摘要：SIS系統是一種專門用于保護工業過程和設施安全的自動化系統。由于其長期處于在線狀態，對其性能監測，特別是緊急切斷裝置性能監測的方法及設備目前尚待探索。就SIS系統的在線運行時傳感器數據的無侵入采集、切斷裝置狀態捕獲、切斷時間監測方法等進行研究，并開發了一種用于SIS系統切斷裝置在線監測的裝置，為后續數據開發應用打下基礎。

關鍵詞：SIS系統；緊急切斷裝置；性能檢驗；方法及裝置

一、前言

SIS系統，即安全儀表系統（Safety Instrumented System），是一種獨立于過程控制系統的自動化控制系統，它對裝置或設備可能發生的危險采取緊急措施，并對繼續惡化的狀態進行及時響應，使其進入一個預定義的安全停車工況，從而使危險和損失降到最低程度，保證生產設備、環境和人員安全。SIS系統作為化工生產企業設置的雙重保險之一，除發生緊急情況外，一直處于“待命”工作狀態，且其在企業管理中，操作權限較高。而緊急切斷裝置受環境、介質侵蝕等影響，其性能在長期的生產運行過程中會發生改變，對其進行定期檢驗，確保其性能的可靠性、降低裝置事故發生的概率、保障生產過程的安全意義重大。因此對SIS系統緊急切斷裝置的監測及狀態評估相關工作亟待開展[1]。

二、SIS系統的特點及應用中的問題

（一）主要特點

SIS系統被定義為由傳感器、邏輯運算單元和最終控制元件組成的控制系統，設計用于“當生產過程的預定條件受到沖擊時，自動地將其置于安全狀態”。這些預定的條件包括壓力高限、溫度高限等工藝參數。SIS系統檢測出危險工藝狀態，通過組態的聯鎖邏輯控制現場電磁閥的切斷或導通，保護工業設備和人員的安全。另一個層次是減災，即火災及可燃氣體安全控制系統及消防等應急響應系統。

SIS系統獨立于常規的過程控制系統（如DCS系統），非正常工況時，按照預先的設計進行邏輯運算，使生產裝置聯鎖或停車。為了增強系統的可靠性，SIS系統采用多重冗余設計，包括電源雙重冗余、控制器、通訊模塊三重冗余等，確保單一故障不會導致SIS安全功能喪失。SIS系統具有快速的響應速度及自診斷功能，以應對緊急情況下的快速決策需求，能夠檢測并預防潛在的危險，同時自診斷覆蓋率大，減少了維修時需要檢查的點數。

（二）目前監測方面存在的不足

傳統的對緊急切斷裝置的安全性能監測手段往往較為單一，且監測方法通常是靜態的，無法實時反映緊急切斷裝置的工作狀態和安全性能，缺乏智能化和精細化，導致對緊急切斷裝置的安全性能評估存在滯后性和局限性，難以做到實時預警和預測性維護。

目前企業都是待工藝流程中斷或者停止、企業停產設備大修期間，才能對SIS系統進行維護檢查，對緊急切斷裝置進行離線檢驗（從生產管路分離），而該裝置的安全性能和狀態需要隨時被企業安全管理者及檢驗機構了解和確認，因此對其進行檢驗測試是很多企業及監管機構的迫切需求。目前對SIS系統中緊急切斷裝置的綜合智能檢驗尚無具體的理論方法。項目主要針對SIS系統的緊急切斷裝置的性能的檢驗方法及裝置設計、現場測試進行研究，以期能夠對SIS系統現場檢測、數據分析及建立數據庫、安全評估提出相關的裝置、測試方法以及成效分析。

三、SIS系統的關鍵監測點分析

SIS系統主要由測量單元、邏輯控制單元、執行單元組成，獨立于過程控制系統。對工業安全監測管理最為關鍵的是工藝流程的確定以及選用的生產裝置的運行性能。因此需要對生產裝置可能存在的風險進行評估排序，結合安全完整性再實施各項安全控制。在安全儀表系統巡回周期檢測中，可以綜合應用多種技術，如電氣技術、電子技術、可編程技術等，主要監測點為傳感器、邏輯控制、執行機構、通信系統。

SIS系統常用的執行機構是切斷閥。切斷閥又稱截止閥或切斷門，是一種切斷介質流動的閥門設備，主要用于管道系統的開關和控制。切斷閥通常由閥體、閥蓋和閥桿組成。其分類較為寬泛。主要分為電動緊急切斷閥：配備了電動執行器，可與自動化系統集成。它們可以根據監測設備信號或操作員的指令迅速關閉，以響應緊急情況。氣動緊急切斷閥：使用氣動執行器，通常通過氣源來提供動力，控制氣控閥的開閉。氣動緊急切斷閥靈敏、快速，可以實現自動化控制，廣泛應用于工礦企業。液壓緊急切斷閥：使用液壓力來控制閥門的位置，以實現快速關閉，適用于一些易燃易爆、高壓介質管道。

根據理論計算，不同球閥口徑D （in.）及切斷時間T（1s/in.）的關系[2]為：

T=D（in.）×1s/in. （1）

規程規定緊急切斷閥通過氣動或電動執行機構全開或全閉的時間不應超過180s。

由于SIS涉及的設備多、過程復雜，全面監測需要增加設備投入，且原系統設備處于在線運行狀態，增加監測環節容易引發對原系統的干擾，甚至造成誤動，因此，研究一種經濟、可靠、安全的在線監測裝置，強化對關鍵過程的監測，縮短研判時間，保證生產過程持續穩定是研究的重點。

基于上述考慮，本課題著重從以下幾個方面進行研究：

信號采集及處理。生產過程中關鍵傳感器傳輸的重要參數如溫度、壓力信號及物理表達；越限值及聯鎖機構、切斷機構的動作情況、位置情況等。傳感器數值超過閾值發送指令至聯鎖或切斷機構的響應時間要求。

在線監測的要求。如何既能采集所需的信號及數據，又不影響系統正常的運行，保證安全可靠。

切斷裝置的類型及回訊方法。主要切斷裝置的功能、驅動方法、信號方式、輔助接點及工作電壓等。

監測裝置的功能及開發。如電源、傳感器信號輸入及處理、控制邏輯、開關量輸入、輸出，信號指示、數據存儲、查詢、通訊、數據處理等。

數據的應用及管理平臺的建立。如數據采集如何構建數據庫，如何與現場信息管理結合，數據建模及仿真，預警及告警系統及工單系統關聯等。

四、監測裝置原理及開發

通過在緊急切斷裝置被觸發時，對切斷裝置的觸發時間、切斷裝置的響應時間以及切斷裝置動作前后的壓力進行記錄并分析，得到緊急切斷裝置對應當前觸發時間點的故障隱患評估指數，可以在裝置處于非故障狀態下對可能存在的隱患進行檢測并分析。

SIS系統緊急切斷裝置智能檢驗系統的功能需求，建立系統總體架構（見圖1）。考慮到監測裝置不能影響系統的正常工作，避免發生異常狀態，現場傳感器采用信號隔離的模式，即使用信號隔離器[3]，對現場傳感器的信號量分成兩路（或多路），一路（或多路）供現場控制（SIS）使用，另外一路供監測裝置使用。二是采集現場執行機構變位情況。采用帶2路以上常開常閉接的繼電器，通過常開常閉接點開閉情況，監測切斷裝置動作情況。綜合以上分析，劃分裝置的功能如下：

電源模塊。負責為采集運放、CPU、切斷、回訊提供相應電源。主要有5V、12V、24V。

輸入及AD轉換。主要涉及電流型信號、電壓型等信號、AD轉換精度及濾波算法。

邏輯控制。3選2或僅1路信號可選，根據工藝要求配置動作參數。

信號指示。用不同顏色指示燈指示運行、動作、回訊狀態。

顯示及交互接口。對傳感器數據及切斷時間等實時數據進行可視化，人機接口方面采用按鍵式，可以進行功能選擇及數據調取。

通信。采用串口及以太網實時通訊。可以與遠程工作站或監控中心通信。

按照上述方案，研發的緊急切斷裝置智能檢測裝置（見圖2）。

五、現場測試

當切斷裝置被觸發時，利用觸發傳感器對當前觸發時間點內觸發信號的時間進行檢測，得到切斷裝置對應當前觸發點的觸發時間（見圖3）。利用高速計時裝置對當前觸發時間點內信號觸發到切斷裝置動作的時間進行檢測，得到切斷裝置對應當前觸發點的響應時間（見圖4）。利用壓力傳感器對當前觸發時間點內切斷裝置動作前后的壓力變化進行檢測，得到切斷裝置對應當前觸發點的壓力變化值。

現場測試接線：采用信號隔離器一進兩出，4-20mA，響應時延≤10ms；中間繼電器為正泰JZX-22F（D），交流220v，直流24v，8對輔助觸點，響應時延≤10ms；構成無侵入測試條件。在信號隔離器與中間繼電器之間接入SIS系統緊急切斷裝置智能檢測儀，信號輸入分別接入傳感器信號，回訊信號接入切斷裝置位置信號，輸出接入切斷閥電磁線圈，驅動動作機構（一般用于離線檢測）。

測試1：Q641F-16P/C，氣動球閥，DN20-304；空載狀態，測試結果450ms。

測試2：電動軟密封開關球閥WYQ941F-16P，公稱通徑15mm，1.6MPa，流動介質為水，測試結果17s。

測試3：某廠法蘭球閥軟密封，氣動閥，電磁線圈，DN-40，空載狀態，測試結果3s。

從測試結果來看，各種閥門的切斷時間差異較大，主要影響因素為負載情況、閥門口徑、驅動裝置等。下一步可以根據上述因子，進行建模和仿真，并與下文的故障模型進行比對，分析切斷裝置的狀態。

六、數據應用

（一）構建數據庫

通過對SIS系統緊急切斷裝置的持續數據采集及監測，可以建立相應的數據庫。包括：企業名稱、地理信息、行業、SIS系統構成、切斷裝置參數、投運日期、動作（聯鎖）次數等相應信息，在數據積累完善的基礎上，對裝置的可靠性進行檢測和評價，對設備進行風險評估。

對SIS系統中的緊急切斷裝置進行綜合智能化檢驗，建立風險評價指標及分級評定標準，對緊急切斷裝置的檢驗數據進行匯總，對檢驗數據及走勢分析做出風險等級評價。對設備檢驗數據進行信息化管理，通過檢驗信息化管理系統實現SIS系統中的緊急切斷裝置使用、制造、檢驗、監管數據信息共享和共同管理。

（二）數據建模分析

在積累一定測試數據的基礎上，可以對緊急切斷裝置的狀態進行評估。評估模型如下：

T1：提取緊急切斷裝置型號對應的觸發時間允許值、響應時間允許值以及壓力變化允許值，并分別與檢測的對應值進行比對，當檢測的對應值大于對應允許值時，計算對應允許值與對應值之間的差值得到異常差值，將各對應值的異常差值匹配對應的取值范圍內，設定每個取值范圍分別對應一個故障警值GZ1，將各對應值的異常差值進行匹配后，得到對應當前觸發時間點內各對應值的故障警值GZ1；當檢測的對應值小于對應允許值時，計算對應允許值與對應值之間的差值得到預警差值，將各對應值的預警差值匹配對應的取值范圍內，設定每個取值范圍分別對應一個故障預值GZ2，將各對應值的預警差值進行匹配后，得到對應當前觸發時間點內各對應值的故障預值GZ2。

T2：統計當前對應觸發時間點故障警值GZ1的個數得到故障個數GK；基于當前觸發時間點內各對應值的故障警值GZ1或故障預值GZ2、故障個數GK之間進行歸一化處理得到當前對應觸發時間點的故障隱患評估指數：

Fk=GZi觸×a1+GZi響×a2+GZi壓×a3+（1+GK）×a4 （2）

通過進行計算得到當前對應觸發時間點的故障隱患評估指數Fk，其中i=1或2；a1、a2、a3以及a4分別為觸發時間、響應時間以及壓力變化值所對應的故障預值和故障警值的影響權重因子。

將當前觸發時間點所對應的故障隱患評估指數與對應的指數閾值之間進行比對，將故障隱患評估指數標記為Fk，設定第一閾值為F1；第二閾值 為F2，且F2＞F1；當Fk＜F1時，則表示該對應型號切斷裝置處于正常使用狀態；當F1＜Fk＜F2時，則表示該對應型號切斷裝置處于待處理狀態；當F2＜Fk，則表示該對應型號切斷裝置處于異常狀態。

（三）預警和告警

構建預警中心模塊。設定一定閾值，接近閾值將形成不同等級預警，直到產生告警。預警中心模塊統計并展示當前設備產生的預警次數，預警次數越多，則預警等級越高，通過高亮的顏色標注預警等級，提示運維及監管人員提高相應關注程度和及時做相應處理。同時顯示預警等級強弱排序的設備列表，展示當前預警設備的設備編號、設備名稱、地址、預警總量。運維及監管人員根據預警強度優先級做相應的處理。設計歷史預警走勢圖，直觀的關注設備歷史運行狀態，方便運維及監管人員縱觀歷史數據進行分析響應。

（四）工單系統

當設備產生告警或者需要檢查時，可以觸發工單系統。工單管理模塊包括工單的查詢和新增功能，根據工單編號、設備編號、處理人、工單創建起止日期等條件進行精確和模糊查詢工單表項；支持查詢所有工單，工單表項包含工單編號、工單標題、流程名稱、優先級、關聯設備、工單地址、經辦人、更新日期、創建日期、和相關工單操作。利用二維碼技術，生成切斷裝置的全要素信息。

七、結語

通過對SIS系統緊急切斷裝置檢驗的方法進行研究，開發了相應的智能檢驗設備及管理平臺，并進行了測試應用。作為一種新型的檢驗設備，難免存在測試樣本數量少，測試結果還需要進一步應用與完善等問題。隨著測試工作的深入開展，必將進一步完善設備功能，拓展應用場景，積累更多的樣本數據，為開展更廣泛的應用打下良好的基礎。

參考文獻

[1]石油化工自動化儀表培訓教材編寫組.安全儀表控制系統（SIS）[M].北京：中國石化出版社：2009.

[2]王啟全.氣動切斷閥門快速啟閉特性研究[J].閥門，2019（03）：13-17.

[3]李占英，初紅霞.分散控制系統（DCS）和現場總線控制系統（FCS）及其工程設計[M].北京：電子工業出版社：2020.

作者單位：江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院淮安分院

責任編輯：王穎振 楊惠娟