GE-安全儀表培訓(xùn)講義講義課件

1、安全儀表系統(tǒng)(SIS )中海石油建滔化工有限公司電儀技術(shù)部安全儀表系統(tǒng)(SIS )中海石油建滔化工有限公司1 什么是安全儀表系統(tǒng)?1 什么是安全儀表系統(tǒng)?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)（Safety Related System）,將被控對(duì)象稱為被控設(shè)備（EUC）。IEC61511將安全儀表系統(tǒng)SIS定義為用于執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)安全儀表功能（Safety Instrumented Function,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、以及最終元件（如電磁閥、電動(dòng)門等）的組合組成,如圖1所示。IEC61511又進(jìn)一步指

2、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)組成部分時(shí)，必須在安全規(guī)格書（Safety Requirement Specification,SRS)中對(duì)人員操作動(dòng)作的有效性和可靠性做出明確規(guī)定，并包括在SIS的績(jī)效計(jì)算中。從SIS的發(fā)展過程看，其控制單元部分經(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)（Programmable Electronic System），即E/E/PES三個(gè)階段。 1 什么是安全儀表系統(tǒng)? 在IEC61508 中，S圖1 SIS的構(gòu)成 檢測(cè)單元輸入模塊控制模塊輸出模塊執(zhí)行單元PE

3、S下圖為由PES構(gòu)成的SIS 圖1 SIS的構(gòu)成 檢測(cè)單元輸入模塊控制模塊輸出模塊執(zhí)行GE-安全儀表培訓(xùn)講義講義課件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。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（Continuous Mode）操作并具有特定的SIL,用于防止危險(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的一部分也可能是人的動(dòng)作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，SIS安全儀表系統(tǒng) 如圖2所示，這是一個(gè)氣液分離容器A液位控制的安全儀表

4、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，則切斷進(jìn)調(diào)節(jié)閥膜頭信號(hào)，使調(diào)節(jié)閥切斷容器A進(jìn)料，這個(gè)動(dòng)作要在3秒內(nèi)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)，則是類似一個(gè)或多個(gè)這樣的安全儀表功能的集合。SIS安全儀表系統(tǒng) 如圖2所示，這是一個(gè)氣液分離容器A液位控圖2 安全儀表回路圖圖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。

5、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，用于開車或檢修聯(lián)鎖信號(hào)儀表。圖2 說明L液面超高-L1接點(diǎn)閉合-Z帶電。圖3 SIS邏輯圖圖3 SIS邏輯圖SIS安全儀表系統(tǒng)大多石油和化工生產(chǎn)過程具有高溫、高壓、易燃、易爆、有毒等危險(xiǎn)。當(dāng)某些工藝參數(shù)超出安全極限，未及時(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)?？傊?，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，用于降低生產(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

6、按預(yù)定條件或程序使生產(chǎn)過程處于安全狀態(tài)，以確保人員、設(shè)備及工廠周邊環(huán)境的安全。SIS安全儀表系統(tǒng)大多石油和化工生產(chǎn)過程具有高溫、高壓、易燃SIS安全儀表系統(tǒng)按照SIS的定義，下述系統(tǒng)均屬于安全儀表系統(tǒng)：安全聯(lián)鎖系統(tǒng)（Safety Interlock SystemSIS）安全關(guān)聯(lián)系統(tǒng)（Safety Related SystemSRS）儀表保護(hù)系統(tǒng)（Instrument Protective SystemIPS）透平壓縮機(jī)集成控制系統(tǒng)（Integrated Turbo & Compressor Control SystemITCC）火災(zāi)及氣體檢測(cè)系統(tǒng)（Fire and gas systemsF&G

7、）緊急停車系統(tǒng)（Emergency Shutdown DeviceESD）燃燒管理系統(tǒng)（Burner Management System）列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（ATP）SIS安全儀表系統(tǒng)按照SIS的定義，下述系統(tǒng)均屬于安全儀表系2 SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu) 2 SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu) SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu) 鑒于SIS涉及到人員、設(shè)備、環(huán)境的安全，因此各國均制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，使得SIS的設(shè)計(jì)、制造、使用均有章可循。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)行確認(rèn)。這些標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及認(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石油化工緊急停車及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則

8、。2006年、2007年等同采用IEC61508、IEC61511的中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20438、GB/T21109相繼發(fā)布，中國的功能安全標(biāo)準(zhǔn)開始規(guī)范我國的功能安全工作。SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu) 鑒于SIS涉及到人員、設(shè)備、SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu) 國際電工委員會(huì)1997年制定的IEC 61508/61511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（PLC）構(gòu)成的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的硬件、軟件及應(yīng)用作出了明確規(guī)定。美國儀表學(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AICHE（ccps）-1993，化學(xué)過程的安全自動(dòng)化導(dǎo)則。

9、英國健康與安全執(zhí)行委員會(huì)制定的HSE PES-1987，可編程電子系統(tǒng)在安全領(lǐng)域的應(yīng)用。SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu) 國際電工委員會(huì)1997年制定的ISIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu) 德國國家標(biāo)準(zhǔn)中有安全系統(tǒng)制造廠商標(biāo)準(zhǔn)-DIN V VDE 0801、過程操作用戶標(biāo)準(zhǔn)-DIN V 19250和DIN V 19251、燃燒管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)-DIN VDE 0116等。德國技術(shù)監(jiān)督協(xié)會(huì)（TV）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ESD所達(dá)到的安全等級(jí)分為AK1AK8，AK8安全級(jí)別最高。其中AK4、AK5、AK6為適用于石油和化學(xué)工業(yè) 取得TUV認(rèn)證的SIS產(chǎn)品 SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)

10、證機(jī)構(gòu) 德國國家標(biāo)準(zhǔn)中有安全系統(tǒng)制造廠商SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu) 在國內(nèi)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AK6（SIL3）。FSC（Fail safe control），由荷蘭P&F（Pepper&Fuchs）公司開發(fā)，1994年被Honeywell公司收購。安全等級(jí)可達(dá)AK6（SIL3）SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu) 在國內(nèi)石化行業(yè)中應(yīng)用的SIS產(chǎn)品SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu) HIMA PES，HIMA是德國一家專業(yè)生產(chǎn)安全控制設(shè)備的公司，PES (Progra

11、mmable Electronic System)是可編程電子系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，是近幾年來國內(nèi)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H41qM，冗余系統(tǒng)又分為高可靠系統(tǒng)H41qH和高性能系統(tǒng)H41qHR。H51q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H51qH和高性能系統(tǒng)H51qHR。各種型號(hào)的PES都具有TUV AK16級(jí)認(rèn)證。SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu) HIMA PES，HIMA是德國SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu) ProsafeRS，是橫河電機(jī)安全儀表系統(tǒng)，其特點(diǎn)是與CENT

12、UMCS.3000 R3的技術(shù)融合，即實(shí)現(xiàn)了與DSC的無縫集成。非冗余取量即可實(shí)現(xiàn)SIL3，通過冗余取量實(shí)現(xiàn)更高的可用性。QUADLOG，由MOORE公司開發(fā)，日本橫河電機(jī)公司收購后稱prosafe plc，其1oo2D結(jié)構(gòu)安全等級(jí)達(dá)AK6 (SIL3)；SIMATICS7400F/FH，德國SIEMENS公司產(chǎn)品。400F和400FH分別為1個(gè)CPU和2個(gè)CPU運(yùn)行fail-safe（F）用戶程序，均取得TUV認(rèn)證，安全等級(jí)為AK1AK6（SIL1SIL3）；SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu) ProsafeRS，是橫河電機(jī)SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu) Regent Trusted，美國ICS利用宇航

13、技術(shù)開發(fā)的安全系統(tǒng)。安全等級(jí)AK4AK6（SIL2SIL3）；GMR90-70，美國GE Fanuc公司開發(fā)。其中GMR90-70(模塊式冗余容錯(cuò))的安全等級(jí)為class 5（2oo3），class 4（1oo2）和class 5（2oo2）；TRIGUARD SC300E， AUGUST公司開發(fā)，1999年成為ABB集團(tuán)成員之一，安全等級(jí)為class 5和class 6，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為2oo3；Safeguard 400&300，ABB Industry公司開發(fā)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1oo2D。SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu) Regent Trusted，美3 SIS和DCS的比較 3 SIS和DCS的比較 S

14、IS和DCS的比較DCS與由PES構(gòu)成的SIS的主要區(qū)別有： DCSSIS構(gòu) 成不含檢測(cè)、執(zhí)行含檢測(cè)、執(zhí)行單元作用（功能）使生產(chǎn)過程在正常工況乃至最佳工況下運(yùn)行超限安全停車工 作動(dòng)態(tài)、連續(xù)靜態(tài)、間斷安全級(jí)別低、不需認(rèn)證高、需認(rèn)證SIS和DCS的比較DCS與由PES構(gòu)成的SIS的主要區(qū)別有SIS和DCS的比較系統(tǒng)的組成：DCS一般是由人機(jī)界面操作站、通信總線及現(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部分組成。及DCS不含檢測(cè)執(zhí)行部分。 實(shí)現(xiàn)功能：DCS用于過程連續(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)行至最佳工況；而SIS是超越極限安全即將

15、工藝、設(shè)備轉(zhuǎn)至安全狀態(tài)。 工作狀態(tài)：DCS是主動(dòng)的、動(dòng)態(tài)的，它始終對(duì)過程變量連續(xù)進(jìn)行檢測(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 。 SIS和DCS的比較系統(tǒng)的組成：DCS一般是由人機(jī)界面操作站SIS和DCS的比較安全級(jí)別：DCS安全級(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：DCS系統(tǒng)大部分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)行周期性的診斷或測(cè)試。因此安全儀表系統(tǒng)需要人為的進(jìn)行周期性的離線或在線檢驗(yàn)

16、測(cè)試，而有些安全系統(tǒng)則帶有內(nèi)部自診斷。 SIS和DCS的比較安全級(jí)別：DCS安全級(jí)別低，不需要安全認(rèn)4 SIS設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則4 SIS設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則SIS設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則原則上應(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)。 SIS設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則原則上應(yīng)獨(dú)立設(shè)置（含檢測(cè)和執(zhí)行單元）；5 故障安全原則5 故障安全原則故障安全原則 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)內(nèi)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)（Fault to Safety），這就是故障安全原則。 具

17、體體現(xiàn)：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。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。故障安全原則 組成SIS的各環(huán)節(jié)自身出現(xiàn)故障的概率故障安全原則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PLC）“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)備超過極限工作范圍時(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-Process S

18、afety Time）內(nèi)檢測(cè)到故障，自動(dòng)執(zhí)行糾錯(cuò)程序，排除故障。 故障安全原則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6 隱故障與顯故障6 隱故障與顯故障隱故障與顯故障隱故障（Covert Fault）：不對(duì)危險(xiǎn)產(chǎn)生報(bào)警，允許危險(xiǎn)發(fā)展的故障，是故障危險(xiǎn)故障（SHB-Z06-1999）。 Covert Fault：Fault that can be classified as hidden， concealed， undetected， unrevealed， latent， ect. （ISA-S84.01-1996）顯故障（Overt Fault）：能顯示出故障自身存在的故障，是故障

19、安全故障（SHB-Z06-1999）。 Overt Fault：Fault that can be classified as announced， detected， revealed，ect.（ISA-S84.01-1996）隱故障與顯故障隱故障（Covert Fault）：不對(duì)危險(xiǎn)產(chǎn)隱故障與顯故障SIS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)工況做出反應(yīng)。 隱故障與顯故障SIS系統(tǒng)拒動(dòng)：

20、隱故障與顯故障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)。隱故障與顯故障SIS系統(tǒng)誤動(dòng)：圖4 正常運(yùn)行時(shí)的正常激勵(lì)系統(tǒng)SIS負(fù)載壓力開關(guān)開關(guān)量輸入正常運(yùn)行時(shí)開關(guān)閉合，非正常運(yùn)行時(shí)開關(guān)打開+正常工作時(shí)輸出開關(guān)處在激勵(lì)狀態(tài)非正常

21、運(yùn)行時(shí)輸出開關(guān)處在失勵(lì)狀態(tài)輸出開關(guān)+圖4 正常運(yùn)行時(shí)的正常激勵(lì)系統(tǒng)SIS負(fù)載壓力開關(guān)開關(guān)量輸入圖5SIS負(fù)載壓力開關(guān)開關(guān)量輸入即使壓力開關(guān)閉合，由于輸入電路的故障SIS也會(huì)誤認(rèn)為它是打開的+輸出電路發(fā)生開路故障邏輯解算器不能讀取1輸入，不能進(jìn)行正常的邏輯運(yùn)算，也不能生成邏輯1輸出輸出開關(guān)+圖5SIS負(fù)載壓力開關(guān)開關(guān)量輸入即使壓力開關(guān)閉合，由于輸入電PFS（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)處于故障狀態(tài)，這有一個(gè)概率。稱為安全故障概率（PFS），或稱誤動(dòng)率。PFD（要求時(shí)失效概率）：這是一個(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

22、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。PFS（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)SIS的安全功能如圖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)容器內(nèi)壓力并將其變換成合適的信號(hào)傳送給安全PLC，安全PLC判斷若壓力超過了額定值則打開閥門以降低容器內(nèi)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，

23、即它將不能對(duì)壓力容器內(nèi)壓力進(jìn)行限制。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)行器三部分功能決定。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。SIS的安全功能如圖6示安全儀表系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個(gè)壓力變送器圖6 反應(yīng)器的安全儀表系統(tǒng) PS Logic solve 邏輯解算器feed valve進(jìn)料閥Reactor反應(yīng)器TSFeed進(jìn)料Pressure Sensor壓力變送器Temperature Sensor 溫度變送器當(dāng)反應(yīng)器溫度及壓力超高達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)都要停車，關(guān)斷進(jìn)料閥。 圖6 反應(yīng)器的安全儀表系統(tǒng)PS Logic solv7 安全性及響應(yīng)失效率7 安全

24、性及響應(yīng)失效率安全性及響應(yīng)失效率當(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，但由于其自身存在隱故障（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（PFD：Probability of Failure on Demand）。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）。 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)安全的要求是不同的。上述的國際標(biāo)準(zhǔn)將其劃分為若干安全完整性等級(jí)（SIL：Safety Integrity

25、 Level）。 安全性及響應(yīng)失效率當(dāng)工藝條件達(dá)到或超過安全極限值時(shí)，SIS本安全完整性等級(jí)Safety Integrity Level（SIL）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)生的頻率可分為低要求操作模式（1次/年）。 安全完整性等級(jí)Safety Integrity Level（安全完整性等級(jí)Safety Integrity Level

26、（SIL）根據(jù)GB/T 20438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）。 安全完整性等級(jí)Safety Integrity Level（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） 安全完整性等級(jí)（SIL）要求時(shí)的目標(biāo)平均失效概率 目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)降低 410-510000100000 310-4100010000 210-31001000 110-21

27、0100 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410-910-8 310-810-7 210-710-6 110-610-5 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)表1-3 SIL與PFD的對(duì)應(yīng)關(guān)系 ISA-S84.01IEC 61508DIN V 19520(TUV)PFDSIL 1SIL 1AK110-110-2AK2AK3SIL 2SIL 2AK410-210-3SIL 3SIL 3AK510-

28、310-4AK6SIL 4AK710-410-5AK8表1-3 SIL與PFD的對(duì)應(yīng)關(guān)系 ISA-S84.018 可用性及可用度8 可用性及可用度可用性及可用度工藝條件并未達(dá)到安全極限值，SIS不應(yīng)引導(dǎo)工藝過程停車，但由于其自身存在顯故障（安全故障）而導(dǎo)致工藝過程停車，即不該停車而誤停，降低了可用性?？捎枚龋ˋ：Availability）是指系統(tǒng)可使用工作時(shí)間的概率，用百分?jǐn)?shù)計(jì)算： （SHB-Z06-1999） MTBF：平均故障間隔時(shí)間（Mean Time Between Failures）MDT：平均停車時(shí)間（Mean Downtime）可用性及可用度工藝條件并未達(dá)到安全極限值，SIS不應(yīng)

29、引導(dǎo)工藝MTTF、MTTR、MTBF 與SIL的關(guān)系 MTBF：平均故障間隔時(shí)間（Mean Time Between Failure）MTTR：平均恢復(fù)時(shí)間（Mean Time to Repair）MTTF：平均無故障時(shí)間（Mean Time to Failure）例如：開車MTTF（SIS系統(tǒng)運(yùn)行總時(shí)間）MTTR24h（SIS故障時(shí)間）MTBF2000h發(fā)生危險(xiǎn)故障圖7 MTTF、MTTR和MTBF MTTF、MTTR、MTBF 與SIL的關(guān)系 MTBF：平均MTTF、MTTR、MTBF 與SIL的關(guān)系 MTTF=MTTR+MTBF PFD=MTTR/（MTBF+MTTR）已知 MTTR=2

30、4H MTBF=2000H則 PFD=24/(24+2000)=0.0119所以硬件安全完整性等級(jí)達(dá)到SIL1水平。MTTF、MTTR、MTBF 與SIL的關(guān)系 MTTF=MT9 冗余和容錯(cuò)9 冗余和容錯(cuò)冗余和容錯(cuò)冗余（Redundant）：具有指定的獨(dú)立的N：1重元件，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)（Redundant System）：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）。冗余和容錯(cuò)冗余（Redundant）：具有指定的獨(dú)立的N：1冗余和容錯(cuò)容錯(cuò)（Fault Tolerant）：具有內(nèi)部冗

31、余的并行元件和集成邏輯，當(dāng)硬件或軟件部分故障時(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；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)行動(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）冗余和容錯(cuò)容錯(cuò)（Fault Tolerant）：具有內(nèi)部冗余冗余和容錯(cuò)容錯(cuò)系統(tǒng)（Fault Tolerant System）：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)

32、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CPU冗余（雙機(jī)熱備）和三重化冗余容錯(cuò)系統(tǒng)。冗余和容錯(cuò)容錯(cuò)系統(tǒng)（Fault Tolerant Syste圖8 CPU冗余（雙機(jī)熱備）CPU 1CPU 2開關(guān)輸入/輸出現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備圖8 CPU冗余（雙機(jī)熱備）CPU 1CPU 2開關(guān)輸入圖9 三重信號(hào)冗余容錯(cuò)系統(tǒng)圖9 三重信號(hào)冗余容錯(cuò)系統(tǒng)圖10 三重模塊冗余容錯(cuò)系統(tǒng)輸入輸入輸入CPU CCPU B輸出輸出2oo3 表決器輸出CPU A輸入端子輸出端子圖10 三重模塊冗余容錯(cuò)系統(tǒng)輸入輸入輸入CPU CCPU怎樣通過冗余來改善系統(tǒng)的整

33、體SIL水平 當(dāng)一個(gè)SIS系統(tǒng)的安全完整性等級(jí)要求為SIL3，而實(shí)際配置為傳感器為2.210-3(SIL 2)，邏輯解算器為1.310-4(SIL3)（包括I/O接口），終端執(zhí)行器為2.4110-3（SIL2）,所以整個(gè)系統(tǒng)為SIL2不滿足要求。于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=2.310-4，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，于是最終整體SIS系統(tǒng)的SIL可以達(dá)到SIL3的要求。 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)的安怎樣

34、通過冗余來改善系統(tǒng)的整體SIL水平 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)不僅取決于邏輯解算器部分，而且傳感器、終端執(zhí)行器部分也非常關(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。怎樣通過冗余來改善系統(tǒng)的整體SIL水平 這個(gè)問題的解決給我們?nèi)哂啾頉Q方法及其安全性、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，用百分?jǐn)?shù)計(jì)算A值越大，可用性越好：A = MTBF/(MTBF+MTTR)而PFD=

35、MTTR /(MTBF+MTTR)PFD越小則安全性越好。冗余邏輯表決方法及安全性-可用性的關(guān)系例子如下表所示 。冗余表決方法及其安全性、可用性的關(guān)系可用性（A：Availa表決方法隱故障概率（拒動(dòng)）顯故障概率（誤動(dòng)）允許不允許安全性可用性一選一 1oo10.02（短路的概率）0.04（開路的概率）存在隱故障和顯故障差差二選一 1oo20.0004（兩個(gè)均短路的概率）0.08（只要有一個(gè)開路的概率）其中之一存在隱故障（仍可安全停車）其中之一存在顯故障（將誤停車）最好最差二選二 2oo20.04（只要有一個(gè)短路的概率）0.0016（兩個(gè)均開路的概率）其中之一存在顯故障（不會(huì)誤停車）其中之一存在隱

36、故障（該停拒停）最差最好三選二 2oo30.0012（三個(gè)中兩個(gè)均短路的概率）0.0048（三個(gè)中兩個(gè)均開路的概率）其中之一存在隱故障或顯故障其中兩個(gè)存在隱故障或顯故障較好較好表2 冗余邏輯的表決方法及其與安全性、可用性的關(guān)系注：此表中故障概率數(shù)據(jù)摘自西門子公司資料 表決方法隱故障概率顯故障概率允許不允許安全性可用性一選一 冗余表決方法及其安全性、可用性的關(guān)系以上可見：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。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；2oo

37、3（三選二）可兼顧冗余表決方法及其安全性、可用性的關(guān)系以上可見：10 普通PLC和安全PLC的區(qū)別10 普通PLC和安全PLC的區(qū)別普通PLC和安全PLC的區(qū)別普通PLC和可以作為ESD控制部分的安全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)內(nèi)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只能用于安全度等級(jí)要求低的場(chǎng)合。現(xiàn)以輸出電路為例予以說明。 圖11是普通PLC DO卡示意圖。普通PLC和安全PLC的區(qū)別普通PLC和可以作為ESD控制部圖11 普通PLC DO卡示意圖+24VDC來自CPU的控制信號(hào)接負(fù)載，如電磁閥0V DC

38、12圖11 普通PLC DO卡示意圖+24VDC來自CPU的控普通PLC DO卡當(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），電磁閥將一直處于帶電（勵(lì)磁）狀態(tài)，即需要聯(lián)鎖動(dòng)作（電磁閥釋電停車）時(shí)，由于此故障的存在而拒動(dòng)，其輸出不能保證處于安全停車狀態(tài)。這就是違背了故障安全（Fault to Safety）的原則。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。可見，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。 普通PLC DO卡當(dāng)1、2兩點(diǎn)短路時(shí)，來自PLC的控制信號(hào)將圖12 安全性單容錯(cuò)DO卡示意圖 “與”看門狗中央處理器+24VDC狀態(tài)信號(hào)控制信號(hào)狀態(tài)信

39、號(hào)接負(fù)載，如電磁閥0V DC圖12 安全性單容錯(cuò)DO卡示意圖 看門狗+24VDC狀態(tài)信安全性單容錯(cuò)DO卡圖12所示為一種帶有安全性單容錯(cuò)的DO卡示意圖（它是Honeywell SMS FSC-101型輸出示意圖）。這里，中央處理器不僅向串聯(lián)的場(chǎng)效應(yīng)管（FET）發(fā)出控制信號(hào)，而且還接受來自場(chǎng)效應(yīng)管的狀態(tài)反饋信號(hào)，以便對(duì)其輸出進(jìn)行全面測(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（Watch Dog）是個(gè)多通道的計(jì)時(shí)器電路。它由中央處理器和內(nèi)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，則看門狗的輸出將失效。同時(shí)看門狗還能監(jiān)視內(nèi)部工作電壓，

40、使之在正常的電壓范圍內(nèi)。 安全性單容錯(cuò)DO卡圖12所示為一種帶有安全性單容錯(cuò)的DO卡示普通PLC和安全PLC的區(qū)別以上僅是DO卡上的差別。作為安全PLC，至少應(yīng)具備以下幾點(diǎn)：滿足相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，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)行系統(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或其它設(shè)備進(jìn)行通訊。普通PLC和安全PLC的區(qū)別以上僅是DO卡上的差別。作為安全11 工藝過程風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估及安全度等級(jí)的評(píng)定 11 工藝過程風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估及安全度等級(jí)的評(píng)定 工藝過程風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估及安全度等級(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)安全的要求是不同的。一個(gè)具體的工藝過程