安全儀表系統的設計與應用

李斌，俞澤科，姚玉田

（杭州中泰深冷技術股份有限公司，浙江 杭州 311402）

安全儀表系統的設計與應用

李斌，俞澤科，姚玉田

（杭州中泰深冷技術股份有限公司，浙江 杭州 311402）

安全儀表系統（SIS）是重要的石油及深海工程輔助裝備，其設計和應用應當遵守嚴格的規范，本文對各領域SIS系統的設計和應用進行了總結，給未來該設備設計應用提供了有效思路。

SIS；設計；應用

1 概述

安全儀表系統（SIS），也稱為安全連鎖系統，是作為工程項目中存在的失效和錯誤應用而生的質量控制系統，在石油、海洋工程等重大機械領域有著極其重要的應用。安全儀表系統都存在報警閥值，一旦達到事故發生的閥值點，系統就會出現報警，工作人員就會采取相應補救措施，又或者系統本身會自動轉入安全模式。目前，工業水平的進步所帶來的風險性設計也相對增多，安全隱患就會相應增多，因此在未來，無論是SIS的設計還是應用過程，都會向高精密、高精度、高集成化方向發展，測試系數也會隨之增高，向著高度智能化、自動化方向發展。

安全儀表系統主要由傳感器、邏輯運算單元和最終執行元件組成，分別起到檢測、控制和執行的作用。所謂安全聯鎖，是SIS最基本的執行要求，可以起到預報警、聯鎖延時、區別事故原因、剎車復位等功能。

2 設計原則

安全儀表系統的各個組成部分都必須要滿足《石油化工安全儀表系統設計原則》，尤其是在信號報警器和聯鎖點的設置方面，在進行動作設計以及閥值量值調整方面，必須要做到符合相關生產工藝的嚴格要求。做好安全生產是大前提，在進行線路設計和各類元器件安排之后，應該盡量做到簡單。為了避免振動及灰塵和腐蝕液體的作用，信號報警和相應的安全連鎖設備應該安置在合理的場所內，同時還要避免電磁輻射影響。如果把繼電器線路應用在信號報警和安全聯鎖系統中也非常受用，當然也可采用無觸點式晶體管電路，還有DCS和PLC系統性設計信號報警的SIS。

從安裝角度來說，其要求也是相當嚴格的，任何在建造和施工現場的檢出裝置和執行器，都應當滿足所在工作場合的防爆和相應的防火要求。從供電等級上來說，信號報警方面的供電要求與一般儀表供電等級相同。普遍來說，SIS系統在石油化工行業應用較多，其所遵循的規則是IEC-61508標準。從安全儀表設計角度來說，要滿足可靠性、可用性、獨立性三大原則，而且每個原則的設計都要付諸于傳感器、邏輯單元和控制單元中。可靠性主要包括工藝、結構和使用年限上的可靠性，還有工作過程、連鎖保護的可靠性。為了加強SIS的系統可用性，安全儀表系統所具備的外部硬件和裝備軟件，都應該具備自診和測試功能。針對SIS系統的可用性，可以提高系統的材料品質，采用高強度和高硬度的材料，還可以延長系統初始周期，或者采用非全局的測試方法，在可能發生事故的狀態下及時關閉閥門，對截止閥采用緊急狀態手動關閉，可以允許在線初始狀態下，安全儀表系統閥門的正常使用。這些措施安全儀表系統的可用性都可以起到很大的幫助。對于安全儀表系統來說，應該和基本過程控制系統分開，從而獨立完成相應的安全保護。

3 智能化設計

未來的安全儀表的設計制造研究，會向三個方面發展，分別是功能多樣化、設計信息化發展、系統化。在工藝質量達到標準的前提下，向人工智能化發展。因為安全方面的原因，之前的設計是以保守為主。但智能化研究是未來機械設計發展的方向，利用計算機仿真和大數據系統對先驗設計進行評估研究，例如利用有限元分析，利用數據庫觀察哪類設計方案出現問題的時候最多等等。

通訊接口與通訊網絡標準的統一為安全儀表控制系統與基本過程控制系統的集成帶來極大的便利，對于一些要求較低、規模較小的生產過程可以采用集成的方法來減少投資，同時減少由基本過程控制系統和安全儀表系統不同的實現方式帶來的問題。安全儀表系統同基本過程控制系統的集成目前主要有三種方式：Interfaces、Integrated和com-mon。

安全儀表系統采用智能型傳感器和數字閥門定位器，傳感器、數字閥門同邏輯控制器之間采用數字通訊。智能型終端設備不僅可以檢測過程變量、接受控制信號，同時還可以提供包括關于設備自身、相關設備甚至周圍過程的信息，供邏輯控制器的安全決策使用。數字通訊網絡使信息可以進行雙向流動，在傳遞控制信號的同時，也可以傳遞邏輯控制器對終端設備的組態或標定數據。智能型的邏輯控制器能夠對現場設備的數據進行備份、歸檔和分析，也可以對設備和診斷數據進行分析，以鑒別出現的問題，并提供一些更正建議。自診斷系統也是未來儀表研發需要著重攻堅的方向。

4 SIS在深冷裝置中的應用研究

深冷裝置指的是可以在超低溫環境下工作的裝置設備，由于有很多工業產品需要在低溫環境下運行，由此，深冷裝置應用而生，深冷裝置包括LNG裝置，合成氨液氮洗裝置，空氣分離裝置，一氧化碳氫氣分離裝置，丙烷脫氫制丙烯裝置等。深冷裝置的應用范圍非常廣泛，主要應用于特種材料研發制造、構造低溫工作及試驗環境等方面。

圖1 典型的深冷設備

圖1就是一種典型的深冷設備，其主要組成部分為深冷箱、冷裝配箱、閥門試驗臺和冷卻塔（壓縮機或液氮罐），如圖2。

圖2 深冷設備構造圖

隨著深冷技術在20世紀的出現，很快引起了科學研究領域和工業制造領域的高度重視，目前在國外，深冷技術已經廣泛應用于量具、刀具、模具以及各類精密零件中，比如各類油泵的噴油嘴、船舶、汽車發動機的渦輪軸、軋輥、管路閥門、各種傳動齒輪、彈簧等工件的改性。在企業的戰略決策中，深冷改性技術所占據的比重也越來越大，應用發展非常迅速。

深冷技術裝置設備也可以劃分為深冷液化裝置、深冷凈化裝置和深冷分離裝置等，從工藝角度來說，包括天然氣液化工藝、焦爐氣、工業尾氣液化工藝，天然氣液化工藝，甲醇液凈化工藝、天然氣液化工藝、烯烴分離工藝等等。深冷液化指的是氣態轉變成液態的過程，氣體液化后體積會大幅減小，能夠解決氣體的運輸問題。凈化則是利用混合物各組成部分的物理特性差異，通過傳熱、傳介對有效組分進行提純的技術方法。深冷分離的介質通常為混合物，提純之后會有不同的利用價值，利用沸點的差異對各組分進行分離。

我國深冷研究起步不算太早，相對扎實的理論性研究也不多，因此結構復雜、焊接技術高的深冷裝備在出現問題之后，全國都很難找到相應的維修場點，所以利用安全儀表系統及早發現安全隱患是相當重要的，其未來的發展方向，應該著眼于方便、快捷、低廉和可靠，而可靠是最為重要的因素。將安全儀表系統的各個邏輯控制單元和深冷設備進行接口設計，通過邏輯控制和閥值控制對深冷設備可能出現故障之前進行報警，是未來智能化安全設計最重要的研究發展方向。

5 結語

未來的安全儀表系統將不再局限于石油行業，本文給出了一種新的應用思路，包括深冷機械，未來的工業設計將向復雜化發展，但在發展之余，落實安全才是基本，相信在理論基礎進一步夯實的前提下，安全儀表系統理論成果轉化覆蓋的范圍會越來越廣，而其在深海領域的發展也將會越來越得到設計方的重視。

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