危 洋，鄭玉時（天津大沽化工股份有限公司，天津 300455）

SIS系統(tǒng)在大型化工裝置上的應(yīng)用探討

危 洋，鄭玉時（天津大沽化工股份有限公司，天津 300455）

本文介紹了安全儀表系統(tǒng)的基本概念及特點，明確了安全儀表系統(tǒng)在化工企業(yè)生產(chǎn)中的重要性，對安全儀表系統(tǒng)在大型化工裝置上的應(yīng)用情況進行了分析。

安全儀表系統(tǒng)；安全完整性等級；控制系統(tǒng)；集成

1 引言

當前過程工業(yè)控制領(lǐng)域的自動化控制水平越來越高，同時對過程設(shè)備或裝置的安全性、可靠性的要求也逐步提高，于是安全儀表系統(tǒng)（SIS）應(yīng)運而生。SIS系統(tǒng)可以獨立于過程控制系統(tǒng)而單獨存在。SIS系統(tǒng)的存在解決了過程工業(yè)控制各行各業(yè)（包括石油、化工、電力、冶金等）對安全功能的要求，提高了過程裝備的安全性，減少了人員的傷害和設(shè)備的損失。各個控制系統(tǒng)制造商大都推出了自己的SIS系統(tǒng)，包括：Honeywell公司的FSC/Safety Manager系統(tǒng)、HIMA公司的PES系統(tǒng)、Triconex公司的Tricon系統(tǒng)、YOKOGAWA公司的ProSafe-PLC等。

2 SIS系統(tǒng)的基本特點

2.1 安全完整性等級

安全完整性指在規(guī)定的條件和時間內(nèi)，安全儀表系統(tǒng)完成安全儀表功能的平均概率。安全完整性等級由低到高可分為SIL1、SIL2、SIL3、SIL4。

SIL1級每年故障危險的平均概率為0.1 ~0.01之間；

SIL2級每年故障危險的平均概率為0.01 ~0.001之間；

SIL3級每年故障危險的平均概率為0.001~0.0001之間。

SIL4級每年故障危險的平均概率為0.0001~0.00001之間

安全完整性等級評估方法應(yīng)根據(jù)工藝過程復雜程度、國家現(xiàn)行標準、風險特性和降低風險的方法、人員經(jīng)驗等確定。主要方法應(yīng)包括保護層分析法、風險矩陣法、校正的風險圖法、經(jīng)驗法及其他方法。

安全儀表系統(tǒng)的工程設(shè)計應(yīng)兼顧可靠性、可用性、可維護性、可追溯性和經(jīng)濟性，應(yīng)防止設(shè)計不足或過度設(shè)計，石油化工廠的安全完整性等級不應(yīng)高于SIL3。

2.2 多重冗余系統(tǒng)及自診斷能力

SIS一般采用多重冗余結(jié)構(gòu)以提高系統(tǒng)的硬件故障裕度，單一故障不會導致SIS安全功能喪失。

SIS的安全完整性要求還包括避免失效的要求和系統(tǒng)故障控制的要求，同時，構(gòu)成系統(tǒng)的各個部件均需明確故障診斷措施和失效后的行為。系統(tǒng)整體診斷覆蓋率達到90%以上，能夠檢測并預防潛在的危險。SIS的硬件具有高度可靠性，能承受大多數(shù)環(huán)境應(yīng)力，如抗電磁干擾等，從而可以較好適應(yīng)于各種工藝環(huán)境。

2.3 響應(yīng)速度快

從輸入變化到輸出變化的響應(yīng)時間一般在10~50ms左右，為了更好地進行事故分析和事后追溯，SIS具有事件順序記錄SOE（Sequence of Events）功能，即可按時間順序記錄各個指定輸入、輸出及狀態(tài)變量的變化時間，記錄精度精確到毫秒級。

3 安全儀表系統(tǒng)（SIS）的獨立性及集成

IEC 61508標準強烈建議DCS和SIS系統(tǒng)分離。DCS與SIS系統(tǒng)之間的分離方式可采用同種分離或異種分離。就目前情況來看，同種分離意味著DCS和SIS系統(tǒng)采用同一制造商的技術(shù)，例如采用同一個DCS制造商生產(chǎn)的SIS。異種分離則意味著DCS和SIS使用不同制造商的技術(shù)。同種分離有利于降低隨機失效，在設(shè)計上和維護上有一些優(yōu)勢，因為它降低了維護錯誤的可能性。異種分離有利于降低系統(tǒng)失效率和減小共因失效。

由于DCS和SIS是兩個獨立的系統(tǒng)，不同的網(wǎng)絡(luò)、不同的控制器和人機界面。主要由于它們來自不同的制造商，需要單獨的系統(tǒng)設(shè)計，單獨的設(shè)備組態(tài)軟件、算法邏輯組態(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)的通訊等，給實際工作帶來很多不便，因此DCS和SIS系統(tǒng)的無縫集成問題就擺在了制造商、設(shè)計和終端用戶面前。

下面給出某大型化工裝置上DCS和SIS集成的同種分離解決方案，如圖1和圖2分別給出了Honeywell的TPS和FSC的集成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，Safety Manager和PKS的集成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 TPS和FSC的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖2 Safety Manager和PKS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

由于系統(tǒng)全部采用Honeywell的產(chǎn)品，所以可以通過連接到網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)DCS與SIS的無縫集成。在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的所有DCS工作站及服務(wù)器都可以查看SIS系統(tǒng)的診斷信息和點的詳細信息。SIS系統(tǒng)的報警，SOE等集成到服務(wù)器，以方便統(tǒng)一管理。DCS與SIS間的通訊已經(jīng)通過TüV認證，系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換不會影響其安全相關(guān)程序的運行，并且可以簡化工程項目。

下面給出某大型化工裝置上DCS與SIS的異種分離解決方案，如圖3所示，該方案采用的DCS是Emerson的Delta V，SIS采用的是Honeywell的Safety Manager。DCS與SIS的通訊是通過Delta V的通訊卡以RS485總線形式進行，通過組態(tài)可以調(diào)用SIS中的實時數(shù)據(jù)信息，但是DCS上無法看到SIS系統(tǒng)的診斷信息、報警信息以及SOE信息。

圖3 Safety Manager和Delta V的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

通過以上三種不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖以及實際使用情況來看，DCS與SIS采用同一制造商的技術(shù)更加有利于實現(xiàn)無縫集成，這種無縫集成在系統(tǒng)設(shè)計、人機界面、系統(tǒng)通訊及系統(tǒng)維護上更加節(jié)省時間、人力及維護成本，提高維護效率。

4 SIS系統(tǒng)的應(yīng)用情況

SIS系統(tǒng)在大型化工裝置上應(yīng)用情況見表1。

表1 SIS系統(tǒng)在大型化工裝置上應(yīng)用統(tǒng)計

從表1可以看出，該化工裝置運行的SIS系統(tǒng)全都是Honeywell公司的產(chǎn)品，包括早期的LM、FSC，而且建設(shè)比較早、投運的時間跨度比較大，最早的一套是在1996年投運，最近投運的一套也是2011年。由于早期的SIS系統(tǒng)運行時間過長，最早運行的LM系統(tǒng)已經(jīng)投運19年，備件的訂購非常困難，早期系統(tǒng)的更新?lián)Q代迫在眉睫。早期產(chǎn)品由于當時的技術(shù)局限性，對用戶來說學習的難度比較大，易用性相對差一些。

就運行情況來看，SIS系統(tǒng)控制器沒有發(fā)生過故障，DI、DO卡及電源模塊發(fā)生過故障。就整個系統(tǒng)來說，傳感器和執(zhí)行元件發(fā)生故障的比例大約為百分之九十，因此整個系統(tǒng)三個部分中控制器的可靠性還是非常高的。

總體來講SIS系統(tǒng)操作簡單、維護量小、故障率低，提高了裝置的安全水平，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

5 結(jié)語

SIS系統(tǒng)在大型化工裝置上經(jīng)過大量調(diào)試、組態(tài)和修改后，目前都運行穩(wěn)定，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及檢測效果良好，為裝置區(qū)的安全及可靠運行提供了有力保障。

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Application and Investigation of Safety Instrumented System in the Large Chemical Plant

This paper introduces the basic concepts and features of safety instrumented system, emphasizes its importance in the chemical industry production, and analyzes its application in the large chemical plant.

Safety instrumented system; Safety integrity level; Control system; Integration

B

1003-0492(2016)01-0100-02

TP273

危洋（1983-），男，天津人，工程師，現(xiàn)就職于天津大沽化工股份有限公司，主要從事自動化儀表技術(shù)管理工作。

鄭玉時（1972-），男，天津人，高級工程師，現(xiàn)任天津大沽化工股份有限公司電儀分廠副廠長。