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引言：化工生產(chǎn)通常具有典型的易燃、易爆、有毒及高溫高壓的生產(chǎn)特征，屬于高危行業(yè)。隨著化工設(shè)備裝置及產(chǎn)能的大型化，由事故導致的危害對社會諸多方面造成的嚴重后果日益引起人們的關(guān)注。盡管我們可以通過執(zhí)行嚴格的規(guī)章制度、正確的操作方法、恢復性的年度檢修和日常維護等方式來減少或避免事故和災害的發(fā)生，但沒有絕對安全的化工生產(chǎn)。因此，在化工生產(chǎn)裝置中總是設(shè)有各種不同類型的安全設(shè)備及措施，以盡可能地降低事故或災害對人身安全、設(shè)備安全和環(huán)境保護造成的影響。化工生產(chǎn)中的安全保護系統(tǒng)按專業(yè)主要分為機械、電氣和儀表三類，而近幾年安全儀表系統(tǒng)SIS(safety instrUment system）發(fā)展較快并得到廣泛應用。由于大型化工生產(chǎn)裝置中對生產(chǎn)安全性有較高要求，新項目通常獨立配置安全儀表系統(tǒng)，完成過去由繼電器、PLC或DCS完成的邏輯控制功能。為進一步提高裝置儀表的安全防護等級，確保儀表故障或事故狀態(tài)下人身設(shè)備和環(huán)境的安全，達到并符合國家及安監(jiān)部門的要求，需對現(xiàn)有系統(tǒng)進行改造改造的目標是實現(xiàn)邏輯控制與連續(xù)控制功能的獨立最大限度地避免過去同一系統(tǒng)下控制功能同時失效帶來的風險，實現(xiàn)合成氨裝置保護系統(tǒng)的高安全性。
一、安全儀表系統(tǒng)的選型
安全儀表系統(tǒng)的選擇應當符合國際電工委員會 (IEC)2000年發(fā)布的IEC 61508《電氣／電子／可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》標準，并經(jīng)TUV認證。作為衡量電氣／電子／可編程電子設(shè)備（E/E/PE）功能安全的標尺，IEC 61508標準的發(fā)布，為危險工業(yè)、安全儀表系統(tǒng)用戶、系統(tǒng)集成商和設(shè)備供應商提供了一個統(tǒng)一的、為各方所接受的標準規(guī)范。選擇經(jīng)過TUV認證且符合IEC 61508標準的系統(tǒng)，用戶將不需要依靠長期的實際經(jīng)驗或進行測試就能獲得所選系統(tǒng)在安全可靠性、有效性、可維護和管理性上的嚴格保障。
1.1 SIS與DCS的主要差異
按照IEC 61508和IEC 61511標準，安全儀表系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)是兩種不同類別的系統(tǒng)，但兩者互為補充和聯(lián)系，主要差異如下。
①設(shè)計標準規(guī)范不同
安全儀表系統(tǒng)產(chǎn)品是按照IEC 61508標準設(shè)計、生產(chǎn)制造的，產(chǎn)品應用也要遵循IEC 61511提出的要求，有著統(tǒng)一的國際（國內(nèi)）標準規(guī)范，并為制造商、用戶各方所接受。DCS系統(tǒng)只需要達到使用國家及地區(qū)的標準規(guī)范要求、滿足用戶提出的要求即可。用戶在選擇和綜合評估不同制造商的DCS系統(tǒng)時，更多考慮的是根據(jù)市場調(diào)查得到的其他用戶的使用經(jīng)驗和供應商提供的資料數(shù)據(jù)。
②產(chǎn)品定位不同
安全儀表系統(tǒng)用于生產(chǎn)過程中的安全防護，功能安全是其核心定位，要求具有較高的可靠性和可用性。DCS系統(tǒng)則是用于生產(chǎn)中的過程控制，控制功能是其核心定位，要求滿足和實現(xiàn)生產(chǎn)過程中需要的各種控制功能，并通過各項生產(chǎn)指標的優(yōu)化控制，實現(xiàn)生產(chǎn)裝置的節(jié)能降耗和增效。
③工作特性不同
DCS系統(tǒng)是一個“動態(tài)”的過程控制系統(tǒng)，它實時采集現(xiàn)場大量的各種工藝數(shù)據(jù)，根據(jù)預定的控制策略進行運算（通常較為復雜耗時）處理后控制現(xiàn)場執(zhí)行元件（調(diào)節(jié)閥）的動作。這個過程經(jīng)常伴有操作人員的人工干預，響應處理速度一般在幾百毫秒到一秒之間。安全儀表系統(tǒng)可以看作是一個“靜態(tài)”的系統(tǒng)，正常工況下，它是“靜止”的，不會發(fā)出控制輸出指令，一旦達到或超過臨界點，則快速響應進行邏輯運算（一般較為簡單）處理后控制執(zhí)行元件（電磁閥、兩位式快動閥等）的動作，使裝置處于所需的安全狀態(tài)。這個過程一般沒有人工操作干預，響應處理速度一般在幾十到幾百毫秒，優(yōu)于DCS系統(tǒng)。
④產(chǎn)品認證不同
安全儀表系統(tǒng)（或該系統(tǒng)中的子系統(tǒng)及部件）需要經(jīng)過獨立公認的第三方權(quán)威安全機構(gòu)的嚴格認證，如在世界范圍內(nèi)被認可的德國TUV認證。DCS系統(tǒng)則可以不需要通過這種認證，只需取得通用的認證即可，如UL、CE等。因此，在SIS選型時，要特別注意SIS與DCS的差異，不能按DCS的選型思路來選擇安全儀表系統(tǒng)，且需要重點關(guān)注SIS全系統(tǒng)的安全性、可用性與可靠性。
1.2安全完整性等級的確定
安全完整性等級SIL(safety integrity level）是指在一定時間、一定條件下，安全相關(guān)系統(tǒng)執(zhí)行其所規(guī)定的安全功能的可能性。選擇安全儀表系統(tǒng)時，需要確定安全儀表系統(tǒng)的安全完整性等級。安全完整性等級是對安全儀表系統(tǒng)安全性能的要求級別，一個裝置的危險性越高，對安全儀表系統(tǒng)要求的安全等級就越高，獲得對應級別安全性能所付出的安全成本也越高。生產(chǎn)裝置的危險由下式?jīng)Q定:
Risk=Probability*Consequences
式中：Risk表示裝置可能的危險；Probability為危險發(fā)生的概率；Consequences表示危險的后果
危險發(fā)生的概率為危險事件發(fā)生概率與安全儀表系統(tǒng)的失效概率的乘積，而SIL與失效概率有著對應關(guān)系。因此，SIL反映了安全功能對整體風險水平降低的作用程度。在評估和確定安全完整性等級時，根據(jù)生產(chǎn)裝置的特點、工藝的危險性、國家和企業(yè)相關(guān)法規(guī)所要求達到的安全等級，由具有資質(zhì)的專門機構(gòu)進行，也可由企業(yè)根據(jù)自己實踐經(jīng)驗分析確定，通常大型化工、石化和電力行業(yè)所需的安全等級為SIL3級。合成氨裝置作為我公司在當?shù)氐闹卮笪ｋU源之一，對企業(yè)和周邊地區(qū)人身、設(shè)備和環(huán)保有重大的影響。按照通常大型化工裝置的安全等級防護要求，確定合成氨裝置的安全完整性等級為SIL3。需要強調(diào)的是，安全完整性等級是對整個系統(tǒng)而言，包括輸入輸出環(huán)節(jié)上的所有串聯(lián)設(shè)備（部件）都應該納入考慮的范疇。然而，現(xiàn)階段輸入輸出設(shè)備能夠達到SIL3并經(jīng)過TUV認證的并不多，輸入輸出設(shè)備中的變送器（傳感器）、安全柵、繼電器、電磁閥和閥門等多為SILI或Sl 硯。用戶可以根據(jù)具體使用情況和安全性要求進行評估后選擇，盡可能選用接近所要求安全完整性的產(chǎn)品，或在關(guān)鍵回路中盡量選用SIL高的產(chǎn)品，或通過其他方法來提高SIL等級，如在安全儀表系統(tǒng)中使用的變送器，單臺使用的情況下，SIL可能只能達到SILI或SlU，如果需要達到SIL3，就需要使用多臺變送器，通過表決取值（三選二、變化率選擇或其他方式）來實現(xiàn)。改造過程中，我們對重要關(guān)鍵回路（如壓縮機潤滑油壓等）保留了過去三選二的配置和處理。
1.3 SIS產(chǎn)品本身安全性的識別
停車聯(lián)鎖拒動與誤動是系統(tǒng)運行中存在的關(guān)鍵問題。誤動帶來的風險是企業(yè)短時局部經(jīng)濟效益的損失，拒動帶來的風險則可能導致企業(yè)人身、設(shè)備和環(huán)境的巨大災難，后果影響是長期重大的。化工安全儀表系統(tǒng)的功能是安全防護，其主要用途之一是化工生產(chǎn)過程中的安全防護，即停車聯(lián)鎖控制，此時，也將安全儀表系統(tǒng)稱為緊急停車系統(tǒng)ESD(emergency Shut down）。功能安全是安全儀表系統(tǒng)的核心特征，設(shè)計理念與應用須遵循IEC 61508/61511標準，且必須是故障安全型的控制系統(tǒng)。
安全儀表系統(tǒng)本身必須具有很高的安全性。當系統(tǒng)檢測到裝置工藝變量達到或超過臨界值時，必須完成安全保護動作，避免事故或危險擴大，這是它的正常功能。另一方面，安全儀表系統(tǒng)必須有很強的診斷功能，系統(tǒng)中局部故障或失效產(chǎn)生單點故障時，故障不會擴大并可切除或隔離；當系統(tǒng)中的故障足夠嚴重（非工藝參數(shù)變量引起），如系統(tǒng)不能正常工作，或者因為系統(tǒng)中的故障導致安全儀表系統(tǒng)的安全完整性等級下降時，安全儀表系統(tǒng)將宕機，系統(tǒng)中獨立的診斷模塊（看門狗）將觸發(fā)故障安全保護動作，保證系統(tǒng)不會因為重大儀表系統(tǒng)故障產(chǎn)生拒動的風險而失去安全性，從而保障了工藝裝置的安全性。如本次改造采用霍尼韋爾SM系統(tǒng)集中完成全部輸入邏輯處理運算和輸出設(shè)備的控制，集中度高、風險高，對SIL的等級應高于輸入輸出。這種SIL級別的要求包括系統(tǒng)內(nèi)部邏輯處理器的輸入輸出接口、處理器（CPU）、電源、總線、通信接口和軟件系統(tǒng)，且必須是通過TUV認證的。FSC2OO4D系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制處理器由冗余的兩塊CPU卡構(gòu)成，每個CPU卡有兩個微處理器，安全降級模式為4-2-0，正常工作時為SIL3；當一個CPU卡出現(xiàn)故障時，仍為SIL3；當兩塊都壞時，系統(tǒng)將宕機，故障安全保護將動作圖。
二、SIS在化工裝置中的應用
在本次改造中，將關(guān)鍵回路的邏輯控制與ESD系統(tǒng)從TPS中獨立出來，從而提升邏輯控制與主要化工設(shè)備與裝置的安全性。由于選用的SM系統(tǒng)本身是SIL3系統(tǒng)，因此，改造的關(guān)鍵在于輸入輸出環(huán)節(jié)的可用性與可靠性的處理。
2.1 增強SIS的可用性
應用在安全儀表系統(tǒng)中，可用性也是系統(tǒng)的一項重要指標和性能。簡單地說，可用性是指系統(tǒng)不因單點故障的產(chǎn)生而喪失系統(tǒng)功能（或使用）的性能。在DCS系統(tǒng)中，通常采用冗余技術(shù)來獲得系統(tǒng)的可用性，安全儀表系統(tǒng)也不例外。對于我公司大型連續(xù)生產(chǎn)的化工生產(chǎn)裝置 ― 合成氨裝置，不能因為系統(tǒng)單點的故障影響到系統(tǒng)的可用性，高可用性是必須的。為了獲得高可用性，在合成氣壓縮機控制中仍然按全冗余進行配置，包括電源等硬件。
2.1.1合成氣 103-J停車邏輯控制
合成103-J透平壓縮機組設(shè)置了潤滑油主輔油泵啟停聯(lián)鎖、盤車聯(lián)鎖、啟停允許聯(lián)鎖、緊急停車聯(lián)鎖 (ESD）、工藝相關(guān)聯(lián)鎖和冷凝液泵啟停聯(lián)鎖。合成氣壓縮機103-J停車聯(lián)鎖設(shè)計的目的是使機組安全啟停，進而保護機組。其緊急停車聯(lián)鎖邏輯如圖2所示。
根據(jù)上述邏輯示意圖，以下任意一個條件滿足都會聯(lián)鎖103-J停車，停車信號則送至DCS(XA1203）、現(xiàn)場就地盤（UA01003）、輔操臺（UA1203) ，以及切斷三個停車電磁閥（XY04514 A/B/C）電源，使速關(guān)閥快速關(guān)閉，同時切斷三個防喘振閥電磁閥（XSVl007/8/9) 電源，使閥門快速打開。
①按下關(guān)速關(guān)閥按鈕（HSl273B) ，觸發(fā)f511_01輸出。
②控制油壓力 PAID4507 A/B/C任意兩個達到聯(lián)鎖報警值時，系統(tǒng)通過三選二輸出，觸發(fā)f511_01輸出，聯(lián)鎖停止壓縮機。
③103-J高、低壓缸密封氣一級放空差（PDI004454-QHH、PDI04458_QHH 、PDI04434_QHH 、PDI04438_QHH) 任意一個達到高高報時，觸發(fā)103J-TRIP邏輯輸出。
④將103-J透平壓縮機組的軸瓦溫度、軸振動以及軸位移各監(jiān)測點引入Bently 3500系統(tǒng)中，各點的邏輯關(guān)系在Bently 3500組態(tài)完成，并送出TAHH701、TAHH7O4、TAHH733、VAHH701、VAHH7O2、VAHH731、VAHH732、ZAHH703、ZAHH733、TAHH04582 、ZAHH04511、VAHH04510、VAHHO4509等信號到SM系統(tǒng)停車聯(lián)鎖。Bendy 3500系統(tǒng)對機組運行情況進行監(jiān)測，如機組任意一個軸瓦溫度、軸振動以及軸位移達到聯(lián)鎖值，Bently 3500系統(tǒng)都送出相對應的停車信號（103J_TRIP）到SM系統(tǒng)聯(lián)鎖停止壓縮機。
⑤103-J高、低壓缸密封氣壓差和隔離氣壓差任意一點達到聯(lián)鎖報警值，在延時30.0 min后報警未消除則聯(lián)鎖停止壓縮機。
⑥當103-J潤滑油總管的三臺壓力變送器中有任意兩個達到聯(lián)鎖報警值（PALL04406 A/B/C）時，系統(tǒng)通過三選二輸出聯(lián)鎖（103J_TRIP）停止壓縮機。
⑦操作人員按下主控制（HS1203）或現(xiàn)場就地盤 (HS04571）緊急停車按鈕時，聯(lián)鎖停止壓縮機。
⑧系統(tǒng)檢測到壓縮機的兩個轉(zhuǎn)速探頭 (SE01003A/B）都故障時，將送出停車信號（f1SPD_FL）聯(lián)鎖停止壓縮機。
⑨在103-J正常運行轉(zhuǎn)SE01003A/B超過11738.0r/min或在103-J做超速測試實驗時轉(zhuǎn)速SE01003A/B超過11800.0r/min時，系統(tǒng)將送出停車信號（103J_TRIP）聯(lián)鎖停止壓縮機。
⑩當103-JT排氣壓力三臺壓力變送器中任意兩個達到聯(lián)鎖報警值（PAHH04465 A/B/C）時，系統(tǒng)通過三選二輸出聯(lián)鎖停止壓縮機；103-JT 排氣溫度三個點中任意兩個達到聯(lián)鎖報警值（TAll04467 A/B/C）時，系統(tǒng)通過三選二輸出聯(lián)鎖停止壓縮機；三選二超速保護系統(tǒng)中三個通道有任意兩個報警（SAll04513 A/B/C）或任意兩個通道檢查到超速發(fā)出報警信號（ SAHII04513 A/B/C）時，系統(tǒng)通過三選二輸出聯(lián)鎖停止壓縮機。
由于系統(tǒng)的邏輯設(shè)計是安全儀表系統(tǒng)邏輯運算的重要環(huán)節(jié)，邏輯設(shè)計的可用性對系統(tǒng) SIL級別影響至關(guān)重要。改造中采用的措施如下：①使用冗余輸入的運算邏輯，如檢測元件三重冗余配置的“三選二”邏輯形式，以滿足所要求的可用性；②根據(jù)工藝特點，對壓縮機啟停允許聯(lián)鎖、工藝相關(guān)聯(lián)鎖采用觸發(fā)器模塊，完成安全保護動作的觸發(fā)與復位，規(guī)避狀態(tài)保持的邏輯自鎖，實現(xiàn)安全保護動作；③根據(jù)工藝要求，設(shè)置靈活的旁路切除開關(guān)。
2.1.2邏輯輸入輸出環(huán)節(jié)的可用性處理
作為串聯(lián)風險的輸入輸出環(huán)節(jié)，邏輯輸入輸出環(huán)節(jié)是整個安全儀表系統(tǒng)的主要組成部分。根據(jù)工藝要求、改造成本和冗余增加帶來的故障點風險的綜合評估，在改造中對安全儀表系統(tǒng)的輸入輸出環(huán)節(jié)作相應的處理，力求規(guī)避單點故障帶來的短板效應。
①為減小檢測變送環(huán)節(jié)自身的故障率，本次安全儀表系統(tǒng)的檢測元件增選了部分具有安全水平認證的變送器產(chǎn)品，相關(guān)產(chǎn)品達到了SILI-2安全等級并獲得TUV認證，使得部分檢測元件產(chǎn)品的安全等級有了明確的界定。壓縮機的控制油壓力、潤滑油壓力、排氣壓力與溫度、壓縮機轉(zhuǎn)速等重要參數(shù)采用三重檢測并設(shè)置偏差報警；對設(shè)備自診斷信息進行二次容錯判斷并作為預處理邏輯運算的約束條件，確保輸入環(huán)節(jié)總體達到SIL3安全完整性等級。
②在執(zhí)行機構(gòu)（電磁閥、速開閥、速關(guān)閥）的配置上，SIL2及以上等級的安全儀表系統(tǒng)通常采用獨立或冗余配置的執(zhí)行機構(gòu)。在單臺執(zhí)行機構(gòu)和冗余元件兩種方法都可行時，采用高可靠度執(zhí)行元件通常比執(zhí)行元件冗余更好，執(zhí)行機構(gòu)優(yōu)先選用符合IEC 61508安全度等級并取得相關(guān)認證的產(chǎn)品。改造中防喘振電磁閥（XSV1007/8/9）分別作用于壓縮機的三段，喘振值根據(jù)不同負荷的喘振曲線隨機得出，在電源雙路獨立供電的情況下，對ESD均采用氣關(guān)閥失電動作，從而可以最大限度地防止該電磁閥的拒動。三重化輸出的停車電磁閥（XY04514 A/B/C）作用于蒸汽速關(guān)閥的控制油系統(tǒng)，從而使油壓推動的蒸汽閥快速關(guān)閉，壓縮機安全停車。綜上所述，實際輸出環(huán)節(jié)整體接近SIL3的安全等級要求。
2.2 SIS可靠性應用的完善
合成氨裝置的生產(chǎn)目標是長、安、穩(wěn)運行，安全儀表系統(tǒng)聯(lián)鎖誤動作盡可能少發(fā)生或不發(fā)生，實現(xiàn)企業(yè)效益的最大化。但化工生產(chǎn)安全不能過度，過度則會使聯(lián)鎖動作停車，造成安全目標與生產(chǎn)目標嚴重沖突。
盡管安全儀表系統(tǒng)SM自身是安全可靠的，但也需要綜合考慮實際應用中的各種因素，才能起到有效的安全保護作用。改造中，我們從以下三個方面完善系統(tǒng)的安全可靠性。
2.2.1完善安全功能的設(shè)計
原有的聯(lián)鎖功能已經(jīng)在DCS系統(tǒng)中運行多年，穩(wěn)定可靠，輸入以模擬量為主。當移植到SM中時，邏輯功能不需要作過多的修改，模擬處理功能則需要根據(jù)使用要求進行修改，特別對于高溫高壓下的液位測量，需采用軟測量的方法來補正液體密度變化帶來的巨大測量誤差鬧。由于SM主要以處理數(shù)字量為主，輸入預處理功能較弱，改造中采用如下措施：①溫壓補正、小信號切除等功能采用自定義功能塊實現(xiàn)；②使用開方、除法器時，規(guī)避不能出現(xiàn)負數(shù)開方和除數(shù)為零的應用，以避免運行時造成非正常停車事故。
2.2.2輸入輸出可靠性的增強
經(jīng)驗和統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，傳感器故障率約為40%控制器故障率約為10%，執(zhí)行機構(gòu)故障率約50％。系統(tǒng)誤動作的不安全因素主要來自輸入與輸出兩端，是故障率較高的兩個環(huán)節(jié)。除了選用質(zhì)量有保證和可靠性較高或經(jīng)過認證的產(chǎn)品外，改造中采取了如下措施輸入回路使用信號浪涌保護器（防雷柵）;24VDC外部供電冗余并安裝浪涌保護器；兩路UPS 220 VAC供電并安裝多級浪涌保護器；干擾比較大的回路安裝隔離柵曰；選用低密度（4或8通道）I/O卡；不相關(guān)回路分配到不同的I/0卡上；減少輸入輸出中間連接環(huán)節(jié)對工藝條件許可的快開閥實現(xiàn)冗余并聯(lián)配置，快關(guān)閥實現(xiàn)冗余串聯(lián)配置。
2.2.3安全的可視化操作界面合成氨裝置原有聯(lián)鎖功能在霍尼韋爾公司的TPS系統(tǒng)中完成時，操作監(jiān)控非常方便，改用SM實現(xiàn)聯(lián)鎖功能后，由于安全儀表系統(tǒng)不同于DCS系統(tǒng)，屬于低操作率的系統(tǒng)，正常時不需要過多的人工干預，系統(tǒng)自身的操作監(jiān)控界面比較簡單、不利于集中監(jiān)控，操作起來也不方便。為此，按照操作人員在事故狀態(tài)下易誤操作的情景模擬，完成了對主控人機操作界面的設(shè)計與改造：根據(jù)操作習慣和操作的安全性，重新設(shè)置操作按鈕的布局與擊鍵確認次數(shù)；根據(jù)不同故障模式，操作導向圖示化；邏輯控制輸入、控制、輸出三個環(huán)節(jié)的所有點的有效性狀態(tài)顯示；設(shè)置了聯(lián)鎖單點切除開關(guān)功能，方便操作維護。
三、應用效果
系統(tǒng)改造投用后，可用性和可靠性明顯提高，運行穩(wěn)定。系統(tǒng)運行1年多以來，應用效果對比如表1所示。
四、結(jié)束語
在化工生產(chǎn)中，安全儀表系統(tǒng)是非常重要的特殊控制系統(tǒng)，在選型、改造、使用與維護中必須遵循嚴格的安全標準及規(guī)范，并根據(jù)企業(yè)自身的實際情況，綜合采取多種安全可靠性措施，確保系統(tǒng)功能安全的實現(xiàn)，使企業(yè)的人身設(shè)備安全和環(huán)境安全得到充分可靠的保障。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號