安全仪表系统(SIS )

安全仪表系统(SIS)1什么是安全仪表系统?1什么是安全仪表系统?在IEC61508中，SIS被称为安全相关系统（SafetyRelatedSystem）,将被控对象称为被控设备（EUC）。IEC61511将安全仪表系统SIS定义为用于执行一个或多个安全仪表功能（SafetyInstrumentedFunction,SIF）的仪表系统。SIS是由传感器（如各类开关、变送器等）、逻辑控制器、以及最终元件（如电磁阀、电动门等）的组合组成,如图1所示。IEC61511又进一步指出，SIS可以包括，也可以不包括软件。另外，当操作人员的手动操作被视为SIS的有机组成部分时，必须在安全规格书（SafetyRequirementSpecification,SRS)中对人员操作动作的有效性和可靠性做出明确规定，并包括在SIS的绩效计算中。从SIS的发展过程看，其控制单元部分经历了电气继电器（Electrical）、电子固态电路（Electronic）和可编程电子系统（ProgrammableElectronicSystem），即E/E/PES三个阶段。图1SIS的构成检测单元输入模块控制模块输出模块执行单元PES下图为由PES构成的SISSIS安全仪表系统SIF安全仪表功能可以是安全仪表保护功能，也可以是安全仪表控制功能，或包含这两者。需要说明的是，这里所说的安全仪表控制功能，是指以连续模式（ContinuousMode）操作并具有特定的SIL,用于防止危险状态发生或者减轻其发生的后果，与常规的PID控制功能是完全不同的概念。SIS可以包括或不包括软件SIS的一部分也可能是人的动作SIS安全仪表系统如图2所示，这是一个气液分离容器A液位控制的安全仪表功能回路图。对这个安全仪表功能完整的描述是：当容器液位开关达到安全联锁值时，逻辑运算器（图3）使电磁阀2断电，则切断进调节阀膜头信号，使调节阀切断容器A进料，这个动作要在3秒内完成，安全等级必须达到SIL2。这是一个安全仪表功能的完整描述，而所谓的安全仪表系统，则是类似一个或多个这样的安全仪表功能的集合。图2安全仪表回路图图2说明1.L液面超高-L1接点闭合-Z带电。2.Z1常闭接点打开，S线圈断电。3.S电磁阀切断，往调节阀膜头的控制信号调节阀切断工艺进料，完成联锁保护作用。4.K起：按钮开关：起动联锁保护回路兼有复位作用。5.K停：起人工强制起动联锁保护作用。6.K旁：旁路联锁保护作用，用于开车或检修联锁信号仪表。图3SIS逻辑图SIS安全仪表系统大多石油和化工生产过程具有高温、高压、易燃、易爆、有毒等危险。当某些工艺参数超出安全极限，未及时处理或处理不当时，便有可能造成人员伤亡、设备损坏、周边环境污染等恶性事故。这就是说，从安全的角度出发，石油和化工生产过程自身存在着固有的风险。总之，SIS是一种经专门机构认证，具有一定安全完整性水平，用于降低生产过程风险的仪表安全保护系统。它不仅能响应生产过程因超过安全极限而带来的风险，而且能检测和处理自身的故障，从而按预定条件或程序使生产过程处于安全状态，以确保人员、设备及工厂周边环境的安全。SIS安全仪表系统按照SIS的定义，下述系统均属于安全仪表系统：安全联锁系统（SafetyInterlockSystem—SIS）安全关联系统（SafetyRelatedSystem—SRS）仪表保护系统（InstrumentProtectiveSystem—IPS）透平压缩机集成控制系统（IntegratedTurbo&CompressorControlSystem—ITCC）火灾及气体检测系统（Fireandgassystems—F&G）紧急停车系统（EmergencyShutdownDevice—ESD）燃烧管理系统（BurnerManagementSystem）列车自动防护系统（ATP）2SIS的相关标准及认证机构SIS的相关标准及认证机构鉴于SIS涉及到人员、设备、环境的安全，因此各国均制定了相关的标准、规范，使得SIS的设计、制造、使用均有章可循。并有权威的认证机构对产品能达到的安全等级进行确认。这些标准、规范及认证机构主要有：①我国石化集团制定的行业标准SHB-Z06-1999《石油化工紧急停车及安全联锁系统设计导则》。②2006年、2007年等同采用IEC61508、IEC61511的中国国家标准GB/T20438、GB/T21109相继发布，中国的功能安全标准开始规范我国的功能安全工作。SIS的相关标准及认证机构③国际电工委员会1997年制定的IEC61508/61511标准，对用机电设备（继电器）、固态电子设备、可编程电子设备（PLC）构成的安全联锁系统的硬件、软件及应用作出了明确规定。④美国仪表学会制定的ISA-S84.01-1996《安全仪表系统在过程工业中的应用》。⑤美国化学工程学会制定的AICHE（ccps）-1993，《化学过程的安全自动化导则》。⑥英国健康与安全执行委员会制定的HSEPES-1987，《可编程电子系统在安全领域的应用》。SIS的相关标准及认证机构⑦德国国家标准中有安全系统制造厂商标准-DINVVDE0801、过程操作用户标准-DINV19250和DINV19251、燃烧管理系统标准-DINVDE0116等。⑧德国技术监督协会（TÜV）是一个独立的、权威的认证机构，它按照德国国家标准（DIN），将ESD所达到的安全等级分为AK1～AK8，AK8安全级别最高。其中AK4、AK5、AK6为适用于石油和化学工业取得TUV认证的SIS产品SIS的相关标准及认证机构在国内石化行业中应用的SIS产品中，经过TUV认证的主要有：Tricon、Triden，美国Triconex公司开发用于压缩机综合控制（ITCC）和紧急停车系统。安全等级为AK6（SIL3）。FSC（Failsafecontrol），由荷兰P&F（Pepper&Fuchs）公司开发，1994年被Honeywell公司收购。安全等级可达AK6（SIL3）SIS的相关标准及认证机构HIMAPES，HIMA是德国一家专业生产安全控制设备的公司，PES(ProgrammableElectronicSystem)是可编程电子系统的简称，是近几年来国内引进较多的一种安全仪表系统。主要由H41q和H51q系统组成。H41q也叫小系统，它分为不冗余的系统和冗余的系统，不冗余系统型号为H41q—M，冗余系统又分为高可靠系统H41q—H和高性能系统H41q—HR。H51q称为模块化的系统，它也分为不冗余的系统和冗余的系统，不冗余的系统型号为H51q—H和高性能系统H51q—HR。各种型号的PES都具有TUVAK1~6级认证。SIS的相关标准及认证机构Prosafe—RS，是横河电机安全仪表系统，其特点是与CENTUMCS.3000R3的技术融合，即实现了与DSC的无缝集成。非冗余取量即可实现SIL3，通过冗余取量实现更高的可用性。QUADLOG，由MOORE公司开发，日本横河电机公司收购后称prosafeplc，其1oo2D结构安全等级达AK6(SIL3)；SIMATICS7—400F/FH，德国SIEMENS公司产品。400F和400FH分别为1个CPU和2个CPU运行fail-safe（F）用户程序，均取得TUV认证，安全等级为AK1~AK6（SIL1~SIL3）；SIS的相关标准及认证机构RegentTrusted，美国ICS利用宇航技术开发的安全系统。安全等级AK4~AK6（SIL2~SIL3）；GMR90-70，美国GEFanuc公司开发。其中GMR90-70(模块式冗余容错)的安全等级为class5（2oo3），class4（1oo2）和class5（2oo2）；TRIGUARDSC300E，AUGUST公司开发，1999年成为ABB集团成员之一，安全等级为class5和class6，系统结构为2oo3；Safeguard400&300，ABBIndustry公司开发，系统结构1oo2D。3SIS和DCS的比较SIS和DCS的比较DCS与由PES构成的SIS的主要区别有：DCSSIS构成不含检测、执行含检测、执行单元作用（功能）使生产过程在正常工况乃至最佳工况下运行超限安全停车工作动态、连续静态、间断安全级别低、不需认证高、需认证SIS和DCS的比较系统的组成：DCS一般是由人机界面操作站、通信总线及现场控制站组成；而SIS系统是由传感器、逻辑解算器和最终元件三部分组成。及DCS不含检测执行部分。实现功能：DCS用于过程连续测量、常规控制（连续、顺序、间歇等）操作控制管理使生产过程在正常情况下运行至最佳工况；而SIS是超越极限安全即将工艺、设备转至安全状态。工作状态：DCS是主动的、动态的，它始终对过程变量连续进行检测、运算和控制，对生产过程动态控制确保产品质量和产量。而SIS系统是被动的、休眠的。SIS和DCS的比较安全级别：DCS安全级别低，不需要安全认证；而SIS系统级别高，需要安全认证。应对失效方式：DCS系统大部分失效都是显而易见的，其失效会在生产的动态过程中自行显现，很少存在隐性失效；SIS失效就没那么明显了，因此确定这种休眠系统是否还能正常工作的唯一方法，就是对该系统进行周期性的诊断或测试。因此安全仪表系统需要人为的进行周期性的离线或在线检验测试，而有些安全系统则带有内部自诊断。4SIS设计应遵循的原则SIS设计应遵循的原则①原则上应独立设置（含检测和执行单元）；②中间环节最少；③应为故障安全型；④采用冗余容错结构。5故障安全原则故障安全原则组成SIS的各环节自身出现故障的概率不可能为零，且供电、供气中断亦可能发生。当内部或外部原因使SIS失效时，被保护的对象（装置）应按预定的顺序安全停车，自动转入安全状态（FaulttoSafety），这就是故障安全原则。具体体现：①现场开关仪表选用常闭接点，工艺正常时，触点闭合，达到安全极限时触点断开，触发联锁动作，必要时采用“二选一”、“二选二”或“三选二”配置。②电磁阀采用正常励磁，联锁未动作时，电磁阀线圈带电，联锁动作时断电。故障安全原则③送往电气配电室用以开/停电机的接点用中间继电器隔离，其励磁电路应为故障安全型。④作为控制装置（如PLC）“故障安全”意味着当其自身出现故障而不是工艺或设备超过极限工作范围时，至少应该联锁动作，以便按预定的顺序安全停车（这对工艺和设备而言是安全的）；进而应通过硬件和软件的冗余和容错技术，在过程安全时间（PST-ProcessSafetyTime）内检测到故障，自动执行纠错程序，排除故障。6隐故障与显故障隐故障与显故障隐故障（CovertFault）：不对危险产生报警，允许危险发展的故障，是故障危险故障（SHB-Z06-1999）。CovertFault：Faultthatcanbeclassifiedashidden，concealed，undetected，unrevealed，latent，ect.（ISA-S84.01-1996）显故障（OvertFault）：能显示出故障自身存在的故障，是故障安全故障（SHB-Z06-1999）。OvertFault：Faultthatcanbeclassifiedasannounced，detected，revealed，ect.（ISA-S84.01-1996）隐故障与显故障SIS系统拒动：当工艺条件达到或超过安全极限时，SIS本应引导工艺过程停车，但由于其自身存在隐性故障（危险故障），譬如输出开关被误连短路，而不能响应此要求，即该停车而拒停，降低了安全性。危险失效定义为这样一些失效，这些失效会阻止SIS系统对潜在的危险工况做出反应。隐故障与显故障SIS系统误动：在图4中，当输出开关由于某种原因处于非激励状态，即使潜在的危险工况没有发生，SIS也会进入一种安全失效状态见图5，这种情况经常被称为“误动”。误动可能会以许多不同方式发生。例如，输入电路可能会发生故障，从而使