能否正常運(yùn)行，能否完成其所設(shè)計(jì)的相應(yīng)功能，顯得至關(guān)重要。筆者根據(jù)概率論的基本方法，將定量計(jì)算評(píng)估SIS的相關(guān)方法及PFDavg等概念引入到具有各類控制結(jié)構(gòu)的BPCS的評(píng)價(jià)工作中，并針對(duì)BPCS的特點(diǎn)提出了動(dòng)態(tài)λ的概念，希望這些方法和概念能夠?yàn)橛行Ш饬緽PCS的執(zhí)行能力提供幫助，從而為BPCS的設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)、更換和拆除等工作提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

1 SIS的SIL定量計(jì)算評(píng)估方法

SIS一般由傳感器、邏輯控制器和最終元件三部分構(gòu)成。在進(jìn)行SIL計(jì)算時(shí)，分別對(duì)三部分單獨(dú)計(jì)算，再利用式(1)得到整個(gè)SIS的PFDavg，進(jìn)而利用SIL等級(jí)的定義(表1所列)得到被評(píng)價(jià)SIS的SIL等級(jí)。

PFDavg=PFDavg傳+PFDavg控+PFDavg執(zhí)

(1)

表1 低要求操作模式下的安全完整性等級(jí)

對(duì)于每個(gè)單獨(dú)的部分(如傳感器)，可以采用故障樹分析、可靠性框圖、Markov(馬爾可夫)模型或針對(duì)不同冗余結(jié)構(gòu)的概率計(jì)算等方法進(jìn)行計(jì)算[2-5]，由于篇幅所限，此處不做詳細(xì)說明。

2 各類控制結(jié)構(gòu)的BPCS的計(jì)算方法

與SIS簡單的控制結(jié)構(gòu)相比，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的BPCS往往具有較為復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)，如串級(jí)控制結(jié)構(gòu)、選擇控制結(jié)構(gòu)等。對(duì)于構(gòu)成BPCS的每一部分，與SIS相同，評(píng)估人員可以采用上文提到的各類方法(如故障樹分析、可靠性框圖、Markov模型等)對(duì)其進(jìn)行SIL計(jì)算。此外，需要注意的是，在計(jì)算完各個(gè)組成部分的PFDavg之后，在計(jì)算整個(gè)SIS的平均失效概率時(shí)，就不能只是使用式(1)了，而要針對(duì)不同的控制結(jié)構(gòu)采用不同的集成計(jì)算公式。

2.1 單回路控制結(jié)構(gòu)

單回路控制結(jié)構(gòu)的組成與常見SIS的組成相同，所以可采用式(1)計(jì)算其PFDavg。

2.2 串級(jí)控制結(jié)構(gòu)

串級(jí)控制結(jié)構(gòu)的組成如圖1所示[6]。

圖1 串級(jí)控制結(jié)構(gòu)的組成示意

根據(jù)串級(jí)控制結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，依據(jù)基本的概率計(jì)算方法可以得到其平均失效概率的集成公式：

PFDavg=(PFDavg主傳+PFDavg主控)×PFDavg副傳+

PFDavg副控+PFDavg執(zhí)

(2)

2.3 單閉環(huán)比值控制結(jié)構(gòu)

單閉環(huán)比值控制結(jié)構(gòu)的組成如圖2所示(比值K在控制器中由邏輯實(shí)現(xiàn))，由主傳感器并聯(lián)副傳感器，再與控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成[6]。

圖2 單閉環(huán)比值控制結(jié)構(gòu)的組成示意

根據(jù)單閉環(huán)比值控制結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，依據(jù)基本的概率計(jì)算方法可以得到其平均失效概率的集成公式：

PFDavg=PFDavg主傳×PFDavg副傳+

PFDavg控+PFDavg執(zhí)

(3)

2.4 雙沖量均勻控制結(jié)構(gòu)

雙沖量均勻控制結(jié)構(gòu)的組成如圖3所示[6]。

圖3 雙沖量均勻控制結(jié)構(gòu)的組成示意

根據(jù)雙沖量均勻控制結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，依據(jù)基本的概率計(jì)算方法可以得到其平均失效概率的集成公式：

PFDavg=PFDavg主傳×PFDavg副傳+PFDavg加法器+

PFDavg控+PFDavg執(zhí)

(4)

2.5 選擇控制結(jié)構(gòu)

選擇控制結(jié)構(gòu)的組成如圖4所示[6]。

圖4 選擇控制結(jié)構(gòu)的組成示意

根據(jù)選擇控制結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，依據(jù)基本的概率計(jì)算方法可以得到其平均失效概率的集成公式：

PFDavg=(PFDavg主傳+PFDavg主控)×(PFDavg副傳+

PFDavg副控)+PFDavg選擇器+PFDavg執(zhí)

(5)

2.6 分程控制結(jié)構(gòu)

分程控制結(jié)構(gòu)的組成如圖5所示[6]。

圖5 分程控制結(jié)構(gòu)的組成示意

根據(jù)分程控制結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，依據(jù)基本的概率計(jì)算方法可以得到其平均失效概率的集成公式：

PFDavg=PFDavg傳+PFDavg控+

PFDavg執(zhí)1+PFDavg執(zhí)2

(6)

此外，由于控制結(jié)構(gòu)的組成相同，因而還可以利用上述6個(gè)公式解決開環(huán)比值控制結(jié)構(gòu)、單閉環(huán)比值控制結(jié)構(gòu)(硬件實(shí)現(xiàn)比值作用)、簡單均勻控制結(jié)構(gòu)、串級(jí)均勻控制結(jié)構(gòu)、雙沖量均勻控制結(jié)構(gòu)(軟件實(shí)現(xiàn)加法器作用)、前饋控制結(jié)構(gòu)、雙閉環(huán)比值控制結(jié)構(gòu)和軟件實(shí)現(xiàn)比值的雙閉環(huán)比值控制結(jié)構(gòu)的集成計(jì)算問題。

3 動(dòng)態(tài)λ

由于BPCS是連續(xù)執(zhí)行設(shè)計(jì)的功能，構(gòu)成BPCS的各類儀表在工廠正常生產(chǎn)的每時(shí)每刻都在運(yùn)行，因此這些儀表的損耗相對(duì)較大，隨著使用時(shí)間的增加，其可靠性將出現(xiàn)較為明顯的降低。為了切實(shí)地將這種變化反映出來，筆者提出了動(dòng)態(tài)λ的概念，即用一個(gè)時(shí)間函數(shù)來描述儀表的失效概率λ(公式(7)所示)，而不像在SIS的計(jì)算評(píng)估中做的那樣，λ是一個(gè)確定不變的數(shù)值。

λ=F(t)

(7)

式中：F(t)——根據(jù)具體儀表自身的特點(diǎn)來確定的一個(gè)關(guān)于時(shí)間的函數(shù)，如常見的“浴盆”模型函數(shù)等。

在BPCS的計(jì)算評(píng)估中，首先根據(jù)被評(píng)估儀表的不同特點(diǎn)(內(nèi)部結(jié)構(gòu)、使用環(huán)境等)確定F(t)的形式，即確定λ與時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系。λ確定之后，可以根據(jù)SIS的計(jì)算評(píng)估中常用的方法，如可靠性框圖、故障樹以及Markov模型等計(jì)算確定構(gòu)成BPCS各儀表的PFDavg。最后，利用本文第2部分中提到的針對(duì)各類控制結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，計(jì)算得出整個(gè)BPCS系統(tǒng)的平均失效概率，從而達(dá)到定量計(jì)算評(píng)估的目的。

由于λ是隨時(shí)間的變化而變化的，使得最終的評(píng)估結(jié)論將隨著時(shí)間的變化而變化，將儀表的損耗有效、合理地引入到整個(gè)評(píng)價(jià)過程中來，使得評(píng)價(jià)過程更為合理，評(píng)價(jià)結(jié)論更為準(zhǔn)確，并提供了一定的預(yù)測(cè)功能。

4 結(jié)束語

BPCS在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中，往往只注重針對(duì)于工藝過程及工藝參數(shù)的控制，較少關(guān)注其執(zhí)行能力。本文提出了動(dòng)態(tài)λ的概念，通過引用廣泛應(yīng)用于SIS評(píng)價(jià)中的失效概率PFDavg等理念，采用概率計(jì)算的基本方法，對(duì)各類控制結(jié)構(gòu)的BPCS進(jìn)行評(píng)價(jià)，以達(dá)到定量評(píng)估BPCS的目的，供工程技術(shù)人員參考。

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