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安全儀表系統(tǒng)(SIS)的全稱是安全儀表系統(tǒng)(safety instrumented system)，它針對裝置或設(shè)備可能存在的危害采取應(yīng)急措施，并及時(shí)響應(yīng)不斷惡化的狀態(tài)，使其進(jìn)入預(yù)定的安全關(guān)斷狀態(tài)，從而最大限度地減少危害和損失，確保生產(chǎn)設(shè)備、環(huán)境和人員的安全。目前，SIS已廣泛應(yīng)用于石油化工等過程工業(yè)，是工廠企業(yè)自動(dòng)控制的重要組成部分。

我們先來看看SIS涉及的一些技術(shù)術(shù)語(摘自GB/T50770-2013):

安全儀表系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)安全儀表功能的儀表系統(tǒng)。

過程風(fēng)險(xiǎn)/過程風(fēng)險(xiǎn)

異常事件引起的工藝條件變化所產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

安全生命周期

從設(shè)計(jì)工程方案到停止所有安全儀表功能的整個(gè)時(shí)間。

安全儀表功能/安全儀表功能

通過測量儀器、邏輯控制器、最終輔助結(jié)構(gòu)及相關(guān)軟件等實(shí)現(xiàn)的安全保護(hù)功能或安全控制功能。，以防止和減少危險(xiǎn)事件的發(fā)生或保持過程的安全狀態(tài)。

安全完整性/安全完整性

安全儀表系統(tǒng)在特定條件和時(shí)間下完成安全儀表功能的平均概率。

安全完整性等級/安全完整性等級

安全功能級別和安全完整性級別從低到高依次為SIL1~SIL4。

危險(xiǎn)的失敗/危險(xiǎn)的失敗

可能導(dǎo)致潛在危險(xiǎn)或安全儀表系統(tǒng)功能喪失的故障。

測量儀器/傳感器

SIS的一個(gè)組件，用于測量過程變量的設(shè)備。

邏輯控制器/邏輯求解器

SIS的一個(gè)組件，用于測量過程變量的設(shè)備。

最終組件/最終元素

安全信息系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，一種執(zhí)行由邏輯控制器設(shè)置的指令或動(dòng)作以使過程達(dá)到安全狀態(tài)的設(shè)備。

基本過程控制系統(tǒng)/基本過程控制系統(tǒng)

根據(jù)過程測量和其他相關(guān)設(shè)備、其他儀表、控制系統(tǒng)或操作人員的輸入信號，產(chǎn)生輸出信號，實(shí)現(xiàn)過程控制和相關(guān)設(shè)備的操作。

故障保險(xiǎn)

當(dāng)安全儀表系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，受控過程將轉(zhuǎn)移到預(yù)定的安全狀態(tài)。

冗余/冗余

獨(dú)立執(zhí)行相同功能的兩個(gè)或多個(gè)組件或系統(tǒng)用于待機(jī)和切換。

容錯(cuò)/容錯(cuò)

功能部件在出現(xiàn)故障或錯(cuò)誤時(shí)繼續(xù)執(zhí)行特定功能的能力。

接觸/機(jī)械接觸

由點(diǎn)到點(diǎn)金屬輔助組成的機(jī)電裝置，在外界因素的作用下，可以點(diǎn)到點(diǎn)地接通或關(guān)斷。

聯(lián)系人/聯(lián)系人

一種電氣設(shè)備，在外部因素的影響下可以接通或切斷某一點(diǎn)。

安全信息系統(tǒng)的基本原則

安全儀表系統(tǒng)被定義為實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)安全儀表功能的儀表系統(tǒng)。SIS包括測量儀器、邏輯操作器和最終元件、相關(guān)軟件和組件。目前儀表保護(hù)系統(tǒng)IPS、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)sis、緊急停車系統(tǒng)ESD、壓力保護(hù)系統(tǒng)HIPPS、消防及氣體保護(hù)系統(tǒng)f & g:GS等。屬于安全儀表系統(tǒng)的范疇。

SIS在生產(chǎn)設(shè)備的啟動(dòng)、關(guān)閉、運(yùn)行和維護(hù)期間，為人員健康、設(shè)備和環(huán)境提供安全保護(hù)。無論生產(chǎn)裝置本身的故障危險(xiǎn)、人為因素造成的危險(xiǎn)、某些不可抗拒因素造成的危險(xiǎn)，SIS都應(yīng)立即正確響應(yīng)，并給出相應(yīng)的邏輯信號，使生產(chǎn)裝置安全聯(lián)鎖或停止，防止危險(xiǎn)的發(fā)生和事故的蔓延，將危害降到最低。

安全儀表系統(tǒng)應(yīng)具有高可靠性、可用性和可維護(hù)性。當(dāng)安全儀表系統(tǒng)本身發(fā)生故障時(shí)，仍能提供安全保護(hù)功能。

安全信息系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

1.一定的安全完整性等級

SIS充分考慮了系統(tǒng)的整個(gè)安全生命周期，提出了安全完整性等級(SIL)的評估方法，規(guī)范了實(shí)現(xiàn)必要功能安全所使用的工具和措施。SIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程必須符合IEC61508，并應(yīng)通過獨(dú)立機(jī)構(gòu)(如德國電視)的功能安全評估和認(rèn)證，獲得認(rèn)證后才能應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

2.高可用性和可維護(hù)性

SIS系統(tǒng)的組件應(yīng)充分考慮組件所能實(shí)現(xiàn)的安全儀表的功能，組件所采用的邏輯冗余結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)本身的單一故障是否會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤停機(jī)。同時(shí)也要考慮在系統(tǒng)出現(xiàn)故障運(yùn)行時(shí)，故障卡是否可以在線維護(hù)而不停機(jī)整個(gè)系統(tǒng)。

3.容錯(cuò)多冗余系統(tǒng)

SIS系統(tǒng)一般采用多重冗余結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)的硬件故障裕度，單一故障不會(huì)造成SIS系統(tǒng)安全功能的喪失。例如，SIS系統(tǒng)的主流三重結(jié)構(gòu)(TMR)將三個(gè)隔離的并行控制系統(tǒng)(每個(gè)稱為一個(gè)子電路)和廣泛的診斷集成到一個(gè)系統(tǒng)中，并通過從三個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)行投票來提供高度完善、無錯(cuò)誤和不間斷的控制。

4.綜合故障自診斷能力

SIS系統(tǒng)的安全性和完整性要求還包括避免故障和系統(tǒng)故障控制的要求。同時(shí)，系統(tǒng)的每個(gè)組件必須清楚故障診斷措施和故障后的行為。系統(tǒng)整體診斷覆蓋率一般高達(dá)90%以上。SIS系統(tǒng)的硬件可靠性高，能夠承受大部分環(huán)境應(yīng)力，如現(xiàn)場電磁干擾，因此可以應(yīng)用于各種工業(yè)環(huán)境。

5.響應(yīng)速度快

SIS系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性。從輸入變化到輸出變化的響應(yīng)時(shí)間一般為50 ~ 100 ms，一些小型SIS系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較短。

6.具有順序事件記錄功能

為了更好的分析事故和事后回憶，SIS一般都有事件序列記錄(Event Sequence Recording，SOE)功能，可以按時(shí)間順序記錄每個(gè)指定的輸入輸出和狀態(tài)變量的變化時(shí)間，記錄精度一般精確到毫秒級。

7.產(chǎn)品的功能安全設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)了從傳感器到執(zhí)行器整個(gè)回路的安全設(shè)計(jì)，并具有I/O短路和斷線的監(jiān)控功能。

安全儀表系統(tǒng)與集散控制系統(tǒng)及其他過程控制系統(tǒng)的區(qū)別

1.DCS用于連續(xù)測量、常規(guī)控制(連續(xù)、順序、間歇等)。)和生產(chǎn)過程的運(yùn)行控制管理，確保生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行；SIS用于監(jiān)控生產(chǎn)裝置的運(yùn)行狀態(tài)，快速處理異常工況，將危害降到最低，保持人員和生產(chǎn)裝置處于安全狀態(tài)。

2.DCS是一個(gè)“動(dòng)態(tài)”系統(tǒng)，持續(xù)檢測、計(jì)算和控制過程變量，動(dòng)態(tài)控制生產(chǎn)過程，保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量；SIS是一個(gè)“靜態(tài)”系統(tǒng)。正常工況下，生產(chǎn)裝置的運(yùn)行始終受到監(jiān)控，系統(tǒng)輸出保持不變，對生產(chǎn)過程沒有影響；出現(xiàn)異常工況時(shí)，按照預(yù)先設(shè)計(jì)進(jìn)行邏輯操作，使生產(chǎn)裝置安全聯(lián)鎖或停止。

3.SIS對安全性、可靠性和可用性的要求比DCS更嚴(yán)格，所以理論上SIS和DCS硬件應(yīng)該獨(dú)立設(shè)置。

SIS的設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)儀器安全系統(tǒng)時(shí)，必須遵循以下基本原則:

可靠性原則

系統(tǒng)可靠性是指一定時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生故障的概率。整個(gè)系統(tǒng)的可靠性是系統(tǒng)各單元可靠性的產(chǎn)物，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的可靠性下降都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的可靠性下降。人們通常非常重視邏輯控制系統(tǒng)的可靠性，往往忽視了檢測元件和執(zhí)行元件的可靠性，使得整個(gè)安全儀表系統(tǒng)的可靠性較低，不能滿足降低受控設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)的要求。可靠性決定了系統(tǒng)的安全性。

可用性原則

可用性(Availability)是指可修復(fù)產(chǎn)品在特定條件下使用時(shí)，在一定時(shí)間內(nèi)能夠正常工作的概率。可用性不影響系統(tǒng)的安全性，但系統(tǒng)的低可用性可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備或工廠的正常生產(chǎn)。

至于安全儀表系統(tǒng)對工藝過程的認(rèn)知過程，也要注意系統(tǒng)的可用性，正確判斷工藝事故，盡量減少裝置的非正常停車，減少因開停車造成的經(jīng)濟(jì)損失。

故障安全原則

防故障原理是指當(dāng)SIS由于內(nèi)部或外部原因發(fā)生故障時(shí)，被保護(hù)對象(裝置)應(yīng)按照預(yù)定順序安全停止，并自動(dòng)轉(zhuǎn)入安全狀態(tài)。具體體現(xiàn)如下:

(1)現(xiàn)場開關(guān)儀表選用常閉觸點(diǎn)。當(dāng)過程正常時(shí)，觸點(diǎn)閉合，當(dāng)達(dá)到安全極限時(shí)，觸點(diǎn)斷開，觸發(fā)聯(lián)鎖動(dòng)作；

(2)電磁閥采用正常勵(lì)磁。聯(lián)鎖不動(dòng)作時(shí)，電磁閥線圈帶電，聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)，斷電；

(3)送至配電室啟動(dòng)/停止電機(jī)的觸點(diǎn)應(yīng)由中間繼電器隔離，勵(lì)磁電路應(yīng)具有故障保護(hù)功能；

(4)作為控制裝置，“防故障”是指當(dāng)自身發(fā)生故障，但過程或設(shè)備超出極限工作范圍時(shí)，至少應(yīng)聯(lián)鎖。從而按照預(yù)定的順序安全停止(對工藝和設(shè)備都是安全的)，然后通過硬件和軟件的冗余和容錯(cuò)技術(shù)，在工藝安全時(shí)間內(nèi)檢測出故障，并自動(dòng)執(zhí)行糾錯(cuò)程序排除故障。

過程適應(yīng)原則

根據(jù)工藝運(yùn)行規(guī)律，安全儀表系統(tǒng)的設(shè)置必須服務(wù)于工藝的正常運(yùn)行和異常運(yùn)行。正常情況下，安全儀表系統(tǒng)不能影響過程的運(yùn)行，當(dāng)過程中出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)，安全儀表系統(tǒng)應(yīng)起到保證過程裝置安全的作用。這就是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程適配原則。

獨(dú)立設(shè)置原則

所謂獨(dú)立設(shè)置原則，是指整個(gè)SIS系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立于過程控制系統(tǒng)(如DCS)，以降低控制功能和安全功能同時(shí)失效的概率，使其能夠獨(dú)立完成自動(dòng)保護(hù)聯(lián)鎖的安全功能，而不依附于過程控制系統(tǒng)。要求獨(dú)立設(shè)置的單元應(yīng)有檢測元件、執(zhí)行元件、邏輯運(yùn)算元件和通訊設(shè)備。復(fù)雜的SIS要合理分解成多個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)要相對獨(dú)立，備份手動(dòng)功能要分組設(shè)置。

最小中間環(huán)節(jié)原則

SIS的中間環(huán)節(jié)應(yīng)該最少。電路中的儀器越多，可靠性越差。典型案例是本質(zhì)安全電路的應(yīng)用。所以可以盡量使用隔爆型儀表，減少安全柵造成的故障源，減少誤停車。

冗余原則

對于測量儀表和SIL1安全儀表功能，可以使用單個(gè)測量儀表；SIL2安全儀表功能，應(yīng)采用冗余測量儀表；SIL3級的安全儀表功能應(yīng)使用冗余測量儀表。當(dāng)需要高安全性時(shí)，應(yīng)采用或邏輯結(jié)構(gòu)。當(dāng)需要高可用性時(shí)，應(yīng)采用“與”邏輯結(jié)構(gòu)。在安全性和可用性都有保證的情況下，應(yīng)該采用“三選二”的邏輯結(jié)構(gòu)。

對于最終部件，SIL1安全儀表功能，可以使用單個(gè)控制閥；SIL2級安全儀表功能應(yīng)采用冗余控制閥。SIL3級安全儀表功能應(yīng)采用冗余控制閥?？梢允褂靡粋€(gè)調(diào)節(jié)閥和一個(gè)切斷閥，也可以使用兩個(gè)切斷閥?？刂崎y的冗余設(shè)置并不意味著冗余設(shè)置對應(yīng)于安全完整性等級。當(dāng)控制閥不能冗余配置時(shí)，應(yīng)采用單個(gè)控制閥，但配套的電磁閥應(yīng)冗余配置。安全儀表系統(tǒng)的電磁閥應(yīng)為耐高溫絕緣線圈、長壽命型和隔爆型。過程正常運(yùn)行時(shí)，電磁閥應(yīng)勵(lì)磁(充電)；過程異常時(shí)，電磁閥不勵(lì)磁(斷電)。

對于邏輯控制器和SIL1安全儀表功能，應(yīng)采用冗余邏輯控制器。SIL2級安全儀表功能應(yīng)采用冗余邏輯控制器。SIL3級的安全儀表功能必須使用冗余邏輯控制器。

安全儀表系統(tǒng)與基本過程控制系統(tǒng)之間的通信接口應(yīng)冗余配置，冗余通信接口應(yīng)具有診斷功能。