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1、GE GE 安全仪表培训讲义安全仪表培训讲义1 什么是安全仪表系统什么是安全仪表系统?1 什么是安全仪表系统什么是安全仪表系统? 在在IEC61508 中，中，SIS被称为安全相关系统（被称为安全相关系统（Safety Related System）,将被控对象称为被控设备（将被控对象称为被控设备（EUC）。）。IEC61511将安全仪表系统将安全仪表系统SIS定义为用于执行一个或多个安全仪定义为用于执行一个或多个安全仪表功能（表功能（Safety Instrumented Function,SIF）的仪表系统。）的仪表系统。SIS是由是由传感器传感器（如各类开关、变送器等）（如各类开关、变送
2、器等）、逻辑控制器、以及最终元件、逻辑控制器、以及最终元件（如电磁阀、电动门等）（如电磁阀、电动门等）的组合组成的组合组成,如图如图1所示。所示。IEC61511又进一步指出，又进一步指出，SIS可以包括，也可以不包括软件。另可以包括，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，必须在安的有机组成部分时，必须在安全规格书（全规格书（Safety Requirement Specification,SRS)中对人员操作动作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。的绩
3、效计算中。从从SIS的发展过程看，其控制单元部分经历了电气继电器的发展过程看，其控制单元部分经历了电气继电器（Electrical）、电子固态电路（）、电子固态电路（Electronic）和可编程电子系统）和可编程电子系统（Programmable Electronic System），即），即E/E/PES三个阶段。三个阶段。 图图1 SIS的构成的构成 检测单元检测单元输入模块输入模块控制模块控制模块输出模块输出模块执行单元执行单元PES下图为由下图为由PES构成的构成的SIS SIS安全仪表系统安全仪表系统nSIF安全仪表功能可以是安全仪表保护功能，也可以是安全仪表功能可以是安全仪表保护
4、功能，也可以是安全仪表控制功能，或包含这两者。安全仪表控制功能，或包含这两者。n需要说明的是，这里所说的安全仪表控制功能，是指需要说明的是，这里所说的安全仪表控制功能，是指以连续模式（以连续模式（Continuous Mode）操作并具有特定的）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，用于防止危险状态发生或者减轻其发生的后果，与常规的与常规的PID控制功能是完全不同的概念。控制功能是完全不同的概念。nSIS可以包括或不包括软件可以包括或不包括软件nSIS的一部分也可能是人的动作的一部分也可能是人的动作SIS安全仪表系统安全仪表系统 如图如图2所示，这是一个气液分离容器
5、所示，这是一个气液分离容器A液位控制的安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，逻辑运算器是：当容器液位开关达到安全联锁值时，逻辑运算器（图（图3）使电磁阀）使电磁阀2断电，则切断进调节阀膜头信号，断电，则切断进调节阀膜头信号，使调节阀切断容器使调节阀切断容器A进料，这个动作要在进料，这个动作要在3秒内完成，秒内完成，安全等级必须达到安全等级必须达到SIL2。这是一个安全仪表功能的完。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，则是类似一个或多整描述，而所谓的安全仪表系统，则是类似一个
6、或多个这样的安全仪表功能的集合。个这样的安全仪表功能的集合。图图2 安全仪表回路图安全仪表回路图图图2 说明说明1.L液面超高液面超高-L1接点闭合接点闭合-Z带电。带电。2.Z1常闭接点打开，常闭接点打开，S线圈断电。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。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。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。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旁：旁
7、路联锁保护作用，用于开车或检修联锁信号仪表仪表。图图3 SIS逻辑图逻辑图SIS安全仪表系统安全仪表系统大大多多石石油油和和化化工工生生产产过过程程具具有有高高温温、高高压压、易易燃燃、易易爆爆、有有毒毒等等危危险险。当当某某些些工工艺艺参参数数超超出出安安全全极极限限，未未及及时时处处理理或或处处理理不不当当时时，便便有有可可能能造造成成人人员员伤伤亡亡、设设备备损损坏坏、周周边边环环境境污污染染等等恶恶性性事事故故。这这就就是是说说，从从安安全全的的角角度度出出发，石油和化工生产过程自身存在着固有的风险。发，石油和化工生产过程自身存在着固有的风险。总总之之，SIS是是一一种种经经专专门门机
8、机构构认认证证，具具有有一一定定安安全全完完整整性性水水平平，用用于于降降低低生生产产过过程程风风险险的的仪仪表表安安全全保保护护系系统统。它它不不仅仅能能响响应应生生产产过过程程因因超超过过安安全全极极限限而而带带来来的的风风险险，而而且且能能检检测测和和处处理理自自身身的的故故障障，从从而而按按预预定定条条件件或或程程序序使使生生产产过过程程处处于于安安全全状状态态，以以确确保保人人员员、设设备备及及工工厂厂周周边边环境的安全。环境的安全。SIS安全仪表系统安全仪表系统按照按照SIS的定义，下述系统均属于安全仪表系统：的定义，下述系统均属于安全仪表系统：n安全联锁系统（安全联锁系统（Saf
9、ety Interlock SystemSIS）n安全关联系统（安全关联系统（Safety Related SystemSRS）n仪表保护系统（仪表保护系统（Instrument Protective SystemIPS）n透平压缩机集成控制系统（透平压缩机集成控制系统（Integrated Turbo & Compressor Control SystemITCC）n火灾及气体检测系统（火灾及气体检测系统（Fire and gas systemsF&G）n紧急停车系统（紧急停车系统（Emergency Shutdown DeviceESD）n燃烧管理系统（燃烧管理系统（Burner Mana
10、gement System）n列车自动防护系统（列车自动防护系统（ATP）2 SIS的相关标准及认证机构的相关标准及认证机构 SIS的相关标准及认证机构的相关标准及认证机构 鉴鉴于于SIS涉涉及及到到人人员员、设设备备、环环境境的的安安全全，因因此此各各国国均均制制定定了了相相关关的的标标准准、规规范范，使使得得SIS的的设设计计、制制造造、使使用用均均有有章章可可循循。并并有有权权威威的的认认证证机机构构对对产产品品能能达达到到的的安安全全等等级级进进行行确确认认。这这些些标标准准、规规范范及及认认证证机机构构主主要要有：有：我国石化集团制定的行业标准我国石化集团制定的行业标准SHB-Z06
11、-1999石油化石油化工紧急停车及安全联锁系统设计导则工紧急停车及安全联锁系统设计导则。2006年、年、2007年等同采用年等同采用IEC61508、IEC61511的中国的中国国家标准国家标准GB/T20438、GB/T21109相继发布，中国的功相继发布，中国的功能安全标准开始规范我国的功能安全工作。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的相关标准及认证机构 国际电工委员会国际电工委员会1997年制定的年制定的IEC 61508/61511标准，标准，对用机电设备（继电器）、固态电子设备、可编程电对用机电设备（继电器）、固态电子设备、可编程电子设备（子设备（PLC
12、）构成的安全联锁系统的硬件、软件及）构成的安全联锁系统的硬件、软件及应用作出了明确规定。应用作出了明确规定。美国仪表学会制定的美国仪表学会制定的ISA-S84.01-1996安全仪表系统安全仪表系统在过程工业中的应用在过程工业中的应用。美国化学工程学会制定的美国化学工程学会制定的AICHE（ccps）-1993，化化学过程的安全自动化导则学过程的安全自动化导则。英国健康与安全执行委员会制定的英国健康与安全执行委员会制定的HSE PES-1987，可编程电子系统在安全领域的应用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的相关标准及认证机构 德国国家标准中有安全系统制造厂商标准德国
13、国家标准中有安全系统制造厂商标准-DIN V VDE 0801、过程操作用户标准、过程操作用户标准-DIN V 19250和和DIN V 19251、燃烧管理系统标准、燃烧管理系统标准-DIN VDE 0116等。等。德国技术监督协会（德国技术监督协会（TV）是一个独立的、权威的认）是一个独立的、权威的认证机构，它按照德国国家标准（证机构，它按照德国国家标准（DIN），将），将ESD所达所达到的安全等级分为到的安全等级分为AK1AK8，AK8安全级别最高。安全级别最高。其中其中AK4、AK5、AK6为适用于石油和化学工业为适用于石油和化学工业 取得取得TUV认证的认证的SIS产品产品 SIS的
14、相关标准及认证机构的相关标准及认证机构 在国内石化行业中应用的在国内石化行业中应用的SIS产品中，经过产品中，经过TUV认证的主要认证的主要有：有：nTricon、Triden，美国，美国Triconex公司开发用于压缩机综合控公司开发用于压缩机综合控制（制（ITCC）和紧急停车系统。安全等级为）和紧急停车系统。安全等级为AK6（SIL3）。）。nFSC（Fail safe control），由荷兰），由荷兰P&F（Pepper&Fuchs）公司开发，公司开发，1994年被年被Honeywell公司收购。安全等级可达公司收购。安全等级可达AK6（SIL3）SIS的相关标准及认证机构的相关标准及
15、认证机构 nHIMA PES，HIMA是德国一家专业生产安全控制设备的是德国一家专业生产安全控制设备的公司，公司，PES (Programmable Electronic System)是可编程电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。主要由系统。主要由H41q和和H51q系统组成。系统组成。H41q也叫小系统，也叫小系统，它分为不冗余的系统和冗余的系统，不冗余系统型号为它分为不冗余的系统和冗余的系统，不冗余系统型号为H41qM，冗余系统又分为高可靠系统，冗余系统又分为高可靠系统H41qH和高性能和高性能系统系统H41
16、qHR。H51q称为模块化的系统，它也分为不冗称为模块化的系统，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余的系统和冗余的系统，不冗余的系统型号为H51qH和和高性能系统高性能系统H51qHR。各种型号的。各种型号的PES都具有都具有TUV AK16级认证。级认证。SIS的相关标准及认证机构的相关标准及认证机构 nProsafeRS，是横河电机安全仪表系统，其特点是与，是横河电机安全仪表系统，其特点是与CENTUMCS.3000 R3的技术融合，即实现了与的技术融合，即实现了与DSC的无缝的无缝集成。非冗余取量即可实现集成。非冗余取量即可实现SIL3，通过冗余取量实现更高，通过冗余取
17、量实现更高的可用性。的可用性。nQUADLOG，由，由MOORE公司开发，日本横河电机公司收公司开发，日本横河电机公司收购后称购后称prosafe plc，其，其1oo2D结构安全等级达结构安全等级达AK6 (SIL3)；nSIMATICS7400F/FH，德国，德国SIEMENS公司产品。公司产品。400F和和400FH分别为分别为1个个CPU和和2个个CPU运行运行fail-safe（F）用户）用户程序，均取得程序，均取得TUV认证，安全等级为认证，安全等级为AK1AK6（SIL1SIL3）；）；SIS的相关标准及认证机构的相关标准及认证机构 nRegent Trusted，美国，美国IC
18、S利用宇航技术开发的安全系统。利用宇航技术开发的安全系统。安全等级安全等级AK4AK6（SIL2SIL3）；）；nGMR90-70，美国，美国GE Fanuc公司开发。其中公司开发。其中GMR90-70(模模块式冗余容错块式冗余容错)的安全等级为的安全等级为class 5（2oo3），），class 4（1oo2）和）和class 5（2oo2）；）；nTRIGUARD SC300E， AUGUST公司开发，公司开发，1999年成为年成为ABB集团成员之一，安全等级为集团成员之一，安全等级为class 5和和class 6，系统结，系统结构为构为2oo3；nSafeguard 400&300，
19、ABB Industry公司开发，系统结构公司开发，系统结构1oo2D。3 SIS和和DCS的比较的比较 SIS和和DCS的比较的比较DCS与由与由PES构成的构成的SIS的主要区别有：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和和DCS的比较的比较n系统的组成：系统的组成：DCS一般是由人机界面操作站、通信总线及一般是由人机界面操作站、通信总线及现场控制站组成；而现场控制站组成；而SIS系统是由传感器、逻辑解算器和系统是由传感器、逻辑解算器和最终
20、元件三部分组成。及最终元件三部分组成。及DCS不含检测执行部分。不含检测执行部分。 n实现功能：实现功能：DCS用于过程连续测量、常规控制（连续、顺用于过程连续测量、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；而至最佳工况；而SIS是超越极限安全即将工艺、设备转至是超越极限安全即将工艺、设备转至安全状态。安全状态。 n工作状态：工作状态：DCS是主动的、动态的，它始终对过程变量连是主动的、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续进行检测、运算和控制，对生产过程动态控制确保
21、产品质量和产量。而质量和产量。而SIS系统是被动的、休眠的系统是被动的、休眠的 。 SIS和和DCS的比较的比较n安全级别：安全级别：DCS安全级别低，不需要安全认证；而安全级别低，不需要安全认证；而SIS系系统级别高，需要安全认证。统级别高，需要安全认证。 n应对失效方式：应对失效方式：DCS系统大部分失效都是显而易见的，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；失效；SIS失效就没那么明显了，因此确定这种休眠系统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是
22、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。部自诊断。 4 SIS设计应遵循的原则设计应遵循的原则SIS设计应遵循的原则设计应遵循的原则原则上应独立设置（含检测和执行单元）；原则上应独立设置（含检测和执行单元）；中间环节最少；中间环节最少；应为故障安全型；应为故障安全型；采用冗余容错结构。采用冗余容错结构。 5 故障安全原则故障安全原则故障安全原则故障安全原则 组成组成SIS的各环节自身出现故
23、障的概率不可能为零，的各环节自身出现故障的概率不可能为零， 且且供电、供气中断亦可能发生。供电、供气中断亦可能发生。 当内部或外部原因使当内部或外部原因使SIS失效时，被保护的对象（装置）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（应按预定的顺序安全停车，自动转入安全状态（Fault to Safety），这就是故障安全原则。），这就是故障安全原则。 具体体现：具体体现：现场开关仪表选用常闭接点，工艺正常时，触点闭合，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
24、二选一”、“二选二二选二”或或“三选二三选二”配置。配置。电磁阀采用正常励磁，联锁未动作时，电磁阀线圈带电，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。联锁动作时断电。故障安全原则故障安全原则送往电气配电室用以开送往电气配电室用以开/停电机的接点用中间继电器隔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。离，其励磁电路应为故障安全型。 作为控制装置（如作为控制装置（如PLC）“故障安全故障安全”意味着当其自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，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（这至少应该
25、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（件的冗余和容错技术，在过程安全时间（PST-Process Safety Time）内检测到故障，自动执行纠错程序，排）内检测到故障，自动执行纠错程序，排除故障。除故障。 6 隐故障与显故障隐故障与显故障隐故障与显故障隐故障与显故障n隐故障（隐故障（Covert Fault）：不对危险产生报警，允许危）：不对危险产生报警，允许危险发展的故障，是故障危险故障（险发展的故障，是故障危险故障（SHB-Z06-1999）。）。 Cover
26、t Fault：Fault that can be classified as hidden， concealed， undetected， unrevealed， latent， ect. （ISA-S84.01-1996）n显故障（显故障（Overt Fault）：能显示出故障自身存在的故）：能显示出故障自身存在的故障，是故障安全故障（障，是故障安全故障（SHB-Z06-1999）。）。 Overt Fault：Fault that can be classified as announced， detected， revealed，ect.（ISA-S84.01-1996）隐故障与显故障
27、隐故障与显故障SIS系统拒动：系统拒动：当工艺条件达到或超过安全极限时，当工艺条件达到或超过安全极限时，SIS本应引导本应引导工艺过程停车，但由于其自身存在隐性故障（危工艺过程停车，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。系统对潜在的危险工况做出反应。 隐故障与显故障隐故障与显故障SIS系统误动：系统误动：在图在图4中，当输出
28、开关由于某种原因处于非激励状态，即中，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，使潜在的危险工况没有发生，SIS也会进入一种安全失效也会进入一种安全失效状态见图状态见图5，这种情况经常被称为，这种情况经常被称为“误动误动”。误动可能会。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，以许多不同方式发生。例如，输入电路可能会发生故障，从而使逻辑解算器误认为是传感器检测到了危险工况，而从而使逻辑解算器误认为是传感器检测到了危险工况，而事实上并没有这种情况发生。逻辑解算器本身也可能出现事实上并没有这种情况发生。逻辑解算器本身也可能出现运算错误，并导致输出回路失电，
29、输出回路可能出现开路。运算错误，并导致输出回路失电，输出回路可能出现开路。SIS的许多元件失效均会导致系统进入安全失效状态。的许多元件失效均会导致系统进入安全失效状态。图图4 正常运行时的正常激励系统正常运行时的正常激励系统SIS负载压力开关开关量输入正常运行时开关闭合，非正常运行时开关打开+正常工作时输出开关处在激励状态非正常运行时输出开关处在失励状态输出开关+图图5SIS负载压力开关开关量输入即使压力开关闭合，由于输入电路的故障SIS也会误认为它是打开的+输出电路发生开路故障逻辑解算器不能读取1输入，不能进行正常的逻辑运算，也不能生成逻辑1输出输出开关+PFS（安全故障概率）：正常激励的（
30、安全故障概率）：正常激励的SIS系统在它的输出非系统在它的输出非激励时，就会处于故障状态，这有一个概率。称为安全故障激励时，就会处于故障状态，这有一个概率。称为安全故障概率（概率（PFS），或称误动率。），或称误动率。PFD（要求时失效概率）：这是一个衡量安全性的指标，称（要求时失效概率）：这是一个衡量安全性的指标，称为要求时失效概率。它意味着系统是危险的。它不会再要求为要求时失效概率。它意味着系统是危险的。它不会再要求（潜在的紧急条件）发生时产生响应。（潜在的紧急条件）发生时产生响应。SIS的功能安全的功能安全安全仪表系统必须在工业系统出现危险情况时正确执行其对安全仪表系统必须在工业系统出现
31、危险情况时正确执行其对应的安全功能，安全仪表系统的这种特性被称为功能安全。应的安全功能，安全仪表系统的这种特性被称为功能安全。功能安全实际上讲的是功能安全实际上讲的是SIS系统自身的安全问题。系统自身的安全问题。SIS的安全功能的安全功能n如图如图6示安全仪表系统，该系统由一个压力变送器、一个示安全仪表系统，该系统由一个压力变送器、一个阀门和一个安全阀门和一个安全PLC组成的组成的SIS系统。系统。n压力变送器检测容器内压力并将其变换成合适的信号传压力变送器检测容器内压力并将其变换成合适的信号传送给安全送给安全PLC，安全，安全PLC判断若压力超过了额定值则打判断若压力超过了额定值则打开阀门以
32、降低容器内压力，这被称为安全系统的一个安开阀门以降低容器内压力，这被称为安全系统的一个安全功能。很明显例子中仪表安全系统只有一个安全功能。全功能。很明显例子中仪表安全系统只有一个安全功能。如果三个设备有一个或多个失效，安全功能将失效，即如果三个设备有一个或多个失效，安全功能将失效，即它将不能对压力容器内压力进行限制。因此安全仪表系它将不能对压力容器内压力进行限制。因此安全仪表系统的安全性能由传感器、逻辑解算器和执行器三部分功统的安全性能由传感器、逻辑解算器和执行器三部分功能决定。能决定。nSIS安全功能实际上讲的是让安全功能实际上讲的是让SIS执行什么样的安全任务，执行什么样的安全任务，如何保
33、护受控设备。如何保护受控设备。图图6 反应器的安全仪表系统反应器的安全仪表系统 PS Logic solve 逻辑解算器feed valve进料阀Reactor反应器TSFeed进料Pressure Sensor压力变送器Temperature Sensor 温度变送器当反应器温度及压力超高达到危险状当反应器温度及压力超高达到危险状态时都要停车，关断进料阀。态时都要停车，关断进料阀。 7 安全性及响应失效率安全性及响应失效率安全性及响应失效率安全性及响应失效率n当工艺条件达到或超过安全极限值时，当工艺条件达到或超过安全极限值时，SIS本应引导工艺本应引导工艺过程停车，但由于其自身存在隐故障（危
34、险故障）而不过程停车，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。能响应此要求，即该停车而拒停，降低了安全性。 n衡量安全性的指标为响应失效率或称要求的故障率衡量安全性的指标为响应失效率或称要求的故障率（PFD：Probability of Failure on Demand）。它是安全）。它是安全联锁系统按要求执行指定功能的故障概率。是度量安全联锁系统按要求执行指定功能的故障概率。是度量安全联锁系统按要求模式工作故障率的目标值（联锁系统按要求模式工作故障率的目标值（SHB-Z06-1999）。）。 n不同的工业过程（如生产规模、原料和产品的种类、工不同的
35、工业过程（如生产规模、原料和产品的种类、工艺和设备的复杂程度等）对安全的要求是不同的。上述艺和设备的复杂程度等）对安全的要求是不同的。上述的国际标准将其划分为若干安全完整性等级（的国际标准将其划分为若干安全完整性等级（SIL：Safety Integrity Level）。）。 安全完整性等级安全完整性等级Safety Integrity Level（SIL）安全完整性等级（安全完整性等级（SIL）是一种离散的等级，用来规定分）是一种离散的等级，用来规定分配给配给E/E/PE安全相关系统安全功能的安全完整性要求。安全相关系统安全功能的安全完整性要求。n安全完整性等级可分为安全完整性等级可分为4
36、个等级，个等级，SIL4是安全完整性最是安全完整性最高的等级（平均概率最高），高的等级（平均概率最高），SIL1是最低等级；是最低等级；n安全完整性等级越高，应执行所要求的安全功能的概率安全完整性等级越高，应执行所要求的安全功能的概率也越高；也越高；n根据安全相关系统使用方式，要求发生的频率可分为低根据安全相关系统使用方式，要求发生的频率可分为低要求操作模式（要求操作模式（1次次/年）。年）。 安全完整性等级安全完整性等级Safety Integrity Level（SIL）n根据根据GB/T 20438标准，在不同的操作模式下，标准，在不同的操作模式下，安全完整性的目标失效概率和目标风险降低
37、见安全完整性的目标失效概率和目标风险降低见下表下表1-1和和1-2。n采用不同的操作模式结构有可能使用几个安全采用不同的操作模式结构有可能使用几个安全完整性等级较低的系统来满足一个较高安全完完整性等级较低的系统来满足一个较高安全完整性等级功能的需要（例如：使用一个整性等级功能的需要（例如：使用一个SIL2和和一个一个SIL1的系统共同来满足一个的系统共同来满足一个SIL3功能的需功能的需要）。要）。 表1-1 安全完整性等级：要求时的失效概率低要求操作模式（平均失效概率）低要求操作模式（平均失效概率） 安全完整性等级安全完整性等级（SIL）要求时的目标平均失效要求时的目标平均失效概率概率 目标
38、风险降低目标风险降低 410-510000100000 310-4100010000 210-31001000 110-210100 表1-2 安全完整性等级：SIF的危险失效概率 高要求或连续操作模式（每小时危险失效概率）高要求或连续操作模式（每小时危险失效概率） 安全完整性等级安全完整性等级（SIL）执行仪表安全功能的目标危险失效概率执行仪表安全功能的目标危险失效概率410-910-8 310-810-7 210-710-6 110-610-5 表1-3 SIL与PFD的对应关系 ISA-S84.01IEC 61508DIN V 19520(TUV)PFDSIL 1SIL 1AK110-1
39、10-2AK2AK3SIL 2SIL 2AK410-210-3SIL 3SIL 3AK510-310-4AK6SIL 4AK710-410-5AK88 可用性及可用度可用性及可用度可用性及可用度可用性及可用度工艺条件并未达到安全极限值，工艺条件并未达到安全极限值，SIS不应引导工艺过程停不应引导工艺过程停车，但由于其自身存在显故障（安全故障）而导致工艺过车，但由于其自身存在显故障（安全故障）而导致工艺过程停车，即不该停车而误停，降低了可用性。程停车，即不该停车而误停，降低了可用性。可用度（可用度（A：Availability）是指系统可使用工作时间的概）是指系统可使用工作时间的概率，用百分数计
40、算：率，用百分数计算： （SHB-Z06-1999） MTBF：平均故障间隔时间（Mean Time Between Failures）MDT：平均停车时间（Mean Downtime）MTTF、MTTR、MTBF 与与SIL的关系的关系 MTBF：平均故障间隔时间（：平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure）MTTR：平均恢复时间（：平均恢复时间（Mean Time to Repair）MTTF：平均无故障时间（：平均无故障时间（Mean Time to Failure）例如：例如：开车MTTF（SIS系统运行总时间）MTTR24h（SIS故障时间）MTBF200
41、0h发生危险故障图图7 MTTF、MTTR和和MTBF MTTF、MTTR、MTBF 与与SIL的关系的关系 MTTF=MTTR+MTBF PFD=MTTR/（MTBF+MTTR）已知已知 MTTR=24H MTBF=2000H则则 PFD=24/(24+2000)=0.0119所以硬件安全完整性等级达到所以硬件安全完整性等级达到SIL1水平。水平。9 冗余和容错冗余和容错冗余和容错冗余和容错n冗余（冗余（Redundant）：具有指定的独立的）：具有指定的独立的N：1重元件，重元件，并且可以自动地检测故障，切换到后备设备上。并且可以自动地检测故障，切换到后备设备上。 （SHB Z06 199
42、9）n冗余系统（冗余系统（Redundant System）：并行地使用多个系统）：并行地使用多个系统部件，以提供错误检测和错误校正能力的系统。部件，以提供错误检测和错误校正能力的系统。 （SHB Z06 1999）。）。冗余和容错冗余和容错n容错（容错（Fault Tolerant）：具有内部冗余的并行元件和集）：具有内部冗余的并行元件和集成逻辑，当硬件或软件部分故障时，能够识别故障并使成逻辑，当硬件或软件部分故障时，能够识别故障并使故障旁路，进而继续执行指定的功能。或在硬件和软件故障旁路，进而继续执行指定的功能。或在硬件和软件发生故障的情况下，系统仍具有继续运行的能力。它往发生故障的情况下
43、，系统仍具有继续运行的能力。它往往包括三方面的功能：第一是约束故障，即限制过程或往包括三方面的功能：第一是约束故障，即限制过程或进程的动作，以防止在错误被检测出来之前继续扩大；进程的动作，以防止在错误被检测出来之前继续扩大；第二是检测故障，即对信息和过程或进程的动作进行动第二是检测故障，即对信息和过程或进程的动作进行动态检测；第三是故障恢复即更换或修正失效的部件。态检测；第三是故障恢复即更换或修正失效的部件。（SHB Z06 1999）冗余和容错冗余和容错n容错系统（容错系统（Fault Tolerant System）：具有容错结构的）：具有容错结构的硬件与软件系统。硬件与软件系统。 （SH
44、B Z06 1999）n总之，通过冗余和故障屏蔽的结合来实现容错。容错系总之，通过冗余和故障屏蔽的结合来实现容错。容错系统一定是冗余系统，冗余系统不一定是容错系统。容错统一定是冗余系统，冗余系统不一定是容错系统。容错系统的冗余形式有双重、三重、四重等。图系统的冗余形式有双重、三重、四重等。图8和图和图9、图、图10分别表示分别表示CPU冗余（双机热备）和三重化冗余容错系冗余（双机热备）和三重化冗余容错系统。统。图图8 CPU冗余（双机热备）冗余（双机热备）CPU 1CPU 2开关输入/输出现场设备图图9 三重信号冗余容错系统三重信号冗余容错系统图图10 三重模块冗余容错系统三重模块冗余容错系统
45、输入输入输入CPU CCPU B输出输出2oo3 表决器输出CPU A输入端子输出端子怎样通过冗余来改善系统的整体怎样通过冗余来改善系统的整体SIL水平水平 n当一个当一个SIS系统的安全完整性等级要求为系统的安全完整性等级要求为SIL3，而实际，而实际配置为传感器为配置为传感器为2.210-3(SIL 2)，逻辑解算器为，逻辑解算器为1.310-4(SIL3)（包括（包括I/O接口），终端执行器为接口），终端执行器为2.4110-3（SIL2）,所以整个系统为所以整个系统为SIL2不满足要求。不满足要求。n于是我们改变传感器的配置结构，选择于是我们改变传感器的配置结构，选择1oo2冗余，其冗
46、余，其中共因失效中共因失效=10%，诊断覆盖率（，诊断覆盖率（DC）=90%，可以算，可以算出出1oo2传感器的结构的传感器的结构的PFD=2.310-4，达到，达到SIL3的水的水平，同理可以配置执行器为平，同理可以配置执行器为1oo2冗余结构，也可达到冗余结构，也可达到SIL3的要求，于是最终整体的要求，于是最终整体SIS系统的系统的SIL可以达到可以达到SIL3的要求。的要求。 怎样通过冗余来改善系统的整体怎样通过冗余来改善系统的整体SIL水平水平 n这个问题的解决给我们以启示，当装置引进一个这个问题的解决给我们以启示，当装置引进一个SIS系系统时，整体安全完整性等级不仅取决于逻辑解算器
47、部统时，整体安全完整性等级不仅取决于逻辑解算器部分，而且传感器、终端执行器部分也非常关键。配置分，而且传感器、终端执行器部分也非常关键。配置系统时，除了引进一个系统时，除了引进一个SIL3的安全仪表系统，譬如的安全仪表系统，譬如FSC等，还要将传感器、终端执行器一并讨论。算出等，还要将传感器、终端执行器一并讨论。算出SIS整体的整体的SIL数据，定量的安全仪表系统配置任务才数据，定量的安全仪表系统配置任务才算完成。算完成。冗余表决方法及其安全性、可用性的关系冗余表决方法及其安全性、可用性的关系可用性（可用性（A：Availability）是指系统可使用工作时间（连）是指系统可使用工作时间（连续
48、运行时间）的概率，用百分数计算续运行时间）的概率，用百分数计算A值越大，可用性越值越大，可用性越好：好：A = MTBF/(MTBF+MTTR)而而PFD= MTTR /(MTBF+MTTR)PFD越小则安全性越好。越小则安全性越好。冗余逻辑表决方法及安全性冗余逻辑表决方法及安全性-可用性的关系例子如下表所示可用性的关系例子如下表所示 。表决方法表决方法隐隐故障概率故障概率（拒（拒动动）显显故障概率故障概率（误动误动）允允许许不允不允许许安全性安全性可用性可用性一一选选一一 1oo11oo10.020.02（短路的概（短路的概率）率）0.040.04（开路的概（开路的概率）率）存在存在隐隐故障
49、故障和和显显故障故障差差差差二二选选一一 1oo21oo20.00040.0004（两个均短（两个均短路的概率）路的概率）0.080.08（只要有一（只要有一个开路的概个开路的概率）率）其中之一存其中之一存在在隐隐故障故障（仍可安全（仍可安全停停车车）其中之一存其中之一存在在显显故障故障（将（将误误停停车车）最好最好最差最差二二选选二二 2oo22oo20.040.04（只要有一（只要有一个短路的概个短路的概率）率）0.00160.0016（两个均开（两个均开路的概率）路的概率）其中之一存其中之一存在在显显故障故障（不会（不会误误停停车车）其中之一存其中之一存在在隐隐故障故障（该该停拒停）停拒
50、停）最差最差最好最好三三选选二二 2oo32oo30.00120.0012（三个中两（三个中两个均短路的个均短路的概率）概率）0.00480.0048（三个中两（三个中两个均开路的个均开路的概率）概率）其中之一存其中之一存在在隐隐故障或故障或显显故障故障其中两个存其中两个存在在隐隐故障或故障或显显故障故障较较好好较较好好表表2 冗余逻辑的表决方法及其与安全性、可用性的关系冗余逻辑的表决方法及其与安全性、可用性的关系注：此表中故障概率数据摘自西门子公司资料 冗余表决方法及其安全性、可用性的关系冗余表决方法及其安全性、可用性的关系以上可见：以上可见：隐故障（危险故障）使隐故障（危险故障）使SIS该
51、动而拒动，隐故障概率越该动而拒动，隐故障概率越高，安全性越差。高，安全性越差。显故障（安全故障）使显故障（安全故障）使ESD不该动而误动，显故障概不该动而误动，显故障概率越高，可用性越差。率越高，可用性越差。1oo2（二选一）安全性最好，但可用性最差；（二选一）安全性最好，但可用性最差；2oo2（二选（二选二）可用性最好，但安全性最差；二）可用性最好，但安全性最差；2oo3（三选二）可兼顾（三选二）可兼顾10 普通普通PLC和安全和安全PLC的区别的区别普通普通PLC和安全和安全PLC的区别的区别n普通普通PLC和可以作为和可以作为ESD控制部分的安全控制部分的安全PLC的主要区的主要区别是：
52、普通别是：普通PLC不是按故障安全型设计的，当系统内不是按故障安全型设计的，当系统内部元件出现短路故障时，它并不能检测到，因此其输部元件出现短路故障时，它并不能检测到，因此其输出状态不能保证系统回到预定的安全状态。这种出状态不能保证系统回到预定的安全状态。这种PLC只能用于安全度等级要求低的场合。现以输出电路为只能用于安全度等级要求低的场合。现以输出电路为例予以说明。例予以说明。 n图图11是普通是普通PLC DO卡示意图。卡示意图。图图11 普通普通PLC DO卡示意图卡示意图+24VDC来自CPU的控制信号接负载，如电磁阀0V DC12普通普通PLC DO卡卡n当当1、2两点短路时，来自两
53、点短路时，来自PLC的控制信号将不起作用的控制信号将不起作用（失效），电磁阀将一直处于带电（励磁）状态，即（失效），电磁阀将一直处于带电（励磁）状态，即需要联锁动作（电磁阀释电停车）时，由于此故障的需要联锁动作（电磁阀释电停车）时，由于此故障的存在而拒动，其输出不能保证处于安全停车状态。这存在而拒动，其输出不能保证处于安全停车状态。这就是违背了故障安全（就是违背了故障安全（Fault to Safety）的原则。）的原则。n当当1、2两点开路时，将导致误动作而停车，同样会带两点开路时，将导致误动作而停车，同样会带来损失。可见，这种普通来损失。可见，这种普通PLC的的DO卡输出电路的安全卡输出电
54、路的安全性和可用性都是不高的。性和可用性都是不高的。 图图12 安全性单容错安全性单容错DO卡示意图卡示意图 “与”看门狗中央处理器+24VDC状态信号控制信号状态信号接负载，如电磁阀0V DC安全性单容错安全性单容错DO卡卡n图图12所示为一种带有安全性单容错的所示为一种带有安全性单容错的DO卡示意图（它卡示意图（它是是Honeywell SMS FSC-101型输出示意图）。型输出示意图）。n这里，中央处理器不仅向串联的场效应管（这里，中央处理器不仅向串联的场效应管（FET）发出）发出控制信号，而且还接受来自场效应管的状态反馈信号，控制信号，而且还接受来自场效应管的状态反馈信号，以便对其输
55、出进行全面测试。当测得某管输出发生短以便对其输出进行全面测试。当测得某管输出发生短路时，中央处理器即启动纠错动作，隔离相关的故障。路时，中央处理器即启动纠错动作，隔离相关的故障。看门狗（看门狗（Watch Dog）是个多通道的计时器电路。它由）是个多通道的计时器电路。它由中央处理器和内存等周期性地触发，如果两个触发之中央处理器和内存等周期性地触发，如果两个触发之间的时间小于某设定值或者大于某最大值，则看门狗间的时间小于某设定值或者大于某最大值，则看门狗的输出将失效。同时看门狗还能监视内部工作电压，的输出将失效。同时看门狗还能监视内部工作电压，使之在正常的电压范围内。使之在正常的电压范围内。 普
56、通普通PLC和安全和安全PLC的区别的区别以上仅是以上仅是DO卡上的差别。作为安全卡上的差别。作为安全PLC，至少应具备以，至少应具备以下几点：下几点：满足相关安全标准规范要求，且经过权威机构认证，满足相关安全标准规范要求，且经过权威机构认证，取得了相应安全等级证书；取得了相应安全等级证书；在硬件和软件上采用冗余、容错措施，具有完善的测在硬件和软件上采用冗余、容错措施，具有完善的测试手段，当检测到系统故障，特别是危险故障时能使试手段，当检测到系统故障，特别是危险故障时能使系统回到安全状态；系统回到安全状态；能进行系统故障报警，指示故障原因、故障位置，便能进行系统故障报警，指示故障原因、故障位置
57、，便于在线维护；于在线维护；能与能与DCS或其它设备进行通讯。或其它设备进行通讯。11 工艺过程风险的评估及安全度工艺过程风险的评估及安全度等级的评定等级的评定 工艺过程风险的评估及安全度等级的评定工艺过程风险的评估及安全度等级的评定 不不同同的的工工艺艺过过程程（生生产产规规模模、原原料料和和产产品品的的种种类类、工工艺艺和和设设备备的的复复杂杂程程度度等等）对对安安全全的的要要求求是是不不同同的的。一一个个具具体体的的工工艺艺过过程程，是是否否需需要要配配置置SIS、配配置置何何种种等等级级的的SIS，其其前前提提应应该该是是对对此此具具体体的的工工艺艺过过程程进进行行风风险险评评估估，要
58、要进进行行危危险险及及可可操操作作性性分分析析（HAZOP），然然后后辨辨识识出出 与与此此分分析析相相应应的的安安全全仪仪表表功功能能（SIF),（找找到到一一个个安安全全仪仪表表连连锁锁回回路路），再再根根据据风风险险出出现现的的频频率率和和其其产产生生的的严严重重后后果果，找找到到一一个个与与此此SIF相相应应的的SIL值值，在在确确定定了了某某个个安安全全仪仪表表功功能能的的完完整整性性等等级级（SIL）之之后后，再再配配置置与与之之相相适适应应的的SIS。表表1-3可可以以看看出出，若若某某工工艺艺过过程程的的所所需需SIF经经评评定定后后为为SIL 2，则则配配置置达达到到AK4的
59、的SIS即即可可，其其响响应应失失效效率率（PFD）为为百分之一至千分之一之间。百分之一至千分之一之间。工艺过程风险的评估及安全度等级的评定工艺过程风险的评估及安全度等级的评定n应应该该注注意意的的是是不不同同安安全全级级别别的的SIS，只只能能确确保保响响应应失失效效率率（PFD）在在一一定定的的范范围围内内，安安全全级级别别越越高高的的SIS，其其PFD越越小小，即即发发生生事事故故的的可可能能性性越越小小，但但它它不不能能改改变变事事故故造造成成的的后后果果。因因此此，工工艺艺过过程程安安全全完完整整性性等等级级的的评评定定是是一一项项十十分分重重要要的的工工作作。但但目目前前我我国国尚
60、尚无无如如何何评评定定安安全全完完整整性性等等级级的的标标准准和和规规范范。国国际际、国国外外标标准准中中提提供供了了某某些些评评定定方方法法。下下面介绍的风险矩阵（面介绍的风险矩阵（RISK MATRIX）评估方法可供参考。）评估方法可供参考。n这这种种方方法法以以工工艺艺过过程程事事故故出出现现的的频频率率（可可能能性性）及及其其危危害害程程度度（严严重重性性）为为风风险险评评估估的的指指标标，并并对对频频率率和和危危害害程程度度人人为为量量化化为为若若干干级级，作作出出矩矩阵阵表表（见见表表3）。以以此此确确定定工艺过程度安全完整性等级。工艺过程度安全完整性等级。 表表3 风险矩阵风险矩
61、阵 频率 危害程度很低（20年以上）低（420年）中（0.54年）高（00.5年）轻微DCS报警DCS联锁DCS联锁轻DCS报警DCS联锁SIL1SIL2中DCS联锁SIL1SIL2SIL3大SIL1SIL2SIL3SIL4重大SIL2SIL3SIL4SIL4风险矩阵风险矩阵n表表3中频率分级的年限（多少年出现一次）考虑了采用中频率分级的年限（多少年出现一次）考虑了采用DCS进行监视、控制以及正常操作规程等对于降低事故进行监视、控制以及正常操作规程等对于降低事故出现频率的贡献，但不考虑出现频率的贡献，但不考虑ESD的存在。的存在。n表表3中危害程度从经济损失、人身伤害和环境危害三个方中危害程度
62、从经济损失、人身伤害和环境危害三个方面予以量化。如表面予以量化。如表4所示。所示。 表表4 危害程度的量化危害程度的量化危害程度 经济损失（美元）人身伤害环境危害轻微150万造成多人伤残、死亡波及周边11 逻辑运算的基本规则逻辑运算的基本规则逻辑运算的基本规则逻辑运算的基本规则交换律 AB = BA A + B = B + A结合律 ABC = A( BC ) A + B + C = A + ( B + C ) 分配律 A( B + C ) = AB + AC A + ( BC) = ( A+B )( A+C ) 重复律 AAAA = A A + A + A + A = A 自等律 A1 = A A + 0 = A逻辑运算的基本规则逻辑运算的基本规则吸收律 A( B + A ) = A A + ( BA ) = A 互补律 AA = 0 A + A = 101律 A0 = 0 A + 1 = 1非非律 A = A反演律 ABC = A + B + C A + B + C = ABC
