紧急停车系统ESD

全国化工仪表维修工技师、高级技师培训辅导讲义——第一讲：ESD紧急停车系统-1-第一讲ESD紧急停车系统1名称、作用、构成紧急停车系统（EmergencyShutDownsystem–ESD）亦称为安全仪表系统（Safety–InstrumentSystem–SIS）、安全联锁系统（SafetyInterlockSystem–SIS）、安全关联系统（SafetyRelatedSystem–SRS）、仪表保护系统（InstrumentProtectiveSystem–IPS）等。以下统称ESD。大多石油和化工生产过程具有高温、高压、易燃、易爆、有毒等危险。当某些工艺参数超出安全极限，未及时处理或处理不当时，便有可能造成人员伤亡、设备损坏、周边环境污染等恶性事故。这就是说，从安全的角度出发，石油和化工生产过程自身存在着固有的风险。ESD是一种经专门机构认证、具有一定安全度等级，用于降低生产过程风险的安全保护系统。它不仅能响应生产过程因超出安全极限而带来的危险，而且能检测和处理自身的故障，从而按预定的条件或程序使生产过程处于安全状态，以确保人员、设备及工厂周边环境的安全。ESD由检测单元（如各类开关、变送器等）、控制单元和执行单元（如电磁阀、电动门等）组成，其核心部分是控制单元。从ESD的发展过程看，其控制单元部分经历了电气继电器（Electrical）、电子固态电路（Electronic）和可编程电子系统（ProgrammableElectronicSystem），即E/E/PES三个阶段。图1为由PES构成的ESD。PES图1ESD的构成2ESD的相关标准及认证机构鉴于ESD涉及到人员、设备、环境的安全，因此各国均制定了相关的标准、规范，使得ESD的设计、制造、使用均有章可循。并有权威的认证机构对产品能达到的安全等级进行确认。这些标准、规范及认证机构主要有：①我国石化集团制定的行业标准SHB-Z06-1999《石油化工紧急停车及安全联锁系统设计导则》。②国际电工委员会1997年制定的IEC61508/61511标准，对用机电设备（继电器）、固态电子设备、可编程电子设备（PLC）构成的安全联锁系统的硬件、软件及应用作出了明确规定。③美国仪表学会制定的ISA-S84.01-1996《安全仪表系统在过程工业中的应用》。④美国化学工程学会制定的AICHE（ccps）-1993，《化学过程的安全自动化导则》。⑤英国健康与安全执行委员会制定的HSEPES-1987，《可编程电子系统在安全领域的应用》。⑥德国国家标准中有安全系统制造厂商标准-DINVVDE0801、过程操作用户标准-DINV19250和DINV19251、燃烧管理系统标准-DINVDE0116等。⑦德国技术监督协会（TÜV）是一个独立的、权威的认证机构，它按照德国国家标准（DIN），将ESD所达到的安全等级分为AK1～AK8，AK8安全级别最高。其中AK4、AK5、AK6为适用于石油和化学工业应用要求的等级。3ESD和DCS的比较DCS与由PES构成的ESD的主要区别有：检测单元输入模块控制模块输出模块执行单元全国化工仪表维修工技师、高级技师培训辅导讲义——第一讲：ESD紧急停车系统-2-DCSESD构成不含检测、执行含检测、执行单元作用（功能）使生产过程在正常工况乃至最佳工况下运行超限安全停车工作动态、连续静态、间断安全级别低、不需认证高、需认证4ESD设计应遵循的原则①原则上应独立设置（含检测和执行单元）；②中间环节最少；③应为故障安全型；④采用冗余容错结构。5故障安全原则组成ESD的各环节自身出现故障的概率不可能为零，且供电、供气中断亦可能发生。当内部或外部原因使ESD失效时，被保护的对象（装置）应按预定的顺序安全停车，自动转入安全状态（FaulttoSafety），这就是故障安全原则。具体体现：①现场开关仪表选用常闭接点，工艺正常时，触点闭合，达到安全极限时触点断开，触发联锁动作，必要时采用“二选一”、“二选二”或“三选二”配置。②电磁阀采用正常励磁，联锁未动作时，电磁阀线圈带电，联锁动作时断电。③送往电气配电室用以开/停电机的接点用中间继电器隔离，其励磁电路应为故障安全型。④作为控制装置（如PLC）“故障安全”意味着当其自身出现故障而不是工艺或设备超过极限工作范围时，至少应该联锁动作，以便按预定的顺序安全停车（这对工艺和设备而言是安全的）；进而应通过硬件和软件的冗余和容错技术，在过程安全时间（PST-ProcessSafetyTime）内检测到故障，自动执行纠错程序，排除故障。6隐故障与显故障①隐故障（CovertFault）：不对危险产生报警，允许危险发展的故障，是故障危险故障（SHB-Z06-1999）。CovertFault：Faultthatcanbeclassifiedashidden，concealed，undetected，unrevealed，latent，ect.（ISA-S84.01-1996）②显故障（OvertFault）：能显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）7安全性及响应失效率当工艺条件达到或超过安全极限值时，ESD本应引导工艺过程停车，但由于其自身存在隐故障（危险故障）而不能响应此要求，即该停车而拒停，降低了安全性。衡量安全性的指标为响应失效率或称要求的故障率（PFD：ProbabilityofFailureonDemand）。它是安全联锁系统按要求执行指定功能的故障概率。是度量安全联锁系统按要求模式工作故障率的目标值（SHB-Z06-1999）。不同的工业过程（如生产规模、原料和产品的种类、工艺和设备的复杂程度等）对安全的要求是不同的。上述的国际标准将其划分为若干安全度等级（SIL：SafetyIntegrityLevel）。SIL和PFD的对应关系见表1：全国化工仪表维修工技师、高级技师培训辅导讲义——第一讲：ESD紧急停车系统-3-表1ISA-S84.01IEC61508DINV19520（TÜV）PFDSIL.1SIL.1AK110-1～10-2AK2AK3SIL.2SIL.2AK410-2～10-3SIL.3SIL.3AK510-3～10-4AK6SIL.4AK710-4～10-5AK88可用性及可用度工艺条件并未达到安全极限值，ESD不应引导工艺过程停车，但由于其自身存在显故障（安全故障）而导致工艺过程停车，即不该停车而误停，降低了可用性。可用度（A：Availability）是指系统可使用工作时间的概率，用百分数计算：MDTMTBFMTBFA（SHB-Z06-1999）MTBF：平均故障间隔时间（MeanTimeBetweenFailures）MDT：平均停车时间（MeanDowntime）9冗余和容错冗余（Redundant）：具有指定的独立的N：1重元件，并且可以自动地检测故障，切换到后备设备上。（SHB–Z06–1999）冗余系统（RedundantSystem）：并行地使用多个系统部件，以提供错误检测和错误校正能力的系统。（SHB–Z06–1999）。容错（FaultTolerant）：具有内部冗余的并行元件和集成逻辑，当硬件或软件部分故障时，能够识别故障并使故障旁路，进而继续执行指定的功能。或在硬件和软件发生故障的情况下，系统仍具有继续运行的能力。它往往包括三方面的功能：第一是约束故障，即限制过程或进程的动作，以防止在错误被检测出来之前继续扩大；第二是检测故障，即对信息和过程或进程的动作进行动态检测；第三是故障恢复即更换或修正失效的部件。（SHB–Z06–1999）容错系统（FaultTolerantSystem）：具有容错结构的硬件与软件系统。（SHB–Z06–1999）总之，通过冗余和故障屏蔽的结合来实现容错。容错系统一定是冗余系统，冗余系统不一定是容错系统。容错系统的冗余形式有双重、三重、四重等。图2和图3A.B分别表示CPU冗余（双机热备）和三重化冗余容错系统。现场设备图2CPU冗余（双机热备）CPU1CPU2开关输入/输出全国化工仪表维修工技师、高级技师培训辅导讲义——第一讲：ESD紧急停车系统-4-看门狗输出输出端子输入端子输入输出输入看门狗看门狗输出输入23表决器图3三重位号冗余容错系统图3A三重模块冗余容错系统图3B三重信号冗余容错系统10冗余逻辑的表决方法及其与安全性、可用性的关系表决方法隐故障概率（拒动）显故障概率（误动）允许不允许安全性可用性一选一1oo10.02（短路的概率）0.04（开路的概率）存在隐故障和显故障差差二选一1oo20.0004（两个均短路的概率）0.08（只要有一个开路的概率）其中之一存在隐故障（仍可安全停车其中之一存在显故障（将误停车）最好最差二选二2oo20.04（只要有一个短路的概率）0.0016（两个均开路的概率）其中之一存在显故障（不会误停车）其中之一存在隐故障（该停拒停）最差最好三选二2oo30.0012（三个中两个均短路的概率）0.0048（三个中两个均开路的概率）其中之一存在隐故障或显故障其中两个存在隐故障或显故障较好较好注：此表中故障概率数据摘自西门子公司资料输入输入输入CPUCCPUB输出输出2oo3表决器输出CPUA输入端子输出端子全国化工仪表维修工技师、高级技师培训辅导讲义——第一讲：ESD紧急停车系统-5-“与”看门狗中央处理器+24VDC状态信号控制信号状态信号接负载，如电磁阀0VDC+24VDC来自CPU的控制信号接负载，如电磁阀0VDC12以上可见：①隐故障（危险故障）使ESD该动而拒动，隐故障概率越高，安全性越差。②显故障（安全故障）使ESD不该动而误动，显故障概率越高，可用性越差。③1oo2（二选一）安全性最好，但可用性最差；2oo2（二选二）可用性最好，但安全性最差；2oo3（三选二）可兼顾安全性和可用性，但结构复杂，成本高。11普通PLC和安全PLC的区别普通PLC和可以作为ESD控制部分的安全PLC的主要区别是：普通PLC不是按故障安全型设计的，当系统内部元件出现短路故障时，它并不能检测到，因此其输出状态不能保证系统回到预定的安全状态。这种PLC只能用于安全度等级要求低的场合。现以输出电路为例予以说明。图4是普通PLCDO卡示意图。图4普通PLCDO卡示意图当1、2两点短路时，来自PLC的控制信号将不起作用（失效），电磁阀将一直处于带电（励磁）状态，即需要联锁动作（电磁阀释电停车）时，由于此故障的存在而拒动，其输出不能保证处于安全停车状态。这就是违背了故障安全（FaulttoSafety）的原则。当1、2两点开路时，将导致误动作而停车，同样会带来损失。可见，这种普通PLC的DO卡输出电路的安全性和可用性都是不高的。图5所示为一种带有安全性单容错的DO卡示意图（它是HoneywellSMSFSC-101型输出示意图）。图5安全性单容错DO卡示意图全国化工仪表维修工技师、高级技师培训辅导讲义——第一讲：ESD紧急停车系统-6-这里，中央处理器不仅向串联的场效应管（FET）发出控制信号，而且还接受来自场效应管的状态反馈信号，以便对其输出进行全面测试。当测得某管输出发生短路时，中央处理器即启动纠错动作，隔离相关的故障。看门狗（WatchDog）是个多通道的计时器电路。它由中央处理器和内存等周期性地触发，如果两个触发之间的时间小于某设定值或者大于某最大值，则看门狗的输出将失效。同时看门狗还能监视内部工作电压，使之在正常的电压范围内。以上仅是DO卡上的差别。作为安全PLC，至少应具备以下几点：①满足相关安全标准规范要求，且经过权威机构认证，取得了相应安全等级证书；②在硬件和软件上采用冗余、容错措施，具有完善的测试手段，当检测到系统故障，特别是危险故障时能使系统回到安全状态；③能进行系统故障报警，指示故障原因、故障位置，