SIS)安全儀表系統(tǒng)解析

1、1、什么是安全儀表系統(tǒng)在IEC61508中，SIS被稱為安全相關(guān)系統(tǒng)SafetyRelatedSystem，將被控對(duì)象稱為被控設(shè)備EU(IEC61511將安全儀表系統(tǒng)SIS定義為用丁執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)安全儀表功能SafetyInstrumentedFunction,SIF的儀表系統(tǒng)。SIS是由傳感器如各類開關(guān)、變送器等、邏輯控制器、以與最終元件如電磁閥、電動(dòng)門等的組合組成，如圖1所示。IEC61511乂進(jìn)一步指出，SIS可以包括，也可以不包括軟件。另外，當(dāng)操作人員的手動(dòng)操作被視為SIS的有機(jī)組成局部時(shí)，必須在安全規(guī)格書SafetyRequirementSpecification,SRS)中對(duì)人員操

2、作動(dòng)作的有效性和可靠性做出明確規(guī)定，并包括在SIS的績效計(jì)算中。從SIS的開展過程看，其控制單元局部經(jīng)歷了電氣繼電器Electrical、電子固態(tài)電路Electronic和可編程電子系統(tǒng)ProgrammableElectronicSystem，即E/E/PES三個(gè)階段。(1) 安監(jiān)總局116號(hào)文件國家安全監(jiān)管總局丁2014年11月13日下發(fā)國家安全監(jiān)管總局關(guān)丁加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理指導(dǎo)意見安監(jiān)總管三2014116號(hào)»該意見涉與到了生產(chǎn)，設(shè)計(jì)，管理等多個(gè)方面。HAZO咨析，SIL等級(jí)評(píng)估，安全系統(tǒng)驗(yàn)證，老裝置安全系統(tǒng)安全等級(jí)評(píng)估，安全系統(tǒng)改造等，這些工作將在今后幾年中越來越多，越來越

3、重要！卜列圖為由PES構(gòu)成的SIS圖1SIS的構(gòu)成SIS安全儀表系統(tǒng)SIF安全儀表功能可以是安全儀表保護(hù)功能，也可以是安全儀表控制功能,或包含這兩者。(2) 需要說明的是，這里所說的安全儀表控制功能，是指以連續(xù)模式ContinuousModa操作并具有特定的SIL,用丁防止危險(xiǎn)狀態(tài)發(fā)生或者減輕其發(fā)生的后果，與常規(guī)的PID控制功能是完全不同的概念。SIS可以包括或不包括軟件SIS的一局部也可能是人的動(dòng)作如圖2所示，這是一個(gè)氣液別離容器A液位控制的安全儀表功能回路圖。對(duì)這個(gè)安全儀表功能完整的描述是：當(dāng)容器液位開關(guān)達(dá)到安全聯(lián)鎖值時(shí)，邏輯運(yùn)算器圖3使電磁閥2斷電，那么切斷進(jìn)調(diào)節(jié)閥膜頭信號(hào)，使調(diào)節(jié)閥切斷

4、容器A進(jìn)料，這個(gè)動(dòng)作要在3秒完成，安全等級(jí)必須達(dá)到SIL2。這是一個(gè)安全儀表功能的完整描述，而所謂的安全儀表系統(tǒng)，那么是類似一個(gè)或多個(gè)這樣的安全儀表功能的集合。sisft點(diǎn)MI!fa1.MdMUMAJi*lIIBBfaLOAdGM>lclznocoo1ovdcD圖2安全儀表回路圖圖2說明：L液面超高-L1接點(diǎn)閉合-Z帶電。Z1常閉接點(diǎn)打開，S線圈斷電。S電磁閥切斷，往調(diào)節(jié)閥膜頭的控制信號(hào)調(diào)節(jié)閥切斷工藝進(jìn)料，完成聯(lián)鎖保護(hù)作用。K起：按鈕開關(guān)：起動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)回路兼有復(fù)位作用。K停：起人工強(qiáng)制起動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)作用。K旁：旁路聯(lián)鎖保護(hù)作用，用丁開車或檢修聯(lián)鎖信號(hào)儀表。INPUT/、聯(lián)常屏最開蕓（貴距械

5、.樓獲）OsLOGICSOLVEROUTPUT圖3SIS邏輯圖大多石油和化工生產(chǎn)過程具有周溫、周壓、易燃、易爆、有蠹等危險(xiǎn)。當(dāng)某些工藝參數(shù)超出安全極限，未與時(shí)處理或處理不當(dāng)時(shí)，便有可能造成人員傷亡、設(shè)備損壞、周邊環(huán)境污染等惡性事故。這就是說，從安全的角度出發(fā)，石油和化工生產(chǎn)過程自身存在著固有的風(fēng)險(xiǎn)。總之，SIS是一種經(jīng)專門機(jī)構(gòu)認(rèn)證，具有一定安全完整性水平，用丁降低生產(chǎn)過程風(fēng)險(xiǎn)的儀表安全保護(hù)系統(tǒng)。它不僅能響應(yīng)生產(chǎn)過程因超過安全極限而帶來的風(fēng)險(xiǎn)，而且能檢測(cè)和處理自身的故障，從而按預(yù)定條件或程序使生產(chǎn)過程處丁安全狀態(tài)，以確保人員、設(shè)備與工廠周邊環(huán)境的安全。按照SIS的定義，下述系統(tǒng)均屬于安全儀表系統(tǒng)

6、：安全聯(lián)鎖系統(tǒng)SafetyInterlockSystemSIS；安全關(guān)聯(lián)系統(tǒng)SafetyRelatedSystemSRS;儀表保護(hù)系統(tǒng)InstrumentProtectiveSystemIPS；透平壓縮機(jī)集成控制系統(tǒng)IntegratedTurbo&CompressorControlSystemITCC；火災(zāi)與氣體檢測(cè)系統(tǒng)FireandgassystemsF&G；緊急停車系統(tǒng)EmergencyShutdownDeviceESD;燃燒管理系統(tǒng)BurnerManagementSystem；列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)ATPJ2、SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證機(jī)構(gòu)鑒于SIS涉與到人員、設(shè)備、環(huán)境的安全，因

7、此各國均制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)，使得SIS的設(shè)計(jì)、制造、使用均有意可循。并有權(quán)威的認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品能達(dá)到的安全等級(jí)進(jìn)展確認(rèn)。這些標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)與認(rèn)證機(jī)構(gòu)主要有：我國石化集團(tuán)制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SHB-Z06-1999石油化工緊急停車與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)那么。2006年、2007年等同采用IEC6150&IEC61511的中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20438GB/T21109相繼發(fā)布,中國的功能安全標(biāo)準(zhǔn)開始規(guī)我國的功能安全工作。國際電工委員會(huì)1997年制定的IEC61508/61511標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)用機(jī)電設(shè)備繼電器、固態(tài)電子設(shè)備、可編程電子設(shè)備PLC3構(gòu)成的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的硬件、軟件與應(yīng)用作出了明確規(guī)定。(3) 美國

8、儀表學(xué)會(huì)制定的ISA-S84.01-1996安全儀表系統(tǒng)在過程工業(yè)中的應(yīng)用美國化學(xué)工程學(xué)會(huì)制定的AICHEccps-1993,化學(xué)過程的安全自動(dòng)化導(dǎo)那么。(4) 英國健康與安全執(zhí)行委員會(huì)制定的HSEPES-1987,可編程電子系統(tǒng)在安全領(lǐng)域的應(yīng)用。德國國家標(biāo)準(zhǔn)中有安全系統(tǒng)制造廠商標(biāo)準(zhǔn)-DINVVDE0801、過程操作用戶標(biāo)準(zhǔn)-DINV19250和DINV19251、燃燒管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)-DINVDE0116等。(8)德國技術(shù)監(jiān)視協(xié)會(huì)TuV是一個(gè)獨(dú)立的、權(quán)威的認(rèn)證機(jī)構(gòu)，它按照德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN，將ES所達(dá)到的安全等級(jí)分為AK1AK&AK8安全級(jí)別最高。其中AK4AK5AK6為適用于石油和化學(xué)

9、工業(yè)取得TuV認(rèn)證的SIS產(chǎn)品。在國石化行業(yè)中應(yīng)用的SIS產(chǎn)品中，經(jīng)過Tuv認(rèn)證的主要有:Tricon、Triden，美國Triconex公司開發(fā)用于壓縮機(jī)綜合控制ITCC和緊急停車系統(tǒng)。安全等級(jí)為AK6SIL3。FSCFailsafecontrol，由荷蘭P&FPepper&Fuchs公司開發(fā)，1994年被Honeywell公司收購。安全等級(jí)AK6SIL3和利時(shí)集團(tuán)HiaGuardSIS，我國首套獲TuVSIL3認(rèn)證的安全儀表系統(tǒng)HIMAPES,HIM閾德國一家專業(yè)生產(chǎn)安全控制設(shè)備的公司，PES(ProgrammableElectronicSystem)是可編程電子系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱

10、，是近幾年來國引進(jìn)較多的一種安全儀表系統(tǒng)。主要由H41q和H51q系統(tǒng)組成。H41q也叫小系統(tǒng)，它分為不冗余的系統(tǒng)和冗余的系統(tǒng)，不冗余系統(tǒng)型號(hào)為H41M冗余系統(tǒng)乂分為高可靠系統(tǒng)H41"H和高性能系統(tǒng)H41尸HRH51q稱為模塊化的系統(tǒng)，它也分為不冗余的系統(tǒng)和冗余的系統(tǒng),不冗余的系統(tǒng)型號(hào)為H51"H和高性能系統(tǒng)H51"HR各種型號(hào)的PEStK具有TuVAK16級(jí)認(rèn)證。儀控工程網(wǎng)在線學(xué)習(xí)頻道，有關(guān)于HIMA公司與產(chǎn)品的介紹ProsafeR§是橫河電機(jī)安全儀表系統(tǒng)，其特點(diǎn)是與CENTUMCS.3000R3的技術(shù)融合，即實(shí)現(xiàn)了與DSC勺無縫集成。非冗余取量即可實(shí)

11、現(xiàn)SIL3,通過冗余取量實(shí)現(xiàn)更高的可用性。(10) QUADLOG由MOORE司開發(fā)，日本橫河電機(jī)公司收購后稱prosafeplc,其1oo2D結(jié)構(gòu)安全等級(jí)達(dá)AK6(SIL3);SIMATICS7400F/FH,德國SIEMENS司產(chǎn)品。400F和400FH分別為1個(gè)CP頃日2個(gè)CP史行fail-safeF用戶程序，均取得TUVU證，安全等級(jí)為AK1AK6SIL1SIL3；(8)RegentTrusted，美國ICS利用宇航技術(shù)開發(fā)的安全系統(tǒng)。安全等級(jí)AK4AK6SIL2SIL3；GMR90-70,美國GEFanuc公司開發(fā)。其中GMR90-70塊塊式冗余容錯(cuò))的安全等級(jí)為class52oo3

12、,class41oo2和class52oo2；TRIGUARSC300EAUGUS松司開發(fā),1999年成為ABB#團(tuán)成員之一，安全等級(jí)為class5和class6，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為2oo3;(11) DeltaVSIS是艾默生推出的TuV認(rèn)證的新型整體回路概念的智能安全儀表系統(tǒng)，安全等級(jí)SIL3。(12) Safeguard400&300,ABBIndustry公司開發(fā)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1oo2D=篇幅有限不再列舉3、SIS和DCS的比擬DC的由PES構(gòu)成的SIS的主要區(qū)別有:DCSSTS不舍粒測(cè)、執(zhí)行單元作用功能)使生產(chǎn)程霍無用工況乃至螭任工K下運(yùn)行超隈實(shí)金停車1作為態(tài)i連壤靜態(tài).間斷安全甄別嫉、

13、不薛認(rèn)狂高.需認(rèn)證系統(tǒng)的組成：DCSH股是由人機(jī)界面操作站、通信總線與現(xiàn)場(chǎng)控制站組成；而SIS系統(tǒng)是由傳感器、邏輯解算器和最終元件三局部組成。與DC%含檢測(cè)執(zhí)行局部。(1) 實(shí)現(xiàn)功能：DCS用丁過程連續(xù)測(cè)量、常規(guī)控制連續(xù)、順序、間歇等操作控制管理使生產(chǎn)過程在正常情況下運(yùn)行至最正確工況;而SIS是超越極限安全即將工藝、設(shè)備轉(zhuǎn)至安全狀態(tài)。工作狀態(tài)：DCS®主動(dòng)的、動(dòng)態(tài)的，它始終對(duì)過程變量連續(xù)進(jìn)展檢測(cè)、運(yùn)算和控制，對(duì)生產(chǎn)過程動(dòng)態(tài)控制確保產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。而SIS系統(tǒng)是被動(dòng)的、休眠的。(2) 安全級(jí)別：DC以全級(jí)別低，不需要安全認(rèn)證；而SIS系統(tǒng)級(jí)別高，需要安全認(rèn)證。應(yīng)對(duì)失效方式：DCSS統(tǒng)大

14、局部失效都是顯而易見的，其失效會(huì)在生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)過程中自行顯現(xiàn)，很少存在隱性失效；SIS失效就沒那么明顯了，因此確定這種休眠系統(tǒng)是否還能正常工作的唯一方法，就是對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)展周期性的診斷或測(cè)試。因此安全儀表系統(tǒng)需要人為的進(jìn)展周期性的離線或在線檢驗(yàn)測(cè)試，而有些安全系統(tǒng)那么帶有部自診斷。4、SIS設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原那么原那么上應(yīng)獨(dú)立設(shè)置含檢測(cè)和執(zhí)行單元；中間環(huán)節(jié)最少；應(yīng)為故障安全型；采用冗余容錯(cuò)結(jié)構(gòu)5、故障安全原那么組成SIS的各環(huán)節(jié)自身出現(xiàn)故障的概率不可能為零，且供電、供氣中斷亦可能發(fā)生。當(dāng)部或外部原因使SIS失效時(shí)，被保護(hù)的對(duì)象裝置應(yīng)按預(yù)定的順序安全停車，自動(dòng)轉(zhuǎn)入安全狀態(tài)FaulttoSafety:,這

15、就是故障安全原那么。具體表達(dá)：(1) 現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)儀表選用常閉接點(diǎn)，工藝正常時(shí)，觸點(diǎn)閉合，達(dá)到安全極限時(shí)觸點(diǎn)斷開，觸發(fā)聯(lián)鎖動(dòng)作，必要時(shí)采用“二選一”、“二選二”或“三選二"配置。(2) 電磁閥采用正常勵(lì)磁，聯(lián)鎖未動(dòng)作時(shí)，電磁閥線圈帶電，聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)斷電。送往電氣配電室用以開/停電機(jī)的接點(diǎn)用中間繼電器隔離，其勵(lì)磁電路應(yīng)為故障安全型。作為控制裝置如PLC3“故障安全"意味著當(dāng)其自身出現(xiàn)故障而不是工藝或設(shè)備超過極限工作圍時(shí)，至少應(yīng)該聯(lián)鎖動(dòng)作，以便按預(yù)定的順序安全停車這對(duì)工藝和設(shè)備而言是安全的；進(jìn)而應(yīng)通過硬件和軟件的冗余和容錯(cuò)技術(shù)，在過程安全時(shí)間PST-ProcessSafetyTime

16、檢測(cè)到故障，自動(dòng)執(zhí)行糾錯(cuò)程序，排除故障。6、隱故障與顯故障隱故障CovertFault：不對(duì)危險(xiǎn)產(chǎn)生報(bào)警，允許危險(xiǎn)開展的故障，是故障危險(xiǎn)故障SHB-Z06-1999。CovertFault:Faultthatcanbeclassifiedashidden,concealed,undetected,unrevealed,latentect.ISA-S84.01-1996顯故障OvertFault：能顯示出故障自身存在的故障，是故障安全故障SHB-Z06-1999。OvertFault:Faultthatcanbeclassifiedasannounced,detected,revealed,ec

17、t.ISA-S84.01-1996SIS系統(tǒng)拒動(dòng)：當(dāng)工藝條件達(dá)到或超過安全極限時(shí)，SIS本應(yīng)引導(dǎo)工藝過程停車，但由于其自身存在隱性故障危險(xiǎn)故障，譬如輸出開關(guān)被誤連短路，而不能響應(yīng)此要求，即該停車而拒停，降低了安全性。危險(xiǎn)失效定義為這樣一些失效，這些失效會(huì)阻止SIS系統(tǒng)對(duì)潛在的危險(xiǎn)工況做出反響。SIS系統(tǒng)誤動(dòng)：在圖4中，當(dāng)輸出開關(guān)由于某種原因處于非激勵(lì)狀態(tài)，即使?jié)撛诘奈ｋU(xiǎn)工況沒有發(fā)生，SIS也會(huì)進(jìn)入一種安全失效狀態(tài)見圖5,這種情況經(jīng)常被稱為“誤動(dòng)。誤動(dòng)可能會(huì)以許多不同方式發(fā)生。例如，輸入電路可能會(huì)發(fā)生故障，從而使邏輯解算器誤認(rèn)為是傳感器檢測(cè)到了危險(xiǎn)工況，而事實(shí)上并沒有這種情況發(fā)生。邏輯解算器本身

18、也可能出現(xiàn)運(yùn)算錯(cuò)誤，并導(dǎo)致輸出回路失電，輸出回路可能出現(xiàn)開路。SIS的許多元件失效均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入安全失效狀態(tài)。SIS非正常運(yùn)行時(shí)桁出開關(guān)處在失助歿態(tài)正常運(yùn)行時(shí)4,開圭閉合，蟲力升關(guān)非正常運(yùn)行"壬口碎時(shí)開關(guān)打開開關(guān)量輸入圖4正常運(yùn)行時(shí)的正常激勵(lì)系統(tǒng)即使壓力開關(guān)閉合.由于輸入電路的故障S1S也會(huì)誤認(rèn)為它是打開的壓力開關(guān)無王量輸丁輸出開關(guān)輸出電路發(fā)生弁路故障邏輯翼算器不能讀教1箝人、不能進(jìn)行正常的邏輯運(yùn)算，也不能生成邏輯1輸出負(fù)載圖5PFS安全故障概率：正常激勵(lì)的SIS系統(tǒng)在它的輸出非激勵(lì)時(shí)，就會(huì)處丁故障狀態(tài)，這有一個(gè)概率。稱為安全故障概率PFSJ,或稱誤動(dòng)率。PFD要求時(shí)失效概率：這是

19、一個(gè)衡量安全性的指標(biāo)，稱為要求時(shí)失效概率。它意味著系統(tǒng)是危險(xiǎn)的。它不會(huì)再要求潛在的緊急條件發(fā)生時(shí)產(chǎn)生響應(yīng)。SIS的功能安全安全儀表系統(tǒng)必須在工業(yè)系統(tǒng)出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)正確執(zhí)行其對(duì)應(yīng)的安全功能，安全儀表系統(tǒng)的這種特性被稱為功能安全。功能安全實(shí)際上講的是SIS系統(tǒng)自身的安全問題。如圖6示安全儀表系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個(gè)壓力變送器、一個(gè)閥門和一個(gè)安全PLC組成的SIS系統(tǒng)。壓力變送器檢測(cè)容器壓力并將其變換成適宜的信號(hào)傳送給安全PLG安全PLC判斷假設(shè)壓力超過了額定值那么打開閥門以降低容器壓力，這被稱為安全系統(tǒng)的一個(gè)安全功能。很明顯例子中儀表安全系統(tǒng)只有一個(gè)安全功能。如果三個(gè)設(shè)備有一個(gè)或多個(gè)失效，安全功能將失效

20、，即它將不能對(duì)壓力容器壓力進(jìn)展限制。因此安全儀表系統(tǒng)的安全性能由傳感器、邏輯解算器和執(zhí)行器三局部功能決定。(1) SIS安全功能實(shí)際上講的是讓SIS執(zhí)行什么樣的安全任務(wù)，如何保護(hù)受控設(shè)備。當(dāng)反應(yīng)器溫度及壓力超高達(dá)到危險(xiǎn)狀PressureSensor圖6反響器的安全儀表系統(tǒng)7、安全性與響應(yīng)失效率(1)當(dāng)工藝條件達(dá)到或超過安全極限值時(shí)，SIS本應(yīng)引導(dǎo)工藝過程停車，但由丁其自身存在隱故障危險(xiǎn)故障而不能響應(yīng)此要求，即該停車而拒停，降低了安全性。衡量安全性的指標(biāo)為響應(yīng)失效率或稱要求的故障率PFDProbabilityofFailureonDemand。它是安全聯(lián)鎖系統(tǒng)按要求執(zhí)行指定功能的故障概率。是度量

21、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)按要求模式工作故障率的目標(biāo)值SHB-Z06-1999。(2) 不同的工業(yè)過程如生產(chǎn)規(guī)模、原料和產(chǎn)品的種類、工藝和設(shè)備的復(fù)雜程度等對(duì)安全的要不同的。上述的國際標(biāo)準(zhǔn)將其劃分為假設(shè)干安全完整性等級(jí)SIL:SafetyIntegrityLevel。安全完整性等級(jí)SafetyIntegrityLevelSIL安全完整性等級(jí)SIL是一種離散的等級(jí)，用來規(guī)定分配給E/E/PE安全相關(guān)系統(tǒng)安全功能的安全完整性要求。安全完整性等級(jí)可分為4個(gè)等級(jí)，SIL4是安全完整性最高的等級(jí)平均概率最高,SIL1是最低等級(jí)；安全完整性等級(jí)越高，應(yīng)執(zhí)行所要求的安全功能的概率也越高；根據(jù)安全相關(guān)系統(tǒng)使用方式，要求發(fā)生的

22、頻率可分為低要求操作模式<=1次和高要求或連續(xù)操作模式="">1次/年。根據(jù)GB/T20438標(biāo)準(zhǔn)，在不同的操作模式下，安全完整性的目標(biāo)失效概率和目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)降低見下表1-1和1-2。采用不同的操作模式結(jié)構(gòu)有可能使用幾個(gè)安全完整性等級(jí)較低的系統(tǒng)來滿足一個(gè)較高安全完整性等級(jí)功能的需要例如：使用一個(gè)SIL2和一個(gè)SIL1的系統(tǒng)共同來滿足一個(gè)SIL3功能的需要。表1-1安全完整性等級(jí)：要求時(shí)的失效概率低要求操作模式(平均失效概率)1斐全完整性等版(SIL)要求時(shí)的目標(biāo)平均失效概率目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)降低4>10<104>10(X)0<1000003M10*&l

23、t;103>1000<1woo2>100<10001>10-<100表1-2安全完整性等級(jí)：SIF的危險(xiǎn)失效概率高要求或連續(xù)操作模式(每小時(shí)危險(xiǎn)失效概率)安全完整性等級(jí)(SIL)執(zhí)行儀表安全功能的目標(biāo)危險(xiǎn)失效概率4丑10#w3>1頸】2>10'<1061表1-3SIL與PFD的對(duì)應(yīng)關(guān)系1SA-SH4.0IEC05fl«DINVi»5iiKrin)PFPS1L1SIL1AK1"頃上AUAKJ斜】“4K410111'S1L3SIL3AK51(1Jl"SIL4<K78、可用性與可用度但

24、由丁其自身存在降低了可用性。用白分?jǐn)?shù)計(jì)算：工藝條件并未達(dá)到安全極限值，SIS不應(yīng)引導(dǎo)工藝過程停車,顯故障安全故障而導(dǎo)致工藝過程停車，即不該停車而誤停,可用度A：Availability是指系統(tǒng)可使用工作時(shí)間的概率,MTBF平均故障間隔時(shí)間MeanTimeBetweenFailuresMDT平均停車時(shí)間MeanDowntime!MTBF平均故障間隔時(shí)間MeanTimeBetweenFailureMTTR平均恢復(fù)時(shí)間MeanTimetoRepairMTTF平均無故障時(shí)間MeanTimetoFailure例如：-2EZ開軍！總at反lL-l*iMTTRLMTBF二:Ab'1fsn敵障時(shí)闋障H

25、7MTTF.MTtRWitbF9、冗余和容錯(cuò)冗余(Redundant)具有指定的獨(dú)立的N:1重兀件，并且可以自動(dòng)地檢測(cè)故障，切換到后備設(shè)備上。(SHB-Z06-1999)冗余系統(tǒng)(RedundantSystem)并行地使用多個(gè)系統(tǒng)部件，以提供錯(cuò)誤檢測(cè)和錯(cuò)誤校正能力的系統(tǒng)。(SHB-Z06-1999)。容錯(cuò)(FaultTolerant)具有部冗余的并行元件和集成邏輯，當(dāng)硬件或軟件局部故障時(shí)，能夠識(shí)別故障并使故障旁路，進(jìn)而繼續(xù)執(zhí)行指定的功能?；蛟谟布蛙浖l(fā)生故障的情況下，系統(tǒng)仍具有繼續(xù)運(yùn)行的能力。它往往包括三方面的功能：第一是約束故障，即限制過程或進(jìn)程的動(dòng)作，以防止在錯(cuò)誤被檢測(cè)出來之前繼續(xù)擴(kuò)大；

26、第二是檢測(cè)故障，即對(duì)信息和過程或進(jìn)程的動(dòng)作進(jìn)展動(dòng)態(tài)檢測(cè)；第三是故障恢復(fù)即更換或修正失效的部件。(SHB-Z06-1999)容錯(cuò)系統(tǒng)(FaultTolerantSystem)具有容錯(cuò)結(jié)構(gòu)的硬件與軟件系統(tǒng)。(SHB-Z06-1999)總之，通過冗余和故障屏蔽的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。容錯(cuò)系統(tǒng)一定是冗余系統(tǒng)，冗余系統(tǒng)不一定是容錯(cuò)系統(tǒng)。容錯(cuò)系統(tǒng)的冗余形式有雙重、三重、四重等。圖8和圖9、圖10分別表示CPUM余(雙機(jī)熱備)和三重化冗余容錯(cuò)系統(tǒng)。CPUCPU2現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備圖8CPU冗余（雙機(jī)熱備）輸出垛子圖9三重模塊冗余容錯(cuò)系統(tǒng)輸出端子圖10三重信號(hào)冗余容錯(cuò)系統(tǒng)怎樣通過冗余來改善系統(tǒng)的整體SIL水平當(dāng)一個(gè)SIS系統(tǒng)

27、的安全完整性等級(jí)要求為SIL3,而實(shí)際配置為傳感器為2.2X10-3(SIL2),邏輯解算器為1.3X10-4(SIL3)(包括I/O接口)，終端執(zhí)行器為2.41X10-3(SIL2),所以整個(gè)系統(tǒng)為SIL2不滿足要求。(1) 丁是我們改變傳感器的配置結(jié)構(gòu),選擇1oo2冗余，其中共因失效=10%診斷覆蓋率(DC)=90%可以算出1oo2傳感器的結(jié)構(gòu)的PFD=2.歡10-4，達(dá)到SIL3的水平，同理可以配置執(zhí)行器為1oo2冗余結(jié)構(gòu)，也可達(dá)到SIL3的要求，丁是最終整體SIS系統(tǒng)的SIL可以達(dá)到SIL3的要求。(2) 這個(gè)問題的解決給我們以啟示，當(dāng)裝置引進(jìn)一個(gè)SIS系統(tǒng)時(shí)，整體安全完整性等級(jí)不僅取

28、決丁邏輯解算器局部，而且傳感器、終端執(zhí)行器局部也非常關(guān)鍵。配置系統(tǒng)時(shí)，除了引進(jìn)一個(gè)SIL3的安全儀表系統(tǒng)，譬如FSC等，還要將傳感器、終端執(zhí)行器一并討論。算出SIS整體的SIL數(shù)據(jù)，定量的安全儀表系統(tǒng)配置任務(wù)才算完成。冗余表決方法與其安全性、可用性的關(guān)系可用性(A:Availability)是指系統(tǒng)可使用工作時(shí)間(連續(xù)運(yùn)行時(shí)間)的概率，用白分?jǐn)?shù)計(jì)算A值越大，可用性越好：A=MTBF/(MTBF+MTTR)而PFD=MTTR/(MTBF+MTTR)PFDffi小那么安全性越好。冗余邏輯表決方法與安全性-可用性的關(guān)系例子如下表所示表2冗余邏輯的表決方法與其與安全性、可用性的關(guān)系妻決方法隱故障福宰柜

29、動(dòng)）顯故障概率.（誤動(dòng)）允并不危許安全性可用性Alid耳IwlQ.Q?,（知路的襁率Q.01升路的概率）存在隱故障杓髭故障二蠢一亡1m2Q.0004（兩個(gè)均匝路的概率）0.08（只要有-個(gè)開路的概率）其中之一存在隘故障（仍可安全停車現(xiàn)中之一存在顯故障（將誤停車）最好最差二垃二T2uo20.04（只要有個(gè)短路的橫率）0.0016（兩個(gè)均開路的岷率）其中之一存在顯故障（不會(huì)褒停和其中之一存在除故障（該停拒停）最差最好k5!oo30.0012（三個(gè)中兩個(gè)均短路的概率）0.0048（三個(gè)中兩個(gè)均升略的概率）其中之一存在隱故障成顯故障其中兩個(gè)存在隱故障或顯扯障較好較好注:此表中故中概率數(shù)據(jù)摘a四門子公司

30、資料以上可見:（1）隱故障（危險(xiǎn)故障）使SIS該動(dòng)而拒動(dòng)，隱故障概率越高，安全性越差。（2）顯故障（安全故障）使ESD不該動(dòng)而誤動(dòng)，顯故障概率越高，可用性越差。1oo2（二選一）安全性最好，但可用性最差；2oo2（二選二）可用性最好，但安全性最差;2oo3（三選二）可兼顧。10、普通PLC和安全PLC的區(qū)別普通PLC和可以作為ESDE制局部的安全PLC的主要區(qū)別是：普通PLC不是按故障安全型設(shè)計(jì)的，當(dāng)系統(tǒng)部元件出現(xiàn)短路故障時(shí)，它并不能檢測(cè)到，因此其輸出狀態(tài)不能保證系統(tǒng)回到預(yù)定的安全狀態(tài)。這種PLC只能用丁安全度等級(jí)要求低的場(chǎng)合。現(xiàn)以輸出電路為例予以說明。+24VDC來自CPU的控制信號(hào)圖11普

31、通PLCDO#示意圖普通PLCDO#(1)當(dāng)1、2兩點(diǎn)短路時(shí)，來自PLC的控制信號(hào)將不起作用(失效)，電磁閥將一直處丁帶電(勵(lì)磁)狀態(tài)，即需要聯(lián)鎖動(dòng)作(電磁閥釋電停車)時(shí)，由丁此故障的存在而拒動(dòng)，其輸出不能保證處丁安全停車狀態(tài)。這就是違背了故障安全(FaulttoSafety)的原那么。(2)當(dāng)1、2兩點(diǎn)開路時(shí)，將導(dǎo)致誤動(dòng)作而停車，同樣會(huì)帶來損失?？梢?，這種普通PLC的DO卡輸出電路的安全性和可用性都是不高的。OVDC圖12安全性單容錯(cuò)DO卡示意圖安全性單容錯(cuò)DO長圖12所示為一種帶有安全性單容錯(cuò)的。旋示意圖(它是HoneywellSM手SC-101型輸出示意圖)。這里，中央處理器不僅向申聯(lián)的

32、場(chǎng)效應(yīng)管(FET)發(fā)出控制信號(hào)，而且還承受來自場(chǎng)效應(yīng)管的狀態(tài)反響信號(hào)，以便對(duì)其輸出進(jìn)展全面測(cè)試。當(dāng)測(cè)得某管輸出發(fā)生短路時(shí)，中央處理器即啟動(dòng)糾錯(cuò)動(dòng)作，隔離相關(guān)的故障?？撮T狗(WatchDog)是個(gè)多通道的計(jì)時(shí)器電路。它由中央處理器和存等周期性地觸發(fā)，如果兩個(gè)觸發(fā)之間的時(shí)間小于某設(shè)定值或者大于某最大值，那么看門狗的輸出將失效。同時(shí)看門狗還能監(jiān)視部工作電壓，使之在正常的電壓圍。普通PLC和安全PLC的區(qū)別以上僅是DO卡上的差異。作為安全PLG至少應(yīng)具備以下幾點(diǎn)：滿足相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)要求，且經(jīng)過權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證，取得了相應(yīng)安全等級(jí)證書；在硬件和軟件上采用冗余、容錯(cuò)措施，具有完善的測(cè)試手段，當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)故障，特別是危險(xiǎn)故障時(shí)能使系統(tǒng)回到安全狀態(tài)；能進(jìn)展系統(tǒng)故障報(bào)警，指示故障原因、故障位置，便于在線維護(hù)；能與DCS|£其它設(shè)備進(jìn)展通訊。11、工藝過程風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估與安全度等級(jí)的評(píng)定不同的工藝過程(生產(chǎn)規(guī)模、原料和產(chǎn)品的種類、工藝和設(shè)備的復(fù)雜程度等)對(duì)安全的要不同的。一個(gè)具體的工藝過程，是否需要配置SIS、配置何種等級(jí)的SIS,其前提應(yīng)該是對(duì)此具體