文/邊文藝

石油化工企業(yè)的安全設(shè)計和運維——過去的這些年，社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展使得過程工業(yè)的規(guī)模越來越大，帶來的整體系統(tǒng)所面臨的風(fēng)險也隨之增加，以石油天然氣開采運輸、石油以及化工等為代表的過程工業(yè)，在為我國的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)建設(shè)發(fā)揮重要作用的同時，其本身面臨的安全形勢也十分嚴(yán)峻。一旦發(fā)生事故，不但會使企業(yè)蒙受重大的經(jīng)濟(jì)損失，也會給社會帶來不穩(wěn)定的因素。因此，石油化工企業(yè)的安全設(shè)計和運維尤其重要，本文從全生命周期管理和獨立保護(hù)層設(shè)計兩個維度，探討石油化工行業(yè)整體安全考慮的內(nèi)容。

整體安全的定義

整體安全貫穿于工廠規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、試車、投產(chǎn)和運行維護(hù)的全生命周期。

設(shè)計階段對安全問題進(jìn)行科學(xué)周密的考慮，通過基于嚴(yán)格機(jī)理的工藝過程模擬，可以從源頭消除隱患，化解風(fēng)險，避免設(shè)計上的“先天不足”，對于工藝設(shè)計不能消除的固有風(fēng)險，需要做預(yù)先危險性分析，有效識別危險事件，了解危險事件的原因和后果，在此基礎(chǔ)上設(shè)置必要的獨立保護(hù)層，將過程風(fēng)險降低到可接受的水平，獨立保護(hù)層包含過程控制層、安全控制層、主動保護(hù)層、被動保護(hù)層和應(yīng)急響應(yīng)層。運行維護(hù)階段對各個保護(hù)層狀態(tài)的檢測和維護(hù)可以確保每個保護(hù)層能夠按照預(yù)期實現(xiàn)其風(fēng)險降低能力。

隨著信息化和工業(yè)化融合的不斷深入，工業(yè)控制系統(tǒng)從單機(jī)走向互聯(lián)，從封閉走向開放，從自動化走向智能化。在生產(chǎn)力顯著提高的同時，工業(yè)控制系統(tǒng)面臨著日益嚴(yán)峻的網(wǎng)絡(luò)安全威脅。在當(dāng)前技術(shù)環(huán)境下，單純的物理隔離和外部硬件防火墻已經(jīng)不足以保障工業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全，必須實施更有效的信息安全升級方案在各個層面上應(yīng)對來自系統(tǒng)外部和內(nèi)部的威脅。同時，網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)系統(tǒng)必須進(jìn)行持續(xù)審查和評估。

整體安全設(shè)計是石化安全生產(chǎn)中至為重要的環(huán)節(jié)，對石化安全生產(chǎn)具有決定性的作用。整體安全關(guān)注的內(nèi)容如圖1所示。

圖1 整體安全概覽

一體化安全設(shè)計

由于石油化工行業(yè)自身的性質(zhì)，使得其存在很多的安全隱患。所以，作為石油化工生產(chǎn)中最為首要的任務(wù)就是合理的規(guī)劃、設(shè)計整個工藝流程，為后續(xù)的安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。而所謂技術(shù)上的石油化工工藝設(shè)計，其主要內(nèi)容是通過工藝計算等方法繪制工藝流程圖，包括設(shè)備布置、工藝流程設(shè)計、電氣儀表設(shè)計以及管道布置等內(nèi)容。需要各個部門相互配合，相互協(xié)作，共同完成石油化工工藝設(shè)計的工作。

施耐德電氣的UDE一體化設(shè)計平臺，可以實現(xiàn)多專業(yè)多用戶協(xié)同工作，UDE一體化設(shè)計平臺包含了工藝仿真計算（PRO/II）、P&ID 設(shè)計（Diagrams）、電氣儀表系統(tǒng)設(shè)計（Electrical &Instrumentation）和多專業(yè)三維布置設(shè)計（PDMS/E3D）等功能，可以實現(xiàn)：同一項目環(huán)境下進(jìn)行集成管理；用戶隨時從不同的應(yīng)產(chǎn)品中訪問數(shù)據(jù)；異地協(xié)同設(shè)計；由數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動的管理。

安全設(shè)計數(shù)字化交付

隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為企業(yè)提升競爭力的必然選擇。國家住建部2018年9月頒發(fā)了GB/T51296-2018《石油化工工程數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)》，數(shù)字化交付是建設(shè)數(shù)字化工廠的核心基礎(chǔ)，可以確保實現(xiàn)設(shè)計、采購、施工和調(diào)試及運維等工程全生命周期各個階段的數(shù)據(jù)信息共享，安全管理作為工廠運行維護(hù)的核心內(nèi)容，安全設(shè)計資料的完整交付是運行期間安全維護(hù)的基礎(chǔ)。施耐德電氣的AVEVA NET數(shù)字化交付平臺可承載和管理數(shù)字化交付信息，與多種工程軟件集成并兼容多種文件格式的信息，提供可視化的展示工具，方便查看包含安全相關(guān)設(shè)計、施工以及安全數(shù)據(jù)移交的細(xì)節(jié)等。數(shù)字化交付過程如圖2所示。

圖2 數(shù)字化交付

獨立保護(hù)層

過程控制層

1.基本過程控制系統(tǒng)

基本過程控制系統(tǒng)一般由DCS或PLC實現(xiàn)，實現(xiàn)基本的過程控制，以保證生產(chǎn)過程的工藝參量接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的控制水平?jīng)Q定了基本過程控制系統(tǒng)作為獨立保護(hù)層的風(fēng)險降低能力。

施耐德電氣用于控制性能優(yōu)化的控制顧問（Control Advisor）可以實時監(jiān)測控制回路，診斷回路存在問題，如回路振蕩、PID參數(shù)設(shè)置或儀表以及閥門問題等等；可以幫助改進(jìn)控制水平和操作水平，減少波動、提高PID控制效果，如減小偏差、縮短響應(yīng)時間等；由此提高自控率，降低操作風(fēng)險，提升裝置安全性。

2設(shè)備狀態(tài)檢測

以往由于缺乏準(zhǔn)確的方法來判斷設(shè)備失效的確切時間，設(shè)備維護(hù)運營者不得不面臨冒著發(fā)生故障停機(jī)的風(fēng)險使其壽命最大化，或者提前更換正常部件以最大限度保障設(shè)備正常運行。預(yù)測性維護(hù)技術(shù)能夠確保設(shè)備使用壽命最大化的同時，又能有效避免發(fā)生非計劃停機(jī)。預(yù)測性維護(hù)技術(shù)旨在通過大數(shù)據(jù)分析，提前預(yù)測關(guān)鍵設(shè)備的健康狀態(tài)，避免發(fā)生意外停機(jī)或縮短停機(jī)時間，最大限度地提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全性。

施耐德電氣強大的PRiSM設(shè)備狀態(tài)預(yù)測解決方案，首先建立不同設(shè)備的故障識別模型，然后灌入歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，實時監(jiān)測關(guān)鍵設(shè)備健康狀況以及表現(xiàn)效率，在設(shè)備出現(xiàn)故障之前提前進(jìn)行預(yù)判。可以減少非計劃停機(jī)；降低維護(hù)成本；延長設(shè)備使用壽命；識別可能影響設(shè)備績效下降的因素；提高生產(chǎn)安全。

3報警管理

實時監(jiān)控報警是在生產(chǎn)工況發(fā)生異常時對操作人員進(jìn)行第一時間提醒的重要工具，設(shè)置過程報警和系統(tǒng)報警的目的是為了確保設(shè)備的完好性以及工廠生產(chǎn)的連續(xù)性。一般情況下，在DCS中幾乎每一個組態(tài)點都設(shè)置有個報警，一個PID回路通常包括回路完整性報警、高量程報警、設(shè)定點偏差報警和許多的其他報警。

實際使用過程中，有時報警太多會有礙操作人員正常操作，太少又不利于及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)問題。普遍情況下，DCS畫面滿盤數(shù)據(jù)閃爍，報警框不停閃爍，不僅影響正常操作與監(jiān)控，而且造成操作人員的麻痹思想，熟視無睹，甚至直接關(guān)閉聲光報警設(shè)備。此外，操作人員在短時間只能關(guān)注和處理一定數(shù)量的報警。

采用先進(jìn)的DCS報警管理技術(shù)能夠有效地剔除不必要的干擾，讓操作人員能夠更好地處理裝置操作中產(chǎn)生的問題，有效提高裝置的穩(wěn)定性和安全性。

施耐德電氣的報警管理系統(tǒng)（System Advisor）是一套用于建立完整報警系統(tǒng)的解決方案。報警管理系統(tǒng)軟件的設(shè)計和解決方案的實施符合EEMUA 191與ISA-18.2國際標(biāo)準(zhǔn)，旨在建立一套有效的報警管理系統(tǒng)，提高操作員對異常狀況的響應(yīng)效率和能力，從而提升工廠的安全性。

4人員培訓(xùn)和應(yīng)急演練

操作員對過程報警的處理作為保護(hù)層設(shè)計的一部分，并不代表設(shè)置了操作員就一定能夠達(dá)到期望的風(fēng)險降低能力，操作員操作水平的高低決定了其風(fēng)險降低能力的高低，

現(xiàn)代工廠的工藝過程和控制策略越來越復(fù)雜，對裝置工程師、生產(chǎn)操作員來說提出了很大挑戰(zhàn)，他們必須學(xué)習(xí)掌握這些新的、先進(jìn)的控制系統(tǒng)，熟悉調(diào)節(jié)控制的方法，全面掌握和了解工藝過程中本身的原理及其動態(tài)特性等等。他們的工藝知識、經(jīng)驗和技能水平是工廠安全、順利開工的前提，也是保持平穩(wěn)生產(chǎn)和安全生產(chǎn)的必要條件。

施耐德電氣操作培訓(xùn)系統(tǒng)（Operator Training System,OTS）可以幫助運維人員獲得全面的、全流程的和動態(tài)的工藝知識和操作體驗，并對控制方案深入了解和認(rèn)識。在OTS中可以模擬設(shè)置多個場景，基于VR和AR技術(shù)，實現(xiàn)沉浸式應(yīng)急演練培訓(xùn)。

安全控制層和主動保護(hù)層

安全儀表系統(tǒng)（Safety Instrumented System，SIS）作為獨立保護(hù)層中最關(guān)鍵的部分，是指用于實現(xiàn)一個或幾個安全儀表功能的系統(tǒng)，由傳感器、邏輯控制器、最終元件及相關(guān)軟件組成。安全控制層的緊急停車系統(tǒng)（ESD）和主動保護(hù)層的火災(zāi)報警和氣體監(jiān)測系統(tǒng)（FGS）都屬于安全儀表系統(tǒng)的范疇。

安全儀表功能（Safety Instrumented Function，SIF）是指由安全儀表系統(tǒng)執(zhí)行的安全功能，安全儀表功能具有某個特定的SIL，同其他保護(hù)層一起參與風(fēng)險的降低。安全儀表功能的管理可以確保安全儀表系統(tǒng)按照設(shè)計要求和預(yù)期工作，達(dá)到相應(yīng)的風(fēng)險降低能力。

施耐德電氣提供的Triconex安全儀表系統(tǒng)、報警與旁路管理工具（Safety View）、安全應(yīng)用邏輯自動測試工具（TSV）和安全系統(tǒng)顧問（System Advisor）等獲得了業(yè)界的高度認(rèn)可，如?？松梨?、Reliance、雪佛龍以及利安德巴塞爾等很多國際能源巨頭都選擇了施耐德電氣提供的“SIF Manager”平臺作為安全儀表功能的管理工具來幫助他們自信地管理過程風(fēng)險。圖3是施耐德電氣Triconex安全系統(tǒng)的系列產(chǎn)品。

被動保護(hù)層和應(yīng)急響應(yīng)層

被動保護(hù)層主要依靠前期設(shè)計的一些物理保護(hù)措施將已經(jīng)發(fā)生的風(fēng)險后果盡可能降到最低，物理保護(hù)措施主要有壓力泄放閥、火炬和罐區(qū)圍堰等等

應(yīng)急響應(yīng)層承擔(dān)事故應(yīng)急響應(yīng)調(diào)查及響應(yīng)工作，包含重大危險源管理、應(yīng)急資源和應(yīng)急預(yù)案數(shù)據(jù)庫、應(yīng)急響應(yīng)聯(lián)動處置、應(yīng)急信息發(fā)布交換等內(nèi)容

施耐德電氣的Wonderware 應(yīng)急指揮平臺，提供應(yīng)急預(yù)案數(shù)據(jù)庫，融合了應(yīng)急指揮、人員定位與追蹤、工業(yè)電視監(jiān)控、門禁系統(tǒng)、作業(yè)管理、職業(yè)健康、環(huán)保在線監(jiān)測和短信群發(fā)系統(tǒng)等模塊，可以協(xié)助安全管理執(zhí)行團(tuán)隊最大程度將事故影響降至最低。

網(wǎng)絡(luò)安全

工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)是指，通過實施技術(shù)和管理措施，避免工業(yè)控制系統(tǒng)遭到非授權(quán)或意外的訪問、篡改、破壞及損失。

圖3 Triconex安全系統(tǒng)

首先從綜合評價的角度，運用科學(xué)的方法和手段，系統(tǒng)地分析和診斷工業(yè)控制系統(tǒng)所面臨的威脅及其存在的脆弱性，評估企業(yè)工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護(hù)水平。提出有針對性的抵御威脅的防護(hù)對策和整改措施，最大限度地保障工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全，防止工控系統(tǒng)的崩潰或癱瘓，保障工控系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

施耐德電氣網(wǎng)絡(luò)安全升級解決方案，通過對工控系統(tǒng)實施安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離以及縱向認(rèn)證等技術(shù)手段，加強構(gòu)筑工控系統(tǒng)邊界安全防護(hù)網(wǎng)的同時，也特別注重工控系統(tǒng)內(nèi)部的安全防護(hù)能力，采取身份認(rèn)證、主機(jī)加固、病毒防護(hù)、入侵檢測、系統(tǒng)恢復(fù)和安全審計/監(jiān)測等措施，進(jìn)行多層面的信息安全防護(hù)，最終形成完善的信息安全防護(hù)體系。

同時，施耐德電氣還提供各類豐富、專業(yè)的工業(yè)信息安全培訓(xùn)，并在系統(tǒng)維護(hù)中，持續(xù)改進(jìn)安全方案、建立工控系統(tǒng)變更流程和應(yīng)急預(yù)案，提供全生命周期的工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)。

結(jié)束語

風(fēng)險永遠(yuǎn)不可能完全消除，但風(fēng)險可以更好地管理和降低，重大危險事件很少是由單一原因造成的，而是由多個保護(hù)措施同時失效造成的特殊事件，因此，優(yōu)秀的整體安全工程設(shè)計和科學(xué)的管理維護(hù)，可以保障裝置的安全平穩(wěn)生產(chǎn)，實現(xiàn)企業(yè)可盈利運營。