劉黎，朱杰，張則立，龐欣然，俞文光

(浙江中控技術(shù)股份有限公司，杭州 浙江 310053)

安全儀表系統(tǒng)(SIS)是保障安全生產(chǎn)的重要設備，包括安全聯(lián)鎖系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)和有毒有害、可燃氣體及火災檢測保護系統(tǒng)等。SIS在生產(chǎn)正常時處于休眠或靜止狀態(tài)，一旦生產(chǎn)裝置或設施出現(xiàn)可能導致安全事故的情況時，能夠瞬間準確動作，從而使生產(chǎn)過程安全停止運行或自動導入預定的安全狀態(tài)，其必須有很高的可靠性(即功能安全)和規(guī)范的維護管理，如果SIS失效，往往會導致嚴重的安全事故。近年來發(fā)生的多起重大化工(危險化學品)安全生產(chǎn)事故大都與安全儀表失效或設置不當有關(guān)。

《國家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導意見》(原國家安全監(jiān)管總局安監(jiān)總管三[2014]116號文)指出：“加強化工企業(yè)安全儀表系統(tǒng)操作和維護管理，要按照符合安全完整性要求的檢驗測試周期，對安全儀表功能(SIF)進行定期全面檢驗測試，并詳細記錄測試過程和結(jié)果”。針對SIS開展定期檢驗測試是SIS生命周期管理的重要環(huán)節(jié)。

1 檢驗測試的功能需求

GB/T 21109—2007《過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》指出： 檢驗測試是為揭露SIS中未檢測到的故障而執(zhí)行的測試，以便在必要時把系統(tǒng)修復到所設計的功能[1]；GB/T 20438—2017《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》指出： SIS的危險失效概率會隨著運行時間的累積逐漸增大，超過安全完整性等級(SIL)最大危險失效概率值后，其安全儀表功能的SIL會降低，導致不滿足安全要求規(guī)范(SRS)[2]。因此，需對SIS開展周期性檢驗測試，分析系統(tǒng)的健康狀態(tài)并進行故障預測，以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行中不可檢測的危險失效，使系統(tǒng)一直保持要求功能安全以及安全功能的安全完整性能力。

課題組通過解讀GB/T 21109-1—2007的第16章[1]、“GB/T 20438-2—2017的第7.6節(jié)[2]、GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設計規(guī)范要求》第3.4節(jié)[3]等的要求，參考國內(nèi)外領(lǐng)先企業(yè)的最佳實踐經(jīng)驗，經(jīng)梳理、歸納，形成SIS檢驗測試六大類功能需求,具體如下：

1)規(guī)程化管理。應包括： 操作維護規(guī)程、維護人員職責、測試計劃及報告等管理，制定服務順序的流程化及信息化、數(shù)據(jù)化，確保整個檢驗測試的規(guī)范實施和效率。

2)檢查。應對SIS進行定期目視檢查，以保證不存在未經(jīng)授權(quán)的修改和可觀察到的缺損[1]。具體檢查項包括： 對系統(tǒng)的軟硬件狀態(tài)和版本、操作站信息、工程師站信息、組態(tài)數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)、溫濕度、腐蝕、環(huán)境、標識、布線、接地、供電等全方位的檢查服務。

3)預防性維護。開展系統(tǒng)性檢查、設備測試和更換以防止功能故障發(fā)生，目的是降低失效的概率和防止功能退化[4]。主要工作項包括： 系統(tǒng)除塵、易耗品更換、設備除塵養(yǎng)護、固件升級、供電功能、病毒查殺、電磁場強度檢測、輔操臺開關(guān)粘連測試、指示燈等系統(tǒng)功能、工作環(huán)境方面等的維護服務。

4)檢驗測試。進行檢驗測試以便揭露未檢測到的故障，這種故障會阻礙SIS按要求規(guī)范操作[1]。主要是以SIS的安全回路功能、診斷功能、系統(tǒng)內(nèi)部健康狀態(tài)信息等角度，涵蓋了邏輯解算器、人機界面、通信、電源、配件等，具體項目包括： IO模塊測試、安全回路響應時間測試、程序邏輯測試、初始化邏輯測試、診斷功能測試、通道降級功能測試、系統(tǒng)內(nèi)部通信質(zhì)量測試、線路故障檢測及閾值判斷測試、模塊健康診斷、網(wǎng)絡通信測試、冗余切換測試、電源過欠壓測試等，實現(xiàn)深入細致地識別系統(tǒng)內(nèi)部自診斷無法檢測的危險失效并確認系統(tǒng)內(nèi)功能的完整性。

5)數(shù)據(jù)挖掘。整合了所有信息、狀態(tài)、數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)分析和決策模型構(gòu)建，判定系統(tǒng)的健康狀態(tài)和故障預測，提供持續(xù)改進措施，制訂下一次檢驗測試的間隔等。

6)自動化整合報告。提供測試結(jié)果和報告，系統(tǒng)運行狀態(tài)評估以及方案改進服務。

在檢驗測試環(huán)節(jié)，如何高效、智能實施SIS檢驗測試工作，滿足上述六大功能需求，同時具備可擴展性、交互友好性、品類兼容性的測試方法與測試工具，是集成商、制造商需要面對的研究課題。課題組提出可以采用一體化的檢驗測試平臺方案，可以較好地滿足以上要求。方案總體設計思路： 統(tǒng)一管理整個檢驗測試過程，并具有集成度和自動化特征；支持與SIS交互方式的多樣性，包括： 硬件信號類型多樣、通信業(yè)務多樣；提升檢驗測試的執(zhí)行效率和操作的友好性，降低人機交互的復雜度。

2 一體化檢驗測試平臺設計

根據(jù)整體思路設計了一款集軟、硬件平臺為一體化的檢驗測試平臺，開展流程規(guī)范的檢驗測試、記錄和分析報告，展示系統(tǒng)的健康狀態(tài)和故障預測。該平臺設計架構(gòu)為“L1層檢驗測試平臺管理軟件工具(PTS)加L2層硬件檢驗測試裝置(SPT)加Net網(wǎng)絡”布局，一體化檢驗測試平臺架構(gòu)如圖1所示。

圖1 一體化檢驗測試平臺架構(gòu)示意

1)L1層。PTS軟件工具主要采用了面向?qū)ο蟮脑O計方法，使用單機系統(tǒng)，基于MFC應用程序框架加開源庫設計主界面加數(shù)據(jù)文件加工程管理。模組分層分塊設計，實現(xiàn)檢驗測試操作流程順序，收集系統(tǒng)現(xiàn)場診斷數(shù)據(jù)和文件，提供了單項工作過程化顯示及信息保存。軟件模組相互獨立，支持包容多種SIS的檢驗測試。

2)L2層。SPT裝置小型化系統(tǒng)集合了控制器(PCU)、通信卡(PCM)、輸入/輸出檢驗測試卡(PAIPDIPDO)、端子板檢驗卡(PTU)以及檢驗可調(diào)電源卡(PPW)，該裝置安裝在便攜式行李箱中。裝置堅固、系統(tǒng)高集成以及信號多樣性，快速提升了硬件模塊每路的檢測效率，也降低了開展檢驗工作的難度。

3)Net網(wǎng)絡布局。支持SIS的網(wǎng)絡模型和信息安全框架，平臺可并網(wǎng)接入SIS的Net 網(wǎng)絡，實現(xiàn)與SIS的通信互聯(lián)。實現(xiàn)一鍵觸發(fā)診斷網(wǎng)絡和網(wǎng)絡信息的透明化；同時，無擾接入系統(tǒng)網(wǎng)絡，確保系統(tǒng)原有的網(wǎng)絡信息安全。

一體化平臺設計架構(gòu)中檢驗測試功能需求與組件/裝置的對應關(guān)系見表1所列。

表1 檢驗測試功能需求與組件/裝置的對應關(guān)系

表1中，功能組件包括：

1)工程管理組件。管理整個檢驗測試工程信息，包含用戶裝置、項目名稱、工段、服務時段，工程師、客戶等信息。

2)控制站管理組件。管理SIS的信息，包括： 工程組態(tài)、系統(tǒng)名稱、控制室、操作站、交換機等信息。

3)流程管理組件。管理檢驗測試每項工作的執(zhí)行順序，以及相互制約關(guān)系。實施中確保每一步工作完成，方可有序下一步工作的開展，確認程序流程規(guī)范性。

4)業(yè)務數(shù)據(jù)交互組件。管理了與SPT裝置的數(shù)據(jù)交互，與SIS的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)多項檢驗測試等工作。

5)信息收集管理組件。管理每項工作的信息、數(shù)據(jù)，支持各種類型的文件，包括文本、圖片、表格等。

6)界面交互組件。管理UI界面，展示檢驗測試模塊、交互按鈕、操作記錄、進度條等，具備友好的操作性和交互性。

7)數(shù)據(jù)分析組件?；谙到y(tǒng)信息自動化的整合狀態(tài)，展示健康狀態(tài)和故障信息。

8)報告管理組件。自動化管理報告，生成、導入、導出、總結(jié)系統(tǒng)的健康狀態(tài)和故障預測，必要改進措施的建議，制訂下一次檢驗測試的頻率等。分析數(shù)據(jù)，降低操作復雜性和分析難度。

9)信息安全組件。管理平臺的信息安全，如： 權(quán)限等級管理、登錄賬戶權(quán)限管理等。

10)通信驅(qū)動組件。管理與SIS，SPT裝置，其他工程師站通信數(shù)據(jù)的交互。支持“MooN”架構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互特性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的交互過程，開展診斷測試和健康測試、故障插入測試等。

3 一體化檢驗測試平臺現(xiàn)場使用情況

檢驗測試平臺以某企業(yè)硝化裝置中運行4 a的TCS-900 SIS為對象，開展了SIS檢驗測試工作。涉及檢驗測試內(nèi)容較多，本文僅就2項核心檢驗測試項目做介紹。

3.1 安全回路功能及安全回路響應時間測試

為檢驗安全回路的性能滿足需求規(guī)格規(guī)范的響應時間要求，SIS保持原有運行且不改變組態(tài)的前提條件下，測試響應時間，SIS應為黑盒狀態(tài)。假設： 組態(tài)中安全邏輯回路為AI輸入-程序邏輯運算-DO輸出，其設計如下：

1)平臺和系統(tǒng)建立連接。根據(jù)邏輯回路，旁路實際輸入信號和輸出設備。將SPT裝置平臺上的多個信號探頭分別接入對應的AI模塊信號點輸入側(cè)和DO模塊信號點輸出側(cè)。

2)測試數(shù)據(jù)觸發(fā)。通過PTS軟件向SPT裝置發(fā)送測試數(shù)據(jù)，同時下發(fā)觸發(fā)回路跳變的信號，信號包括： 輸入聯(lián)鎖閾值、聯(lián)鎖模式、輸出聯(lián)鎖閾值。

3)精準計算響應時間。SPT裝置獲取啟動測試命令后，開始計時并周期讀取測試探頭信號值，確認達到閾值后，自動計算時間差值，即為該組回路響應時間。

4)回讀響應時間測試值。PTS軟件讀取SPT裝置的響應時間數(shù)據(jù)并進行分析和界面顯示，然后自動回到步驟2)，直到完成100組數(shù)據(jù)測試結(jié)束。

5)自動化數(shù)據(jù)分析。測試結(jié)束后，統(tǒng)計最大值、最小值、平均值等數(shù)據(jù)，其響應時間界面信息展示如圖2所示。

3.2 功能檢驗-程序邏輯測試

為預防SIS中因系統(tǒng)性故障或不可診斷故障而導致程序邏輯運行錯誤，假設： 組態(tài)中應用程序邏輯中，有1組3個輸入變量控制1個輸出變量，其設計如下：

1)全邏輯自動化測試用例，并支持Excel編輯和批量導入。根據(jù)程序邏輯功能特性，PTS軟件管理測試用例集，包括： 輸入變量、輸出變量，以及每組測試的輸入、輸出設定值等信息。

2)支持SIS通信白名單。根據(jù)TCS-900系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信規(guī)則，PTS觸發(fā)每組測試輸入數(shù)據(jù)仿真值給系統(tǒng)，并回讀輸出變量與預取值進行比較。

3)測試記錄和結(jié)果批量導出。支持多組測試數(shù)據(jù)自動化周期執(zhí)行，并且判斷結(jié)果并導出。邏輯程序測試如圖3所示。

a) 系統(tǒng)邏輯程序

該平臺實現(xiàn)了TCS-900系統(tǒng)幾十項檢驗測試服務，符合TCS-900系統(tǒng)安全手冊中關(guān)于檢驗項的要求。

4 結(jié)束語

該平臺在TCS-900 SIS現(xiàn)場檢驗測試工作中應用效果良好。通過檢驗測試，識別出系統(tǒng)投入使用后存在的2個潛在失效，并預測報告了TCS-900 SIS健康狀態(tài)。課題組后續(xù)將研發(fā)兼容更多型號SIS的檢驗測試工具，覆蓋早期裝置SIS的檢驗測試工作，支撐化工制藥企業(yè)實現(xiàn)安全儀表系統(tǒng)產(chǎn)品生命周期管理的科學化、規(guī)范化。