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摘要：過去的這些年，社會經濟的不斷發展使得過程工業的規模越來越大，帶來的整體系統所面臨的風險也隨之增加，以石油/天然氣開采運輸、石化、化工等為代表的過程工業，在為我國的經濟生產建設發揮重要作用的同時，其本身面臨的安全形勢也十分嚴峻，一旦發生事故，不但會使企業蒙受重大的經濟損失，也會給社會帶來不穩定的因素，因此，石油化工企業的安全設計和運維尤其重要，文章從全生命周期管理和獨立保護層設計兩個維度，探討石油化工行業整體安全考慮的內容。 

關鍵詞：整體安全；獨立保護層；安全儀表系統；網絡安全 

1 整體安全的定義

整體安全貫穿于工廠規劃、設計、建設、試車、投產和運行維護的全生命周期。

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

隨著信息化和工業化融合的不斷深入，工業控制系統從單機走向互聯，從封閉走向開放，從自動化走向智能化。在生產力顯著提高的同時，工業控制系統面臨著日益嚴峻的網絡安全威脅。在當前技術環境下，單純的物理隔離和外部硬件防火墻已經不足以保障工業系統的網絡安全，必須實施更有效的信息安全升級方案在各個層面上應對來自系統外部和內部的威脅。同時，網絡安全防護系統必須進行持續審查和評估。

整體安全設計是石化安全生產中至為重要的環節，對石化安全生產具有決定性的作用。整體安全關注的內容如圖1所示。

圖1 整體安全概覽 

2 一體化安全設計

由于石油化工行業自身的性質，使得其存在很多的安全隱患。所以，作為石油化工生產中最為首要的任務就是合理的規劃、設計整個工藝流程，為后續的安全生產奠定基礎。而所謂技術上的石油化工工藝設計，其主要內容是通過工藝計算等方法繪制工藝流程圖，包括設備布置、工藝流程設計、電氣儀表設計以及管道布置等內容。需要各個部門相互配合，相互協作，共同完成石油化工工藝設計的工作。

施耐德電氣的UDE一體化設計平臺，可以實現多專業多用戶協同工作，UDE一體化設計平臺包含了工藝仿真計算（PRO/II）、P&ID設計（Diagrams）、電氣儀表系統設計（Electrical & Instrumentation）和多專業三維布置設計（PDMS/E3D）等功能，可以實現：

• 同一項目環境下進行集成管理

• 用戶隨時從不同的應產品中訪問數據

• 異地協同設計

• 由數據標準驅動的管理

3 安全設計數字化交付

隨著信息技術和互聯網技術的飛速發展，數字化轉型已成為企業提升競爭力的必然選擇。國家住建部2018年9月頒發了GB/T 51296-2018《石油化工工程數字化交付標準》，數字化交付是建設數字化工廠的核心基礎，可以確保實現設計、采購、施工和調試及運維等工程全生命周期各個階段的數據信息共享，安全管理作為工廠運行維護的核心內容，安全設計資料的完整交付是運行期間安全維護的基礎。

施耐德電氣的AVEVA NET數字化交付平臺可承載和管理數字化交付信息，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設計、施工、安全數據移交的細節等。數字化交付過程如圖2所示。

圖2 數字化交付 

4 獨立保護層

4.1過程控制層

4.1.1基本過程控制系統

基本過程控制系統一般由DCS或PLC實現，實現基本的過程控制，以保證生產過程的工藝參量接近給定值或保持在給定范圍內。控制系統的控制水平決定了基本過程控制系統作為獨立保護層的風險降低能力。

施耐德電氣用于控制性能優化的控制顧問（Control Advisor）可以實時監測控制回路，診斷回路存在問題， 如回路振蕩、PID參數設置或儀表、閥門問題等等，可以幫助改進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、縮短響應時間等；由此提高自控率，降低操作風險，提升裝置安全性。 

4.1.2設備狀態檢測

以往，由于缺乏準確的方法來判斷設備失效的確切時間，設備維護運營者不得不面臨冒著發生故障停機的風險使其壽命最大化，或者提前更換正常部件以最大限度保障設備正常運行。預測性維護技術能夠確保設備使用壽命最大化的同時，又能有效避免發生非計劃停機。預測性維護技術旨在通過大數據分析，提前預測關鍵設備的健康狀態，避免發生意外停機或縮短停機時間，最大限度地提高生產效率和生產安全性。

施耐德電氣強大的PRiSM設備狀態預測解決方案，首先建立不同設備的故障識別模型，然后灌入歷史數據，進行機器學習，實時監測關鍵設備健康狀況以及表現效率，在設備出現故障之前提前進行預判。可以：

• 減少非計劃停機

• 降低維護成本

• 延長設備使用壽命

• 識別可能影響設備績效下降的因素

• 提高生產安全

4.1.3報警管理

實時監控報警是在生產工況發生異常時對操作人員進行第一時間提醒的重要工具，設置過程報警和系統報警的目的是為了確保設備的完好性以及工廠生產的連續性，一般情況下，在DCS中，幾乎每一個組態點都設置有個報警，一個PID回路通常包括回路完整性報警、高量程報警、設定點偏差報警和許多的其它報警。

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現生產問題。普遍情況下，DCS畫面滿盤數據閃爍，報警框不停閃爍，不僅影響正常操作與監控，而且造成操作人員的麻痹思想，熟視無睹，甚至直接關閉聲光報警設備。此外，操作人員在短時間只能關注和處理一定數量的報警。

采用先進的DCS報警管理技術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生的問題，有效提高裝置的穩定性和安全性。

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

4.1.4人員培訓和應急演練

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

現代工廠的工藝過程和控制策略越來越復雜，對裝置工程師、生產操作員來說提出了很大挑戰，他們必須學習掌握這些新的、先進的控制系統，熟悉調節控制的方法，全面掌握和了解工藝過程中本身的原理及其動態特性等等。他們的工藝知識、經驗和技能水平是工廠安全、順利開工的前提，也是保持平穩生產和安全生產的必要條件。

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

4.2安全控制層和主動保護層

安全儀表系統（Safety Instrumented System，SIS）作為獨立保護層中最關鍵的部分，是指用于實現一個或幾個安全儀表功能的系統，由傳感器、邏輯控制器、最終元件及相關軟件組成。安全控制層的緊急停車系統（ESD）和主動保護層的火災報警和氣體監測系統（FGS）都屬于安全儀表系統的范疇。

安全儀表功能（Safety Instrumented Function，SIF）是指由安全儀表系統執行的安全功能，安全儀表功能具有某個特定的SIL，同其它保護層一起參與風險的降低。安全儀表功能的管理可以確保安全儀表系統按照設計要求和預期工作，達到相應的風險降低能力。

施耐德電氣提供的Triconex安全儀表系統、報警與旁路管理工具（Safety View）、安全應用邏輯自動測試工具（TSV）和安全系統顧問（System Advisor）等獲得了業界的高度認可，如埃克森美孚、Reliance、雪佛龍、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的管理過程風險。圖3 是施耐德電氣Triconex安全系統的系列產品。

圖3 Triconex安全系統

4.3被動保護層和應急響應層

被動保護層主要依靠前期設計的一些物理保護措施將已經發生的風險后果盡可能降到最低，物理保護措施主要有壓力泄放閥、火炬和罐區圍堰等等

應急響應層承擔事故應急響應調查及響應工作，包含重大危險源管理、應急資源和應急預案數據庫、應急響應聯動處置、應急信息發布交換等內容

施耐德電氣的Wonderware 應急指揮平臺，提供應急預案數據庫，融合了應急指揮、人員定位與追蹤、工業電視監控、門禁系統、作業管理、職業健康、環保在線監測和短信群發系統等模塊，可以協助安全管理執行團隊最大程度將事故影響降至最低。 

5 網絡安全

工業控制系統網絡安全防護是指，通過實施技術和管理措施，避免工業控制系統遭到非授權或意外的訪問、篡改、破壞及損失。

首先從綜合評價的角度，運用科學的方法和手段，系統地分析和診斷工業控制系統所面臨的威脅及其存在的脆弱性，評估企業工業控制系統安全防護水平。提出有針對性的抵御威脅的防護對策和整改措施，最大限度地保障工控系統網絡安全，防止工控系統的崩潰或癱瘓，保障工控系統的安全穩定運行。

施耐德電氣網絡安全升級解決方案，通過對工控系統實施安全分區、網絡專用、橫向隔離、縱向認證等技術手段，加強構筑工控系統邊界安全防護網的同時，也特別注重工控系統內部的安全防護能力，采取身份認證、主機加固、病毒防護、入侵檢測、系統恢復和安全審計/ 監測等措施，進行多層面的信息安全防護，最終形成完善的信息安全防護體系。

同時，施耐德電氣還提供各類豐富、專業的工業信息安全培訓，并在系統維護中，持續改進安全方案、建立工控系統變更流程和應急預案，提供全生命周期的工控系統網絡安全服務。 

6 結束語

風險永遠不可能完全消除，但風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，而是由多個保護措施同時失效造成的特殊事件，因此，優秀的整體安全工程設計和科學的管理維護，可以保障裝置的安全平穩生產，實現企業可盈利運營。 

參考文獻

[1] IEC 61511: 2016, Functional safety – Safety instrumented systems for the process industry

sector

[2] 李巖. 化工工藝設計中的安全問題及注意事項. 中國化工貿易，2018.04

[3] 張建國. 安全儀表系統在過程工業中的應用. 中國電力出版社，2010.6