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安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

文檔作者：劉偉蘇成利任泓文檔來源： I．遼寧石油化工大學(xué) 2．中國(guó)寰球工程公司遼寧分公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年10月09日
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第41卷第12期
201 2年12月
當(dāng) 代 化 工
Contemporary Chemical Industry
Vo1．41．No．1 2
December，201 2
安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
劉 偉 ，蘇成利 ， 任 泓
(I．遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧撫順113001； 2．中國(guó)寰球工程公司遼寧分公司， 遼寧撫順113006)
摘 要：通過對(duì)安全儀表系統(tǒng)的重要性及其發(fā)展過程、安全儀表系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)、安全完整度等級(jí)的判定
方法等內(nèi)容的闡述，明確安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則及其應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：安全儀表系統(tǒng)；安全度等級(jí)；可靠性；可用性
中圖分類號(hào)：TQ056 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671—0460(2012)12—1358—03
Design Analysis of Safety Instrumented System
Wei ，SUCheng—li ，RENHong2
(1．Liaoning Shihua University,Liaoning Fushun 1 13001，China；
2．HQCEC Liaoning Company,Liaoning Fushun 1 1 3006，China)
Abstract：The development and importance of safety instrumented system were introduced as well as basic knowledge
about safety instrumented system and determination method of safety integrity leve1．Then design principle of safety
instrumented system was discussed．
Key words：Safety instrumeiated system；Safety integrity level；Reliability；Availability ．
由于石化設(shè)備的經(jīng)濟(jì)規(guī)模逐漸大型化，生產(chǎn)裝置
間的密集程度的逐步提高，對(duì)控制、操作及安全等方
面的要求也越發(fā)嚴(yán)格。石油、石化裝置的產(chǎn)品絕大
部分都屬于有毒、有腐蝕性或易燃、易爆介質(zhì)，生產(chǎn)
過程稍有不慎就會(huì)造成重大的事故，使生產(chǎn)、設(shè)備、
人員等方面的遭受不可挽回?fù)p失。安全儀表系統(tǒng)作
為保障過程工業(yè)安全必不可少的措施，必須不斷的
提高安全儀表系統(tǒng)的可靠性的來保證過程工業(yè)的安
全?。一般來說，安全儀表系統(tǒng)的經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)
展階段：氣動(dòng)系統(tǒng)，繼電器系統(tǒng)，固態(tài)繼電器系統(tǒng)和
PLC系統(tǒng)。雖然有些裝置仍然采用這些系統(tǒng)，但是顯
然已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求，因此先進(jìn)的一體
化和智能化的安全儀表系統(tǒng)得到迅速的發(fā)展。
1 安全儀表系統(tǒng)
1．1 安全儀表系統(tǒng)定義
安全儀表系統(tǒng)(Safety instrumented systems，SIS)
是一種自動(dòng)安全保護(hù)系統(tǒng)，在保障正常生產(chǎn)和人身、
設(shè)備安全等方面是不可替代的，如今已發(fā)展成為工
業(yè)過程自動(dòng)化不可或缺的部分。安全儀表系統(tǒng)主要
作用就是在裝置運(yùn)行或操作過程發(fā)生異常工況并且
危及安全生產(chǎn)時(shí)，獨(dú)立及時(shí)的完成安全保護(hù)動(dòng)作。辨
識(shí)發(fā)生危險(xiǎn)的程度，及時(shí)采取有效的措施，聯(lián)鎖儀表
執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作，切斷與危險(xiǎn)源的聯(lián)系，這樣可以確保
事故被有效的遏制同時(shí)保護(hù)人身和設(shè)備的安全 。
對(duì)于過程工業(yè)而言，安全儀表系統(tǒng)本身的安全性可
以左右事故造成的影響，多數(shù)過程工業(yè)的安全事故
都會(huì)伴隨著巨額財(cái)產(chǎn)損失和重大的人員傷亡，因此
只有對(duì)過程工業(yè)安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的安全評(píng)定
與評(píng)估，才能確保過程工業(yè)的安全。通過收集相關(guān)
資料，證實(shí)在過程工業(yè)中，由于對(duì)安全儀表系統(tǒng)安全
等級(jí)的要求不符合標(biāo)準(zhǔn)以及投產(chǎn)運(yùn)行后的項(xiàng)目在改
造過程中對(duì)安全儀表系統(tǒng)的改建不合理或沒有及時(shí)
更改安全儀表系統(tǒng)而導(dǎo)致的安全事故在所有發(fā)生的
事故中所占的比例最高。如果安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)不
恰當(dāng)，可能出現(xiàn)兩種嚴(yán)重的后果：可能的后果之一是
不應(yīng)該跳車時(shí)反而跳車，從而導(dǎo)致誤動(dòng)作；另一種可
能的后果是該跳車時(shí)卻不跳車，導(dǎo)致拒動(dòng)作。誤動(dòng)作
直接使裝置停車，浪費(fèi)了時(shí)問和精力。拒動(dòng)作后果不
堪設(shè)想，可能導(dǎo)致嚴(yán)重甚至災(zāi)難『生的事故，造成人員
傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因而需要合理運(yùn)用安全儀
表系統(tǒng)以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)和危險(xiǎn)。
談及安全儀表系統(tǒng)的定量分析，必須提到幾個(gè)
重要的指標(biāo)：平均失效概率(PFD)、安全完整性等
級(jí)(SIL)和安全失效分?jǐn)?shù)(SFF)，其中安全完整性等級(jí)
的確定尤為重要，安全度等級(jí)是用來描述安全儀表
系統(tǒng)安全綜合評(píng)價(jià)的等級(jí)，指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、規(guī)定
的條件下，安全儀表系統(tǒng)達(dá)到所要求的安全功能的
收稿日期：2012-10-26
作者簡(jiǎn)介：劉偉(1986一)，男，遼寧丹東人，在讀碩士，2009年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，研究方向：先進(jìn)Y-'Jk控制與優(yōu)化。E-mail
36107447l@163．corn。
第41卷第12期 劉 偉，等：安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1359
概率 。每個(gè)安全儀表系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)裝置的不同需求 用性是矛盾的兩個(gè)方面。某些措施的采取可能會(huì)提
確定SIL，且不能掉入單獨(dú)考慮邏輯控制器的誤區(qū)， 高可靠性，同時(shí)也可能會(huì)導(dǎo)致可用性的下降，反之
同時(shí)也需要足夠重視安全儀表系統(tǒng)的其他組成部分 亦然?？煽啃耘c可用性是衡量一個(gè)安全儀表系統(tǒng)的
(如檢測(cè)元件、執(zhí)行元件)的可靠性及可用性。比 重要指標(biāo)，無論是可用性低、還是可靠性低，都會(huì)
如在IEC61508標(biāo)準(zhǔn)中，將安全儀表系統(tǒng)分為3個(gè)安 提高損失或發(fā)生事故的概率。因此，在設(shè)計(jì)安全儀
全等級(jí)：SILl～SIL3，SIL3最高級(jí)，SILl最低級(jí)，一般 表系統(tǒng)時(shí)，要兼顧可用性和可靠性?？捎眯允窍到y(tǒng)
安全度等級(jí) 用故障發(fā)生危險(xiǎn)的平均概率(PFD)來描 的基礎(chǔ)，沒有高可用性的可靠性是不現(xiàn)實(shí)的；可靠
述的，且對(duì)應(yīng)關(guān)系如下： 性是系統(tǒng)前提，可用性必須服從可靠性 。而在石
SILl PFD=0．1—0．01 化等行業(yè)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用當(dāng)中，裝置停車可能造成巨額
SlL2 P ’D =0．O1～0．O01
SIL3 PFD ：0．001～0．0001
1．2 安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則
設(shè)計(jì)安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)滿足以下要求：f1)必須
在裝置條件危險(xiǎn)且未發(fā)生事故的情況下迅速做出響
應(yīng)；(2)假如系統(tǒng)沒有反應(yīng)，將會(huì)致使加重危險(xiǎn)等級(jí)的
安全系統(tǒng)及時(shí)做出響應(yīng)，然后把信號(hào)及時(shí)準(zhǔn)確的傳
遞到現(xiàn)場(chǎng)，以避免事故的發(fā)生。傳感器、最終執(zhí)行元
件、邏輯運(yùn)算器、過程接口、人機(jī)接口、通訊接口、
軟件組態(tài)等部分共同構(gòu)成了安全儀表系統(tǒng)，因此設(shè)
計(jì)過程不能針對(duì)單個(gè)設(shè)備，應(yīng)把系統(tǒng)有關(guān)設(shè)備納入
整體進(jìn)行考慮。
設(shè)計(jì)安全儀表系統(tǒng)時(shí)應(yīng)遵守的原則：能夠獨(dú)立
于其它系統(tǒng)，自主實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)功能，應(yīng)設(shè)計(jì)成故障
安全型，應(yīng)采用中間環(huán)節(jié)最少的結(jié)構(gòu)，把傳感器、最終
執(zhí)行元件單獨(dú)進(jìn)行設(shè)置，這樣可與管理系統(tǒng)或過程
控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)的通訊。安全儀表系統(tǒng)應(yīng)安裝與邏輯
運(yùn)算器相獨(dú)立的手動(dòng)裝置，直接對(duì)執(zhí)行元件進(jìn)行操
作，當(dāng)一套安全儀表系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行多個(gè)單元的保護(hù)
功能時(shí)，其共用部分的安全等級(jí)須設(shè)計(jì)成最高級(jí)別。
1．3 可靠性和可用性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)
在規(guī)定的時(shí)間間隔之內(nèi)，故障發(fā)生的概率即為
系統(tǒng)的可靠性。安全儀表系統(tǒng)的各個(gè)組成單元的可
靠性[R1(t)，R2(t)，R3(t)?】的乘積構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的可靠
性R0(t)，即[RO(t)=R1(t)R2(t)R3(t)?]。因而只有提高各
個(gè)環(huán)節(jié)的可靠性才能最終提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
一般設(shè)計(jì)人員只關(guān)注安全控制系統(tǒng)的可靠性，卻很
少考慮檢測(cè)元件和執(zhí)行元件的可靠性，導(dǎo)致整套安
全儀表系統(tǒng)可靠性低，達(dá)不到規(guī)避受控設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)的
要求。系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定系統(tǒng)的
安全性。
系統(tǒng)可以使用工作時(shí)間的概率即為系統(tǒng)的可
用性。雖然系統(tǒng)的可靠性不受可用性的影響，但是系
統(tǒng)的可用性低可能會(huì)導(dǎo)致某一裝置停產(chǎn)乃至整個(gè)工
廠都無法正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。
從某種程度上說，安全儀表系統(tǒng)的可靠性與可
的財(cái)產(chǎn)損失，這就要求系統(tǒng)既具有高可用性，又具
有高可靠性。安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，不是可
靠性越高越好，要尋求一種最優(yōu)配置，在達(dá)到安全
度等級(jí)后，配置合理的系統(tǒng)。
1．4 SIS設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)
(1)SIS系統(tǒng)采用的可編程控制器及其數(shù)據(jù)網(wǎng)
絡(luò)連接必須經(jīng)TUV安全認(rèn)證。
(2)SIS系統(tǒng)的機(jī)柜中需安裝中央邏輯處理器、
I／O模件、內(nèi)部通信模件、電源模件等硬件設(shè)備，
獨(dú)立完成工藝裝置的緊急停車和安全保護(hù)。系統(tǒng)輔
助操作臺(tái)上的緊急停車手動(dòng)開關(guān)信號(hào)和報(bào)警信號(hào)應(yīng)
連接到SIS系統(tǒng)。此外，控制器負(fù)荷不應(yīng)超過50％。
(3)SIS系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)互相通信，在DCS
操作站顯示信息或發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
(4)SIS系統(tǒng)應(yīng)具備報(bào)警事件順序記錄功能
(SOE)。SIS應(yīng)與DCS時(shí)鐘同步，以準(zhǔn)確記錄發(fā)生
事故時(shí)間，方便分析事故原因。
(5)在中央控制室設(shè)有兩個(gè)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(shí)
間事件的功能；工程師站的任務(wù)是對(duì)SIS系統(tǒng)進(jìn)行
組態(tài)、調(diào)試、下裝和維護(hù)等。SOET作站和工程師
站可相互備用，也可共用一站。
(6)SIS系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)的連接采用硬接線
的方式嘲。
SIS設(shè)計(jì)還應(yīng)合理利用冗余容錯(cuò)、自診斷和在
線維護(hù)等技術(shù)?？傃灾?，在設(shè)計(jì)安全儀表系統(tǒng)時(shí)，
首先要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估或分析；然后確定SIL等級(jí)，以
確定安全儀表系統(tǒng)達(dá)到的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)；最后，綜合考慮
系統(tǒng)的可靠性與可用性，采用多種技術(shù)，合理配置
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
安全儀表系統(tǒng)由一系列元件或裝置組成，是一
個(gè)有機(jī)整體，邏輯控制器是系統(tǒng)中的重要的元件，
現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與執(zhí)行設(shè)備，安全柵、輔助按鈕、信號(hào)線
路、供電、開關(guān)等配套設(shè)備也是系統(tǒng)組成部分，而
化 工
我們通常重點(diǎn)研究的是整個(gè)系統(tǒng)中的邏輯控制單
元，包括控制器、I／O模塊、總線等。
2．1 系統(tǒng)構(gòu)架
SIS系統(tǒng)常采用基于三重化表決模式的分散式
架構(gòu)，控制器與I／O都采用三重化結(jié)構(gòu)，主機(jī)架內(nèi)
包括控制器、電源、通訊模塊等，I／O模塊三個(gè)一
組固定于獨(dú)立底座上。
控制器與操作站問通過冗余SCnetⅡ工業(yè)以太
網(wǎng)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(kuò)展系統(tǒng)規(guī)模 。
2．2 系統(tǒng)規(guī)模
系統(tǒng)規(guī)模由I／O總線的傳輸速率決定。SIS應(yīng)用
于安全控制領(lǐng)域，要求較快的響應(yīng)速度，系統(tǒng)規(guī)模
一般較小。但是可以采用多重冗余技術(shù)，增加I／O
模塊，擴(kuò)展I／O點(diǎn)數(shù)。
3 簡(jiǎn)述兩款主流安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用
3．1 康吉森系統(tǒng)(consen)
國(guó)內(nèi)安全控制領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的TRICON系
統(tǒng)是康吉森公司的產(chǎn)品。TRICON采用三重化容錯(cuò)
技術(shù)(TMR)，除了常規(guī)的ESD，TRICON在透平機(jī)組
控制Turbomachinery control方面業(yè)務(wù)拓展得也很
快。在TRICON成功的基礎(chǔ)上，康吉森公司又推出
了面向較小規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)合的Trident，同樣也獲得
TUV的SIL3級(jí)認(rèn)證，該系列產(chǎn)品運(yùn)算速度更快，
也更為靈活。
3．2 黑馬系統(tǒng)(HIMA)
HIMA系統(tǒng)是德國(guó)的一家公司的產(chǎn)品，在安全
控制領(lǐng)域歷史悠久，目前該公司的CPU四重化技術(shù)
fQMR，即四取二技術(shù))在該領(lǐng)域被廣泛地認(rèn)可，甚
至有的系統(tǒng)的安全等級(jí)達(dá)到SIL4。在
PES(Programmable Electronic Systems)領(lǐng)域，產(chǎn)品主要
有兩個(gè)系~]：H41q／H51q和HIMatrix，前者應(yīng)用于過
程控制Process Applications。涉及的領(lǐng)域有化工、石
油、石化、制藥、造紙等，一般系統(tǒng)規(guī)模龐大：后者
應(yīng)用于Factory Applications，包括機(jī)械制造、汽車
等，多數(shù)系統(tǒng)規(guī)模小，基于安全以太網(wǎng)，響應(yīng)速度
特別快，也極為靈活。
表1對(duì)兩款產(chǎn)品進(jìn)行綜合比較，列出兩種產(chǎn)品
的主要的性能指標(biāo)，供設(shè)計(jì)安全儀表系統(tǒng)時(shí)參考。
(2)安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含的多個(gè)方面，只
有過程工業(yè)中多個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)人員的緊密合作才能
圓滿的完成。安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行HAZOP
分析，然后采用定性或定量的分析和評(píng)估方法來確
定實(shí)際安全儀表系統(tǒng)的安全完整性水平，從而達(dá)到
整個(gè)安全儀表系統(tǒng)的基本要求。但是由于應(yīng)用方法
不同，確定的安全完整f生水平可能有差異，這就需要
設(shè)計(jì)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(shù)的不斷更新完善使得安全儀表
系統(tǒng)的成本大大的降低，其功能亦越來越強(qiáng)大，設(shè)計(jì)
也變得更為便捷，應(yīng)用將更為廣泛。安全儀表系統(tǒng)
將為過程工業(yè)的安全生產(chǎn)提供更可靠的保障。
表1 兩種安全儀表系統(tǒng)產(chǎn)品綜合性能比較
Table 1 The performance com parison of two kinds of safety
instrument system product
參考文獻(xiàn)：
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[2] 陽憲惠，郭海濤．安全儀表系統(tǒng)的功能安全【M]．北京：清華大學(xué)出版
社，2007．
4 結(jié)束語 ?
(1)安全儀表系統(tǒng)能有效為過程工業(yè)降低風(fēng)
險(xiǎn)，提高安全性，因此得到越來越多的關(guān)注，安全
儀表系統(tǒng)的主要目的是提高工業(yè)生產(chǎn)過程的可靠性
與安全性，使整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過程安全平穩(wěn)的運(yùn)行。
IEC61508—1：1998《電氣／電子／可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安
全第1部分：一般要求》[s]．
楊蓓，劉一笑．風(fēng)險(xiǎn)和可操作性研究與安全儀表安全度等級(jí)的確定
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[5] 石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范SH／T 3108 2003[S]．2003．
[6] IEC6151 1(2003)，F(xiàn)unctional safety—Safety instrumented systems for
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