安全儀表系統的設計

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）

由于石化設備的經濟規模逐漸大型化,生產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嚴格。石油、石化裝置的產品絕大部分都屬于有毒、有腐蝕性或易燃、易爆介質,生產過程稍有不慎就會造成重大的事故,使生產、設備、人員等方面的遭受不可挽回損失。安全儀表系統作為保障過程工業安全必不可少的措施, 必須不斷的提高安全儀表系統的可靠性的來保證過程工業的安全[1]。一般來說，安全儀表系統的經歷了以下幾個發展階段:氣動系統,繼電器系統,固態繼電器系統和PLC系統。雖然有些裝置仍然采用這些系統,但是顯然已經不能滿足現代工業的要求，因此先進的一體化和智能化的安全儀表系統得到迅速的發展。

1 安全儀表系統

1.1 安全儀表系統定義

安全儀表系統(Safety instrumented systems, SIS)是一種自動安全保護系統,在保障正常生產和人身、設備安全等方面是不可替代的,如今已發展成為工業過程自動化不可或缺的部分。安全儀表系統主要作用就是在裝置運行或操作過程發生異常工況并且危及安全生產時,獨立及時的完成安全保護動作。辨識發生危險的程度,及時采取有效的措施,聯鎖儀表執行相關動作,切斷與危險源的聯系,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]。對于過程工業而言,安全儀表系統本身的安全性可以左右事故造成的影響,多數過程工業的安全事故都會伴隨著巨額財產損失和重大的人員傷亡,因此只有對過程工業安全儀表系統進行實時的安全評定與評估，才能確保過程工業的安全。通過收集相關資料,證實在過程工業中,由于對安全儀表系統安全等級的要求不符合標準以及投產運行后的項目在改造過程中對安全儀表系統的改建不合理或沒有及時更改安全儀表系統而導致的安全事故在所有發生的事故中所占的比例最高。如果安全儀表系統設計不恰當,可能出現兩種嚴重的后果：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濟損失，因而需要合理運用安全儀表系統以規避風險和危險。

談及安全儀表系統的定量分析,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(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安全綜合評價的等級,指在規定的時間內、規定的條件下,安全儀表系統達到所要求的安全功能的概率[3]。每個安全儀表系統應根據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，同時也需要足夠重視安全儀表系統的其他組成部分（如檢測元件、執行元件）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]用故障發生危險的平均概率(PFD)來描述的,且對應關系如下：

1.2 安全系統設計的基本原則

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

設計安全儀表系統時應遵守的原則:能夠獨立于其它系統，自主實現安全保護功能,應設計成故障安全型,應采用中間環節最少的結構,把傳感器、最終執行元件單獨進行設置,這樣可與管理系統或過程控制系統實時的通訊。安全儀表系統應安裝與邏輯運算器相獨立的手動裝置, 直接對執行元件進行操作,當一套安全儀表系統同時執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設計的重要指標

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

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

從某種程度上說，安全儀表系統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。可靠性與可用性是衡量一個安全儀表系統的重要指標，無論是可用性低、還是可靠性低，都會提高損失或發生事故的概率。因此，在設計安全儀表系統時，要兼顧可用性和可靠性。可用性是系統的基礎，沒有高可用性的可靠性是不現實的; 可靠性是系統前提，可用性必須服從可靠性[5]。而在石化等行業的現實應用當中，裝置停車可能造成巨額的財產損失，這就要求系統既具有高可用性，又具有高可靠性。安全儀表系統的設計過程中，不是可靠性越高越好，要尋求一種最優配置，在達到安全度等級后，配置合理的系統。

1.4 SIS設計時應注意的事項

（1）SIS系統采用的可編程控制器及其數據網絡連接必須經TUV安全認證。

（2）SIS系統的機柜中需安裝中央邏輯處理器、I/O模件、內部通信模件、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。系統輔助操作臺上的緊急停車手動開關信號和報警信號應連接到SIS系統。此外，控制器負荷不應超過50%。

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

（4）SIS系統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系統進行組態、調試、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系統與其他子系統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。總言之，在設計安全儀表系統時，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達到的風險指標;最后，綜合考慮系統的可靠性與可用性，采用多種技術，合理配置系統的結構。

2 系統結構

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

2.1 系統構架

SIS系統常采用基于三重化表決模式的分散式架構，控制器與I/O都采用三重化結構，主機架內包括控制器、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工業以太網通訊，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規模[7]。

2.2 系統規模

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

3 簡述兩款主流安全儀表系統的應用

3.1 康吉森系統（consen）

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

3.2 黑馬系統（HIMA）

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

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

4 結束語

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

（2）安全儀表系統的設計包含的多個方面,只有過程工業中多個專業的設計人員的緊密合作才能圓滿的完成。安全儀表系統的設計時應進行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的安全完整性水平,從而達到整個安全儀表系統的基本要求。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）隨著技術的不斷更新完善使得安全儀表系統的成本大大的降低，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。安全儀表系統將為過程工業的安全生產提供更可靠的保障。

表1 兩種安全儀表系統產品綜合性能比較Table 1 The performance comparison of two kinds of safety instrument system product

［1］ 工業生產過程中安全儀表系統的應用 SY/T10045 2003[S].2003.

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

［3］ IEC61508-1:1998《電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全 第1部分：一般要求》[S].

［4］ 楊蓓,劉一笑.風險和可操作性研究與安全儀表安全度等級的確定[J].石油化工自動化,2006(5):1-3.

［5］ 石油化工安全儀表系統設計規范SH/T 3108 2003[S]. 2003.

［6］ IEC61511 (2003) ,Functional safety - Safety instrumented systems for the process industry sector-Part 1-3[S].

［7］王紅望.安全儀表系統的實施及應用[J].石油化工自動化,2009,45(1):72-74.