安全仪表系统3

安全仪表系统设计应用现代化大型石化企业黄步余副总工程师中国石化工程建设公司2006.5国内石化行业发展概况全球石化行业处于景气时期，原油价格维持在高位波动。中国石化产品需求增长，原油价格攀升，生产成本提高。世界级规模石化项目相继建设并投产运行。石化产品产量，品种和质量提高，自给能力增强。国内石化企业面临发展机遇和严峻挑战，强化现代化企业管理。降低生命周期成本，节能，环保，获取最大的利润。控制及信息管理集成系统的总目标健康、安全及环境保护有可靠保证；高质量的过程测量，调节控制和先进控制，友好人机界面；仪表及控制系统故障引起非计划停车最少；提供准确、无缝的信息数据（管理、操作、技术、实时及历史）提供维修计划，存量控制和采购计划；提供生产调度优化，满足市场需求；工厂、供应商和客户信息集成在同一互联电子商务平台；降低生命周期成本，获取最大的利润。主仪表制造厂（MIV）的理念MIV国际惯例及国内大型项目趋势。MIV负责全厂仪表控制及信息管理系统集成。MIV与业主、EPC协调完成项目执行策略。MIV与业主共同编制功能设计规格书和标准化。MIV与业主共同进行工程管理、设计、组态、安装、调试、开车。MIV提供长期硬件和软件技术服务，备件及维护支持服务。MIV为业主获取经济利益----降低生命周期成本。石油化工安全保护级别1.Process2.DCS-集散控制系统3.AlarmOperators-操作员报警4.SIS安全仪表系统5.ReliefDevices释放设备6.Physicalprotection(F&G）物理保护7.EmergencyResponse紧急响应工艺过程SIS系统对风险的控制0机械安全保护层安全仪表系统（SIS）报警系统/操作工艺控制系统工艺设备HAZOPSIL安全仪表系统(SafetyInstrumentedSystem-SIS)仪表保护系统(InstrumentProtectionSystem-IPS)安全联锁系统(SafetyInterlockingSystem-SIS)紧急停车系统(EmergencyShut-DownSystem-ESD)安全仪表系统（SIS）：仪表系统用于实现1个或多个安全仪表功能.安全仪表系统包括传感器（SENSOR）、逻辑运算器（Logicsolver)和最终执行元件(Finalelement).安全仪表系统(SIS)ANSI/ISA-84.01ApplicationofSafetyInstrumentedSystemsfortheProcessIndustriesIEC61508FunctionalSafetyofelectrical/electronic/programmableelectronicsafety-relatedsystemIEC61511FunctionalSafetyInstrumentedsystemsfortheProcessIndustrySectionDINV19250ProgrammableSafetySystemIEC61131ProgrammableControllersSH/T3018-2003石油化工安全仪表系统设计规范（中华人民共和国石油化工行业标准）SIS用标准规范Designcodeforsafetyinstrumentedsysteminpetrochemicalindustry安全仪表系统（SIS）在生产装置的开车、停车阶段，运行扰动以及维护操作期间，对人员健康、装置设备及环境提供安全保护。无论是生产装置本身出现的故障危险，还是人为因素导致的危险以及一些不可抗拒因素引发的危险，SIS系统都应立即作出正确反应并给出相应的逻辑信号，使生产装置安全联锁或停车，阻止危险的发生和事故的扩散，使危害减少到最小。SIS系统应具备高的可靠性（Reliability)、可用性（Availability）和可维护性（Maintainability）。当SIS系统本身出现故障时还能保证提供安全保护功能。SIS功能及基本要求DCS用于生产过程的连续测量、常规控制（连续、顺序、间歇等）、操作控制管理，保证生产装置的平稳运行；SIS用于监视生产装置的运行状况，对出现异常工况迅速进行处理，使危害降到最低，使人员和生产装置处于安全状态；DCS是“动态”系统，它始终对过程变量连续进行检测、运算和控制，对生产过程进行动态控制，确保产品的质量和产量；SIS是“静态”系统，正常工况时，它始终监视生产装置的运行，系统输出不变，对生产过程不产生影响，非正常工况下时，它将按照预先的设计进行逻辑运算，使生产装置安全联锁或停车；SIS比DCS在可靠性、可用性上要求更严格，IEC61508、IEC61511、ISAS84.01、SH/T3018强烈推荐SIS与DCS硬件独立设置。SIS与DCS区别冗余（Redundant）用多个相同模块或部件实现特定功能或数据处理。容错（FaultTolerant）功能模块在出现故障或错误时，仍继续执行特定功能的能力。安全度等级（SafetyIntegrityLevel-SIL）用于描述安全仪表系统安全综合评价的等级。故障危险概率（ProbabilityofFailingDangerously-PFD）能够导致安全仪表系统处于危险或失去功能的故障出现的概率。SIS常用术语故障安全（FailingtoSafe-FTS）安全仪表系统发生故障时，使被控制过程转入预定安全状态。可用性（Availability）系统可以使用工作时间的概率。如系统的可用性为99.99%，意味着在10000小时的工作将有1小时的故障中断时间。可靠性（Reliability）指系统在规定时间间隔(t)内发生故障的概率。如系统一年内的可靠性为99.99％意味者系统一年中工作时失败的概率为0.01％。SIS常用术语表决（Voting）用多数原则确定结果。1oo1D(1outof1D)1取1带诊断1oo2(1outof2)2取11oo2D(1outof2D)2取1带诊断2oo3(2outof3)3取22oo4D(2outof4D)4取2带诊断SIS常用术语安全度等级(SIL)SafetyIntegrityLevel危险等级I级无法忍受的严重危险（Intolerablerisk）II级较严重危险（Undesirablerisk)III级可以忍受的危险（Tolerablerisk)IV级轻微的危险（Negligiblerisk)危险性分组危险等级说明因果关系（C）C1轻微伤害C2严重伤害，会导致1人或多人死亡C3造成多人死亡C4造成很多人死亡危险出现的频率F1长期出现F2经常出现避免危险事件发生P1在一定条件下可能出现的可能性P2有可能出现意外事故发生的可能性W1几乎不可能W2有可能W3很可能1.继电器系统采用单元化结构，由继电器执行逻辑；可靠性高，具有故障安全特性，电压适用范围宽，一次性投资较低；体积大，灵活性差，进行功能修改或扩展不方便，无串行通信功能，无报告和文档功能。2.固态电络系统采用模块化结构，采用独立固态器件通过硬接线来构成系统，实现逻辑功能；结构紧凑，可进行在线测试，易于识别故障，易于更换和维护，可进行串行通信，可配置成冗余系统；灵活性不够，逻辑修改或扩展必须改变系统硬连线，大系统操作费用较高。3.可编程电子系统以微处理器技术为基础的PLC，采用模块化结构，通过微处理器和编程软件来执行逻辑；方便灵活的编程能力，有内部自测试和自诊断功能可进行双重化串行通信，可配置成冗余或冗余容错系统，可带操作和编程终端，可带时序事件记录（SER）；SIS应采用经TUV安全认证的PLC系统。SIS分类SIS系统设计选用原则SIS独立于过程控制系统(DCS或其他系统），独立完成安全保护功能。当过程达到预定条件时，SIS动作，使被控制过程转入安全状态；根据对过程危险性及可操作性分析，人员、过程、设备及环保要求，安全度等级确定SIS的功能等级；SIS应设计成故障安全型；SIS应采用经TUV安全认证的PLC系统；SIS应具有硬件、软件诊断和测试功能；SIS构成应使中间环节最少；SIS的传感器、最终执行元件宜单独设置；SIS应能和DCS、MES等进行通信；SIS实现多个单元保护功能时，其公用部分应符合最高安全等级要求；SIS传感器设计选用独立设置原则：1级SIS传感器可与DCS共用；2级SIS传感器宜与DCS分开；3级SIS传感器应与DCS分开；冗余设置原则：1级SIS传感器可采用单一的传感器；2级SIS传感器宜采用冗余的传感器；3级SIS传感器应采用冗余的传感器；冗余选择原则：看重系统的安全性时，采用“或”逻辑结构；看重系统的可用性时，采用“与”逻辑结构；系统的安全性和可用性均需保证时，采用“三取二”逻辑结构；传感器宜采用隔爆型的变送器（压力、差压、差压流量、差压液位、温度），不宜采用各类开关传感器；SIS用传感器供电由SIS系统提供.SIS最终执行元件设计选用最终执行元件：气动切断阀（带电磁阀）；气动控制阀（带电磁阀）。电动阀或液动阀等独立设置原则:1级SIS阀门可与DCS共用，应确保SIS优先于DCS动作；2级SIS阀门宜于DCS分开；3级SIS阀门宜于DCS分开；冗余设置原则：1级SIS可采用单一阀门；2级宜采用冗余阀门；如采用单一阀门，电磁阀宜冗余配置；3级宜采用冗余阀门；冗余配置阀门可采用一个控制阀和一个切断阀；电磁阀设置原则：看重系统的安全性时，冗余电磁阀宜采用“与”逻辑连接；看重系统的可用性时，冗余电磁阀宜采用“或”逻辑连接；电磁阀应采用长期带电，低功耗，隔爆型；电磁阀电源应由SIS系统提供；SIS逻辑运算器设计选用SIS逻辑运算器：继电器系统，可编程序电子系统，混合系统三种；继电器用于I/O点较少,逻辑功能简单的场合；可编程电子系统用于I/O点较多,逻辑功能复杂，与DCS、MES通信等场合；可编程电子系统可以是经TUV认证的PLC系统，也可是DCS和其他专用系统；独立设置原则：1级SIS逻辑运算器宜与DCS分开；2级SIS逻辑运算器应与DCS分开；3级SIS逻辑运算器必须与DCS分开；冗余设置原则：1级SIS可采用单一的逻辑运算器；2级SIS宜采用冗余或容错逻辑运算器其中CPU电源单元，通信单元应冗余配置，I/O模件宜冗余配置；3级SIS应采用冗余容错逻辑运算器；其中CPU电源单元，通信单元，I/O模件应冗余配置；SIS工程设计中注意的问题I/O模件应带光/电或电磁隔离，带诊断，带电插拔；来自现场的三取二信号应分别接到三个不同的输入卡；SIS关联现场变送器或最终执行元件应由SIS系统供电；当现场变送器信号同时用于SIS、DCS时，应先接到SIS系统后接到DCS系统；I/O模件连接的传感器和最终执行元件应设计成故障安全型；SIS不应采用现场总线通信方式；SIS工程设计中注意的问题SIS负荷不应超过50~60%；SIS电源应冗余配置；SIS采用等电位接地。SIS关联的传感器及最终执行元件，在正常工况应是带电（励磁）状态；在非正常工况应是失电（非励磁）状态；SIS关联的电磁阀采用冗余配置时，有两种方式：并联连接可用性好；串联连接安全性好；SIS质量保证TUV安全等级认证（SIS系统相关I/O、CPU、通信等）防爆等级认证ISO9000质量认证CE标志SIS主要部件的产地SIS质量保证程序技术规格44%调试后变更20%设计和实施15%操作和维护15%安装和调试6%摘自Health&SafetyExecutiveHSE-UKSIS故障分析（在生命周期阶段）SIS设计应用举例设置在现场机柜室的SIS与DCS采用冗余通信方式；设置在现场机柜室的SIS与CCR中的AMS站采用非冗余通信方式；设置在现场机柜室的SIS与CCR中的SER站采用非冗余通信方式；设置在现场机柜的SIS与CC