左信：安全保護自動控制系統(tǒng)

1、左左 信中國石油大學(xué)（北京）自動化研究所中國石油大學(xué)（北京）自動化研究所提提 綱綱一、一、背景及引言背景及引言二、二、安全安全、風(fēng)險風(fēng)險及安全技術(shù)及安全技術(shù)三、三、安全保護自動控制系統(tǒng)安全保護自動控制系統(tǒng)四、功能安全及四、功能安全及安全完整性等級安全完整性等級五、五、安全生命周期管理與安全評估安全生命周期管理與安全評估六、存在的問題及進一步工作六、存在的問題及進一步工作自動化能為安全做些什么？自動化能為安全做些什么？一、背景及引言一、背景及引言自動化與安全自動化與安全重慶開縣井噴重慶開縣井噴 開始思考開始思考 自動化能為安全做點什么自動化能為安全做點什么從自動化角度對

2、事故案例進行分析從自動化角度對事故案例進行分析事故原因：事故原因： 大多伴隨著高溫高壓大多伴隨著高溫高壓自動技術(shù)的應(yīng)用可以避免很多事故的發(fā)生自動技術(shù)的應(yīng)用可以避免很多事故的發(fā)生安全監(jiān)測與控制系統(tǒng)早已有之安全監(jiān)測與控制系統(tǒng)早已有之自動化技術(shù)應(yīng)用自動化技術(shù)應(yīng)用 重視不夠，使用和管理不規(guī)范重視不夠，使用和管理不規(guī)范事故原因分布 自動化與安全自動化與安全 工業(yè)測控系統(tǒng)中儀表閥門控制器：工業(yè)測控系統(tǒng)中儀表閥門控制器： 本質(zhì)安全本質(zhì)安全 防爆防爆 防輻射等防輻射等 工業(yè)測控系統(tǒng)中其他與安全有關(guān)的內(nèi)容工業(yè)測控系統(tǒng)中其他與安全有關(guān)的內(nèi)容 測量信號的報警測量信號的報警 故障診斷與報警故障診斷與報警 計算機控制系

3、統(tǒng)計算機控制系統(tǒng) 集中集中/分散分散 結(jié)構(gòu)冗余結(jié)構(gòu)冗余 快穩(wěn)準(zhǔn)快穩(wěn)準(zhǔn) 調(diào)節(jié)閥的選擇調(diào)節(jié)閥的選擇 風(fēng)開風(fēng)開/風(fēng)關(guān)風(fēng)關(guān) 閥位限制閥位限制 控制系統(tǒng)中的低選控制系統(tǒng)中的低選/高選控制，連鎖邏輯控制高選控制，連鎖邏輯控制 安全相關(guān)測量控制系統(tǒng)安全相關(guān)測量控制系統(tǒng)（暫時記為（暫時記為 SrCSSrCS) ) 很早就存在，使用得越來越多很早就存在，使用得越來越多 漸漸地形成一個獨立的專用的漸漸地形成一個獨立的專用的SrCS SrCS 如如: ESD SIS 隨著對安全的重視，對隨著對安全的重視，對 SrCSSrCS要求越來越高要求越來越高 一、背景及引言一、背景及引言 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類

4、（按功能分類方法之一）（按功能分類方法之一） 生產(chǎn)運行控制系統(tǒng)：生產(chǎn)運行控制系統(tǒng)：生產(chǎn)功能生產(chǎn)功能 基本過程控制系統(tǒng)基本過程控制系統(tǒng) BPCS(Basic Process Control System) 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) PCS (Process Control System) 生產(chǎn)運行生產(chǎn)運行控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) PCS(Production Control System) 安全保護控制系統(tǒng)：安全保護控制系統(tǒng)：安全功能安全功能 安全儀表系統(tǒng)安全儀表系統(tǒng) SIS(Safety Instrumented System) 安全控制系統(tǒng)安全控制系統(tǒng) SCS(Safety Control Syst

5、em) 安全保護安全保護控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) SGCS (Safeguard Control System) 安全監(jiān)測與控制系統(tǒng)安全監(jiān)測與控制系統(tǒng) SrCS (Safety Related Control System) 問題：問題：如何命名？如何命名？ SIS 不夠貼切不夠貼切 比較通用比較通用 一、背景及引言一、背景及引言 SrCS SrCS 存在的問題存在的問題 對安全發(fā)揮作用認識和重視程度不夠?qū)Π踩l(fā)揮作用認識和重視程度不夠 已經(jīng)設(shè)計和使用的已經(jīng)設(shè)計和使用的SIS系統(tǒng)系統(tǒng) 合理性合理性 經(jīng)濟性經(jīng)濟性 有效性有效性 新的標(biāo)準(zhǔn)新的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21109, GB/T20438 如何執(zhí)行如何執(zhí)行

6、 安全相關(guān)測量控制系統(tǒng)安全相關(guān)測量控制系統(tǒng) 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 1994年，德國標(biāo)準(zhǔn)年，德國標(biāo)準(zhǔn) DINV19250 1996年，美國標(biāo)準(zhǔn)年，美國標(biāo)準(zhǔn) ISA 84.01 1998年年，國際標(biāo)準(zhǔn)國際標(biāo)準(zhǔn) IEC61508-1:1998 IEC61508-7:2000 2003年年，國際標(biāo)準(zhǔn)國際標(biāo)準(zhǔn) IEC61511-1:2003 IEC61511-3:2003 2006年年前前 中國標(biāo)準(zhǔn)中國標(biāo)準(zhǔn) SH/T 3018:2003 , SY/T 10045:2003 2006年，中國標(biāo)準(zhǔn)年，中國標(biāo)準(zhǔn) GB/T 20438:2006, 2007年年1月月1日實施日實施 2007年，中國標(biāo)準(zhǔn)年，中國標(biāo)準(zhǔn)

7、GB/T 21109:2007, 2007年年12月月1日實施日實施一、背景及引言一、背景及引言IEC61508 1998年發(fā)布年發(fā)布GB/T20438 2007-01-01實施實施IEC61511 2003年發(fā)布年發(fā)布GB/T21109 2007-12-01實施實施二、安全、風(fēng)險及安全技術(shù)二、安全、風(fēng)險及安全技術(shù) 安全的定義：安全的定義：定義定義: 不存在不可接受的風(fēng)險不存在不可接受的風(fēng)險 GB/T21109-1:p13GB/T21109-1:p13 絕對安全不存在絕對安全不存在 不可控，安全與風(fēng)險并存不可控，安全與風(fēng)險并存風(fēng)險的定義風(fēng)險的定義： 定義定義：出現(xiàn)傷害的概率與該傷害嚴重性的組合

8、出現(xiàn)傷害的概率與該傷害嚴重性的組合 GB/T21109-1:p13GB/T21109-1:p13 風(fēng)險風(fēng)險=發(fā)生概率發(fā)生概率*造成后果造成后果允許風(fēng)險：允許風(fēng)險：根據(jù)當(dāng)前社會水準(zhǔn)，在給定的環(huán)境內(nèi)能夠接受風(fēng)險 風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)：風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)：裝置 車間 分廠 公司 企業(yè) 國際過程風(fēng)險過程風(fēng)險: 由于過程、BPCSBPCS系統(tǒng)系統(tǒng)和相關(guān)人員因素而存在的發(fā)生 特定危險事件的風(fēng)險（GB/T21109-3:p3GB/T21109-3:p3） 殘余風(fēng)險：殘余風(fēng)險：增加安全保護功能(如SIS)后 發(fā)生特定危險事件的風(fēng)險二、安全與風(fēng)險及安全技術(shù)二、安全與風(fēng)險及安全技術(shù)所有安全系統(tǒng)和外部風(fēng)險降低設(shè)施所獲得的風(fēng)險降低被其他技

9、術(shù)安全系統(tǒng)覆蓋的部分風(fēng)險被E/E/PE安全相關(guān)系統(tǒng)覆蓋的部分風(fēng)險被外部風(fēng)險降低設(shè)施覆蓋的部分風(fēng)險實際的風(fēng)險降低必要的風(fēng)險降低風(fēng)險增加殘余風(fēng)險允許風(fēng)險受控設(shè)備風(fēng)險GB/T 21109 20438 風(fēng)險降低：通用概念 二、安全與風(fēng)險及安全技術(shù)二、安全與風(fēng)險及安全技術(shù)如何降低風(fēng)險？如何降低風(fēng)險？ 安全保護層安全保護層 社區(qū)緊急響應(yīng) 全廠緊急響應(yīng) 減災(zāi) 機械減災(zāi)系統(tǒng) 安全儀表控制系統(tǒng) 安全儀表減災(zāi)系統(tǒng) 防護 機械保護系統(tǒng) 過程報警 操作員操作管理 安全儀表控制系統(tǒng) 安全儀表防護系統(tǒng) 基本過程控制系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)（過程參數(shù)報警） 操作員操作管理 工業(yè)流程 安全層次減災(zāi)：即 火災(zāi)和可燃氣體 （F&G）安全系統(tǒng)

10、防護：即 ESD安全系統(tǒng)二、安全與風(fēng)險及安全技術(shù)二、安全與風(fēng)險及安全技術(shù)安全保護層安全保護層 (自動化自動化)ZX ：社區(qū)緊急響應(yīng) 全廠緊急響應(yīng)（消防等）消防自動控制系統(tǒng) SGCS （Safeguarding Control System) 安全保護控制系統(tǒng)BPCS（Basic Process Control System )基本過程控制系統(tǒng)工業(yè)流程設(shè)備二、安全、風(fēng)險及安全技術(shù)二、安全、風(fēng)險及安全技術(shù)風(fēng)險降低與安全技術(shù)風(fēng)險降低與安全技術(shù) 按照專業(yè)領(lǐng)域從四個方面做工作按照專業(yè)領(lǐng)域從四個方面做工作ZX：（1）工藝工藝 原料原料/產(chǎn)品等的毒性產(chǎn)品等的毒性/爆性；生產(chǎn)工藝的安全性協(xié)調(diào)性等爆性；生產(chǎn)工藝

11、的安全性協(xié)調(diào)性等（2）設(shè)備設(shè)備 機械強度，耐壓、磨損、腐蝕等機械強度，耐壓、磨損、腐蝕等（3）電控電控 BPCS系統(tǒng)的可靠性系統(tǒng)的可靠性 / 專門的專門的安全保護自動控制系統(tǒng)安全保護自動控制系統(tǒng) （4）管理管理 法規(guī)的制定與執(zhí)行法規(guī)的制定與執(zhí)行 人員的培訓(xùn)人員的培訓(xùn) 等等三、安全保護自動控制系統(tǒng)三、安全保護自動控制系統(tǒng)安全保護控制系統(tǒng)的內(nèi)容安全保護控制系統(tǒng)的內(nèi)容ZX安全相關(guān)變量的測量顯示與報警安全相關(guān)變量的測量顯示與報警 生產(chǎn)運行狀態(tài)的故障診斷與預(yù)警生產(chǎn)運行狀態(tài)的故障診斷與預(yù)警執(zhí)行安全保護功能的自動控制系統(tǒng)執(zhí)行安全保護功能的自動控制系統(tǒng) 各級應(yīng)急指揮調(diào)度中心自動化相關(guān)系統(tǒng)各級應(yīng)急指揮調(diào)度中心自

12、動化相關(guān)系統(tǒng)SGCS系統(tǒng)系統(tǒng) 其功能的實現(xiàn)手段其功能的實現(xiàn)手段ZX ： （1）DCS/SCADA/PLC 風(fēng)險小，可靠性要求低時風(fēng)險小，可靠性要求低時（2）SIS/ESD/F&G 風(fēng)險大，可靠性要求高時風(fēng)險大，可靠性要求高時（3）綜合使用）綜合使用DCS/SIS 可降低總成本可降低總成本三、安全保護自動控制系統(tǒng)三、安全保護自動控制系統(tǒng)安全保護自動控制系統(tǒng)的特點安全保護自動控制系統(tǒng)的特點ZX（1）目的是減少危險，而不是保證生產(chǎn)運行產(chǎn)品合格；）目的是減少危險，而不是保證生產(chǎn)運行產(chǎn)品合格；（2）對測量環(huán)節(jié)要求更多功能、更智能、更實時，長期不停運行狀態(tài)；）對測量環(huán)節(jié)要求更多功能、更智能、更實時，長期不

13、停運行狀態(tài)；（3）對控制器和執(zhí)行單元要求更快、執(zhí)行單元長期處在備用狀態(tài)）對控制器和執(zhí)行單元要求更快、執(zhí)行單元長期處在備用狀態(tài) ；（5）對控制器，更多的是邏輯控制，也有連續(xù)控制（少），理論性少；）對控制器，更多的是邏輯控制，也有連續(xù)控制（少），理論性少；（4）對測量、控制、執(zhí)行及輔助系統(tǒng)）對測量、控制、執(zhí)行及輔助系統(tǒng)(通訊、供電等通訊、供電等)可靠性要求更高。可靠性要求更高。SGCS和和BPCS的區(qū)別的區(qū)別ZX： （1）目的功能不同）目的功能不同 生產(chǎn)功能生產(chǎn)功能 / 安全功能安全功能（2）運行狀態(tài)不同）運行狀態(tài)不同 實時實時運行運行 / 功能長期備用功能長期備用(部分部分實時實時運行運行) （

14、3）可靠性要求不同）可靠性要求不同 SrCS要求更高的要求更高的可靠性可靠性（4）控制方法不同）控制方法不同 連續(xù)控制為主連續(xù)控制為主 / 邏輯控制為主邏輯控制為主（5）使用和維護方法不同）使用和維護方法不同 SrCS更更嚴格嚴格安全保護控制系統(tǒng)安全保護控制系統(tǒng) 的重要性的重要性 ： （1）和其他安全措施技術(shù)相比的重要性和其他安全措施技術(shù)相比的重要性（2）在自動化專業(yè)領(lǐng)域中的重要性在自動化專業(yè)領(lǐng)域中的重要性三、安全保護自動控制系統(tǒng)三、安全保護自動控制系統(tǒng)安全功能安全功能 Safety Function 針對特點的危險事件，為達到和保持過程的安全狀態(tài)，由針對特點的危險事件，為達到和保持過程的安全

15、狀態(tài)，由 SIS、其他技術(shù)安全相關(guān)系統(tǒng)或外部設(shè)施實現(xiàn)的功能、其他技術(shù)安全相關(guān)系統(tǒng)或外部設(shè)施實現(xiàn)的功能(21109-1:p13)功能安全功能安全 Functional Safety SrCS本身的安全性（如儀表的本質(zhì)安全，無輻射等）本身的安全性（如儀表的本質(zhì)安全，無輻射等） SrCS的的安全功能安全功能是完整的、可靠的（功能是安全的）是完整的、可靠的（功能是安全的）(21109-1:p8)安全儀表系統(tǒng)安全儀表系統(tǒng) SIS(Safety Instrumented System) 用于實現(xiàn)一個或多個安全功能的儀表及儀表系統(tǒng)用于實現(xiàn)一個或多個安全功能的儀表及儀表系統(tǒng) 包括：傳感器、邏輯解算器和最終單元

16、。包括：傳感器、邏輯解算器和最終單元。 SIS 廣義/狹義安全儀表功能安全儀表功能 SIF(Safety Instrumented Function) SIS系統(tǒng)系統(tǒng) 所所實現(xiàn)的實現(xiàn)的 安全功能。安全功能。 21109譯為譯為“儀表安全功能儀表安全功能” ZX: 存在存在“非非安全儀表的安全儀表的非非安全功能安全功能” 多種組合多種組合四、功能安全及安全度等級四、功能安全及安全度等級安全完整性安全完整性 Safety Integrity 在規(guī)定的時間內(nèi)、在所有規(guī)定的條件下在規(guī)定的時間內(nèi)、在所有規(guī)定的條件下, 成功成功 實現(xiàn)所要求的安全功能的平均概率實現(xiàn)所要求的安全功能的平均概率(21109-1

17、:p14)安全完整性等級：安全完整性等級：SIL(Safety Integrity Level) 簡稱：簡稱：安全度等級安全度等級定義：定義：一種離散的等級，用于規(guī)定分配給一種離散的等級，用于規(guī)定分配給SIS的安全儀表功能的的安全儀表功能的 完整性要求完整性要求(21109-4:p14)作為衡量安全功能重要因素，是安全系統(tǒng)的核心作為衡量安全功能重要因素，是安全系統(tǒng)的核心. ZX:可理解為整體可靠性可理解為整體可靠性代表著使過程風(fēng)險降低的數(shù)量級代表著使過程風(fēng)險降低的數(shù)量級SIS的操作模式：的操作模式： 要求模式要求模式/連續(xù)模式連續(xù)模式 要求操作模式要求操作模式/連續(xù)操作模式連續(xù)操作模式要求時平

18、均失效概率：要求時平均失效概率：PFDavg (average Probability of Failure on Demand) 注意：注意： Fault/ Failure 故障故障/失效失效 用失效更好用失效更好, 故障了可能還可以用故障了可能還可以用連續(xù)時危險失效概率：連續(xù)時危險失效概率：PDFperhour(Probability of Dangerous Failure)四、功能安全及安全度等級四、功能安全及安全度等級SIL等級與等級與PFD、PDF的關(guān)系：的關(guān)系： 四、功能安全及安全度等級四、功能安全及安全度等級SILPFD averagePDF perhour410-5 10-4

19、10-9 10-8310-4 10-310-8 10-7210-310-210-7 10-6110-2 10-110-6 10-5 安全生命周期安全生命周期 Safety Life Cycle 安全儀表功能實現(xiàn)過程中所發(fā)生的所有的必要活動安全儀表功能實現(xiàn)過程中所發(fā)生的所有的必要活動 (21190:1p15) 安全生命周期圖安全生命周期圖 GB/T20438 ：包括了系統(tǒng)的概念、范圍定：包括了系統(tǒng)的概念、范圍定義、風(fēng)險分析、安全分配要求、計劃編制、設(shè)計與實現(xiàn)、安義、風(fēng)險分析、安全分配要求、計劃編制、設(shè)計與實現(xiàn)、安裝試運行、操作維護修改、停用等。裝試運行、操作維護修改、停用等。 安全生命周期圖安全

20、生命周期圖 GB/T21109 ：過程危險與風(fēng)險分析、安全：過程危險與風(fēng)險分析、安全功能分配、安全要求規(guī)格確定、工程設(shè)計、安裝調(diào)試確認、功能分配、安全要求規(guī)格確定、工程設(shè)計、安裝調(diào)試確認、運行維護、修改和停用等。運行維護、修改和停用等。 安全生命周期是用系統(tǒng)的方式建立的一個框架，用以指導(dǎo)安安全生命周期是用系統(tǒng)的方式建立的一個框架，用以指導(dǎo)安全儀表系統(tǒng)的需求分析、設(shè)計和評價等所有活動。全儀表系統(tǒng)的需求分析、設(shè)計和評價等所有活動。五、安全生命周期管理及安全評估五、安全生命周期管理及安全評估GB/T20438-1:p6 安全生命周期框圖 五、安全生命周期管理及安全評估五、安全生命周期管理及安全評估G

21、B/T21109-1:p20 安全生命周期框圖 五、安全生命周期管理及安全評估五、安全生命周期管理及安全評估GB/T21109-1:p20 安全生命周期框圖 五、安全生命周期管理及安全評估五、安全生命周期管理及安全評估安全生命周期各階段及工作內(nèi)容：安全生命周期各階段及工作內(nèi)容：1. 過程危險與風(fēng)險評估過程危險與風(fēng)險評估（按按GB/T21109的要求的要求至少進行一次至少進行一次）組織或參與進行組織或參與進行PHA/HAZOP分析分析確定生產(chǎn)過程及確定生產(chǎn)過程及BPCS基本控制系統(tǒng)的危險事件及相關(guān)聯(lián)的風(fēng)險基本控制系統(tǒng)的危險事件及相關(guān)聯(lián)的風(fēng)險確定達到必要風(fēng)險降低所需要的安全功能確定達到必要風(fēng)險降低

22、所需要的安全功能確定每個安全功能是否需要安全儀表功能確定每個安全功能是否需要安全儀表功能2. 安全功能保護層分析與功能分配安全功能保護層分析與功能分配進行進行LOPA保護層分析保護層分析給保護層分配安全功能給保護層分配安全功能確定所需要的安全儀表功能確定所需要的安全儀表功能(SIF)確定每個安全儀表功能所要求的安全度等級確定每個安全儀表功能所要求的安全度等級五、安全生命周期管理及安全評估五、安全生命周期管理及安全評估安全生命周期各階段及工作內(nèi)容：安全生命周期各階段及工作內(nèi)容：3. 確定確定SIS設(shè)計安全要求規(guī)格設(shè)計安全要求規(guī)格規(guī)定規(guī)定SIS設(shè)計應(yīng)達到的安全要求及技術(shù)規(guī)格設(shè)計應(yīng)達到的安全要求及技

23、術(shù)規(guī)格描述每個安全儀表功能及安全要求描述每個安全儀表功能及安全要求確定確定SIS運行模式、啟用條件、停機復(fù)位、檢驗測試間隔等要求規(guī)格運行模式、啟用條件、停機復(fù)位、檢驗測試間隔等要求規(guī)格分析和識別失效模式、共因失效及相關(guān)要求分析和識別失效模式、共因失效及相關(guān)要求 4. SIS系統(tǒng)的設(shè)計及安全度等級驗算系統(tǒng)的設(shè)計及安全度等級驗算SIS系統(tǒng)的工程設(shè)計系統(tǒng)的工程設(shè)計SIS系統(tǒng)的設(shè)計及安全度等級驗算系統(tǒng)的設(shè)計及安全度等級驗算 5. SIS系統(tǒng)的安裝運行和確認系統(tǒng)的安裝運行和確認 6. SIS系統(tǒng)的操作和維護系統(tǒng)的操作和維護 7. SIS系統(tǒng)的修改或停用系統(tǒng)的修改或停用五、安全生命周期管理及安全評估五、安

24、全生命周期管理及安全評估 整體安全生命周期也可以分為三個大階段整體安全生命周期也可以分為三個大階段ZX：需求分析階段需求分析階段 21109規(guī)定的階段規(guī)定的階段1設(shè)計實現(xiàn)階段設(shè)計實現(xiàn)階段 21109規(guī)定的階段規(guī)定的階段2+3運行維護階段運行維護階段 21109規(guī)定的階段規(guī)定的階段4+5 安全生命周期各階段的安全生命周期各階段的風(fēng)險分析與評估風(fēng)險分析與評估 按按GB/T21109要求要求 至少進行一次至少進行一次 安全生命周期各階段的安全生命周期各階段的SIS功能安全評估功能安全評估 越早越好越早越好功能安全評估可能存在于安全生命周期的各階段功能安全評估可能存在于安全生命周期的各階段可以考慮可以考慮5個階段執(zhí)行個階段執(zhí)行5次功能安全評估次功能安全評估 GB/T 21109要求系統(tǒng)投用前要求系統(tǒng)投用前至少進行至少進行1次次評估組織機構(gòu)評估組織機構(gòu) 具有獨立性具有獨立性五、安全生命周期管理及安全評估五、安全生命周期管理及安全評估HAZOP分析分析 分析小組分析小組 組長組長 記錄員記錄員 工藝工藝 設(shè)備設(shè)備 儀表儀表 安全安全 偏差偏差 引導(dǎo)詞引導(dǎo)詞 原因原因 后果后果 措施措施 輔助軟件輔助軟件 很多很多 如如 ISOgraph