安全儀表系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)間的共用性及聯(lián)系

吳剛，宋江濤，董興明

(中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司 北京分公司， 北京 100085)

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安全儀表系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)間的共用性及聯(lián)系

吳剛，宋江濤，董興明

(中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司 北京分公司， 北京 100085)

摘要：為解決常見的系統(tǒng)間共用性選擇問題，以國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范為依據(jù)，從系統(tǒng)間數(shù)據(jù)通信、現(xiàn)場檢測設(shè)備及控制系統(tǒng)等方面，對安全儀表系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)間的共用性及聯(lián)系進行了分析研究。歸納總結(jié)了完整控制回路中不同部分組件在兩類系統(tǒng)間的共用性，設(shè)計人員可根據(jù)所在項目的實際情況，合理選擇兩類系統(tǒng)是否共用，現(xiàn)場設(shè)備是否系統(tǒng)間共用。

關(guān)鍵詞：安全儀表系統(tǒng) 過程控制系統(tǒng) 自動化設(shè)計 控制回路 共用性 聯(lián)系

石油化工行業(yè)工程項目中，安全儀表系統(tǒng)(SIS)與過程控制系統(tǒng)(BPCS)一般情況下應(yīng)分別獨立設(shè)置，在硬件和軟件上都不共用，包括現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行元件、控制系統(tǒng)部分等。但是對于少數(shù)中小型項目來說，由于項目規(guī)模、前期投資預(yù)算、投產(chǎn)時限等多方面因素的影響，需要考慮合理范圍內(nèi)的部分系統(tǒng)間共用設(shè)計，但前提也必須要滿足安全儀表回路的安全性及可靠性要求。

BPCS與SIS的共用性及聯(lián)系存在于系統(tǒng)間數(shù)據(jù)通信、現(xiàn)場檢測儀表、執(zhí)行單元、控制系統(tǒng)等幾部分，筆者從上述幾方面分別進行分析。

1BPCS與SIS間的數(shù)據(jù)通信

BPCS和SIS之間的通信可以提高應(yīng)用的整體安全性。SIS與BPCS的過程參數(shù)的對比可以提高傳感器的診斷功能和整體性能。但是兩系統(tǒng)間通信，尤其是對SIS的寫入會降低其安全完整性。應(yīng)制訂規(guī)定來確保所有對SIS的寫操作是合法的，并且不會對系統(tǒng)安全性或操作產(chǎn)生負面影響。

可通過以下幾種基本方式來實現(xiàn)BPCS和SIS之間的通信：

1) BPCS與SIS之間自身沒有通信。這一點適用于所有SIS的安全完整性等級(SIL)。

2) BPCS與SIS之間每個設(shè)備都進行硬接線(如SIS中的觸點狀態(tài)通過電纜接入BPCS)。

如果SIS需要硬接線的通信方式來實現(xiàn)安全功能，應(yīng)考慮輸入點、接線、輸出點、BPCS及其硬件和軟件功能實現(xiàn)所需的所有組件，上述內(nèi)容都需要為SIS能夠滿足相應(yīng)SIL而進行分析和設(shè)計。

3) 從SIS向BPCS的通信是只讀通信方式。在分析檢查并確保這種方式不會對安全功能產(chǎn)生損害的情況下，適用于所有的SIL。SIS的防寫保護包括但不僅限于硬接線開關(guān)(跳線)方式來實現(xiàn)，另外對SIS的ROM寄存器寫操作進行限制。

控制系統(tǒng)的串行通信接口使用戶能夠訪問大量的系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)。SIS和BPCS的集成可為操作提供較大的優(yōu)勢，但串行通信方式在執(zhí)行過程中仍應(yīng)考慮以下方面： 使用冗余通信方式及線路；如果BPCS和SIS之間交換臨界數(shù)據(jù)，則“看門狗計時器”應(yīng)考慮使用；在SIS中劃分專門的物理區(qū)域用于數(shù)據(jù)通信。

2現(xiàn)場設(shè)備的共用性問題

在一些情況下，可能難以避免現(xiàn)場設(shè)備在兩系統(tǒng)間存在共用，比如過程控制功能與安全儀表功能之間共用一套傳感器和閥門。首先，假設(shè)控制功能與安全功能在不同的系統(tǒng)中，控制功能分配給BPCS而安全功能分配給SIS。

當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時，還應(yīng)適當(dāng)考慮到安全儀表設(shè)備在減輕危害方面的功能。例如，外部起火大部分會損害非本安型的控制閥和制動器，使它們無法在起火之后實現(xiàn)安全保護功能。設(shè)置單獨的本安型SIF隔離閥在這種情況下是至關(guān)重要的。

如果BPCS與SIS中有共用設(shè)備，應(yīng)考慮以下內(nèi)容：

1) SIS之外的軟硬件的故障應(yīng)不影響安全儀表功能(SIF)的準確操作。

2) BPCS設(shè)備的失效不會導(dǎo)致系統(tǒng)危害和SIF的失效。

3) 共模故障、共因故障或相關(guān)故障(如引壓管、因為維護產(chǎn)生的旁路、關(guān)斷閥錯誤操作等)的可能性應(yīng)被充分考慮并減小到最低。

4) 共用的設(shè)備依據(jù)ISA-84.00.01—2004進行管理，包括安全測試和應(yīng)變管理。

5) 閥門的設(shè)計原則： BPCS的故障不會影響SIS使用共用閥。

6) 閥門在設(shè)計時應(yīng)能夠與SIS和BPCS在功能上兼容。需要注意的是，由于許多BPCS中的閥是“流開型”，而許多SIS中的閥是“流關(guān)型”，因而這一點難以實現(xiàn)。SIS中閥的執(zhí)行器動力要求可能與控制閥不同。控制閥可能是雙座、平衡閥芯設(shè)計，SIS中的閥一般是單座，使用直通閥來減少泄漏。

7) 操作人員應(yīng)該界定不會影響SIF正常執(zhí)行的控制閥泄漏等級。對于氣動閥來說，一個由SIS操作的電磁閥可能串行在控制閥執(zhí)行機構(gòu)的氣源中。當(dāng)SIS發(fā)送指令使閥處于關(guān)斷位，電磁閥就打開來泄放控制閥的氣體。對于電動閥，應(yīng)保證在控制閥處于關(guān)斷狀態(tài)時，無論BPCS進行任何操作，SIS都擁有使用控制閥的優(yōu)先權(quán)。

8) 對于閥和其他共用設(shè)備的任何在線測試需求均可以在不妨礙BPCS控制功能的使用情況下進行。

另外，合理的設(shè)備隔離設(shè)計可以很好地減少共因故障并解決因意外變化而可能出現(xiàn)的安全問題。為解決這些問題，可以考慮從現(xiàn)場檢測單元、最終執(zhí)行單元兩方面入手，例如，SIS可與BPCS共用孔板流量計，但應(yīng)使用不同的過程接口和傳感器；例如壓力檢測元件的接口隔離，安裝時應(yīng)預(yù)防結(jié)冰與堵塞問題等。

3控制系統(tǒng)的共用性問題

當(dāng)BPCS與SIS要進行共用設(shè)計時，可以考慮將BPCS設(shè)計成SIS來使用，需要使用全生命周期的方法涵蓋各保護層，包括危險及風(fēng)險分析、設(shè)計文件、功能安全管理、變化校驗和變化管理。BPCS和SIS變?yōu)橐粋€整體，執(zhí)行安全保護和過程監(jiān)控兩種功能。

此時BPCS功能設(shè)計在SIS內(nèi)并根據(jù)ISA-84.00.01—2004的需求進行設(shè)計和管理?？紤]召開危險及風(fēng)險評估會來研究可能的控制功能和安全功能間的共因故障(控制功能可能導(dǎo)致失效)。這種情況下，邏輯控制器故障的影響，數(shù)據(jù)高速通信的損失、軟件錯誤和工程接口訪問的安全性，這些問題在復(fù)合系統(tǒng)運行時可能成為更難分析的問題。

BPCS和SIS的生命周期設(shè)計一般不同，生命周期的使用可通過ISA-84.00.01—2004定義的設(shè)計、測試、校驗或管理程序減小潛在的系統(tǒng)失效概率。

筆者建議BPCS的保護層與任何SIS保護層應(yīng)實體分離來避免共模故障。此外，SIS與BPCS共用邏輯控制器時仍需要關(guān)注以下問題： 邏輯控制器執(zhí)行控制功能和SIF的功能性；邏輯控制器整體達到針對復(fù)合系統(tǒng)的必要危險率；對于SIF的訪問安全；避免對SIF的非法意外輸入；對于SIF的變化的管理。

筆者不建議BPCS/SIS共用控制元件及模塊(CPU 等)，除非特殊情況。但由于SIS邏輯控制器中控制功能的獨立執(zhí)行會明顯提高長期操作、維護、測試和控制功能管理的成本，從而在一些規(guī)模較小的項目中，如獨立大型轉(zhuǎn)動設(shè)備和撬裝系統(tǒng)，它們更高的操作成本會被其他設(shè)計考慮(即共用系統(tǒng))抵消，則可以考慮共用。共用的軟件和硬件應(yīng)該整體達到共用性和統(tǒng)一性，能夠達到H&RA規(guī)定的目標故障率(危險失效導(dǎo)致的不可接受結(jié)果的可忍受頻率)。

雖然BPCS/SIS獨立設(shè)置并使用不同類型的SIS邏輯控制器，在ISA-84.00.01—2004中并未明確要求，然而，許多業(yè)主/操作維護方在實際項目中往往都按照獨立系統(tǒng)來設(shè)置考慮。當(dāng)控制功能故障時，SIS作為獨立保護層動作；SIS的設(shè)計會應(yīng)用到許多標準和指南，從而完成SIF功能和控制功能實體分離的多樣性。

SIS和BPCS硬件和軟件完全獨立在工業(yè)生產(chǎn)中，包含如下原因：

1) 這種獨立實際上減小了共模失效。

2) 考慮到各個系統(tǒng)的分別維護，SIS與BPCS互相隔離時一般使用不同的操作人員。

3) SIS和BPCS隔離是與保護層的定義相關(guān)的。當(dāng)BPCS產(chǎn)生故障時，被隔離的SIS是一個獨立的保護層。

4) 當(dāng)對SIS和BPCS進行了恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計、校驗和管理時，可適當(dāng)減少分析研究的工作量。

4結(jié)束語

SIS與BPCS一般情況下應(yīng)獨立設(shè)置，包括現(xiàn)場檢測部分及執(zhí)行部分等；雖然少數(shù)小型項目可以考慮共用設(shè)計，但也應(yīng)遵循相應(yīng)規(guī)范要求，滿足功能安全及故障失效概率值。在綜合考慮投資成本、運行維護工作量、系統(tǒng)可靠性等綜合因素后，根據(jù)實際情況合理設(shè)計工作站，本文對系統(tǒng)間的共用性及聯(lián)系提供了有益的分析，為工程技術(shù)人員在項目實際執(zhí)行時提供了一定參考。

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中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)06-0076-03

作者簡介：吳剛(1979—)，男，山東文登人，2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)自動化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司北京分公司，主要從事油田地面工程自動化設(shè)計工作，任工程師。

稿件收到日期：2015-07-07，修改稿收到日期：2015-09-18。