《AE全仪表系统培训讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《AE全仪表系统培训讲义（76页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、燕山石化燕山石化王立奉王立奉平安仪表系统平安仪表系统(SIS )1 什么是平安仪表系统什么是平安仪表系统?1 什么是平安仪表系统什么是平安仪表系统? 在IEC61508 中，SIS被称为平安相关系统Safety Related System,将被控对象称为被控设备EUC。IEC61511将平安仪表系统SIS定义为用于执行一个或多个平安仪表功能Safety Instrumented System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。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SI
2、S的有机组成局部时，必须在平安规格书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。从SIS的开展过程看，其控制单元局部经历了电气继电器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以下图为由以下图为由PES构成的构成的SIS SIS平安仪表系统平安仪表系统nSIS仪表安
3、包含全控制功能，也可包含仪表平安保护功仪表安包含全控制功能，也可包含仪表平安保护功能，或包含这两者。能，或包含这两者。n需要说明的是，这里所说的仪表控制功能，是指以连需要说明的是，这里所说的仪表控制功能，是指以连续模式续模式Continuous Mode操作并具有特定的操作并具有特定的SIL,用用于防止危险状态发生或者减轻其发生的后果，与常规于防止危险状态发生或者减轻其发生的后果，与常规的的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的一局部也可能是人的动作的一局部也可能是人的动作SIS平安仪表系统平安仪表系统 如图如图2所
4、示，这是一个气液别离容器所示，这是一个气液别离容器A液位控制的平液位控制的平安仪表功能。对这个平安仪表功能完整的描述是：当安仪表功能。对这个平安仪表功能完整的描述是：当容器液位开关到达平安联锁值时，逻辑运算器图容器液位开关到达平安联锁值时，逻辑运算器图3使电磁阀使电磁阀2断电，那么切断进调节阀膜头信号，使断电，那么切断进调节阀膜头信号，使调节阀切断容器调节阀切断容器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，平安等级必须到达平安等级必须到达SIL2。这是一个平安仪表功能的完。这是一个平安仪表功能的完整描述，而所谓的平安仪表系统，那么是类似一个或整描述，而所谓的平安仪表系统，那么
5、是类似一个或多个这样的平安仪表功能的集合。多个这样的平安仪表功能的集合。图图2 平安仪表回路图平安仪表回路图图图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常闭接点翻开，常闭接点翻开，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
6、锁信号旁：旁路联锁保护作用，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平安仪表系统平安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平平安安极极限限，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，从从平平安安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
7、经经专专门门机机构构认认证证，具具有有一一定定平平安安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平平安安保保护护系系统统。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平平安安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平平安安状状态态，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平安。环境的平安。SIS平安仪表系统平安仪表系统按照按照SIS的定义，下述系统均属于平安仪表系统：的定义，下述系统均属于平安仪表系统：平安联锁系统平安联锁系
8、统Safety Interlock SystemSIS平安关联系统平安关联系统Safety Related SystemSRS仪表保护系统仪表保护系统Instrument Protective SystemIPS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火灾及气体检测系统火灾及气体检测系统Fire and gas systemsF&G紧急停车系统紧急停车系统Emergency Shutdown DeviceESD燃烧管理系统燃烧管理系统Burner Management System列车自动防护系
9、统列车自动防护系统ATP2 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、环环境境的的平平安安，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、标标准准，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到到达达的的平平安安等等级级进进行行确确认认。这这些些标标准准、标标准准及及认认证证机机构构主主要要有：有：我我国国石石化化集集团团制制定定的的行行业业标标准准SHB-Z06-1999?石石油油化化工工紧紧急停车及平安联锁系
10、统设计导那么急停车及平安联锁系统设计导那么?。2006年年、2007年年等等同同采采用用IEC61508、IEC61511的的中中国国国国家家标标准准GB/T20438、GB/T21109相相继继发发布布，中中国国的的功功能能平安标准开始标准我国的功能平安工作。平安标准开始标准我国的功能平安工作。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构成的平安联锁系统的硬件、软件及构成的平安联锁系统的硬件、
11、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?平安仪表系统平安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AICHEccps-1993，?化化学过程的平安自动化导那么学过程的平安自动化导那么?。英国健康与平安执行委员会制定的英国健康与平安执行委员会制定的HSE PES-1987，?可编程电子系统在平安领域的应用可编程电子系统在平安领域的应用?。SIS的相关标准及认证机构的相关标准及认证机构 德国国家标准中有平安系统制造厂商标准德国国家标准中有平安系统制造厂商标准-DIN V VD
12、E 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所到所到达的平安等级分为达的平安等级分为AK1AK8，AK8平安级别最高。平安级别最高。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
13、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：Tricon、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。平安等级为和紧急停车系统。平安等级为AK6SIL3。FSCFail safe control，由荷兰，由荷兰P&FPepper&Fuchs公公司开发，司开发，1994年被年被Honeywell公司收购。平安等级可达公司收购。平安等级可达AK6SIL3SIS的相关标准及认证机构的相关标准及认证机构 nHIMA PES，HIMA是德国一家专业生产平安控制设备的是德国一家专业生产平安控制设备
14、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平安仪表子系统的简称，是近几年来国内引进较多的一种平安仪表系统。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H41qHR。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
15、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，是横河电机平安仪表系统，其特点是与，是横河电机平安仪表系统，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
16、，日本横河电机公司收购后称购后称prosafe plc，其，其1oo2D结构平安等级达结构平安等级达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-safeF用户用户程序，均取得程序，均取得TUV认证，平安等级为认证，平安等级为AK1AK6SIL1SIL3；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ICS利用宇航技术开发的平安系统。利用宇航技术开发的平安系统。平安等级平安等级AK4AK6SIL2SIL3；nGMR9
17、0-70，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)的平安等级为的平安等级为class 52oo3，class 41oo2和和class 52oo2；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，平安等级为集团成员之一，平安等级为class 5和和class 6，系统结，系统结构为构为2oo3；nSafeguard 400&300，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
18、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、逻辑解算器和最终元件三局部组成。及最终元件三局部组成。及DCS不含检测执行局部。不含检测执行局部。 n实现功能：实现功能：DCS用于过程连续测量、常规控制连续、
19、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正确工况；而至最正确工况；而SIS是超越极限平安即将工艺、设备转是超越极限平安即将工艺、设备转至平安状态。至平安状态。 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平安级别：平安级别：DCS平安级别
20、低，不需要平安认证；而平安级别低，不需要平安认证；而SIS系系统级别高，需要平安认证。统级别高，需要平安认证。 n应对失效方式：应对失效方式：DCS系统大局部失效都是显而易见的，系统大局部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。因此平安仪表系统需要人为的进行周性的诊断或测试。因此平安仪表系统需要人为的进行周期性的
21、离线或在线检验测试，而有些平安系统那么带有期性的离线或在线检验测试，而有些平安系统那么带有内部自诊断。内部自诊断。 4 SIS设计应遵循的原那么设计应遵循的原那么SIS设计应遵循的原那么设计应遵循的原那么原那么上应独立设置含检测和执行单元；原那么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；应为故障平安型；应为故障平安型；采用冗余容错结构。采用冗余容错结构。 5 故障平安原那么故障平安原那么故障平安原那么故障平安原那么 组成组成SIS的各环节自身出现故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
22、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平安停车，自动转入平安状态应按预定的顺序平安停车，自动转入平安状态Fault to Safety，这就是故障平安原那么。，这就是故障平安原那么。 具体表达：具体表达：现场开关仪表选用常闭接点，工艺正常时，触点闭合，到达现场开关仪表选用常闭接点，工艺正常时，触点闭合，到达平安极限时触点断开，触发联锁动作，必要时采用平安极限时触点断开，触发联锁动作，必要时采用“二选二选一、一、“二选二或二选二或“三选二配置。三选二配置。电磁阀采用正常励磁，联锁未动作时，电磁阀线圈带电，联电磁阀采用正常励磁，联锁未动作时，电磁
23、阀线圈带电，联锁动作时断电。锁动作时断电。故障平安原那么故障平安原那么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平安型。离，其励磁电路应为故障平安型。 作为控制装置如作为控制装置如PLC“故障平安意味着当其自身故障平安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，以便按预定的顺序平安停车这对少应该联锁动作，以便按预定的顺序平安停车这对工艺和设备而言是平安的；进而应通过硬件和软件工艺和设备而言是平安的；进而应通过硬件和软件的冗余和容错技术，在过程平
24、安时间的冗余和容错技术，在过程平安时间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，允许危险开展的故障，是故障危险故障险开展的故障，是故障危险故障SHB-Z06-1999。n Covert Fault：Fault that can be classified as hidden， concealed， undetected， unrevealed， latent， e
25、ct. ISA-S84.01-1996n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，是故障平安故障障，是故障平安故障SHB-Z06-1999。n Overt Fault：Fault that can be classified as announced， detected， revealed，ect.ISA-S84.01-1996隐故障与显故障隐故障与显故障SIS系统拒动：系统拒动：当工艺条件到达或超过平安极限时，当工艺条件到达或超过平安极限时，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
26、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，降低了平安性。危应此要求，即该停车而拒停，降低了平安性。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响。系统对潜在的危险工况做出反响。 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，当输出开关由于某种原因处于非鼓励状态，即中，当输出开关由于某种原因处于非鼓励状态，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也会进入一种平安失效也会进入一种平安失效状态见图状态见图5，这种情况经常被称为，
27、这种情况经常被称为“误动。误动可能会以误动。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，而事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运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，输出回路可能出现开路。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平安失效状态。的许多元件失效均会导致系统进入平安失效状态。图图4 正常运行时的正常鼓励系统正常运行时的正常鼓
28、励系统SIS负载压力开关开关量输入正常运行时开关闭合，非正常运行时开关翻开+正常工作时输出开关处在鼓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也会误认为它是翻开的+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平安故障概率：正常鼓励的平安故障概率：正常鼓励的SIS系统在它的输出非系统在它的输出非鼓励时，就会处于故障状态，这有一个概率。称为平安故障鼓励时，就会处于故障状态，这有一个概率。称为平安故障概率概率PFS，或称误动率。，或称误动率。PFD要求时失效
29、概率：这是一个衡量平安性的指标，称要求时失效概率：这是一个衡量平安性的指标，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的功能平安的功能平安平安仪表系统必须在工业系统出现危险情况时正确执行其对平安仪表系统必须在工业系统出现危险情况时正确执行其对应的平安功能，平安仪表系统的这种特性被称为功能平安。应的平安功能，平安仪表系统的这种特性被称为功能平安。功能平安实际上讲的是功能平安实际上讲的是SIS系统自身的平安问题。系统自身的平安问题。SIS的平安功能的平安功能n如图如图6
30、示平安仪表系统，该系统由一个压力变送器、一个示平安仪表系统，该系统由一个压力变送器、一个阀门和一个平安阀门和一个平安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适宜的信号传压力变送器检测容器内压力并将其变换成适宜的信号传送给平安送给平安PLC，平安，平安PLC判断假设压力超过了额定值那判断假设压力超过了额定值那么翻开阀门以降低容器内压力，这被称为平安系统的一么翻开阀门以降低容器内压力，这被称为平安系统的一个平安功能。很明显例子中仪表平安系统只有一个平安个平安功能。很明显例子中仪表平安系统只有一个平安功能。如果三个设备有一个或多个失效，平安功能将失功能。如果三个设备
31、有一个或多个失效，平安功能将失效，即它将不能对压力容器内压力进行限制。因此平安效，即它将不能对压力容器内压力进行限制。因此平安仪表系统的平安性能由传感器、逻辑解算器和执行器三仪表系统的平安性能由传感器、逻辑解算器和执行器三局部功能决定。局部功能决定。nSIS平安功能实际上讲的是让平安功能实际上讲的是让SIS执行什么样的平安任务，执行什么样的平安任务，如何保护受控设备。如何保护受控设备。图图6 反响器的平安仪表系统反响器的平安仪表系统 PS Logic solve 逻辑解算器feed valve进料阀Reactor反响器TSFeed进料Pressure Sensor压力变送器Temperatur
32、e Sensor 温度变送器当反响器温度及压力超高到达危险状当反响器温度及压力超高到达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 平安性及响应失效率平安性及响应失效率平安性及响应失效率平安性及响应失效率n当工艺条件到达或超过平安极限值时，当工艺条件到达或超过平安极限值时，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，降低了平安性。能响应此要求，即该停车而拒停，降低了平安性。 n衡量平安性的指标为响应失效率或称要求的故障率衡量平安性的指标为响应失效率或称要求的故障率PFD：P
33、robability of Failure on Demand。它是平安联。它是平安联锁系统按要求执行指定功能的故障概率。是度量平安联锁系统按要求执行指定功能的故障概率。是度量平安联锁系统按要求模式工作故障率的目标值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平安的要求是不同的。上述艺和设备的复杂程度等对平安的要求是不同的。上述的国际标准将其划分为假设干平安完整性等级的国际标准将其划分为假设干平安完整性等级SIL：Safety Integrity Level。
34、平安完整性等级平安完整性等级Safety Integrity LevelSIL平安完整性等级平安完整性等级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平安相关系统平安功能的平安完整性要求。平安相关系统平安功能的平安完整性要求。平安完整性等级可分为平安完整性等级可分为4个等级，个等级，SIL4是平安完整性最高是平安完整性最高的等级平均概率最高，的等级平均概率最高，SIL1是最低等级；是最低等级；平安完整性等级越高，应执行所要求的平安功能的概率也平安完整性等级越高，应执行所要求的平安功能的概率也越高；越高；根据平安相关系统使用方式，要求发生的频率可分为低要根据
35、平安相关系统使用方式，要求发生的频率可分为低要求操作模式求操作模式1次次/年。年。 平安完整性等级平安完整性等级Safety Integrity LevelSILn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，平安完整性的目标失效概率和目标风险降低见平安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平安采用不同的操作模式结构有可能使用几个平安完整性等级较低的系统来满足一个较高平安完完整性等级较低的系统来满足一个较高平安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SI
36、L1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 平安完整性等级：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 目标风险降低目标风险降低 410-510000100000 310-4100010000 210-31001000 110-210100 表1-2 平安完整性等级：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
37、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 1AK110-110-2AK2AK3SIL 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到达平安极限值，工艺条件并未到达平安极限值，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
38、显故障平安故障而导致工艺过车，但由于其自身存在显故障平安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，用百分数计算：率，用百分数计算： SHB-Z06-1999 MTBF：平均故障间隔时间Mean Time Between FailuresMDT：平均停车时间Mean DowntimeMTTF、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 FailureMTTR：平均恢复时
39、间：平均恢复时间Mean Time to RepairMTTF：平均无故障时间：平均无故障时间Mean Time to Failure例如：例如：开车MTTFSIS系统运行总时间MTTR24hSIS故障时间MTBF2000h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 MTTR=24H MTBF=2000H那么那么 PFD=24/(24+2000)=0.0119所以硬件平安完整性等级到达所以硬件平安完整性等级到达SIL1水平。水平。9 冗余和容错冗余和容错冗余和容错冗
40、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。n SHB Z06 1999n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。n 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，当硬件或软件局部故障时，能够识别故障并使成逻辑，当硬件或软件局部故障
41、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，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
42、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。n SHB Z06 1999n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
43、余双机热备CPU 1CPU 2开关输入/输出现场设备图图9 三重模块冗余容错系统三重模块冗余容错系统输入输入输入CPU CCPU B输出输出2oo3 表决器输出CPU A输入端子输出端子图图10 三重信号冗余容错系统三重信号冗余容错系统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系统的平安完整性等级要求为系统的平安完整性等级要求为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2.4110-3SIL2,所以整个系
44、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，到达，到达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，也可到达冗余结构，也可到达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可以到达可以到达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
45、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，整体平安完整性等级不仅取决于逻辑解算器局统时，整体平安完整性等级不仅取决于逻辑解算器局部，而且传感器、终端执行器局部也非常关键。配置部，而且传感器、终端执行器局部也非常关键。配置系统时，除了引进一个系统时，除了引进一个SIL3的平安仪表系统，譬如的平安仪表系统，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，定量的平安仪表系统配置任务才数据，定量的平安仪表系统配置任务才算完成。算完成。冗余表决方法及其平安性、可用性的关系冗余表
46、决方法及其平安性、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越小那么平安性越好。越小那么平安性越好。冗余逻辑表决方法及平安性冗余逻辑表决方法及平安性-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故障概率故障概率（拒（拒动）显故障概率故障概率（误动）允允许不允不允许安全性安全性可用性可用性一一选一一 1oo1 1oo
47、10.020.02（短路的概（短路的概率）率）0.040.04（开路的概（开路的概率）率）存在存在隐故障故障和和显故障故障差差差差二二选一一 1oo2 1oo20.00040.0004（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故障故障（仍可安全（仍可安全停停车）其中之一存其中之一存在在显故障故障（将（将误停停车）最好最好最差最差二二选二二 2oo2 2oo20.040.04（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
48、显故障故障（不会（不会误停停车）其中之一存其中之一存在在隐故障故障（该停拒停）停拒停）最差最差最好最好三三选二二 2oo3 2oo30.00120.0012（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故障或故障或显故障故障其中两个存其中两个存在在隐故障或故障或显故障故障较好好较好好表表2 冗余逻辑的表决方法及其与平安性、可用性的关系冗余逻辑的表决方法及其与平安性、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 冗余表决方法及其平安性、可用性的关系冗余表决方法及其平安性、可用性的关
49、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该动而拒动，隐故障概率越高，该动而拒动，隐故障概率越高，平安性越差。平安性越差。显故障平安故障使显故障平安故障使ESD不该动而误动，显故障概率越不该动而误动，显故障概率越高，可用性越差。高，可用性越差。1oo2二选一平安性最好，但可用性最差；二选一平安性最好，但可用性最差；2oo2二选二选二可用性最好，但平安性最差；二可用性最好，但平安性最差；2oo3三选二可兼顾三选二可兼顾10 普通普通PLC和平安和平安PLC的区别的区别普通普通PLC和平安和平安PLC的区别的区别n普通普通PLC和可以作为和可以作为ESD控制局部的平安控制局部的平
50、安PLC的主要区的主要区别是：普通别是：普通PLC不是按故障平安型设计的，当系统内不是按故障平安型设计的，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平安状态。这种出状态不能保证系统回到预定的平安状态。这种PLC只能用于平安度等级要求低的场合。现以输出电路为只能用于平安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
51、n当当1、2两点短路时，来自两点短路时，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平安停车状态。这存在而拒动，其输出不能保证处于平安停车状态。这就是违背了故障平安就是违背了故障平安Fault to Safety的原那么。的原那么。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卡输出电路的平安卡输出
52、电路的平安性和可用性都是不高的。性和可用性都是不高的。 图图12 平安性单容错平安性单容错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平安性单容错平安性单容错DO卡卡n图图12所示为一种带有平安性单容错的所示为一种带有平安性单容错的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响信号，控制信号，而且还接受来自场效应管的状态反响信号，以便对其输出进行全面测试
53、。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，那么看门间的时间小于某设定值或者大于某最大值，那么看门狗的输出将失效。同时看门狗还能监视内部工作电压，狗的输出将失效。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。 普通普通PLC和平安
54、和平安PLC的区别的区别以上仅是以上仅是DO卡上的差异。作为平安卡上的差异。作为平安PLC，至少应具备以，至少应具备以下几点：下几点：满足相关平安标准标准要求，且经过权威机构认证，取得满足相关平安标准标准要求，且经过权威机构认证，取得了相应平安等级证书；了相应平安等级证书；在硬件和软件上采用冗余、容错措施，具有完善的测试手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系统段，当检测到系统故障，特别是危险故障时能使系统回到平安状态；回到平安状态；能进行系统故障报警，指示故障原因、故障位置，便于在能进行系统故障报警，指示故障原因、故障位置，便于在线维护
55、；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平安度工艺过程风险的评估及平安度等级的评定等级的评定 工艺过程风险的评估及平安度等级的评定工艺过程风险的评估及平安度等级的评定 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平平安安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，要要进进行行危危险险及及可可操操作作性性分分析析HAZOP，然然后后辨辨识识与与此此分分析析相相应应的的平平安
56、安仪仪表表功功能能找找到到一一个个平平安安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SIL值值，在在确确定定了了某某个个平平安安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，假假设设某某工工艺艺过过程程经经评评定定后后为为SIL 2，那那么么配配置置到到达达AK4的的SIS即即可可，其响应失效率其响应失效率PFD为百分之一至千分之一之间。为百分之一至千分之一之间。工艺过程风险的评估及平安度等级的评定工艺过程风险的评估及平安度等级的评定n
57、应应该该注注意意的的是是不不同同平平安安级级别别的的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，平平安安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，工工艺艺过过程程平平安安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尚无无如如何何评评定定平平安安完完整整性性等等级级的的标标准准和和标标准准。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R
58、ISK 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假假设设干干级级，作作出出矩矩阵阵表表见见表表3。以以此此确确定工艺过程度平安完整性等级。定工艺过程度平安完整性等级。 表表3 风险矩阵风险矩阵 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SIL
59、1SIL2SIL3SIL4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奉献，但不考虑出现频率的奉献，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
60、逻辑运算的根本规那么逻辑运算的根本规那么逻辑运算的根本规那么逻辑运算的根本规那么交换律 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逻辑运算的根本规那么逻辑运算的根本规那么吸收律 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
