SIS系統(tǒng)培訓(xùn)講義

2021/7/261SIS系統(tǒng)培訓(xùn)講義2021/7/2621什么是安全儀表系統(tǒng)?2021/7/2631什么是安全儀表系統(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)行一個或多個安全儀表功能（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、以及最終元件（如電磁閥、電動門等）的組合組成,如圖1所示。IEC61511又進(jìn)一步指出，SIS可以包括，也可以不包括軟件。另外，當(dāng)操作人員的手動操作被視為SIS的有機(jī)組成部分時，必須在安全規(guī)格書（SafetyRequirementSpecification,SRS)中對人員操作動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)（ProgrammableElectronicSystem），即E/E/PES三個階段。2021/7/264圖1SIS的構(gòu)成

檢測單元輸入模塊控制模塊輸出模塊執(zhí)行單元PES下圖為由PES構(gòu)成的SIS2021/7/2652021/7/266SIS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（ContinuousMode）操作并具有特定的SIL,用于防止危險狀態(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作2021/7/267SIS安全儀表系統(tǒng)

如圖2所示，這是一個氣液分離容器A液位控制的安全儀表功能回路圖。對這個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，邏輯運(yùn)算器（圖3）使電磁閥S斷電，則切斷進(jìn)調(diào)節(jié)閥膜頭信號，使調(diào)節(jié)閥切斷容器A進(jìn)料，這個動作要在3秒內(nèi)完成，安全等級必須達(dá)到SIL2。這是一個安全儀表功能的完整描述，而所謂的安全儀表系統(tǒng)，則是類似一個或多個這樣的安全儀表功能的集合。2021/7/268圖2安全儀表回路圖2021/7/269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)鎖信號儀表。2021/7/2610圖3SIS邏輯圖2021/7/2611SIS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。當(dāng)某些工藝參數(shù)超出安全極限，未及時處理或處理不當(dāng)時，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?？傊琒IS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，而且能檢測和處理自身的故障，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。2021/7/2612SIS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)（SafetyInterlockSystem—SIS）安全關(guān)聯(lián)系統(tǒng)（SafetyRelatedSystem—SRS）儀表保護(hù)系統(tǒng)（InstrumentProtectiveSystem—IPS）透平壓縮機(jī)集成控制系統(tǒng)（IntegratedTurbo&CompressorControlSystem—ITCC）火災(zāi)及氣體檢測系統(tǒng)（Fireandgassystems—F&G）緊急停車系統(tǒng)（EmergencyShutdownDevice—ESD）燃燒管理系統(tǒng)（BurnerManagementSystem）高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)（HighIntegrityPressureProtectionSystem,HIPPS）列車自動防護(hù)系統(tǒng)（ATP）2021/7/26132SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu)

2021/7/2614SIS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)對產(chǎn)品能達(dá)到的安全等級進(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》。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。2021/7/2615SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu)

國際電工委員會1997年制定的IEC61508/61511標(biāo)準(zhǔn)，對用機(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)會制定的AICHE（ccps）-1993，《化學(xué)過程的安全自動化導(dǎo)則》。英國健康與安全執(zhí)行委員會制定的HSEPES-1987，《可編程電子系統(tǒng)在安全領(lǐng)域的應(yīng)用》。2021/7/2616SIS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)-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。德國技術(shù)監(jiān)督協(xié)會（TüV）是一個獨(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)到的安全等級分為AK1～AK8，AK8安全級別最高。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2021/7/2617SIS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)。安全等級為AK6（SIL3）。FSC（Failsafecontrol），由荷蘭P&F（Pepper&Fuchs）公司開發(fā)，1994年被Honeywell公司收購。安全等級可達(dá)AK6（SIL3）2021/7/2618SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu)

HIMAPES，HIMA是德國一家專業(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)型號為H41q—M，冗余系統(tǒng)又分為高可靠系統(tǒng)H41q—H和高性能系統(tǒng)H41q—HR。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)型號為H51q—H和高性能系統(tǒng)H51q—HR。各種型號的PES都具有TUVAK1~6級認(rèn)證。2021/7/2619SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu)

Prosafe—RS，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prosafeplc，其1oo2D結(jié)構(gòu)安全等級達(dá)AK6(SIL3)；SIMATICS7—400F/FH，德國SIEMENS公司產(chǎn)品。400F和400FH分別為1個CPU和2個CPU運(yùn)行fail-safe（F）用戶程序，均取得TUV認(rèn)證，安全等級為AK1~AK6（SIL1~SIL3）；2021/7/2620SIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu)

RegentTrusted，美國ICS利用宇航技術(shù)開發(fā)的安全系統(tǒng)。安全等級AK4~AK6（SIL2~SIL3）；GMR90-70，美國GEFanuc公司開發(fā)。其中GMR90-70(模塊式冗余容錯)的安全等級為class5（2oo3），class4（1oo2）和class5（2oo2）；TRIGUARDSC300E，AUGUST公司開發(fā)，1999年成為ABB集團(tuán)成員之一，安全等級為class5和class6，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為2oo3；Safeguard400&300，ABBIndustry公司開發(fā)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1oo2D。2021/7/26213SIS和DCS的比較

2021/7/2622SIS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、執(zhí)行含檢測、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態(tài)、連續(xù)靜態(tài)、間斷安全級別低、不需認(rèn)證高、需認(rèn)證2021/7/2623SIS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不含檢測執(zhí)行部分。實(shí)現(xiàn)功能：DCS用于過程連續(xù)測量、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工藝、設(shè)備轉(zhuǎn)至安全狀態(tài)。工作狀態(tài)：DCS是主動的、動態(tài)的，它始終對過程變量連續(xù)進(jìn)行檢測、運(yùn)算和控制，對生產(chǎn)過程動態(tài)控制確保產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。而SIS系統(tǒng)是被動的、休眠的。

2021/7/2624SIS和DCS的比較安全級別：DCS安全級別低，不需要安全認(rèn)證；而SIS系統(tǒng)級別高，需要安全認(rèn)證。應(yīng)對失效方式：DCS系統(tǒng)大部分失效都是顯而易見的，其失效會在生產(chǎn)的動態(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，就是對該系統(tǒng)進(jìn)行周期性的診斷或測試。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)測試，而有些安全系統(tǒng)則帶有內(nèi)部自診斷。2021/7/26254SIS設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則2021/7/2626SIS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；采用冗余容錯結(jié)構(gòu)。

2021/7/26275故障安全原則2021/7/2628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，被保護(hù)的對象（裝置）應(yīng)按預(yù)定的順序安全停車，自動轉(zhuǎn)入安全狀態(tài)（FaulttoSafety），這就是故障安全原則。具體體現(xiàn)：現(xiàn)場開關(guān)儀表選用常閉接點(diǎn)，工藝正常時，觸點(diǎn)閉合，達(dá)到安全極限時觸點(diǎn)斷開，觸發(fā)聯(lián)鎖動作，必要時采用“二選一”、“二選二”或“三選二”配置。電磁閥采用正常勵磁，聯(lián)鎖未動作時，電磁閥線圈帶電，聯(lián)鎖動作時斷電。2021/7/2629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，至少應(yīng)該聯(lián)鎖動作，以便按預(yù)定的順序安全停車（這對工藝和設(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技術(shù)，在過程安全時間（PST-ProcessSafetyTime）內(nèi)檢測到故障，自動執(zhí)行糾錯程序，排除故障。2021/7/26306隱故障與顯故障2021/7/2631隱故障與顯故障隱故障（CovertFault）：不對危險產(chǎn)生報警，允許危險發(fā)展的故障，是故障危險故障（SHB-Z06-1999）。

CovertFault：Faultthatcanbeclassifiedashidden，concealed，undetected，unrevealed，latent，ect.（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，ect.（ISA-S84.01-1996）2021/7/2632隱故障與顯故障SIS系統(tǒng)拒動：當(dāng)工藝條件達(dá)到或超過安全極限時，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。危險失效定義為這樣一些失效，這些失效會阻止SIS系統(tǒng)對潛在的危險工況做出反應(yīng)。

2021/7/2633隱故障與顯故障SIS系統(tǒng)誤動：在圖4中，當(dāng)輸出開關(guān)由于某種原因處于非激勵狀態(tài)，即使?jié)撛诘奈ｋU工況沒有發(fā)生，SIS也會進(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”。誤動可能會以許多不同方式發(fā)生。例如，輸入電路可能會發(fā)生故障，從而使邏輯解算器誤認(rèn)為是傳感器檢測到了危險工況，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導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入安全失效狀態(tài)。2021/7/2634圖4正常運(yùn)行時的正常激勵系統(tǒng)SIS負(fù)載壓力開關(guān)開關(guān)量輸入正常運(yùn)行時開關(guān)閉合，非正常運(yùn)行時開關(guān)打開+正常工作時輸出開關(guān)處在激勵狀態(tài)非正常運(yùn)行時輸出開關(guān)處在失勵狀態(tài)輸出開關(guān)+2021/7/2635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)+2021/7/2636PFS（安全故障概率）：正常激勵的SIS系統(tǒng)在它的輸出非激勵時，就會處于故障狀態(tài)，這有一個概率。稱為安全故障概率（PFS），或稱誤動率。PFD（要求時失效概率）：這是一個衡量安全性的指標(biāo)，稱為要求時失效概率。它意味著系統(tǒng)是危險的。它不會再要求（潛在的緊急條件）發(fā)生時產(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)危險情況時正確執(zhí)行其對應(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。2021/7/2637SIS的安全功能如圖6示安全儀表系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個壓力變送器、一個閥門和一個安全PLC組成的SIS系統(tǒng)。壓力變送器檢測容器內(nèi)壓力并將其變換成合適的信號傳送給安全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)的一個安全功能。很明顯例子中儀表安全系統(tǒng)只有一個安全功能。如果三個設(shè)備有一個或多個失效，安全功能將失效，即它將不能對壓力容器內(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。2021/7/2638圖6反應(yīng)器的安全儀表系統(tǒng)

PSLogicsolve

邏輯解算器feedvalve進(jìn)料閥Reactor反應(yīng)器TSFeed進(jìn)料PressureSensor壓力變送器TemperatureSensor

溫度變送器當(dāng)反應(yīng)器溫度及壓力超高達(dá)到危險狀態(tài)時都要停車，關(guān)斷進(jìn)料閥。

2021/7/26397安全性及響應(yīng)失效率2021/7/2640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，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：ProbabilityofFailureonDemand）。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（SIL：SafetyIntegrityLevel）。

2021/7/2641安全完整性等級SafetyIntegrityLevel（SIL）安全完整性等級（SIL）是一種離散的等級，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。安全完整性等級可分為4個等級，SIL4是安全完整性最高的等級（平均概率最高），SIL1是最低等級；安全完整性等級越高，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）和高要求或連續(xù)操作模式（>1次/年）。

2021/7/2642安全完整性等級SafetyIntegrityLevel（SIL）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)有可能使用幾個安全完整性等級較低的系統(tǒng)來滿足一個較高安全完整性等級功能的需要（例如：使用一個SIL2和一個SIL1的系統(tǒng)共同來滿足一個SIL3功能的需要）。2021/7/2643表1-1安全完整性等級：要求時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（SIL）要求時的目標(biāo)平均失效概率目標(biāo)風(fēng)險降低4≥10-5～<10-4

>10000～≤1000003≥10-4～<10-3

>1000～≤100002≥10-3～<10-2>100～≤10001≥10-2～<10-1>10～≤1002021/7/2644表1-2安全完整性等級：SIF的危險失效概率

高要求或連續(xù)操作模式（每小時危險失效概率）安全完整性等級（SIL）執(zhí)行儀表安全功能的目標(biāo)危險失效概率4≥10-9～<10-8

3≥10-8～<10-7

2≥10-7～<10-6

1≥10-6～<10-52021/7/2645表1-3SIL與PFD的對應(yīng)關(guān)系

ISA-S84.01IEC61508DINV19520(TUV)PFDSIL1SIL1AK110-1~10-2AK2AK3SIL2SIL2AK410-2~10-3SIL3SIL3AK510-3~10-4AK6SIL4AK710-4~10-5AK82021/7/26468可用性及可用度2021/7/2647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)可使用工作時間的概率，用百分?jǐn)?shù)計(jì)算：

（SHB-Z06-1999）

MTBF：平均故障間隔時間（MeanTimeBetweenFailures）MDT：平均停車時間（MeanDowntime）2021/7/2648MTTF、MTTR、MTBF與SIL的關(guān)系

MTBF：平均故障間隔時間（MeanTimeBetweenFailure）MTTR：平均恢復(fù)時間（MeanTimetoRepair）MTTF：平均無故障時間（MeanTimetoFailure）例如：開車MTTF（SIS系統(tǒng)運(yùn)行總時間）MTTR24h（SIS故障時間）MTBF2000h發(fā)生危險故障圖7MTTF、MTTR和MTBF

2021/7/2649MTTF、MTTR、MTBF與SIL的關(guān)系

MTTF=MTTR+MTBFPFD=MTTR/（MTBF+MTTR）已知MTTR=24HMTBF=2000H則PFD=24/(24+2000)=0.0119所以硬件安全完整性等級達(dá)到SIL1水平。2021/7/26509冗余和容錯2021/7/2651冗余和容錯冗余（Redundant）：具有指定的獨(dú)立的N：1重元件，并且可以自動地檢測故障，切換到后備設(shè)備上。（SHB–Z06–1999）冗余系統(tǒng)（RedundantSystem）：并行地使用多個系統(tǒng)部件，以提供錯誤檢測和錯誤校正能力的系統(tǒng)。（SHB–Z06–1999）。2021/7/2652冗余和容錯容錯（FaultTolerant）：具有內(nèi)部冗余的并行元件和集成邏輯，當(dāng)硬件或軟件部分故障時，能夠識別故障并使故障旁路，進(jìn)而繼續(xù)執(zhí)行指定的功能。或在硬件和軟件發(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)程的動作，以防止在錯誤被檢測出來之前繼續(xù)擴(kuò)大；第二是檢測故障，即對信息和過程或進(jìn)程的動作進(jìn)行動態(tài)檢測；第三是故障恢復(fù)即更換或修正失效的部件。（SHB–Z06–1999）2021/7/2653冗余和容錯容錯系統(tǒng)（FaultTolerantSystem）：具有容錯結(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。容錯系統(tǒng)一定是冗余系統(tǒng)，冗余系統(tǒng)不一定是容錯系統(tǒng)。容錯系統(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）和三重化冗余容錯系統(tǒng)。2021/7/2654圖8CPU冗余（雙機(jī)熱備）CPU1CPU2開關(guān)輸入/輸出現(xiàn)場設(shè)備2021/7/2655圖9三重信號冗余容錯系統(tǒng)2021/7/2656

信號三重冗余系統(tǒng)提供3條獨(dú)立的信號通道，并對輸出進(jìn)行3選2表決，如圖9所示。輸出信號由3選2表決器提供，并可在故障發(fā)生時復(fù)原為2取1表決或2取2表決結(jié)構(gòu)，比較適用于危險工業(yè)的過程保護(hù)。但為了提高系統(tǒng)輸入到輸出的響應(yīng)時間，系統(tǒng)單元需要定期地協(xié)調(diào)同步。假設(shè)每個單元的響應(yīng)時間為10ms，則最壞情況下三重冗余系統(tǒng)(沒有同步)的響應(yīng)時間可能為20ms。在對數(shù)字化模擬信號進(jìn)行表決時，其響應(yīng)時間的可預(yù)測性顯得特別重要?？傊?，信號三重冗余提供了較大程度上的容錯性能，但它對變化的系統(tǒng)顯得仍不夠靈活。圖9三重信號冗余容錯系統(tǒng)2021/7/2657圖10三重模塊冗余容錯系統(tǒng)輸入輸入輸入CPUCCPUB輸出輸出2oo3表決器輸出CPUA輸入端子輸出端子2021/7/2658圖10三重模塊冗余容錯系統(tǒng)

模塊三重冗余(TMR)系統(tǒng)是使用3個相互隔離的并行主處理器控制系統(tǒng)，并帶有擴(kuò)展的診斷作用綜合而成的一套硬件，結(jié)構(gòu)如圖10所示。系統(tǒng)每掃描1次，3個主處理器均通過3條總線與其相鄰的2個主處理器進(jìn)行通訊，達(dá)到同步。同時3條I／O總線可對其數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并表決出有效數(shù)據(jù)，系統(tǒng)內(nèi)的表決器選取原則為3取2。瞬態(tài)的數(shù)據(jù)錯誤和單元的失效不會對控制系統(tǒng)造成影響。這樣，單點(diǎn)的錯誤就不會影響控制系統(tǒng)的操作。2021/7/2659怎樣通過冗余來改善系統(tǒng)的整體SIL水平

當(dāng)一個SIS系統(tǒng)的安全完整性等級要求為SIL3，而實(shí)際配置為傳感器為2.2×10-3(SIL2)，邏輯解算器為1.3×10-4(SIL3)（包括I/O接口），終端執(zhí)行器為2.41×10-3（SIL2）,所以整個系統(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=2.3×10-4，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，于是最終整體SIS系統(tǒng)的SIL可以達(dá)到SIL3的要求。2021/7/2660怎樣通過冗余來改善系統(tǒng)的整體SIL水平

這個問題的解決給我們以啟示，當(dāng)裝置引進(jìn)一個SIS系統(tǒng)時，整體安全完整性等級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，除了引進(jìn)一個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。2021/7/2661冗余表決方法及其安全性、可用性的關(guān)系可用性（A：Availability）是指系統(tǒng)可使用工作時間（連續(xù)運(yùn)行時間）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=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。2021/7/2662表決方法隱故障概率（拒動）顯故障概率（誤動）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（兩個均短路的概率）0.08（只要有一個開路的概率）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（只要有一個短路的概率）0.0016（兩個均開路的概率）其中之一存在顯故障（不會誤停車）其中之一存在隱故障（該停拒停）最差最好三選二2oo30.0012（三個中兩個均短路的概率）0.0048（三個中兩個均開路的概率）其中之一存在隱故障或顯故障其中兩個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2021/7/2663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（危險故障）使SIS該動而拒動，隱故障概率越高，安全性越差。顯故障（安全故障）使ESD不該動而誤動，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2021/7/266410普通PLC和安全PLC的區(qū)別2021/7/2665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，它并不能檢測到，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要求低的場合。現(xiàn)以輸出電路為例予以說明。圖11是普通PLCDO卡示意圖。2021/7/2666圖11普通PLCDO卡示意圖+24VDC來自CPU的控制信號接負(fù)載，如電磁閥0VDC122021/7/2667普通PLCDO卡當(dāng)1、2兩點(diǎn)短路時，來自PLC的控制信號將不起作用（失效），電磁閥將一直處于帶電（勵磁）狀態(tài)，即需要聯(lián)鎖動作（電磁閥釋電停車）時，由于此故障的存在而拒動，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（FaulttoSafety）的原則。當(dāng)1、2兩點(diǎn)開路時，將導(dǎo)致誤動作而停車，同樣會帶來損失?？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。

2021/7/2668圖12安全性單容錯DO卡示意圖

“與”看門狗中央處理器+24VDC狀態(tài)信號控制信號狀態(tài)信號接負(fù)載，如電磁閥0VDC2021/7/2669安全性單容錯DO卡圖12所示為一種帶有安全性單容錯的DO卡示意圖（它是HoneywellSMSFSC-101型輸出示意圖）。這里，中央處理器不僅向串聯(lián)的場效應(yīng)管（FET）發(fā)出控制信號，而且還接受來自場效應(yīng)管的狀態(tài)反饋信號，以便對其輸出進(jìn)行全面測試。當(dāng)測得某管輸出發(fā)生短路時，中央處理器即啟動糾錯動作，隔離相關(guān)的故障?？撮T狗（WatchDog）是個多通道的計(jì)時器電路。它由中央處理器和內(nèi)存等周期性地觸發(fā)，如果兩個觸發(fā)之間的時間小于某設(shè)定值或者大于某最大值，則看門狗的輸出將失效。同時看門狗還能監(jiān)視內(nèi)部工作電壓，使之在正常的電壓范圍內(nèi)。2021/7/2670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)安全等級證書；在硬件和軟件上采用冗余、容錯措施，具有完善的測試手段，當(dāng)檢測到系統(tǒng)故障，特別是危險故障時能使系統(tǒng)回到安全狀態(tài)；能進(jìn)行系統(tǒng)故障報警，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。2021/7/267111工藝過程風(fēng)險的評估及安全度等級的評定

2021/7/2672工藝過程風(fēng)險的評估及安全度等級的評定

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）對安全的要求是不同的。一個具體的工藝過程，是否需要配置SIS、配置何種等級的SIS，其前提應(yīng)該是對此具體的工藝過程進(jìn)行風(fēng)險評估，要進(jìn)行危險及可操作性分析（HAZOP），然后辨識出與此分析相應(yīng)的安全儀表功能（SIF),（找到一個安全儀表連鎖回路），再根據(jù)風(fēng)險出現(xiàn)的頻率和其產(chǎn)生的嚴(yán)重后果，找到一個與此SIF相應(yīng)的SIL值，在確定了某個安全儀表功能的完整性等級（SIL）之后，再配置與之相適應(yīng)的SIS。表1-3可以看出，若某工藝過程的所需SIF經(jīng)評定后為SIL2，則配置達(dá)到AK4的SIS即可，其響應(yīng)失效率（PFD）為百分之一至千分之一之間。2021/7/2673工藝過程風(fēng)險的評估及安全度等級的評定應(yīng)該注意的是不同安全級別的SIS，只能確保響應(yīng)失效率（PFD）在一定的范圍內(nèi)，安全級別越高的SIS，其PFD越小，即發(fā)生事故的可能性越小，但