王立奉：安全仪表系统（SIS）在石化装置上的应用-Pow

安全仪表系统（SIS）在石化装置上的应用燕山石化王立奉某大型石化装置SIS系统应用情况•某大型炼油乙烯一体化石化联合装置：年处理原油1200万吨/年。乙烯产量80万吨/年共计使用SIS系统24套分别应用于催化，加氢，裂解及高、低聚乙烯，聚丙烯，苯酚，丙酮，动力等工艺过程。详见表1。表1.某大型石化装置SIS应用情况统计表项目序号生产厂家型号数量使用情况1.HONEYWELLFSC6良好2.TRICONEXTS3000.TRICONTRIDENT5良好3.YOKOGAWAPROSAFE-RSCP-180-003良好4.HIMAPESH51q-HRS2良好5.SIEMENSMOOREAPACS1良好6.ICSTriplexREGENT1良好7.ABBAUGUSTSC300E1良好8.MOOREQUADLOG5良好某大型石化装置SIS系统应用情况从表1中看出：由于该石化装置建设较早，所以用的SIS系统牌号多，几经变革，从时间跨度上看，现有装置较早的系统1998年投用，最近投用的也已到2007年。由于SIS品类多、每种SIS系统尽管采用的技术有相近之处，但对用户来说技术的学习难度大，备件种类繁多，系统的更新换代迫在眉睫。在SIS选用上，由于国际标准IEC61508/61511、国家标准GB/T21109.1-2007出台较晚，国内也只有SHB-206-1999《石油化工紧急停车及安全联锁系统设计导则》，用于指导设计、施工和运行。因此在选用SIS时只强调控制器达到AK5、AK6或达到SIL3这样的安全标准就可以了。没有提供一个SIS系统整体设计（包括输入输出部分）的解决方案。某大型石化装置SIS系统应用情况也就是说，许多最终用户指定使用达到SIL3等级的逻辑解算器，而对于传感器和终端设备如何配置缺乏考虑，这样就导致了仅使用一个SIL3的逻辑解算器是无法保证整体SIS系统成为一个SIL3系统。•因为SIS系统的安全完整性水平SIL，是由构成SIS系统的三个单元的SIL来确定的：即SIL装置=SIL传感器+SIL逻辑解算器+SIL执行机构，例如传感器为SIL2级，而SIL2其PFD值为0.01~0.001，取中间值为0.005；逻辑解算单元为SIL3级，PFD取中间值为0.0005；执行机构为SIL1级，PFD取中间值为0.05。则PFDavg装置=0.005+0.0005+0.05=0.0555某大型石化装置SIS系统应用情况•初步确定为SIL1级。则整个装置的安全完整性水平SIL由其构成的三个单元中最低的SIL等级决定。尽管逻辑解算器为SIL3，但整体SIS系统SIL等级仅为SIL1.这就是目前石化企业生产装置中在使用SIS系统时，存在的主要问题。某大型石化装置SIS系统应用情况现场运行表明：24套SIS系统总的来看操作简单、组态方便且维护量小、故障率低，提高了装置的安全水平，取得了良好的经济效益和社会效益；SIS主控制器故障率较低，CPU死机造成的危害不多见；输入输出卡的故障率较高。DI、DO卡诊断模块、电源卡时有故障发生。某大型石化装置SIS系统应用情况变送器部分、执行机构故障也时有发生。原来买主控制器时不考虑变送器，1oo1方式较多，后来发现故障率高。从提高可靠性入手，都纷纷改成1oo2、2oo3等。而执行机构1oo1。所做的这些改动并不是以改善整体SIL水平考虑的。现场仪表进水、短路、意外损坏、雷电冲击。这也导致SIS系统故障。某大型石化装置SIS系统应用情况•具体到某个装置中的SIS系统，譬如：第二高压聚乙烯装置有SIS系统为某公司的SC300E系统。此系统自2001年投用以来已经有9年时间，期间因为卡件、电源、通讯故障等原因造成多停车事故的发生。具体问题如下：1、系统自诊断报警。通过系统软件中的诊断系统诊断，存在报警。2、系统卡件状态指示灯异常，不能查明具体原因。3、系统故障报警灯报警。该报警信号由ESD系统发出，送至辅操台报警。查找该报警信号，发现其为系统内部点。无法查找可能导致该点报警的原因。某大型石化装置SIS系统应用情况4、没有联锁摘挂的旁路按钮，每次联锁摘挂的时候都是通过修改内部PLC梯形图采用在线下装的方式，使操作具有一定的风险性和不及时性。5、断电恢复后系统电源模块故障。（发生过多起）6、此系统的备件订货非常困难，价格非常昂贵且需要很长的订货周期，维护费用很高。某大型石化装置SIS系统应用情况•裂解装置SIS系统为MOOREQUADLOG系统，用两套，其中一套常见问题：1.工程师站不更新。需重新启动。2.SOE刷新不及时，需要更新数据库。其另一套系统常见问题：1.组态数据丢失，记录不完整。2.I/O卡件故障，在线四年内发生过。3.工程师站登陆慢。某大型石化装置SIS系统应用情况•由SIS的定义中可看到SIS的一部分也可能是人的动作，在SIS上进行的作业如维护、操作或修改等。因为处理SIS中的问题措施不当，也导致严重后果，造成停产，造成巨大经济损失。•有报告显示：超过20%工厂事故是由SIS维护和测试错误导致的。很多情况下，由于无法精确监控系统状态，工厂会不断地进行SIS维护和测试。这种不必要的维护使人为错误增多，从而导致更多的系统故障。SIS作业不当也会造成严重后果•用于高压聚乙烯SIS联锁系统采用三重化容错可编程REGENT系统。该系统采用容错型CPU设计，整个控制系统建立在2oo3的基础上进行安全保护联锁。对于关键的停车条件均使用三重化卡件输入。由于一线B釜压力超高，其信号AHPA6B状态瞬间改变，分别于96年、99年共发生五次连锁停车。从ESD系统SOE记录看，动作时间都非常短。一线AHPA6B信号为现场应变仪输出模拟信号，经安全栅进入控制室，再进入DCS机柜中，转换成1-5VDC信号，转换后信号接到报警设定器上，报警设定器的节点输出信号接到SIS三重化输入模块上。解决办法希望将AHPA6B信号增加延时，以避免该信号的瞬间晃动对系统的干扰，并增加监控手段。捕捉可能造成停车的原因。第一次在线执行AHPA6B-A通道延时时，一切正常。第二次下装其他两个通道AHPA6B-B、AHPA6B-C时，由于将这两步同时进行操作，从而导致2oo3发生了联锁停车。DCS与SIS的集成•IEC61508中没有强制要求SIS系统必须独立设置，但它强烈建议DCS和SIS两种系统分离。它们之间的分离可使用同种分离或异种分离。•从目前的情况看，同种分离意味着DCS和SIS系统使用同一制造商的相同技术，譬如使用同一个DCS制造商生产的SIS。而异种分离则意味着DCS和SIS使用同一制造商或不同制造商的不同技术。同种分离有助于降低随机失效，在设计上和维护上有一些优势，因为它降低了维护错误的可能性。异种分离有利于降低系统失效率和减小共因失效。DCS与SIS的集成•以前，工厂控制系统DCS和安全仪表系统SIS往往分别设计、分别建设，主要原因是控制系统的可靠性不足以保证安全系统的可靠性，由于近十年以来，随着3C技术的进步，DCS技术的发展，其可靠性大幅度提高，成本降低，系统的健壮性(POBUST)也达到与SIS系统相当的水平，对DCS在承担安全功能的任务的担心减少了。使得DCS与SIS的无缝集成问题成为设计者、生产制造商、终端用户共同关心的问题，并且已提到应用的议事日程上来了。只要非安全功能的失效不会引起安全功能的危险失效，即可考虑DCS与SIS的集成使用。Modbus集成•在石化企业的生产装置中，目前DCS与SIS之间多采用控制器间硬连线通信方式（Modbus通信等）集成，从而将SIS数据传送到DCS系统中。如下图1所示：Modbus集成DCSOSDCSENGDCSFCSSISENG,SOESISControllerDCS系统网络SIS系统网络（冗余）（冗余）Modbus通信等传统I/O和HART仪表DCS系统现场控制器MUXSIS系统控制器HART多路转换器FFFielddevice…Modbus集成•这样做是由于DCS和SIS是两个独立的系统，不同的网络、不同的控制器和人机界面。原因主要是由于他们来自不同的供应商；需要单独的系统设计，单独的物理设备组态软件、算法逻辑组态软件、人机界面组态软件，不同的维护方式；连接两套系统的额外工作等。给实际工作带来很多不便，因此无缝集成的问题就摆在了制造商、设计和终端用户面前。OPC集成•面向过程控制的OLE即OPC技术已经成为系统和设备之间通讯的实质性的标准。MERSONDeltaVSIS通过OPC将SIS和DCS连接起来。OPC数据存取（DA）实现了实时的数据集成。采用MERSON成熟的OPCMirror，DeltaVSIS中的数据可方便的配置到已装在DCS中的OPC服务器中。集成化还包括OPC报警和事件，它向特定的工厂事件记录器提供SIS预报和事件信息。•实现上述事件采集功能的理想选择是MERSON的PlantWideEventHistorian事件记录软件，它采用SQL数据库，可采集多种来源、带时间标记的事件并集成到单个企业事件历史记录软件中。DCS与SIS集成的解决方案•DCS与SIS的集成一般有三种情况：第一种情况：DCS与SIS采用不同的硬件结构（不同的控制器）、不同的控制网络、不同的人机界面，即前述的异种分离。将这样不同的系统通过网关相互连接，以便进行数据交换。两个系统使用不同的工程组态工具。这种方式可以称为不同控制器不同网络的集成。DCS与SIS集成的解决方案第二种情况：DCS与SIS有不同的硬件结构的控制器，但采用统一的网络（统一的通信网络），使用共同的工程组态工具，工程上一个网络可加快项目的执行速度。第三种情况：DCS与SIS使用共同的硬件即同一种控制器。同一个通信网络，同一个人机界面，即DCS和SIS在物理上集成、在逻辑上分开的无缝集成。标准DCS程序和安全SIS程序平行执行，相互独立。DCS与SIS无缝集成应用实例SIS工程师站DCSHIS人机界面DCSFCS控制器安全数据到FCS（通过位号读取）…DCSENG工程师站以太网控制网SIS控制器…DCS与SIS无缝集成解决方案•无缝集成是指图2系统为同一厂家的SIS、DCS控制器，即统一的硬件结构，同一个网络，同一个人机界面，简单容易的系统设计对于DCS系统和SIS系统不必设计成分离的方案和通信。DCS与SIS之间流畅的数据交换不需要任何网关/接口单元，共同的人机界面，可以显示报警画面、系统报警画面；SOE采集和显示FCS的时间和安全事件。集成系统中的设备时钟同步。•SIS是整体通过TUVSIL3认证的工业安全系统•SIS和DCS通过控制网直接集成•控制网络是一个安全通信协议通过TUV认证。•SIS提供完全彻底的全厂高安全性、高可用性和高效率的解决方案。如何实现DCS与SIS的无缝集成•首先由于共同的系统结构提供了非常容易的系统设计，DCS系统和SIS系统不必设计成分离的方案和通信，DCS与SIS之间流畅的数据交换不需要任何网关/接口单元，集成系统中的设备时针同步。•其次，一套共同的通信网络可加快项目的执行，既可实现SIS安全控制器之间的数据交换，DCS也可以通过位号读取SIS系统中的数据，不需要接口单元。控制网络是一个安全通信协议通过TUV认证。DCS的HIM是控制网的时钟主站，通过标准的控制网（例如YOKOGAWA的Vnet网）功能进行时钟同步。如何实现DCS与SIS的无缝集成•再次，在操作上，由于有共同的操作和监控平台，便于实施有效的操作，DCS的HIM操作站提供集成的操作平台，可显示控制组、趋势、流程图、报警和历史信息窗口的集成显示，SIS位号和DCS信号可以同时处理，不需要特别的组态。DCS数据和SIS数据可以显示在同一个窗口中。•再次，一套人机界面。可在HIM上通过位号读取DCS和SIS的数据，控制数据和安全数据在相同的窗口中；DCS和SIS系统状态和信息、过程报警和事件信息可以显示在同一窗口中一个人机界面而提高操作效率。DCS与SIS无缝集成解决方案•紧急情况时的操作环境