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安全儀表系統(tǒng)的結構約束分析

文檔作者：楊海兵王健文檔來源：杭州電子科技大學		點擊數：	更新時間： 2021年06月16日
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安全儀表系統(tǒng)的結構約束分析
Analysis of Architecture Constraint in Safety Instrument Systems
l 引言
在現代工業(yè)過程生產中，設備繁
雜，工藝復雜， 需檢測的變量數量
多、種類多，所處的環(huán)境十分惡劣，
不允許過程控制系統(tǒng)存在任何的安全
薄弱環(huán)節(jié)。一旦控制系統(tǒng)中成套的設
備或者其他儀表不能正常工作，就有
可能造成控制系統(tǒng)故障或者誤停車，
嚴重的諸如海上鉆井平臺發(fā)生原油泄
漏、爆炸、火災；核電站核輻射超標
等危害事件，對人員、財產和環(huán)境造
成災難性的后果。
上個世紀七十年代發(fā)生的多起工
杭州電子科技大學楊海兵王健
Yang Haibing W ang Jian
摘要：在對安全儀表系統(tǒng)進行功能安全分析時，系統(tǒng)的結構約束也是一項重要的指標。本
文從系統(tǒng)類型、硬件故障裕度和安全失效分數三個方面分析系統(tǒng)結構約束。針對標準分析結構
約束的不足，提出了一種改進的分析結構約束的方法。
關鍵字： 安全儀表系統(tǒng) 結構約束 功能安全
Abstract：Architecture constraint of system is also one of most important index，when the
functional safety of SIS is analyzed．The paper shows how analyze architecture constraint
of SIS in three aspects of system typei~hardware fault tolerance and safety failure fraction．
According to the inadequacy of the analysis of architecture constraint in standard~~the
paper puts forward a improved method to analyze architecture constraint．
Key word：Safety integrity system Structure constrain Functional safety
【中圖分類號】TP23 【文獻標識碼】B 文章編號1 606-51 23(2011)11—0073—04
業(yè)安全事故均是由安全保護系統(tǒng)系統(tǒng)
失效引起的， 以致人們開始意識到安
全保護系統(tǒng)本身安全功能的重要性。
2000年國際電工委員會(I EC)發(fā)布
了IEC61508{電氣／電子／可編程電子
安全相關系統(tǒng)的功能安全》標準，該
標準明確提出了安全相關系統(tǒng)的功能
安全。2 00 3年I EC發(fā)布了適用于石
油、化工等過程工業(yè)的功能安全標準
IEC615l 1《過程工業(yè)領域安全儀表系
統(tǒng)的功能安全》。隨后，適用于其它
行業(yè)的功能安全標準也相繼發(fā)布。規(guī)
定了安全相關系統(tǒng)達到相應的安全完
整性等級的各項要求。本文只從系統(tǒng)
結構約束方面來分析討論安全儀表系
統(tǒng)如何才能滿足規(guī)定的安全完整性等
級要求。
2 安全儀表系統(tǒng)
按照GB／T 21109的定義，安全儀
表系統(tǒng)(safety instrument system，
SIS)是用來實現一個或者幾個安全功
能的儀表系統(tǒng)。SIS可以由傳感器、邏
輯解算器和最終元件的任何組合構
成。安全儀表是一種可編程系統(tǒng)，它
對生產過程中可能出現的故障給出相

系統(tǒng)。其中，子系統(tǒng)的硬件安全完整
性等級由表1決定。
『1了兀?一．曩 ??廠
! !! {
』 結構簡化
圖1單通道安全功能的硬件安全完整性限制
在圖l中，安全功能通過子系統(tǒng)
1、2、3的單一通道完成，而子系統(tǒng)
滿足表1中的結構約束要求，即：
① 子系統(tǒng)1達~I]SILI的硬件故障裕
度要求，并且有一個特定的安全失效
分數；
②子系統(tǒng)2達~'JSIL2的硬件故障裕
度要求，并且有一個特定的安全失效
分數；
③子系統(tǒng)3達~IJSIL1的硬件故障裕
度要求，并且有一個特定的安全失效
分數。
對于實現此安全功能的結構，子
系統(tǒng)1和子系統(tǒng)3能達~IJSIL1的硬件故
障裕度要求，子系統(tǒng)2能達~JSIL2的硬
件故障裕度要求，按照最低安全完整
性要求的導出方法，子系統(tǒng)1和3限制
了所要求的硬件安全完整性等級只能
為SILl。
4．2多通道硬件結構約束分析
在安全儀表系統(tǒng)中，若某個安全
功能是通過其子系統(tǒng)的多個通道實現
的，則系統(tǒng)能聲明的最大安全完整性
等級取決于各個子系統(tǒng)安全完整性等
級以及各子系統(tǒng)的邏輯關系，如圖2
所示。系統(tǒng)的安全功能可以通過子系
統(tǒng)1、2、3實現，也可以通過子系統(tǒng)
4、5、3完成。在這種情況下，子系
統(tǒng)1、2組合和子系統(tǒng)4、5組合實現相
同的功能。并且提供獨立的通道輸入
到子系統(tǒng)3。同時并聯的子系統(tǒng)組合
部分執(zhí)行安全功能相互之間互不依
賴，如果子系統(tǒng)1、2組合部分出現故
障，則由系統(tǒng)4、5、3完成安全功
能，如果子系統(tǒng)4、
5組合部分出現故
障，則由子系統(tǒng)1、
2、3完成安全功
能。在表1中，圖2
中每個子系統(tǒng)的安
全完整性等級都有
一個與之對應的安
全失效分數。 一
確定圖2系統(tǒng)的～
安全功能所能聲明
的最高硬件安全完
整性等級，應按以
下步驟分析：
(1)組合子系
統(tǒng)l和子系統(tǒng)2。由
于子系統(tǒng)1和2分別
滿足SIL3~SIL2的
安全完整性等級要
SIL2EEl ,>
圖2多通道安全功能的硬件安全完整性限制
求，且其為串聯結構，所以其能聲明
的最高安全完整性等級取決于能滿足
最低硬件安全完整性等級要求的子系
統(tǒng)(由子系統(tǒng)2決定)，即組合能達到
的硬件故障裕度有和安全失效分數滿
足SIL2的要求。
(2)同理可得，子系統(tǒng)4和5組
合能達到的硬件故障裕度和安全失效
分數滿足SILl的要求，即由子系統(tǒng)5決
定。到此為止，得到了圖2中標識①
處的結構簡化結果。
(3)組合子系統(tǒng)1、2的組合和
子系統(tǒng)4、5的組合。由以上分析，組
合子系統(tǒng)1、2和組合子系統(tǒng)4、5所能
聲明的最高硬件安全完整性等級分別
為SIL2~ISIL1?？紤]到當子系統(tǒng)1、2
組合出現故障時，安全功能可以由子
系統(tǒng)4、5組合完成。把這種影響考慮
在內，子系統(tǒng)1、2組合所能達到的硬
件故障裕度可以增加1，從表1中可以
看出，硬件故障裕度增加1級相應的
安全完整性等級也會增加1級。所以
子系統(tǒng)1、2、4、5所能聲明的硬件故
障裕度和安全失效分數滿足SIL3的要
求。到此為止，得到了圖2中標識②
處的結構簡化結果。
(4)從圖2中標識② 處可以看
出，組合1、2、4、5與子系統(tǒng)3為串
聯結構， 由于子系統(tǒng)3的安全完整性
等級最低，所以整個系統(tǒng)所能達到的
硬件故障裕度和安全失效分數滿足
SIL2的要求。最終，得到了圖2中標識
③處的結果。
5 結構約束分析不足與改進
從各個子系統(tǒng)之間的關系來看安
全儀表系統(tǒng)的拓撲結構，可以將安全
儀表系統(tǒng)看成是各子系統(tǒng)串聯和并聯
的組合。其中，傳感器、控制器和執(zhí)
行器之間是串聯的，傳感器與傳感
器、執(zhí)行器與執(zhí)行器之間是并聯的。
對于串聯結構，組合后所能達到的硬
件故障裕度和安全失效分數滿足串聯
結構中最低子系統(tǒng)安全完整性等級的
要求。對于并聯結構分析的過程要復
雜一些，一般按以下步驟可確定其硬
件故障裕度和安全失效分數滿足的安
全完整性等級要求：
●確定并聯結構中已聲明的最高
安全完整性等級的子系統(tǒng)；
●分析其它子系統(tǒng)對并聯結構組
成系統(tǒng)的硬件故障裕度的影響。
對于并聯結構的分析可以參考3．2
節(jié)中的步驟3)，最終確定子系統(tǒng)l、
2的組合和子系統(tǒng)4、5的組合構成的
并聯結構系統(tǒng)滿足SIL3的要求。
標準中給出并聯結構在結構簡化
過程中，僅考慮了硬件故障裕度的影
響，沒有把安全失效分數和子系統(tǒng)類
型考慮在內。對于安全失效分數分別
為6O％至90％$190％至99％的B類子系
統(tǒng)，硬件故障裕度均為0。見表1，則
兩個子系統(tǒng)能夠達到硬件故障裕度和
安全失效分數滿足SIL1和SIL2的要
求。兩子系統(tǒng)并聯時，按照3．2節(jié)中步
驟3的方法，僅考慮硬件故障裕度，
組合后的子系統(tǒng)硬件故障裕度為1，
且滿足SIL3的要求。但是這個過程中
并不能保證組合后的子系統(tǒng)安全失效
分數也在9O至99％這個范圍內，若果
安全失效分數不在這個范圍內，更不
可能高于這個范圍，只可能低于這個
范圍，則組合后的子系統(tǒng)不能滿足
SIL3要求，可能只滿足SIL2要求。對
于不同類型的子系統(tǒng)就更難保證安全
失效分數的準確性。這個時候就不能
將一個通道作為另一個通道的裕度，
好比鐵制的護欄，當其有一根由于某
種原因需要更換時，為了達到相同的
防護強度，不可能采用木制的護欄來
替代，必須使用鐵制的或者更高強度
的護欄。這個和硬件故障裕度是同一
個道理，不可能將一個安全失效分數
為60％至90％的子系統(tǒng)作為安全失效
分數為9 0％至9 9％子系統(tǒng)的“后
備”，只有滿足相同指標要求的子系
統(tǒng)才能互為對方的“后備”。
為了更加完善、準確的評估組合
后子系統(tǒng)滿足的安全完整性等級要
求。需要綜合考慮子系統(tǒng)類型、安全
失效分數和硬件故障裕度等因素，改
進后的規(guī)則如下：
(1)無論是串聯結構還是并聯
結構，相同類型子系統(tǒng)組合后系統(tǒng)類
型不變，不同類型子系統(tǒng)組合后為B
類型系統(tǒng)。
(2)對于不同類型的子系統(tǒng)，A
類子系統(tǒng)的安全失效分數可降級處
理，如安全失效分數為60％至9O％的
A類子系統(tǒng)作為安全失效分數為90％
至9 9％B類子系統(tǒng)的“后備”。如果A
類子系統(tǒng)和B類子系統(tǒng)的安全失效分
數在同一水平上(見表1中的四個安
全失效分數范圍)，或者比B類子系
統(tǒng)的安全失效分數水平高，則按照B
類子系統(tǒng)的安全失效分數水平來分析
硬件故障裕度的影響。
(3)對于相同類型子系統(tǒng)，如
果安全失效分數不在同一水平，則按
照低等級的安全失效分數水平來分析
硬件故障裕度的影響。
需要說明是，上述2)、3)是對
于并聯結構分析時的改進規(guī)則。
6 結束語
安全儀表系統(tǒng)中的結構約束是除
了PFD之外重要的另一附加約束，無
論PFD的值有多低，如果不能滿足結
構約束條件，安全儀表系統(tǒng)亦不能滿
足規(guī)定的安全完整性等級要求。本文
介紹了IEC61508標準中的一種分析
結構約束的方法，指出該方法的不足
之處，并提出了一種改進的分析方
法，有利于更加準確的分析系統(tǒng)的結
構約束。
作者簡介
楊海兵(1986-)男在讀研究生，
現就讀于杭州電子科技大學，研究方
向為系統(tǒng)集成。
參考文獻
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能安全[M]．北京：清華大學出版
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表系統(tǒng)的應用及發(fā)展[J]．中國安全科學
學報，2008．
_ _ ? _ _ ? 。- ? _ _ ? _ _ ? _ _ ? _ _ ? ● _ ? _ - ? _ _ ? ● - ? _ _ ?
(上接第60頁)
爐煤氣支管快切閥。
鍋爐點火不成功，或鍋爐發(fā)生
MFT時，要對爐膛進行吹掃。吹掃完
畢后才能進行下一次點火。
6 結束語
該控制系統(tǒng)自2010年投運至今，
運行平穩(wěn)，控制精準。提高了設備自
動化程度，較少了人員配備并有效的
保障了全燃氣鍋爐發(fā)電等相關設備的
76 《PLC＆FA》
r—————一
“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”的運行。社
會效益和經濟效益顯著。
作者簡介
賈俊杰(1 9 8 5一)男助理工程
師，現就職于邯鄲鋼鐵集團，研究方
向為自動化控制。
參考文獻
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系統(tǒng)在準格爾大飯鋪發(fā)電廠2 ×
300MW機組中的應用[J]．內蒙古科技
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技術手冊第三卷自動控制[M]．北京：
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控制系統(tǒng)的研究與應用[J]．蘭州石化
職業(yè)技術學院學報，2 0 0 8 (4)：
38-41

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