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    安全仪表系统培训讲义-燕山石化王立奉

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    安全 仪表 系统 培训 讲义 燕山 石化 王立奉
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    燕山石化 王立奉,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(Safety Related System),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(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SIS的有机组成部分时,必须在安全规格书(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 SIS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SIS,SIS安全仪表系统,SIS仪表安包含全控制功能,也可包含仪表安全保护功能,或包含这两者。 需要说明的是,这里所说的仪表控制功能,是指以连续模式(Continuous Mode)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。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,L液面超高-L1接点闭合-Z带电。 Z1常闭接点打开,S线圈断电。 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。 K起按钮开关起动联锁保护回路兼有复位作用。 K停起人工强制起动联锁保护作用。 K旁旁路联锁保护作用,用于开车或检修联锁信号仪表。,图3 SIS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(Safety Interlock SystemSIS) 安全关联系统(Safety Related SystemSRS) 仪表保护系统(Instrument Protective SystemIPS) 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(Fire and gas systemsFG) 紧急停车系统(Emergency Shutdown DeviceESD) 燃烧管理系统(Burner Management System) 列车自动防护系统(ATP),2 SIS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 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。 2006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,国际电工委员会1997年制定的IEC 61508/61511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。 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。 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。 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。,SIS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-DIN V VDE 0801、过程操作用户标准-DIN V 19250和DIN V 19251、燃烧管理系统标准-DIN VDE 0116等。 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(Fail safe control),由荷兰PF(PepperFuchs)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,HIMA PES,HIMA是德国一家专业生产安全控制设备的公司,PES Programmable Electronic System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H41qM,冗余系统又分为高可靠系统H41qH和高性能系统H41qHR。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H51qH和高性能系统H51qHR。各种型号的PES都具有TUV AK16级认证。,SIS的相关标准及认证机构,ProsafeRS,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prosafe plc,其1oo2D结构安全等级达AK6 SIL3; SIMATICS7400F/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AK1AK6(SIL1SIL3);,SIS的相关标准及认证机构,Regent Trusted,美国ICS利用宇航技术开发的安全系统。安全等级AK4AK6(SIL2SIL3); GMR90-70,美国GE Fanuc公司开发。其中GMR90-70模块式冗余容错的安全等级为class 5(2oo3),class 4(1oo2)和class 5(2oo2); TRIGUARD SC300E, AUGUST公司开发,1999年成为ABB集团成员之一,安全等级为class 5和class 6,系统结构为2oo3; Safeguard 400300,ABB Industry公司开发,系统结构1oo2D。,3 SIS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,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。,4 SIS设计应遵循的原则,SIS设计应遵循的原则,原则上应独立设置(含检测和执行单元); 中间环节最少; 应为故障安全型; 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(Fault to Safety),这就是故障安全原则。 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,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。 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,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。 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-Process Safety Time)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(Covert 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(SHB-Z06-1999)。 Covert FaultFault that can be classified as hidden, concealed, undetected, unrevealed, latent, ect. (ISA-S84.01-1996) 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(SHB-Z06-1999)。 Overt FaultFault that can be classified as announced, 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
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