謝 泉

（安徽實(shí)華安全評(píng)價(jià)有限責(zé)任公司，安徽 安慶 246000）

化工安全儀表系統(tǒng)（SIS）通常存在危險(xiǎn)與風(fēng)險(xiǎn)分析不全、設(shè)計(jì)選型不當(dāng)、冗余容錯(cuò)結(jié)構(gòu)不合理、缺乏明確的檢驗(yàn)測(cè)試周期、預(yù)防性維護(hù)策略針對(duì)性不強(qiáng)等問(wèn)題，亟須加強(qiáng)和規(guī)范化工行業(yè)安全儀表系統(tǒng)全生命周期管理。

1 化工安全儀表系統(tǒng)的基本概念

安全儀表系統(tǒng)包含檢測(cè)單元（傳感器）、控制單元（邏輯控制器）、執(zhí)行單元（切斷閥等最終執(zhí)行元件）?；ぱb置及危化品儲(chǔ)罐正常生產(chǎn)時(shí)處于靜止或休眠狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)壓力、溫度、液位、流量、組分等工藝參數(shù)超限的危險(xiǎn)狀況時(shí)，能夠越過(guò)基本過(guò)程控制系統(tǒng)（BPCS），發(fā)出警報(bào)并執(zhí)行預(yù)定程序，快速、準(zhǔn)確地執(zhí)行聯(lián)鎖動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程緊急停車或自動(dòng)導(dǎo)入預(yù)定的安全狀態(tài)。

安全儀表系統(tǒng)的全生命周期是指從生產(chǎn)工藝過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別開始，找出風(fēng)險(xiǎn)管控的方案，確認(rèn)必需安全聯(lián)鎖回路及其功能，再對(duì)安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)、安裝、驗(yàn)收、投用、維護(hù)，改進(jìn)、拆除等完整過(guò)程。

2 設(shè)置化工安全儀表的基本原則

2.1 安全性原則

為確?；ぱb置的生產(chǎn)安全，安全儀表系統(tǒng)應(yīng)具有和生產(chǎn)工藝過(guò)程相匹配的安全完整性等級(jí)（SIL），依據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC61508《電氣/電子/可編程電子安全系統(tǒng)的功能安全》的規(guī)定，安全儀表系統(tǒng)的安全完整性等級(jí)自低到高分為SIL1、SIL2、SIL3、SIL 4 等4 個(gè)不同的級(jí)別[1]?；ば袠I(yè)安全儀表的安全完整性等級(jí)在SIL1～SIL3 之間，SIL4 級(jí)別主要用于核工業(yè)。安全儀表系統(tǒng)等級(jí)差異體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試、維護(hù)等方面的技術(shù)要求均不相同。安全儀表系統(tǒng)的安全完整性等級(jí)越高，就代表該系統(tǒng)的安全系數(shù)越高，各類功能的失效概率越低。

2.2 獨(dú)立性原則

在化工生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)超限工況時(shí)，安全儀表系統(tǒng)能夠不依附基本過(guò)程控制系統(tǒng)（BPCS），獨(dú)立完成安全聯(lián)鎖、緊急停車等安全保護(hù)功能。安全儀表系統(tǒng)的電源、通訊模塊、檢測(cè)元件、邏輯控制器、執(zhí)行元件等均應(yīng)單獨(dú)設(shè)置，不與基本過(guò)程控制系統(tǒng)共用。中央控制室及現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間應(yīng)設(shè)置SIS 系統(tǒng)專用的工程師站、輔操臺(tái)、報(bào)警器、系統(tǒng)機(jī)柜、輔助機(jī)柜等。

2.3 故障安全型原則

安全儀表系統(tǒng)應(yīng)屬于安全故障類型，當(dāng)安全儀表系統(tǒng)本身發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩珷顟B(tài)，以此來(lái)避免生產(chǎn)設(shè)備由于安全儀表系統(tǒng)本身的故障或意外情況處于不安全狀態(tài)。在進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組件選擇、軟件編程等進(jìn)行全面、綜合的考慮，必須要保證系統(tǒng)的絕對(duì)安全性[2]。

2.4 可用性原則

化工安全儀表系統(tǒng)應(yīng)具備軟件和硬件測(cè)試和自診斷功能，通過(guò)設(shè)置必要的旁路開關(guān)以減少因系統(tǒng)維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致的停車。但儀表輸出信號(hào)不可以設(shè)旁路、手動(dòng)停車輸入信號(hào)不可以設(shè)旁路、具有冗余表決要求的傳感器不可以設(shè)旁路，以防止因誤操作導(dǎo)致事故。為滿足在線測(cè)試儀表的要求，必要時(shí)可采取對(duì)故障開狀態(tài)的閥門增加手動(dòng)截止閥、對(duì)故障關(guān)狀態(tài)的閥門增加手動(dòng)旁通閥、延長(zhǎng)儀表測(cè)試周期、提高系統(tǒng)冗余配置等技術(shù)措施。安全儀表系統(tǒng)應(yīng)具備易于安裝、方便維護(hù)和有利擴(kuò)展的特點(diǎn)，以此來(lái)降低運(yùn)行維護(hù)成本。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證原則

安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)都須嚴(yán)格遵守標(biāo)準(zhǔn)并取得認(rèn)證。安全儀表系統(tǒng)中應(yīng)使用正式版本軟件，儀表硬件應(yīng)取得計(jì)量認(rèn)證，易燃易爆場(chǎng)所安裝的儀表應(yīng)符合相應(yīng)等級(jí)電氣防爆要求。

3 化工安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

化工安全儀表系統(tǒng)由檢測(cè)單元（傳感器）、控制單元（邏輯控制器）、執(zhí)行單元（切斷閥等最終執(zhí)行元件）等部分組成，下面從4 個(gè)方面對(duì)化工安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行具體分析。

3.1 檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)

檢測(cè)元件是化工安全儀表系統(tǒng)中的重要組成部分，能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度和安全性產(chǎn)生直接影響。安全儀表系統(tǒng)的檢測(cè)元件設(shè)計(jì)選型時(shí)，要遵循獨(dú)立設(shè)置原則，即SIS 系統(tǒng)檢測(cè)元件與DCS 檢測(cè)元件分開設(shè)置。同時(shí)還須遵循冗余設(shè)計(jì)原則，即安全完整性等級(jí)SIL1 聯(lián)鎖回路的檢測(cè)元件可以單一設(shè)置，SIL2 及SIL3 檢測(cè)元件應(yīng)采用冗余設(shè)置[3]。化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)還應(yīng)遵循冗余選擇原則，在保證系統(tǒng)的安全性時(shí)，可采用“或”邏輯，在保證系統(tǒng)的可用性時(shí)，可采用“與”邏輯，要想使得系統(tǒng)的安全性和可用性均得以保證時(shí)，可采用“三取二”邏輯結(jié)構(gòu)?；ぐ踩珒x表系統(tǒng)中的檢測(cè)元件應(yīng)采用電氣防爆的變送器，不能使用開關(guān)型傳感器，否則可能導(dǎo)致安全事故。檢測(cè)元件應(yīng)由SIS 系統(tǒng)供電。

3.2 控制單元的設(shè)計(jì)

控制單元的邏輯控制器主要包括繼電器系統(tǒng)、可編程電子系統(tǒng)和混合系統(tǒng)3 種類型。可編程電子系統(tǒng)主要用于邏輯功能復(fù)雜的場(chǎng)合，可以是經(jīng)過(guò)TUV 認(rèn)證的PLC 系統(tǒng)、DCS 系統(tǒng)和其他專用系統(tǒng)。繼電器系統(tǒng)主要用于邏輯功能相對(duì)比較簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。安全儀表系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算器設(shè)計(jì)時(shí)，須要遵循獨(dú)立設(shè)置原則，即SIS 系統(tǒng)邏輯運(yùn)算器與DCS 系統(tǒng)邏輯運(yùn)算器分開設(shè)置。根據(jù)冗余設(shè)置原則，SIL1 級(jí)SIS 可以使用單一的邏輯運(yùn)算器、SIL2 級(jí)SIS 可使用冗余或容錯(cuò)邏輯運(yùn)算器、SIL3 級(jí)SIS 可使用冗余容錯(cuò)邏輯運(yùn)算器。

3.3 執(zhí)行單元的設(shè)計(jì)

執(zhí)行單元的切斷閥等最終執(zhí)行元件通過(guò)執(zhí)行邏輯控制器的指令，實(shí)現(xiàn)工藝系統(tǒng)的安全狀態(tài)，降低事故發(fā)生的概率。氣動(dòng)切斷閥或調(diào)節(jié)閥等最終執(zhí)行元件須要采取冗余設(shè)計(jì)的電磁閥，電磁閥通常安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門定位器之間。安全完整性等級(jí)高的SIF 回路的最終執(zhí)行元件應(yīng)采用冗余閥門，配套電磁閥應(yīng)采用冗余結(jié)構(gòu)?？紤]系統(tǒng)可用性時(shí)，電磁閥可設(shè)計(jì)成“二取二”、“與”邏輯結(jié)構(gòu)；考慮系統(tǒng)安全性時(shí)，電磁閥可設(shè)計(jì)成 “二取一”、“或”邏輯結(jié)構(gòu)。

3.4 不同結(jié)構(gòu)安全儀表系統(tǒng)的分析比較

化工安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有繼電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、PLC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、TMR 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。繼電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在工程控制中得到了廣泛使用，但存在系統(tǒng)龐大、可靠性低、維護(hù)困難、無(wú)自診功能、不能與DCS 系統(tǒng)通訊等弊端，目前正逐漸被淘汰。PLC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適用于大多數(shù)石油化工裝置，具有體積小、靈活性好、可編程和擴(kuò)展修改方便、具有自診功能、可靠性高、可與 DCS 通訊等優(yōu)勢(shì)，且安全等級(jí)在SIL2～SIL3 之間，但只有取得安全證書的PLC 才能夠作為SIS 的邏輯部件[4]。TMR 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可適用于任何工業(yè)過(guò)程，TMR 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的SIS 主處理器、電源和I/O 模塊采用三重化冗余配置，可以實(shí)現(xiàn)在線更換。TMR 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的SIS 采用的容錯(cuò)技術(shù)進(jìn)行三取二表決，能夠?qū)踩到y(tǒng)的隱性故障和顯性故障降到最低。

4 安全儀表全生命周期管理的重點(diǎn)

4.1 重視安全儀表系統(tǒng)的SIL 定級(jí)

根據(jù)化工工藝過(guò)程的安全要求及設(shè)計(jì)意圖，在工藝過(guò)程危險(xiǎn)可操作分析（HAZOP）的基礎(chǔ)上，采用保護(hù)層分析（LOPA）方法，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)矩陣，審查每個(gè)安全儀表功能（SIF）相關(guān)的事故場(chǎng)景、風(fēng)險(xiǎn)程度、初始事件頻率、保護(hù)層等，確定每個(gè)聯(lián)鎖回路的SIF 需要達(dá)到的安全完整性等級(jí)（SIL 定級(jí)）。

4.2 規(guī)范安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及SIL 驗(yàn)算

設(shè)計(jì)單位應(yīng)根據(jù)過(guò)程工藝安全要求和安全儀表規(guī)格書（SRS），通過(guò)儀表選型、子系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)選擇、確定檢驗(yàn)測(cè)試方法及測(cè)試周期、開展SIF 驗(yàn)算等設(shè)計(jì)流程，確認(rèn)安全儀表功能，明確工藝過(guò)程的安全狀態(tài)，確保實(shí)現(xiàn)降低工藝過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)的要求。開展安全儀表功能評(píng)估（SIL 驗(yàn)算），根據(jù)IEC61508/IEC61511 的要求，對(duì)各SIF 回路的PFDavg及MTTFs 進(jìn)行計(jì)算并審查硬件結(jié)構(gòu)約束特性，確定每個(gè)SIF 能否達(dá)到SIL 定級(jí)的要求。

4.3 嚴(yán)格安裝調(diào)試和聯(lián)合驗(yàn)收

化工企業(yè)應(yīng)制定安全儀表系統(tǒng)安裝調(diào)試與聯(lián)合驗(yàn)收方案，建立施工及調(diào)試管理臺(tái)賬，記錄儀表安裝、調(diào)試、功能確認(rèn)和結(jié)果。安全儀表系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，企業(yè)在安全儀表系統(tǒng)投運(yùn)前，應(yīng)按安全儀表設(shè)計(jì)文件以及相關(guān)儀表施工驗(yàn)收規(guī)范的要求，組織相關(guān)各方對(duì)安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合驗(yàn)收，確保安全儀表系統(tǒng)各聯(lián)鎖回路的安全完整性等級(jí)符合要求，具備安全投用條件。

4.4 加強(qiáng)安全儀表系統(tǒng)測(cè)試及維護(hù)管理

化工企業(yè)應(yīng)制定安全儀表系統(tǒng)的操作、測(cè)試及維護(hù)技術(shù)規(guī)程，建立安全儀表采購(gòu)、系統(tǒng)聯(lián)鎖投用及摘除審批管理、儀表變更管理等制度，應(yīng)按照測(cè)試周期對(duì)安全儀表進(jìn)行定期檢驗(yàn)測(cè)試，定期進(jìn)行儀表系統(tǒng)校驗(yàn)，建立安全儀表測(cè)試及維護(hù)保養(yǎng)臺(tái)賬記錄。及時(shí)對(duì)儀表失效、誤動(dòng)作、聯(lián)鎖及旁路等進(jìn)行分析處理，建立安全儀表失效數(shù)據(jù)庫(kù)，確保安全儀表系統(tǒng)可靠性，實(shí)現(xiàn)功能安全。

4.5 培養(yǎng)專業(yè)的安全儀表技術(shù)及管理人員

根據(jù)安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、驗(yàn)收、投用、維護(hù)、改進(jìn)、拆除等全生命周期不同階段的特點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、操作及維護(hù)等儀表工程技術(shù)及管理人員開展針對(duì)性的培訓(xùn)，培養(yǎng)一批掌握安全儀表專業(yè)知識(shí)、熟悉安全儀表設(shè)計(jì)規(guī)范、具備安全儀表功能測(cè)試及保養(yǎng)能力的安全儀表工程技術(shù)及管理人員，滿足化工行業(yè)安全儀表功能安全管理工作的需要。

5 結(jié)論

化工安全儀表系統(tǒng)是保障化工行業(yè)安全生產(chǎn)的重要措施，加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、驗(yàn)收、投用、維護(hù)、改進(jìn)等全生命周期管理，培養(yǎng)合格的安全儀表工程技術(shù)及管理人員，把安全儀表功能安全管理融入化工企業(yè)安全管理體系，提升化工過(guò)程安全管理水平，才能保證化工裝置長(zhǎng)周期、穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行，保障化工行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。