SIS系統(tǒng)在大型化工裝置上的應(yīng)用探討

危 洋，鄭玉時(shí)（天津大沽化工股份有限公司，天津 300455）

SIS系統(tǒng)在大型化工裝置上的應(yīng)用探討

危 洋，鄭玉時(shí)（天津大沽化工股份有限公司，天津 300455）

本文介紹了安全儀表系統(tǒng)的基本概念及特點(diǎn)，明確了安全儀表系統(tǒng)在化工企業(yè)生產(chǎn)中的重要性，對(duì)安全儀表系統(tǒng)在大型化工裝置上的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析。

安全儀表系統(tǒng)；安全完整性等級(jí)；控制系統(tǒng)；集成

1 引言

當(dāng)前過(guò)程工業(yè)控制領(lǐng)域的自動(dòng)化控制水平越來(lái)越高，同時(shí)對(duì)過(guò)程設(shè)備或裝置的安全性、可靠性的要求也逐步提高，于是安全儀表系統(tǒng)（SIS）應(yīng)運(yùn)而生。SIS系統(tǒng)可以獨(dú)立于過(guò)程控制系統(tǒng)而單獨(dú)存在。SIS系統(tǒng)的存在解決了過(guò)程工業(yè)控制各行各業(yè)（包括石油、化工、電力、冶金等）對(duì)安全功能的要求，提高了過(guò)程裝備的安全性，減少了人員的傷害和設(shè)備的損失。各個(gè)控制系統(tǒng)制造商大都推出了自己的SIS系統(tǒng)，包括：Honeywell公司的FSC/Safety Manager系統(tǒng)、HIMA公司的PES系統(tǒng)、Triconex公司的Tricon系統(tǒng)、YOKOGAWA公司的ProSafe-PLC等。

2 SIS系統(tǒng)的基本特點(diǎn)

2.1 安全完整性等級(jí)

安全完整性指在規(guī)定的條件和時(shí)間內(nèi)，安全儀表系統(tǒng)完成安全儀表功能的平均概率。安全完整性等級(jí)由低到高可分為SIL1、SIL2、SIL3、SIL4。

SIL1級(jí)每年故障危險(xiǎn)的平均概率為0.1 ~0.01之間；

SIL2級(jí)每年故障危險(xiǎn)的平均概率為0.01 ~0.001之間；

SIL3級(jí)每年故障危險(xiǎn)的平均概率為0.001~0.0001之間。

SIL4級(jí)每年故障危險(xiǎn)的平均概率為0.0001~0.00001之間

安全完整性等級(jí)評(píng)估方法應(yīng)根據(jù)工藝過(guò)程復(fù)雜程度、國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、風(fēng)險(xiǎn)特性和降低風(fēng)險(xiǎn)的方法、人員經(jīng)驗(yàn)等確定。主要方法應(yīng)包括保護(hù)層分析法、風(fēng)險(xiǎn)矩陣法、校正的風(fēng)險(xiǎn)圖法、經(jīng)驗(yàn)法及其他方法。

安全儀表系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧可靠性、可用性、可維護(hù)性、可追溯性和經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)防止設(shè)計(jì)不足或過(guò)度設(shè)計(jì)，石油化工廠的安全完整性等級(jí)不應(yīng)高于SIL3。

2.2 多重冗余系統(tǒng)及自診斷能力

SIS一般采用多重冗余結(jié)構(gòu)以提高系統(tǒng)的硬件故障裕度，單一故障不會(huì)導(dǎo)致SIS安全功能喪失。

SIS的安全完整性要求還包括避免失效的要求和系統(tǒng)故障控制的要求，同時(shí)，構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)部件均需明確故障診斷措施和失效后的行為。系統(tǒng)整體診斷覆蓋率達(dá)到90%以上，能夠檢測(cè)并預(yù)防潛在的危險(xiǎn)。SIS的硬件具有高度可靠性，能承受大多數(shù)環(huán)境應(yīng)力，如抗電磁干擾等，從而可以較好適應(yīng)于各種工藝環(huán)境。

2.3 響應(yīng)速度快

從輸入變化到輸出變化的響應(yīng)時(shí)間一般在10~50ms左右，為了更好地進(jìn)行事故分析和事后追溯，SIS具有事件順序記錄SOE（Sequence of Events）功能，即可按時(shí)間順序記錄各個(gè)指定輸入、輸出及狀態(tài)變量的變化時(shí)間，記錄精度精確到毫秒級(jí)。

3 安全儀表系統(tǒng)（SIS）的獨(dú)立性及集成

IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)烈建議DCS和SIS系統(tǒng)分離。DCS與SIS系統(tǒng)之間的分離方式可采用同種分離或異種分離。就目前情況來(lái)看，同種分離意味著DCS和SIS系統(tǒng)采用同一制造商的技術(shù)，例如采用同一個(gè)DCS制造商生產(chǎn)的SIS。異種分離則意味著DCS和SIS使用不同制造商的技術(shù)。同種分離有利于降低隨機(jī)失效，在設(shè)計(jì)上和維護(hù)上有一些優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗档土司S護(hù)錯(cuò)誤的可能性。異種分離有利于降低系統(tǒng)失效率和減小共因失效。

由于DCS和SIS是兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，不同的網(wǎng)絡(luò)、不同的控制器和人機(jī)界面。主要由于它們來(lái)自不同的制造商，需要單獨(dú)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，單獨(dú)的設(shè)備組態(tài)軟件、算法邏輯組態(tài)軟件、人機(jī)界面組態(tài)軟件，不同的維護(hù)方式，連接兩套系統(tǒng)的通訊等，給實(shí)際工作帶來(lái)很多不便，因此DCS和SIS系統(tǒng)的無(wú)縫集成問(wèn)題就擺在了制造商、設(shè)計(jì)和終端用戶(hù)面前。

下面給出某大型化工裝置上DCS和SIS集成的同種分離解決方案，如圖1和圖2分別給出了Honeywell的TPS和FSC的集成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，Safety Manager和PKS的集成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 TPS和FSC的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖2 Safety Manager和PKS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

由于系統(tǒng)全部采用Honeywell的產(chǎn)品，所以可以通過(guò)連接到網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)DCS與SIS的無(wú)縫集成。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的所有DCS工作站及服務(wù)器都可以查看SIS系統(tǒng)的診斷信息和點(diǎn)的詳細(xì)信息。SIS系統(tǒng)的報(bào)警，SOE等集成到服務(wù)器，以方便統(tǒng)一管理。DCS與SIS間的通訊已經(jīng)通過(guò)TüV認(rèn)證，系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換不會(huì)影響其安全相關(guān)程序的運(yùn)行，并且可以簡(jiǎn)化工程項(xiàng)目。

下面給出某大型化工裝置上DCS與SIS的異種分離解決方案，如圖3所示，該方案采用的DCS是Emerson的Delta V，SIS采用的是Honeywell的Safety Manager。DCS與SIS的通訊是通過(guò)Delta V的通訊卡以RS485總線(xiàn)形式進(jìn)行，通過(guò)組態(tài)可以調(diào)用SIS中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，但是DCS上無(wú)法看到SIS系統(tǒng)的診斷信息、報(bào)警信息以及SOE信息。

圖3 Safety Manager和Delta V的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)以上三種不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖以及實(shí)際使用情況來(lái)看，DCS與SIS采用同一制造商的技術(shù)更加有利于實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成，這種無(wú)縫集成在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人機(jī)界面、系統(tǒng)通訊及系統(tǒng)維護(hù)上更加節(jié)省時(shí)間、人力及維護(hù)成本，提高維護(hù)效率。

4 SIS系統(tǒng)的應(yīng)用情況

SIS系統(tǒng)在大型化工裝置上應(yīng)用情況見(jiàn)表1。

表1 SIS系統(tǒng)在大型化工裝置上應(yīng)用統(tǒng)計(jì)

從表1可以看出，該化工裝置運(yùn)行的SIS系統(tǒng)全都是Honeywell公司的產(chǎn)品，包括早期的LM、FSC，而且建設(shè)比較早、投運(yùn)的時(shí)間跨度比較大，最早的一套是在1996年投運(yùn)，最近投運(yùn)的一套也是2011年。由于早期的SIS系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，最早運(yùn)行的LM系統(tǒng)已經(jīng)投運(yùn)19年，備件的訂購(gòu)非常困難，早期系統(tǒng)的更新?lián)Q代迫在眉睫。早期產(chǎn)品由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)局限性，對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)學(xué)習(xí)的難度比較大，易用性相對(duì)差一些。

就運(yùn)行情況來(lái)看，SIS系統(tǒng)控制器沒(méi)有發(fā)生過(guò)故障，DI、DO卡及電源模塊發(fā)生過(guò)故障。就整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，傳感器和執(zhí)行元件發(fā)生故障的比例大約為百分之九十，因此整個(gè)系統(tǒng)三個(gè)部分中控制器的可靠性還是非常高的。

總體來(lái)講SIS系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、維護(hù)量小、故障率低，提高了裝置的安全水平，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

SIS系統(tǒng)在大型化工裝置上經(jīng)過(guò)大量調(diào)試、組態(tài)和修改后，目前都運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及檢測(cè)效果良好，為裝置區(qū)的安全及可靠運(yùn)行提供了有力保障。

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[5] 朱萍 金利文. 安全儀表系統(tǒng)在化工裝置中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)例[J]. 化工生產(chǎn)與技術(shù). 2014, 4.

[6] 石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范. GB/T50770 - 2013[S].

Application and Investigation of Safety Instrumented System in the Large Chemical Plant

This paper introduces the basic concepts and features of safety instrumented system, emphasizes its importance in the chemical industry production, and analyzes its application in the large chemical plant.

Safety instrumented system; Safety integrity level; Control system; Integration

B

1003-0492(2016)01-0100-02

TP273

危洋（1983-），男，天津人，工程師，現(xiàn)就職于天津大沽化工股份有限公司，主要從事自動(dòng)化儀表技術(shù)管理工作。

鄭玉時(shí)（1972-），男，天津人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任天津大沽化工股份有限公司電儀分廠副廠長(zhǎng)。