化工安全儀表系統(tǒng)SIS的工程設(shè)計(jì)分析

余國(guó)勝（沾化惠邦化工有限公司，山東 濱州256812）

作為高危行業(yè)，化工生產(chǎn)過程中時(shí)常需要采用易燃易爆物，并且生產(chǎn)工藝帶有高溫高壓等特征，容易發(fā)生安全事故。為加強(qiáng)化工生產(chǎn)過程監(jiān)控管理，化工安全儀表系統(tǒng)SIS 得到了研發(fā)，能夠?yàn)樯a(chǎn)作業(yè)人員和設(shè)備提供安全保護(hù)。實(shí)際在系統(tǒng)配置時(shí)，還應(yīng)做好SIS的工程設(shè)計(jì)，繼而使化工生產(chǎn)管理需求得到滿足。

1 化工安全儀表系統(tǒng)SIS概述

化工安全儀表系統(tǒng)SIS主要應(yīng)用在SIS生產(chǎn)裝置上，能夠發(fā)揮儀表安全功能，為人員和設(shè)備提供安全保護(hù)。在裝置開車、停車、運(yùn)行和維護(hù)等操作中，系統(tǒng)能夠?qū)ρb置故障危險(xiǎn)進(jìn)行判斷，并發(fā)出相應(yīng)邏輯信號(hào)，從而阻止危險(xiǎn)發(fā)生。在遭遇不可逆故障危險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)能夠發(fā)揮自我安全保護(hù)功能，以免事故不斷擴(kuò)散，因此能夠?qū)崿F(xiàn)危險(xiǎn)最小化處理[1]。從結(jié)構(gòu)上來看，系統(tǒng)由火災(zāi)檢測(cè)保護(hù)、安全聯(lián)鎖、緊急停車、有毒有害保護(hù)等多個(gè)系統(tǒng)組成。在各系統(tǒng)之間存在獨(dú)立關(guān)系，不受過程控制系統(tǒng)控制。在化工生產(chǎn)裝置正常運(yùn)行的情況下，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)安全事故，系統(tǒng)將立即被喚醒，并及時(shí)作出正確反映，從而為化工生產(chǎn)安全提供保障。

2 化工安全儀表系統(tǒng)SIS工程設(shè)計(jì)原則

2.1 可靠性原則

根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)可知，在SIS 工程設(shè)計(jì)方面還應(yīng)遵循可靠性原則，以便使系統(tǒng)能夠可靠工作，保證化工生產(chǎn)安全。實(shí)際在工程設(shè)計(jì)階段，還應(yīng)認(rèn)識(shí)到隨著化工生產(chǎn)自動(dòng)化發(fā)展，SIS系統(tǒng)所處環(huán)境中將包含各種設(shè)備。為避免系統(tǒng)運(yùn)行受周圍設(shè)備影響，還應(yīng)提高系統(tǒng)抗干擾能力，盡量在無電磁、振動(dòng)等干擾源的場(chǎng)所進(jìn)行系統(tǒng)安裝?？紤]到系統(tǒng)需要發(fā)揮控制安全事故危險(xiǎn)的作用，還應(yīng)確保系統(tǒng)具備較強(qiáng)防火、防爆能力，能夠在各種環(huán)境狀態(tài)下可靠工作。結(jié)合信息化建設(shè)趨勢(shì)，還應(yīng)加強(qiáng)系統(tǒng)與智能化軟件關(guān)聯(lián)，提高系統(tǒng)自適應(yīng)能力，確保系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)不同錯(cuò)誤操作時(shí)能夠自主調(diào)節(jié)，完成儀表裝置故障點(diǎn)的有效查處。通過使故障在短時(shí)間內(nèi)得到處理，能夠使系統(tǒng)工作的可靠性得到體現(xiàn)。

2.2 穩(wěn)定性原則

系統(tǒng)能否穩(wěn)定工作，將關(guān)系到系統(tǒng)作用能否有效發(fā)揮。系統(tǒng)用于加強(qiáng)化工生產(chǎn)裝置安全管理，想要穩(wěn)定動(dòng)作還應(yīng)保證信息報(bào)警與聯(lián)鎖控制能夠達(dá)到裝置生產(chǎn)工藝管理標(biāo)準(zhǔn)要求。在不同化工企業(yè)中，將采用不同的生產(chǎn)工藝技術(shù)，系統(tǒng)還應(yīng)與生產(chǎn)緊密結(jié)合在一起，才能加強(qiáng)關(guān)聯(lián)，使系統(tǒng)功能發(fā)揮保持穩(wěn)定、有效。使系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)裝置狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)突發(fā)狀況，能夠加強(qiáng)預(yù)警功能發(fā)揮。除了考慮化工生產(chǎn)環(huán)境問題，還應(yīng)對(duì)人員操作水平進(jìn)行考量[2]。而化工生產(chǎn)操作具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此在系統(tǒng)布置上還應(yīng)提高安全建設(shè)水平，使系統(tǒng)功能得到健全。結(jié)合這一要求，在系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)符合安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，還應(yīng)做到盡量減少線路和元器件，以便使系統(tǒng)能夠得到穩(wěn)定操作。

2.3 便捷性原則

系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)還應(yīng)為系統(tǒng)安裝和應(yīng)用提供便利，以便使系統(tǒng)能夠較好滿足化工生產(chǎn)安全管理需求。遵循便捷性原則設(shè)計(jì)系統(tǒng)，需要盡量簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)安裝順利，能夠結(jié)合化工生產(chǎn)布置格局變化隨時(shí)調(diào)整。從系統(tǒng)維護(hù)檢修角度來看，需要做好相應(yīng)端口和界面設(shè)計(jì)，保證日常工作得以高效開展。在化工儀表不斷更新?lián)Q代的背景下，還應(yīng)保證新的儀表能夠順利接入系統(tǒng)，因此還應(yīng)實(shí)現(xiàn)端口預(yù)留，提高系統(tǒng)擴(kuò)展性。采取該種措施，能夠避免化工企業(yè)今后因儀表更新重復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)，能夠使系統(tǒng)適應(yīng)性得到增強(qiáng)。

3 化工安全儀表系統(tǒng)SIS工程設(shè)計(jì)方法

3.1 系統(tǒng)選型分析

結(jié)合系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)原則，還應(yīng)根據(jù)化工生產(chǎn)安全管理需求做好系統(tǒng)選型，保證滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。首先，系統(tǒng)應(yīng)符合IEC 61580 SIL 或TUVAK 體系認(rèn)證，并根據(jù)配套設(shè)備確定系統(tǒng)級(jí)別。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，系統(tǒng)硬件、軟件和儀表應(yīng)當(dāng)為已經(jīng)商業(yè)化的正式版本，并且獲得國(guó)家防爆、計(jì)量等方面的強(qiáng)制認(rèn)證。其次，為保證系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可用性，還應(yīng)確保選擇的緊急停車系統(tǒng)具備自診斷功能，能夠完成故障自動(dòng)測(cè)試和記錄，以便在應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)情況時(shí)及時(shí)啟動(dòng)報(bào)警。在工藝聯(lián)鎖控制方面，系統(tǒng)能夠針對(duì)各信號(hào)完成維護(hù)旁路開關(guān)設(shè)置，以便使由系統(tǒng)測(cè)試維護(hù)引發(fā)的停車概率得到減少。為避免因誤動(dòng)作造成生產(chǎn)裝置產(chǎn)生故障，應(yīng)禁止為系統(tǒng)輸出信號(hào)設(shè)置旁路開關(guān)。此外，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)與過程控制系統(tǒng)保持相互獨(dú)立，能夠?qū)崿F(xiàn)安全保護(hù)技術(shù)獨(dú)立運(yùn)作。借助數(shù)據(jù)通信技術(shù)接口，系統(tǒng)則能相互通信。在數(shù)據(jù)連接方面，需要采取只讀方式，禁止由通信接口向系統(tǒng)寫信息。采用獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、工程師站等構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)，能夠保證信號(hào)及時(shí)、可靠傳輸。

3.2 系統(tǒng)設(shè)備配置

在系統(tǒng)設(shè)備配置方面，重點(diǎn)是需要完成檢測(cè)設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備的配置，以便構(gòu)成可靠的安全功能回路，使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定發(fā)揮安全保護(hù)作用。系統(tǒng)傳感器配置應(yīng)保證靈敏度和精度達(dá)到較高要求，并按照安全級(jí)別劃分為多個(gè)等級(jí)，完成相應(yīng)冗余設(shè)置。針對(duì)一級(jí)安全儀表，應(yīng)配置單獨(dú)傳感器，但是能夠與DCS系統(tǒng)共用。二級(jí)儀表應(yīng)設(shè)置采用冗余技術(shù)的傳感器，與DCS分離設(shè)置。三級(jí)儀表需要采用與二級(jí)儀表相同的傳感器的同時(shí)，能夠采用信號(hào)偏差報(bào)警結(jié)構(gòu)。按照“三選二”原則，各傳感器輸出技術(shù)指令信號(hào)分別經(jīng)過獨(dú)立信號(hào)分配器，然后傳遞至控制器進(jìn)行表決。在執(zhí)行設(shè)備配置上，需要完成擁有獨(dú)立路徑的切斷閥。具體來講，就是在控制閥上完成經(jīng)過SIL 認(rèn)證的安全定位器組件，能夠?qū)崿F(xiàn)跳車動(dòng)作控制。在閥門組件配置方面，同樣需要重視冗余配置問題。針對(duì)一級(jí)儀表，需要完成單一閥門配置。二級(jí)儀表除了采用單獨(dú)閥門，還要利用電磁閥完成冗余配置。三級(jí)儀表直接配置冗余閥門，并完成獨(dú)立開關(guān)設(shè)置。電磁閥應(yīng)處于定位器的位置，以免出現(xiàn)跳車問題。而保證各執(zhí)行組件與主控系統(tǒng)相互分離，能夠在系統(tǒng)發(fā)生程序紊亂時(shí)保證執(zhí)行組件正常運(yùn)行，使執(zhí)行設(shè)備應(yīng)對(duì)突發(fā)問題的能力得到提高。

3.3 邏輯優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，常用邏輯運(yùn)算符主要包含可編程電子系統(tǒng)和中繼系統(tǒng)。如果系統(tǒng)邏輯運(yùn)算較為簡(jiǎn)單，可以采用中繼系統(tǒng)。如果需要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)算，需要采用可編程電子系統(tǒng)?？紤]到化工生產(chǎn)安全儀表管理需要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能，因此需要采用可編程電子系統(tǒng)。實(shí)際在系統(tǒng)邏輯布局方面，需要采用帶有冗余或容錯(cuò)結(jié)構(gòu)的可編程控制器，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯運(yùn)算，保證系統(tǒng)能夠安全、可靠發(fā)出邏輯命令。從運(yùn)算器結(jié)構(gòu)上來看，包含二取一帶、三取一帶、雙重化二取一帶等多種，內(nèi)部包含冗余繼承邏輯和變形組件[3]。一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，可以先行對(duì)事故進(jìn)行識(shí)別，然后將其調(diào)整為旁路狀態(tài)，確保指定功能可以完成。實(shí)際在邏輯形式選擇時(shí)，需要結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行工況確定。值得注意的是，優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)保證表決器邏輯設(shè)計(jì)合理，能夠與控制器相匹配。在旁路設(shè)計(jì)中，還應(yīng)保證開關(guān)位置能夠?yàn)楹笃谡{(diào)整和維護(hù)提供便利。適當(dāng)提高冗余配置，使測(cè)試周期得到延長(zhǎng)，并利用手動(dòng)旁通閥在事故狀態(tài)下關(guān)閉閥門，能夠使系統(tǒng)可用性得到提高。

4 結(jié)語(yǔ)

在化工生產(chǎn)中，安全儀表系統(tǒng)SIS 將發(fā)揮重要管理作用。在實(shí)際進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性，并從便捷性角度加強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)價(jià)值充分發(fā)揮。通過做好系統(tǒng)選型，并合理完成系統(tǒng)設(shè)備布置和邏輯優(yōu)化，能夠使系統(tǒng)有效保證儀表安全性，因此能夠?yàn)橥苿?dòng)化工企業(yè)的發(fā)展提供工程技術(shù)保障。