安全儀表系統(tǒng)(SIS)簡介

安全儀表系統(tǒng)簡介石油化工安全愛護級別

1.Process2.DCS-集散掌握系統(tǒng)3.

AlarmOperators-操作員報警4.SIS安全儀表系統(tǒng)5.ReliefDevices釋放設備6.Physicalprotection(F&G〕物理愛護7.EmergencyResponse緊急響應工藝過程SIS系統(tǒng)對風險的掌握0機械安全保護層安全儀表系統(tǒng)（SIS）報警系統(tǒng)/操作工藝控制系統(tǒng)工藝設備HAZOPSIL安全儀表系統(tǒng)(SafetyInstrumentedSystem-SIS)儀表愛護系統(tǒng)(InstrumentProtectionSystem-IPS)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)(SafetyInterlockingSystem-SIS)緊急停車系統(tǒng)(EmergencyShut-DownSystem-ESD)安全儀表系統(tǒng)〔SIS〕：儀表系統(tǒng)用于實現(xiàn)1個或多個安全儀表功能.安全儀表系統(tǒng)包括傳感器〔SENSOR〕、規(guī)律運算器〔Logicsolver)和最終執(zhí)行元件(Finalelement).安全儀表系統(tǒng)(SIS)ANSI/ISA-84.01 ApplicationofSafetyInstrumentedSystemsfortheProcessIndustries IEC61508 FunctionalSafetyofelectrical/electronic/programmableelectronicsafety-relatedsystemIEC61511 FunctionalSafetyInstrumentedsystemsfortheProcessIndustrySectionDINV19250 ProgrammableSafetySystem IEC61131 ProgrammableControllersSH/T3018-2023石油化工安全儀表系統(tǒng)設計標準〔中華人民共和國石油化工行業(yè)標準〕SIS用標準標準DesigncodeforsafetyinstrumentedsysteminpetrochemicalindustrySIS功能及根本要求安全儀表系統(tǒng)〔SIS〕在生產裝置的開車、停車階段，運行擾動以及維護操作期間，對人員安康、裝置設備及環(huán)境供給安全愛護。無論是生產裝置本身消失的故障危急，還是人為因素導致的危急以及一些不行抗拒因素引發(fā)的危急，SIS系統(tǒng)都應馬上作出正確反響并給出相應的規(guī)律信號，使生產裝置安全聯(lián)鎖或停車，阻擋危急的發(fā)生和事故的集中，使危害削減到最小。SIS系統(tǒng)應具備高的牢靠性〔Reliability)、可用性〔Availability〕和可維護性〔Maintainability〕。當SIS系統(tǒng)本身消失故障時還能保證供給安全愛護功能。DCSSISDCS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，保證生產裝置平穩(wěn)運行。DCS是“動態(tài)”系統(tǒng)，它始終對過程變量連續(xù)進行檢測、運算和控制，對生產過程動態(tài)控制，確保產品質量和產量。DCS可進行故障自動顯示DCS對維修時間的長短的要求不算苛刻。DCS可進行手動/自動切換DCS系統(tǒng)只做一般聯(lián)鎖、泵的開停、順序控制，安全級別不像SIS那么高。SIS用于監(jiān)視生產裝置的運行狀況，對出現(xiàn)異常工況迅速進行處理，使故障發(fā)生的可能性降到最低，使人和裝置處于安全狀態(tài)。SIS是靜態(tài)系統(tǒng)，在正常工況下，它始終監(jiān)視裝置的運行，系統(tǒng)輸出不變，對生產過程不產生影響，在異常工況下，它將按著預先設計的策略進行邏輯運算，使生產裝置安全停車。SIS必須測試潛在故障。SIS維修時間非常關鍵，弄不好造成裝置安全停車。SIS永遠不允許離線運行，否則生產裝置將失去安全保護屏障。SIS與DCS相比，在可靠性，可用性上要求更嚴格。ISC61508，ISA.S84.01強烈推薦SIS與DCS硬件獨立設置。SIS與DCS的區(qū)分冗余〔Redundant〕 用多個一樣模塊或部件實現(xiàn)特定功能或數(shù)據處理。容錯〔FaultTolerant〕 功能模塊在消失故障或錯誤時，仍連續(xù)執(zhí)行特定功能的力量。安全度等級〔SafetyIntegrityLevel-SIL〕 用于描述安全儀表系統(tǒng)安全綜合評價的等級。故障危急概率〔ProbabilityofFailingDangerously-PFD〕 能夠導致安全儀表系統(tǒng)處于危急或失去功能的故障消失的概率。SIS常用術語故障安全〔FailingtoSafe-FTS〕 安全儀表系統(tǒng)發(fā)生故障時，使被掌握過程轉入預定安全狀態(tài)可用性〔Availability〕系統(tǒng)可以使用工作時間的概率。如系統(tǒng)的可用性為99.99%，意味著在10000小時的工作將有1小時的故障中斷時間。牢靠性〔Reliability〕 指系統(tǒng)在規(guī)定時間間隔(t)內發(fā)生故障的概率。如系統(tǒng)一年內的牢靠性為99.99％意味者系統(tǒng)一年中工作時失敗的概率為0.01％。SIS常用術語表決〔Voting〕 用多數(shù)原則確定結果。 1oo1D(1outof1D) 1取1帶診斷 1oo2(1outof2) 2取1 1oo2D(1outof2D) 2取1帶診斷 2oo3(2outof3) 3取2 2oo4D(2outof4D) 4取2帶診斷SIS常用術語安全度等級(SIL)

SafetyIntegrityLevel

SIS的安全度等級是由構成SIS系統(tǒng)的三個單元的SIL來初步確定的:SIL回路=SIL傳感器+SIL規(guī)律單元+SIL執(zhí)行機構例如傳感器為SIL2級,而SIL2每年故障概率平均值為0.01~0.001，取中間值為0.005；規(guī)律單元為SIL3級，取中間值為0.0005；執(zhí)行機構為SIL1級，取中間值為0.05，則PFDavg=0.005+0.0005+0.05=0.0555，初步確定為SIL1級。即一個回路的安全度等級由其構成的三個單元中最低的SIL等級打算對于傳感器和執(zhí)行機構，假設不能滿足安全功能的SIL等級要求，可以通過馬爾可夫模型〔MarkovModel〕計算，確定選取1OO2D、2OO3、2OO4D等配置方案。為使一個工藝裝置到達安全目標需在IEC61508與61511及ISAS84.01安全標準的根底上，對工藝過程進展故障分析，承受風險評估的方法，來確定裝置及SIS系統(tǒng)的SIL等級要求。

安全度等級的初步確定1.繼電器系統(tǒng)承受單元化構造，由繼電器執(zhí)行規(guī)律；牢靠性高，具有故障安全特性，電壓適用范圍寬，一次性投資較低；體積大，敏捷性差，進展功能修改或擴展不便利，無串行通信功能，無報告和文檔功能。2.固態(tài)電絡系統(tǒng)承受模塊化構造，承受獨立固態(tài)器件通過硬接線來構成系統(tǒng)，實現(xiàn)規(guī)律功能；構造緊湊，可進展在線測試，易于識別故障，易于更換和維護，可進展串行通信，可配置成冗余系統(tǒng)；敏捷性不夠，規(guī)律修改或擴展必需轉變系統(tǒng)硬連線，大系統(tǒng)操作費用較高。3.可編程電子系統(tǒng)以微處理器技術為根底的PLC，承受模塊化構造，通過微處理器和編程軟件來執(zhí)行規(guī)律；便利敏捷的編程力量，有內部自測試和自診斷功能可進展雙重化串行通信，可配置成冗余或冗余容錯系統(tǒng)，可帶操作和編程終端，可帶時序大事記錄〔SER〕；SIS應承受經TUV安全認證的PLC系統(tǒng)。SIS分類SIS系統(tǒng)設計選用原則SIS獨立于過程掌握系統(tǒng)(DCS或其他系統(tǒng)〕，獨立完成安全愛護功能。當過程到達預定條件時，SIS動作，使被掌握過程轉入安全狀態(tài)；依據對過程危急性及可操作性分析，人員、過程、設備及環(huán)保要求，安全度等級確定SIS的功能等級；SIS應設計成故障安全型；SIS應承受經TUV安全認證的PLC系統(tǒng)；SIS應具有硬件、軟件診斷和測試功能；SIS構成應使中間環(huán)節(jié)最少；SIS的傳感器、最終執(zhí)行元件宜單獨設置；SIS應能和DCS、MES等進展通信；SIS實現(xiàn)多個單元愛護功能時，其公用局部應符合最高安全等級要求SIS傳感器設計選用獨立設置原則：1級SIS傳感器可與DCS共用；2級SIS傳感器宜與DCS分開；3級SIS傳感器應與DCS分開；冗余設置原則：1級SIS傳感器可承受單一的傳感器；2級SIS傳感器宜承受冗余的傳感器；3級SIS傳感器應承受冗余的傳感器；冗余選擇原則： 看重系統(tǒng)的安全性時，承受“或”規(guī)律構造；看重系統(tǒng)的可用性時，承受“與”規(guī)律構造；系統(tǒng)的安全性和可用性均需保證時，承受“三取二”規(guī)律構造；傳感器宜承受隔爆型的變送器〔壓力、差壓、差壓流量、差壓液位、溫度〕，不宜承受各類開關傳感器；SIS用傳感器供電由SIS系統(tǒng)供給.SIS最終執(zhí)行元件設計選用最終執(zhí)行元件：氣動切斷閥〔帶電磁閥〕；氣動掌握閥〔帶電磁閥〕電動閥或液動閥等獨立設置原則:1級SIS閥門可與DCS共用，應確保SIS優(yōu)先于DCS動作；2級SIS閥門宜于DCS分開；3級SIS閥門宜于DCS分開；冗余設置原則：1級SIS可承受單一閥門；2級宜承受冗余閥門；如承受單一閥門，電磁閥宜冗余配置；3級宜承受冗余閥門；冗余配置閥門可承受一個掌握閥和一個切斷閥；電磁閥設置原則：看重系統(tǒng)的安全性時，冗余電磁閥宜承受“與”規(guī)律連接；看重系統(tǒng)的可用性時，冗余電磁閥宜承受“或”規(guī)律連接；電磁閥應承受長期帶電，低功耗，隔爆型；電磁閥電源應由SIS系統(tǒng)供給；SIS規(guī)律運算器設計選用SIS規(guī)律運算器：繼電器系統(tǒng)，可編程序電子系統(tǒng)，混合系統(tǒng)三種；繼電器用于I/O點較少,規(guī)律功能簡潔的場合；可編程電子系統(tǒng)用于I/O點較多,規(guī)律功能簡單，與DCS、MES通信等場合；可編程電子系統(tǒng)可以是經TUV認證的PLC系統(tǒng)，也可是DCS和其他專用系統(tǒng)；獨立設置原則：1級SIS規(guī)律運算器宜與DCS分開；2級SIS規(guī)律運算器應與DCS分開；3級SIS規(guī)律運算器必需與DCS分開；冗余設置原則：1級SIS可承受單一的規(guī)律運算器；2級SIS宜承受冗余或容錯規(guī)律運算器其中CPU電源單元，通信單元應冗余配置，I/O模件宜冗余配置；3級SIS應承受冗余容錯規(guī)律運算器；其中CPU電源單元，通信單元，I/O模件應冗余配置；SIS工程設計中留意的問題I/O模件應帶光/電或電磁隔離，帶診斷，帶電插拔；來自現(xiàn)場的三取二信號應分別接到三個不同的輸入卡；SIS關聯(lián)現(xiàn)場變送器或最終執(zhí)行元件應由SIS系統(tǒng)供電；當現(xiàn)場變送器信號同時用于SIS、DCS時，應先接到SIS系統(tǒng)后接到DCS系統(tǒng)；I/O模件連接的傳感器和最終執(zhí)行元件應設計成故障安全型；SIS不應承受現(xiàn)場總線通信方式；SIS工程設計中留意的問題SIS負荷不應超過50~60%；SIS電源應冗余配置；SIS承受等電位接地。SIS關聯(lián)的傳感器及最終執(zhí)行元件，在正常工況應是帶電〔勵磁〕狀態(tài)；在非正常工況應是失電〔非勵磁〕狀態(tài)；SIS關聯(lián)的電磁閥承受冗余配置時，有兩種方式： 并聯(lián)連接可用性好； 串聯(lián)連接安全性好；SIS與DCS等系統(tǒng)通訊連接設置在現(xiàn)場機柜室的SIS與DCS承受冗余通信方式；設置在現(xiàn)場機柜室的SIS與CCR中的AMS站承受非冗余通信方式；設置在現(xiàn)場機柜室的SIS與CCR中的SER站承受非冗余通信方式；設置在現(xiàn)場機柜的SIS與CCR中的SIS承受冗余安全以太網通信方式；網絡交換機完全冗余運行；設置在現(xiàn)場機柜室的SIS與CCR中的SIS工程師站承受SIS系統(tǒng)總線非冗余通信方式；在CCR幫助操作臺上安裝的緊急停車按鈕、開關、選擇器、旁路開關等用硬線接到CCR的SIS掌握器，通過冗余安全以太網通信接到現(xiàn)場機柜室SIS掌握器進展規(guī)律運算。DCS與SIS的集成IEC61508中沒有強制要求SIS系統(tǒng)必需獨立設置，但它猛烈建議DCS和SIS兩種系統(tǒng)分別。它們之間的分別可使用同種分別或異種分別。從目前的狀況看，同種分別意味著DCS和SIS系統(tǒng)使用同一制造商的一樣技術，譬如使用同一個DCS制造商生產的SIS。而異種分別則意味著DCS和SIS使用同一制造商或不同制造商的不同技術。同種分別有助于降低隨機失效，在設計上和維護上有一些優(yōu)勢，由于它降低了維護錯誤的可能性。異種分別有利于降低系統(tǒng)失效率和減小共因失效。DCS與SIS的集成以前，工廠掌握系統(tǒng)DCS和安全儀表系統(tǒng)SIS往往分別設計、分別建設，主要緣由是掌握系統(tǒng)的牢靠性缺乏以保證安全系統(tǒng)的牢靠性，由于近十年以來，隨著3C技術的進步，DCS技術的進展，其牢靠性大幅度提高，本錢降低，系統(tǒng)的強健性(POBUST)也到達與SIS系統(tǒng)相當?shù)乃?，對DCS在擔當安全功能的任務的擔憂削減了。使得DCS與SIS的無縫集成問題成為設計者、生產制造商、終端用戶共同關心的問題，并且已提到應用的議事日程上來了。只要非安全功能的失效不會引起安全功能的危急失效，即可考慮DCS與SIS的集成使用。Modbus集成

在石化企業(yè)的生產裝置中，目前DCS與SIS之間多承受掌握器間硬連線通信方式〔Modbus通信等〕集成，從而將SIS數(shù)據傳送到DCS系統(tǒng)中。如以下圖1所示：Modbus集成DCSOSDCSENGDCSFCSSISENG,SOESISControllerDCS系統(tǒng)網絡SIS系統(tǒng)網絡（冗余）（冗余）Modbus通信等傳統(tǒng)I/O和HART儀表DCS系統(tǒng)現(xiàn)場控制器MUXSIS系統(tǒng)控制器HART多路轉換器FFFielddevice…Modbus集成這樣做是由于DCS和SIS是兩個獨立的系統(tǒng)，不同的網絡、不同的掌握器和人機界面。緣由主要是由于他們來自不同的供給商；需要單獨的系統(tǒng)設計，單獨的物理設備組態(tài)軟件、算法規(guī)律組態(tài)軟件、人機界面組態(tài)軟件，不同的維護方式；連接兩套系統(tǒng)的額外工作等。給實際工作帶來很多不便，因此無縫集成的問題就擺在了制造商、設計和終端用戶面前。OPC集成面對過程掌握的OLE即OPC技術已經成為系統(tǒng)和設備之間通訊的實質性的標準。EMRSONDeltaVSIS通過OPC將SIS和DCS連接起來。OPC數(shù)據存取〔DA〕實現(xiàn)了實時的數(shù)據集成。承受EMRSON成熟的OPCMirror，DeltaVSIS中的數(shù)據可便利的配置到已裝在DCS中的OPC效勞器中。集成化還包括OPC報警和大事，它向特定的工廠大事記錄器供給SIS預報和大事信息。實現(xiàn)上述大事采集功能的抱負選擇是EMRSON的PlantWideEventHistorian大事記錄軟件，它承受SQL數(shù)據庫，可采集多種來源、帶時間標記的大事并集成到單個企業(yè)大事歷史記錄軟件中。DCS與SIS集成的解決方案DCS與SIS的集成一般有三種狀況：第一種狀況：DCS與SIS承受不同的硬件構造〔不同的掌握器〕、不同的掌握網絡、不同的人機界面，即前述的異種分別。將這樣不同的系統(tǒng)通過網關相互連接，以便進展數(shù)據交換。兩個系統(tǒng)使用不同的工程組態(tài)工具。這種方式可以稱為不同掌握器不同網絡的集成。DCS與SIS集成的解決方案其次種狀況：DCS與SIS有不同的硬件構造的掌握器，但承受統(tǒng)一的網絡〔統(tǒng)一的通信網絡〕，使用共同的工程組態(tài)工具，工程上一個網絡可加快工程的執(zhí)行速度。第三種狀況：DCS與SIS使用共同的硬件即同一種掌握器。同一個通信網絡，同一個人機界面，即DCS和SIS在物理上集成、在規(guī)律上分開的無縫集成。標準DCS程序和安全SIS程序平行執(zhí)行，相互獨立。DCS與SIS無縫集成應用實例SIS工程師站DCSHIS人機界面DCSFCS掌握器安全數(shù)據到FCS〔通過位號讀取〕…DCSENG工程師站以太網掌握網SIS掌握器…DCS與SIS無縫集成解決方案無縫集成是指圖2系統(tǒng)為同一廠家的SIS、DCS掌握器，即統(tǒng)一的硬件構造，同一個網絡，同一個人機界面，簡潔簡潔的系統(tǒng)設計對于DCS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)不必設計成分別的方案和通信。DCS與SIS之間流暢的數(shù)據交換不需要任何網關/接口單元，共同的人機界面，可以顯示報警畫面、系統(tǒng)報警畫面；SOE采集和顯示FCS的時間和安全大事。集成系統(tǒng)中的設備時鐘同步。SIS是整體通過TUVSIL3認證的工業(yè)安全系統(tǒng)SIS和DCS通過掌握網直接集成掌握網絡是一個安全通信協(xié)議通過TUV認證。SIS供給完全徹底的全廠高安全性、高可用性和高效率的解決方案。如何實現(xiàn)DCS與SIS的無縫集成

首先由于共同的系統(tǒng)構造供給了特別簡潔的系統(tǒng)設計，DCS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)不必設計成分別的方案和通信，DCS與SIS之間流暢的數(shù)據交換不需要任何網關/接口單元，集成系統(tǒng)中的設備時針同步。其次，一套共同的通信網絡可加快工程的執(zhí)行，既可實現(xiàn)SIS安全掌握器之間的數(shù)據交換，DCS也可以通過位號讀取SIS系統(tǒng)中的數(shù)據，不需要接口單元。掌握網絡是一個安全通信協(xié)議通過TUV認證。DCS的HIM是掌握網的時鐘主站，通過標準的掌握網〔例如YOKOGAWA的Vnet網〕功能進展時鐘同步。如何實現(xiàn)DCS與SIS的無縫集成

首先由于共同的系統(tǒng)構造供給了特別簡潔的系統(tǒng)設計，DCS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)不必設計成分別的方案和通信，DCS與SIS之間流暢的數(shù)據交換不需要任何網關/接口單元，集成系統(tǒng)中的設備時鐘同步。其次，一套共同的通信網絡可加快工程的執(zhí)行，既可實現(xiàn)SIS安全掌握器之間的數(shù)據交換，DCS也可以通過位號讀取SIS系統(tǒng)中的數(shù)據，不需要接口單元。掌握網絡是一個安全通信協(xié)議通過TUV認證。DCS的HMI是掌握網的時鐘主站，通過標準的掌握網〔例如YOKOGAWA的Vnet網〕功能進展時鐘同步。如何實現(xiàn)DCS與SIS的無縫集成再次，在操作上，由于有共同的操作和監(jiān)控平臺，便于實施有效的操作，DCS的HMI操作站供給集成的操作平臺，可顯示掌握組、趨勢、流程圖、報警和歷史信息窗口的集成顯示，SIS位號和DCS信號可以同時處理，不需要特殊的組態(tài)。DCS數(shù)據和SIS數(shù)據可以顯示在同一個窗口中。再次，一套人機界面?？稍贖MI上通過位號讀取DCS和SIS的數(shù)據，掌握數(shù)據和安全數(shù)據在一樣的窗口中；DCS和SIS系統(tǒng)狀態(tài)和信息、過程報警和大事信息可以顯示在同一窗口中一個人機界面而提高操作效率。DCS與SIS無縫集成解決方案緊急狀況時的操作環(huán)境：在緊急狀況發(fā)生時，操作人員可以很快得到所需要的信息，快速而準確地作出推斷，并馬上實行行動。緊急停車后的故障緣由分析環(huán)境：SIS的SOE功能為事故的緣由分析，供給了有力的手段。SIS的SOE功能的時間區(qū)分率為1毫秒。例如，設備停車時，一般是過程掌握器先檢測到過程報警，然后安全掌握器記錄SOE，SIS可以將這兩種過程合并在一起，將安全系統(tǒng)的報警和過程掌握器的報警合并顯示，將有助于事故緣由的分析。DCS和SIS的時鐘可以實現(xiàn)同步。維護作業(yè)時的操作環(huán)境：掌握系統(tǒng)和安全儀表系統(tǒng)在統(tǒng)一的人機界面下進展維護作業(yè)有助于防止誤操作。例如，對將要維護的設備切換到旁路，然后進展維護防止誤操作，SIS的維護信息也可以在DCS的操作員站上顯示。DCS與SIS集成解決方案的比較

方案工作DCS與SIS的無縫集成DCS與SIS集成現(xiàn)狀比較系統(tǒng)設計統(tǒng)一系統(tǒng)設計及機柜設計，一套無縫集成的方案DCS和SIS分離的設計方案無縫集成將更節(jié)省時間和人力，系統(tǒng)的總體性能更優(yōu)。人機界面集成的人機界面可以同時顯示來自DCS和SIS的信息DCS和SIS分離的人機界面無縫集成可以加快系統(tǒng)的實施并節(jié)省人力。在裝置開車和日后的運行過程中提高操作人員的操作效率，減少誤操作的發(fā)生。集成的報警和事件記錄便于故障分析。系統(tǒng)通訊連接一套控制網絡不同的控制網絡、只能通過Modbus通訊等實現(xiàn)實時數(shù)據的通訊。集成現(xiàn)狀方案要額外增加連接兩套系統(tǒng)的工作量，也不便于日后的維護，而且只能在DCS上看到實時數(shù)據，無法看到SIS的系統(tǒng)診斷信息、報警信息、SOE信息。DCS和SIS之間無法時鐘同步。無縫集成方案可以完全解決以上問題，而不需要花費額外的人力和時間。系統(tǒng)維護統(tǒng)一的維護規(guī)程DCS和SIS兩套不同的維護規(guī)程無縫集成方案將更加節(jié)省維護成本并提高維護效率。DCS與SIS無縫集成解決方案近十年來，DCS與SIS集成的實例應用已有相當業(yè)績，例如，德國PROFIBUS協(xié)會〔PNO〕在1999年初，在PROFIBUS的根