謝騰騰 閔祥紅 李華

摘 要：結(jié)合生產(chǎn)工藝要求，通過對工藝流程HAZOP分析和安全完整性等級（Safety Integrity Level，SIL）定級，確定了安全儀表系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。通過對具體生產(chǎn)過程和緊急關(guān)斷原則進(jìn)行分析，制定了具體安全儀表系統(tǒng)因果邏輯圖，確定了化工裝置安全儀表系統(tǒng)檢測參數(shù)和關(guān)斷對象。結(jié)合因果邏輯圖、相關(guān)檢測參數(shù)和具體關(guān)斷對象，完成了安全儀表系統(tǒng)的傳感器、執(zhí)行設(shè)備和邏輯控制系統(tǒng)的選型設(shè)計，滿足了安全儀表系統(tǒng)安全等級要求，提高了工藝裝置的可靠性。

關(guān)鍵詞：SIS；SIL；冗余；儀表回路

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.005

0 前言

本項目屬于間歇生產(chǎn)，要求原料和產(chǎn)品品種更換頻繁，要求裝置靈活度高。工藝過程涉及高溫、劇毒、高粘稠、高腐蝕的工藝介，整個生產(chǎn)工藝對控制水平、安全性、可靠性要求極高。因此，設(shè)置BPCS，SIS，GDS三大系統(tǒng)確保工藝裝置安全、高效生產(chǎn)，本文只對SIS系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 安全儀表系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

經(jīng)過HAZOP分析和SIL定級，安全儀表系統(tǒng)（Safety Instrumented Systems，SIS）設(shè)計了32個安全儀表功能（Safety Instrumented Function，SIF），最高定SIF級為SIL2，共105個安全聯(lián)鎖輸入輸出。

SIS系統(tǒng)的設(shè)計嚴(yán)格遵國內(nèi)外的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計規(guī)范及相關(guān)法律法規(guī)，特別要準(zhǔn)守化工相關(guān)規(guī)范。根據(jù)安全儀表系統(tǒng)的關(guān)斷要求、網(wǎng)絡(luò)通信要求、安全完整性等級要求這些條件，結(jié)合生產(chǎn)工藝流程，本系統(tǒng)也有自己特有的性質(zhì)，最終制定出符合本項目的安全儀表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)要求，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[1-4]。

系統(tǒng)從現(xiàn)場表、控制器、執(zhí)行設(shè)備均硬件獨立，在控制室獨立設(shè)置工程師站，工程師站兼有操作員站及SOE站的功能。SIS系統(tǒng)具有完備的冗余容錯技術(shù)，包括SIS系統(tǒng)控制器（CPU）、I/O設(shè)備和通訊部件冗余。整個SIS系統(tǒng)通過ISO9001認(rèn)證、CE認(rèn)證，符合IEC61508 SIL3。整個系統(tǒng)供電，采用兩路UPS電源進(jìn)行供電。

經(jīng)過招標(biāo)采辦最終確定，采用羅克韋爾控制器及I/O卡件、采用霍尼韋爾管理軟件Experion PKS監(jiān)控管理記錄報警及歷史數(shù)據(jù)，整套控制系統(tǒng)通過SIL3認(rèn)證。根據(jù)SIL3系統(tǒng)要求，I/O卡件均需冗余，。最終規(guī)劃出SIS系統(tǒng)硬件構(gòu)架，硬件主要配置為2臺冗余服務(wù)器、兩臺冗余工業(yè)交換機(jī)、兩臺顯示器、一臺打印機(jī)、一臺機(jī)柜（柜內(nèi)主要包括2個7槽機(jī)架、4個11槽機(jī)架、2臺CPU、6臺電源、2個Ethernet模塊、6臺Controlnet模塊、2臺冗余模塊、16塊AI、12塊DI、6塊DO、端子排及信號分配器等）[5-7]。

2 安全儀表系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計與開發(fā)

2.1 系統(tǒng)關(guān)斷等級制定

根據(jù)特種聚氨酯的生產(chǎn)工藝要求，本安全儀表系統(tǒng)的聯(lián)鎖等級定義四個關(guān)斷級別：一級關(guān)斷、二級關(guān)斷、過程關(guān)斷和單元關(guān)斷。

一級關(guān)斷為最高級別關(guān)斷，當(dāng)廠內(nèi)發(fā)生重大火災(zāi)、泄漏、爆炸或發(fā)生人類不可抗拒的自然災(zāi)害等惡劣危險時觸發(fā)，具體聯(lián)鎖原因為輔操臺一級關(guān)斷按鈕。此關(guān)斷觸發(fā)時，聯(lián)鎖所有二級關(guān)斷，此外，聯(lián)鎖應(yīng)急發(fā)電機(jī)延時10min后進(jìn)行關(guān)斷，同時，棄廠狀態(tài)燈藍(lán)燈亮、應(yīng)急廣播系統(tǒng)將被激活。

二級關(guān)斷是廠內(nèi)發(fā)生重大生產(chǎn)事故的關(guān)斷，聯(lián)鎖原因為輔操臺二級關(guān)斷按鈕。主要聯(lián)鎖原因為發(fā)生火災(zāi)、一些可燃?xì)怏w泄漏、儀表風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)重大故障或者電路系統(tǒng)出現(xiàn)重大故障時候執(zhí)行此關(guān)斷。二級關(guān)斷將聯(lián)鎖所有三級關(guān)斷。

過程關(guān)斷主要是生產(chǎn)工藝出現(xiàn)危險或者故障的時進(jìn)行過程停車，關(guān)斷原因主要是原料儲罐液位低低及產(chǎn)品儲罐液位高高，以及單個設(shè)備發(fā)生故障。聯(lián)鎖時將引發(fā)水性或者改性生產(chǎn)裝置緊急停車。過程關(guān)斷將觸發(fā)所有對應(yīng)裝置的單元關(guān)斷。

單元關(guān)斷主要是單個設(shè)備上的壓力高高、低低，液位高高、低低等引起的單個設(shè)備關(guān)斷，同時中控室有手動關(guān)斷按鈕，可對單個設(shè)備進(jìn)行手動關(guān)斷。

綜上所述，高等級的關(guān)斷可以引起低等級關(guān)斷，但是低等級關(guān)斷不能觸發(fā)高等級關(guān)斷，這樣確保了整個安全儀表系統(tǒng)的邏輯的條理性[8]。

2.2 系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計與PFD分配

IEC61508/IEC61511給出了SIS系統(tǒng)各個設(shè)備的選型指導(dǎo)原則，最終目的是讓SIS系統(tǒng)的各個安全儀表功能要求時平均失效概率達(dá)到要求。安全儀表功能要求時平均失效概率來源可以分三種：具有SIL認(rèn)證的設(shè)備數(shù)據(jù)、“經(jīng)驗使用”（Prior Use）設(shè)備數(shù)據(jù)以及用戶根據(jù)大量現(xiàn)場操作經(jīng)驗提供的SIF的數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)，根據(jù)IEC61508給出的PFD計算公式，計算出整個SIF的PFD，乃至整個SIS系統(tǒng)的PFD。

本項目SIF的最高為SIL2，設(shè)備選用采用通過SIL驗證的設(shè)備。根據(jù)根據(jù)IEC61508標(biāo)準(zhǔn)得出的計算公式，具體公式見標(biāo)準(zhǔn)，計算每個SIF的PFD。以變送器、控制器、切斷閥為例，結(jié)合供應(yīng)商及業(yè)主提供數(shù)據(jù)進(jìn)行PFD計算，設(shè)備供應(yīng)商數(shù)據(jù)如下：

變送器的λD = 5×10-3，調(diào)試頻率為每年，MTTR=24 h，結(jié)構(gòu)為lool；緊急切斷閥的λD=6X10-3，調(diào)試頻率為每年一次，MTTR=24 h，結(jié)構(gòu)為lool；邏輯處理器的PFD為1.2×10-4。

計算出變送器的PFD：PFDs=λD（MTTR+TI/2）=2.5×10-3

緊急切斷閥閥整體的PFD：PFDv=λD（MTTR+TI/2）=3×10-3

因系統(tǒng)設(shè)計為障安全性，PFDavgPS=0

所以本SIF的PFD為：PFDavg=2.5×10-3+3×10-3+1.2×10-4+0=5.62×10-3

計算結(jié)果為SIL2，符合SIF的SIL等級要求，同時符合結(jié)構(gòu)約束。經(jīng)過業(yè)主經(jīng)濟(jì)核算及審查，此方案交業(yè)主最終通過。

2.3 系統(tǒng)關(guān)斷邏輯制定

SIS系統(tǒng)邏輯設(shè)計原則為故障安全型[4]，若不能準(zhǔn)守這一原則，PFDavgPS將大于零，嚴(yán)重時會影響SIL等級。為了方便維護(hù)，SIS系統(tǒng)的每個輸入高限增加旁路邏輯，旁路時間（1S～24h可設(shè)置）、剩余時間和剩余時間報警。因為當(dāng)投產(chǎn)或者維護(hù)的時候，如果沒有旁路功能系統(tǒng)在沒有達(dá)到工藝穩(wěn)態(tài)前，高高聯(lián)鎖原因?qū)?dǎo)致SIF關(guān)斷，導(dǎo)致整個系統(tǒng)沒法正常投產(chǎn)。因此默認(rèn)每個高高觸發(fā)的原因ESD原因都需要啟動旁路。SIS系統(tǒng)所有的閥門在控制室設(shè)置手動復(fù)位按鈕。電氣停泵信號，在電氣二次回路設(shè)計常開繼電器。

通過上述原則，結(jié)合因果表、P&ID;及工藝邏輯描述，根據(jù)每個觸發(fā)原因開始指定控制邏輯。一個低液位觸發(fā)一個開關(guān)閥關(guān)斷為例，關(guān)斷邏輯如圖2所示。

2.4 SIS系統(tǒng)其他設(shè)計

根據(jù)P&ID;，結(jié)合業(yè)主要求對SIS系統(tǒng)監(jiān)控畫面進(jìn)行設(shè)計。SIS系統(tǒng)畫面設(shè)關(guān)斷層次畫面，SIS系統(tǒng)維護(hù)、旁路畫面、報警總匯畫面以及在BPCS控制畫面顯示相應(yīng)的關(guān)斷狀態(tài)和報警。

ControlLogix控制器為了達(dá)到SIL3認(rèn)證，需要I/O卡件冗余。具體實現(xiàn)為，現(xiàn)場信號通過傳感元件進(jìn)行現(xiàn)場參數(shù)檢測，變送器將傳感元件輸入信號轉(zhuǎn)化為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，經(jīng)過分線器內(nèi)部串聯(lián)250Ω精密電阻將電流信號轉(zhuǎn)化為1～5V電壓信號，分為兩路后進(jìn)輸入模塊。數(shù)字量的輸入就是通過變送器將電壓信號輸入到分線器，分線器將數(shù)字信號變換為兩路相同信號進(jìn)入PLC。PLC數(shù)字量輸出模塊將兩路數(shù)字量信號輸出到端子排，通過與邏輯變?yōu)橐宦沸盘?，?jīng)過繼電器實現(xiàn)對現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。通過這一結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備1oo1，輸入卡件、控制器、輸出卡件的硬件冗余。

3 結(jié)論

SIS系統(tǒng)通過合理的系統(tǒng)選型設(shè)計，提高了整個工藝裝置的安全性，對項目的順利投產(chǎn)和安全運行起到了至關(guān)重要的作用。

SIS系統(tǒng)設(shè)備選型時，仍然有以下問題需要考慮：

（1）計算時未考慮安全柵、繼電器、防電涌保護(hù)器等回路中的電器元件，實際項目的SIL驗證也需將其計算在內(nèi)。電器元件越多，故障率越高。因此，在系統(tǒng)滿足安全的前提下應(yīng)盡量減少安全柵、繼電器、防電涌保護(hù)器的使用，必須選用時應(yīng)選擇。

（2）安全儀表的SIF功能的SIL定級往往通過經(jīng)驗值，可能部分回路定級較高，會提高儀表選型的投資，造成過渡設(shè)計。

（3）安全儀表安全失效概率是在特定情況下給出的，該值通常是個約數(shù)?，F(xiàn)場情況發(fā)生改變有可能造成失效概率增加，因此嚴(yán)格講需要對每個SIF重新進(jìn)行評定。

（4）設(shè)備安裝過程中，有可能降低整個SIF的PFD。因此，考慮到安全期間，SIS設(shè)備的安裝應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)安裝圖進(jìn)行安裝，應(yīng)盡量避免未經(jīng)長期驗證的安裝方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]Donald Sikora. Emergency Shutdown System. TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS.1991，3（27）：254-256.

[2]IEC 61511-1 3 Functional Safety Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector[S].2016.

[3]IEC 61508-1 6 Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safetyrelated systems[S].2010.

[4] CN-GB/T50770-2013.石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].2013.

[5]楊憲惠，郭海濤.安全儀表系統(tǒng)的功能安全[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007：9-10.

[6]張建國.安全儀表系統(tǒng)在過程工業(yè)中的應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2010：4-5.

[7]朱乜，徐中亨.淺談Experion PKS控制方案組態(tài)[J].石油化工自動化，2007，4（04）：46-49.

[8]劉亮.安全系統(tǒng)邏輯設(shè)計在工程上的應(yīng)用[J].中國儀器儀表， 2007，7（01）：11-12.