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1、第一章 安全仪表系统【精选文档】目录第一章 1.1安全仪表系统（SIS）21。2 SIS设计应遵循的原则181。3 普通PLC和安全PLC的区别301。4 工艺过程风险的评估和安全完整性等级的评定331。5 SIS的相关标准及认证361.6 取得认证的SIS产品381.7 逻辑运算的基本公式42第八章 流体输送机组的控制43第九章 控制仪表与控制系统故障分析及处理70中国石油和化工自动化应用协会王立奉2013年10月1 安全仪表系统（SIS)1.1安全仪表系统（SIS)的定义及有关概念1。1.1 SIS定义1.1.2 IEC61508/IEC61511标准的贡献1.1。3安全功能1.1。4功能
2、安全1。1.5安全仪表功能（SIF）1。1.6安全完整性（SI）及安全完整性等级（SIL)1。1。7安全生命周期与功能安全管理1.1。8 SIF子系统的结构约束1。2.SIS设计应遵循的原则1。2.1 DCS与由PES构成的SIS的主要区别1.2.2 SIS设计应遵循的原则1。2。3 SIS的可用性及可用度1。2。4冗余容错1。2。5怎样通过冗余来改善系统的整体SIL水平1。2.6冗余逻辑表决方法及其安全性、可用性的关系1.3。普通PLC和安全PLC的区别1.4.工艺过程风险评估及安全完整性等级(SIL）的评定1.5。SIS的相关标准及评证1。5.1 SIS的相关标准1。5.2 SIL评证1.
3、6。取得认证的SIS产品1.7。逻辑运算的基本公式 1安全仪表系统（SIS）的定义及有关概念1.1 SIS的定义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。 SIS是一种经专门机构认证,具有一定安全完整性等级，用于降低过程风险，使风险达到可接受水平（允许风险）的安全保护系统。它不仅能响应生产过程因超出安全极限而带来的风险，而且能检测和处理自身的故障，从而按预定的条件或程序使生产过程处于安全状态,以确保人
4、员，设备及工厂周边环境的安全。 SIS的定义如图1-1所示图1-1 SIS的定义SIS由检测单元（如各类开关、变送器等）、控制单元和执行单元（如电磁阀、电动门等）组成，其核心部分是控制单元.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（Programmable Electronic System），即E/E/PES三个阶段. 图1-1为由PES构成的SIS系统。 国际电工委员会IEC61508标准中，SIS被称为安全相关系统（Safety Related System）,将被控对象称为被控设备（EUC）. I
5、EC61511将SIS定义为用于执行一个或多个安全仪表功能(Safety Instrumented Function，SIF）的仪表系统.SIS是由传感器，逻辑控制器,以及最终元件组合而成。 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，必须在安全要求规格书（Safety Requirement Specification，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。 SIS发展的三个阶段 继电器线路:可靠性很高，成本低，但是灵活性差，扩充系统、增加功能不易. 固态电路：模块化结构，
6、结构紧凑，可在线检测。易识别故障，元件互换容易，可冗余配置。可靠性不如继电器型，操作费用高，灵活性不够好. 安全PLC：以微处理器为基础，有专用软件和编程语言，编程灵活，具有强大的自测试、自诊断功能，冗余配置,容错技术,可靠性可做的很高。SIS的进一步发展出现了故障安全控制系统；专用的紧急停车系统模块化设计,完善的自检功能，系统的硬件、软件都取得相应等级的安全标准证书，配备有专用的程序事故记录仪,非常安全可靠,但价格也很高。1.2 IEC61508/IEC61511标准的贡献IEC61508/IEC61511标准的发布，首先将仪表系统的各种特定的应用，例如ESD、FG、ITCC、BMS、HIP
7、PS、ATP，都统一到SIS的概念下;其次，提出了以SIL为指针，基于绩效(Performance Based）的可靠性评估标准；再者，以安全生命周期（Safety Lifecycle)的架构,规定了各阶段的技术活动和功能安全管理活动。这样，SIS的应用形成了一套完整的体系，包括：设计理念和设计方法、仪表设备选型准入原则（基于经验使用和IEC61508符合性认证）、系统硬件配置和软件组态编程规则、系统集成、安装和调试、运行和维护,以及功能安全评估和审计等。 大体上，安全仪表系统的应用和发展，围绕着两大主题-安全功能（Safety Function)和功能安全（Functional Safety
8、).IEC61508/IEC61511为实现安全仪表系统的功能安全,建立了两大体系-技术体系和功能安全管理体系。1。3“安全功能”IEC61508将“安全功能”定义为：为了应对特定的危险事件（如灾难性的可燃性气体释放），由电气、电子、可编程电子安全相关系统，其他技术安全相关系统，或外部风险降低措施实施的功能，期望达到或保持被控设备（Equipment Under Control,EUC）处于安全状态。上述定义表明:安全功能的执行，并不局限于电气或电子安全仪表系统,还包括其他技术（如气动、液动、机械等技术）及外部风险降低措施（如储罐的外部防护堤堰）。因此，研究安全功能要综合考虑各种技术或措施的共
9、同影响：安全功能是着眼于应对特定的危险事件,也就是说，安全功能有其针对性。可见,安全功能是泛指各种风险降低措施执行的功能，SIF是由SIS执行的安全功能。1.4“功能安全 IEC61508将功能安全定义为：与EUC和EUC控制系统有关的、整体安全的一部分,取决于电气、电子、可编程电子安全相关系统,其他技术安全相关系统和外部风险降低措施机制的正确施行。 IEC61511将功能安全定义为：与工艺过程和BPCS有关的、整天安全的一部分,取决于SIS（安全仪表系统）和其他保护层机能的正确施行。 就安全仪表系统而言,功能安全探讨的是系统本身的绩效问题，即SIS在实现其安全功能时，能够降低风险的能力。因此
10、，功能安全成为SIS设计和运行管理的核心问题之一。1。5安全仪表功能（SIF） SIF,即由SIS执行的安全功能，物理结构上由传感器、逻辑控制器，以及最终执行元件组成，如图1-2所示。 不过SIF的最基本特征是“应对特定的危险事件”并实现必要的风险降低.图12 SIF示例SIF是在过程危险分析及风险评估中辨识出来的，并根据必要的风险降低要求，确定其SIL要求。因此，SIF是进行SIL评估的基础。图1-3表示一个SIF的实例。在这个SIF中，操作人员的手动动作也可以成为SIF的一部分。在这种情况下，评估SIF的风险投资降低绩效水平，要将人工的失效概率考虑在内.图1-3 包含操作员手动动作的SIF
11、PAH压力高报警;HS手动开关（或按钮）在IEC61508/IEC61511标准中，不再使用“联锁一词”，而改用“E/F/PE安全功能”或者“安全仪表功能”。 “安全连锁”与“安全仪表功能有大致相同的含义，不过“安全仪表功能有更明确的界定：由SIS实现的安全功能.用于特定危险事件的风险降低.有明确的绩效或安全完整性（SIL）要求。需要注意的是，SIF在物理上由传感器、逻辑控制器，以及最终执行元件构成,为什么采用“安全仪表功能”这一相对抽象的名称呢？这是因为在危险和风险分析以及安全保护层分配阶段，安全是从工艺过程的风险降低要求角度，辨识并确定需要的安全功能要求和它绩效要求（安全完整性要求）,此时
12、还没有到SIS设备选型阶段，也就是说，关注的是“要求”,而非如何实现这一“要求”。1。6安全完整性(SI）及安全完整性等级(SIL） 1。6.1安全完整性（SI)SIS执行安全功能时的绩效或可能达到的功能安全水平,采用安全完整性（Safety Integrity）来表征。安全完整性定义为：在规定的状态和时间周期内，SIS圆满完成所要求的安全功能的概率。安全完整性包括硬件安全完整性（Hardware Safety Integrity)，软件安全完整性（software Safety Integrity)，以及系统安全完整性（Systematic Safety Integrity)。硬件安全完整性
13、用于表征在危险失效模式（Dangerous Failure Mode）下，随机硬件失效（Random Hardware Failure）的可能性。随机硬件失效是指系统在正常使用状态下，在某个时间点,一个或多个元件随机出现故障(Fault)，依据硬件内可能的降级机制（Degradation Mechanism），导致发生某种功能的失效。通过对系统的失效模式及其影响进行分析（Failure Modes and Effects Analysis，FMEA),借助于有效的失效率数据，可以对硬件的安全完整性进行评估计算,并且可以准确到合理的水平.另外，可以通过采用冗余结构（Redundant Archi
14、tectures）设计等措施，有效提高硬件的安全完整性。软件安全完整性用于表征可编程电子系统中的软件，在规定的状态和时间周期内,实现其安全功能的可能性。系统性安全完整性用于表征在危险失效模式下系统性失效.导致系统性失效发生的典型因素包括：系统设计错误或缺陷，不当的安装、调试,不当的操作，缺乏维护管理,以及软件设计漏洞和组态缺陷等。系统性失效在很大程度上都是人为失误造成的,要准确地计算评估其失效率非常困难，因此，IEC61508/IEC61511都强调在安全生命周期的架构下，通过有效的功能安全管理，来提高系统性安全完整性。1。6.2安全完整性等级(SIL) 1。6.2.1隐故障与显故障隐故障（C
15、overt Fault）:不对危险产生报警，允许危险发展的故障，是故障危险故障（SHBZ06-1999）。Covert Fault：Fault that can be classified as hidden，concealed，undetected，unrevealed,latent，ect。（ISAS841996） 显故障（Overt Fault):能显示出故障自身存在的故障,是故障安全故障(SHBZ061999)。Overt Fault：Fault that can be classified as announced，detected，revealed,ect.（ ISA-S841996）1.6。2。2安全性及响应失效率当工艺条件达到或超过安全极限值时,SIS本应引导工艺过程停车，但由于其自身存在隐故障（危险故障）而不能响应此要求，即该停车而拒停，降低了安全性.
