安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展

安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展摘要：隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，科學(xué)技術(shù)的日新月異，探討安全儀表系統(tǒng)在過程工業(yè)中的必要性與重要性，闡述安全儀表系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)的異同。研究安全儀表系統(tǒng)設(shè)計過程中風(fēng)險分析與安全完整性水平等的關(guān)鍵技術(shù)；同時認(rèn)為安全儀表系統(tǒng)作為一種有效的安全保障措施，應(yīng)當(dāng)以風(fēng)險與危害分析為基礎(chǔ)，按照最低合理可行原則，根據(jù)對象的不同特點，確定適當(dāng)?shù)陌踩暾运?。該?yīng)用研究成果對于安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：安全儀表系統(tǒng)；應(yīng)用；發(fā)展引言隨著社會的發(fā)展和以人為本理念的深入，安全對于人員、設(shè)施和環(huán)境來說變得越來越重要。近年來，石油、化工和煤炭等工業(yè)領(lǐng)域，重特大事故的頻繁發(fā)生不僅給企業(yè)和社會帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且對人身、設(shè)備和環(huán)境構(gòu)成了極大威脅，已成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與和諧社會建設(shè)的重要因素。嚴(yán)峻的安全生產(chǎn)形勢迫切要求我國加強(qiáng)工業(yè)領(lǐng)域的安全生產(chǎn)管理和功能安全保障體系研究。筆者以安全儀表系統(tǒng)生命周期為出發(fā)點，通過對風(fēng)險分析和安全完整性水平等安全儀表系統(tǒng)相關(guān)問題的研究，旨在建立風(fēng)險分析與安全儀表系統(tǒng)之間的聯(lián)系，為安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計，運行與維護(hù)提供理論依據(jù)。1安全儀表系統(tǒng)生命周期安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計有自己獨立的流程，遵循嚴(yán)格的程序。安全系統(tǒng)的生命周期不是一成不變的，在設(shè)計過程中，可以根據(jù)自己的特殊要求，建立各種不同的周期循環(huán)。安全儀表設(shè)計過程中，最重要的兩個方面是風(fēng)險及危害的評價及SIL的確定。在安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計之前需要明白一個原則：安全系統(tǒng)的設(shè)計并不是可靠性越高越好，而是應(yīng)該尋求系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟(jì)性的一種平衡，即在達(dá)到系統(tǒng)安全要求的條件下，選擇既經(jīng)濟(jì)又可靠的安全方案。作為一個系統(tǒng)性的工程，安全儀表系統(tǒng)設(shè)計往往需要多個專業(yè)的共同合作才能完成。設(shè)計過程是在對過程對象充分了解的條件下，對過程中可能出現(xiàn)的風(fēng)險及危害進(jìn)行分析和評估，以確定是否需要儀表安全系統(tǒng)來提供對系統(tǒng)的安全保護(hù)。當(dāng)風(fēng)險水平不能被控制在可接受的水平范圍，要求使用安全儀表系統(tǒng)時，便進(jìn)入了安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計階段。一旦確定使用儀表安全系統(tǒng)，面臨的第一個問題便是安全完整性水平的選擇。安全完整性等級的選擇與系統(tǒng)風(fēng)險和危害程度緊密相關(guān)，所選擇的安全完整性水平應(yīng)當(dāng)與風(fēng)險水平相匹配。安全完整性等級的確定往往是安全儀表設(shè)計過程中最難的一個環(huán)節(jié)。當(dāng)通過全面評估并確定安全系統(tǒng)的停用不會影響到生產(chǎn)過程和周圍環(huán)境的相關(guān)單元時，可以停止安全儀表系統(tǒng)的使用。至此完成了整個安全生命周期。2安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用2.1繼電器型系統(tǒng)早期執(zhí)行安全功能的安全儀表系統(tǒng)大多是由繼電器組成的安全連鎖系統(tǒng)，采用單元化結(jié)構(gòu)，通過繼電器來執(zhí)行邏輯。優(yōu)點是可靠性高，不易受干擾影響，電壓適用范圍寬，系統(tǒng)一次投資費用較低。缺點是此類系統(tǒng)體積大，靈活性差，難以構(gòu)建大規(guī)模系統(tǒng)，不便于進(jìn)行功能修改或添加，也缺乏串行通信功能，無報告和文檔功能。這種繼電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的SIS平均無故障工作時間（MTBF）一般為10年。2.2硬接線固態(tài)電路型系統(tǒng)多為模塊化結(jié)構(gòu)，采用獨立的固態(tài)器件，通過硬接線構(gòu)成系統(tǒng)實現(xiàn)要求的邏輯功能，如基于帶診斷的二取一（1oo2D）、三取二（2oo3）等表決型安全控制系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)緊湊，可對系統(tǒng)中包括輸入/輸出（I/O）在內(nèi)的所有運行通道進(jìn)行在線測試，易于識別故障；可串行通信；易于更換，便于維修；可配置成冗余系統(tǒng)，改善系統(tǒng)性能，增強(qiáng)系統(tǒng)容錯性。但固態(tài)系統(tǒng)的靈活性不夠，任何邏輯修改或添加必須改變系統(tǒng)的連線；大系統(tǒng)的操作費用也較高；同時硬接線固態(tài)系統(tǒng)的可靠性不如繼電器型系統(tǒng)。2.3可編程電子型系統(tǒng)可編程電子型系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的一種安全系統(tǒng)。系統(tǒng)以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ)，安全可編程邏輯控制器（PLC）是其典型代表。系統(tǒng)一般采用模塊化結(jié)構(gòu)，通過微處理器和軟件來執(zhí)行邏輯任務(wù)。它采用專門的軟件和微程序固件，具有強(qiáng)大的、方便靈活的編程能力。系統(tǒng)設(shè)計有內(nèi)部自測試和自診斷功能可有多種通訊接口。3安全儀表系統(tǒng)發(fā)展趨勢安全儀表系統(tǒng)的實現(xiàn)經(jīng)歷了從氣動系統(tǒng)，繼電器系統(tǒng)，固態(tài)繼電器系統(tǒng)到PLC系統(tǒng)幾個發(fā)展階段。雖然這些系統(tǒng)現(xiàn)在仍在應(yīng)用，但正在被越來越先進(jìn)的智能型安全儀表系統(tǒng)所取代。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了一些新型的安全儀表系統(tǒng)，如Emerson推出的PlantWebSmartSIS智能安全儀表管理方案，ABB公司的800xAHighIntegrity系統(tǒng)，西門子推出的SIMATICPCS7安全一體化系統(tǒng)等，從這些新推出的安全系統(tǒng)可以看出，安全儀表系統(tǒng)呈現(xiàn)出如下的發(fā)展趨勢：3.1與基本過程控制系統(tǒng)的集成通訊接口與通訊網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一為安全儀表控制系統(tǒng)與基本過程控制系統(tǒng)的集成帶來極大的便利，對于一些要求較低、規(guī)模較小的生產(chǎn)過程可以采用集成的方法來減少投資，同時減少由基本過程控制系統(tǒng)和安全儀表系統(tǒng)不同的實現(xiàn)方式帶來的問題。安全儀表系統(tǒng)同基本過程控制系統(tǒng)的集成目前主要有3種方式：Interfaces，Integrated和Com-monoInterfaces方式為基本過程控制系統(tǒng)與安全儀表系統(tǒng)各自采用獨立的網(wǎng)絡(luò)和工程師站。兩個系統(tǒng)之間通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通訊。Integrated模型中兩個系統(tǒng)采用通用的網(wǎng)絡(luò)連接，并共用工程師站，但兩者的職能有明確的劃分。Common模式為兩個系統(tǒng)的完全整合，采用基本過程控制系統(tǒng)來完成安全儀表系統(tǒng)的功能。3.2安全儀表系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展智能安全儀表系統(tǒng)采用智能型傳感器和數(shù)字閥門定位器，傳感器、數(shù)字閥門同邏輯控制器之間采用數(shù)字通訊。智能型終端設(shè)備不僅可以檢測過程變量、接受控制信號，同時還可以提供包括關(guān)于設(shè)備自身、相關(guān)設(shè)備甚至周圍過程的信息，供邏輯控制器的安全決策使用。數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)使信息可以進(jìn)行雙向流動，在傳遞控制信號的同時，也可以傳遞邏輯控制器對終端設(shè)備的組態(tài)或標(biāo)定數(shù)據(jù)。智能型的邏輯控制器能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份、歸檔和分析，也可以對設(shè)備和診斷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以鑒別出現(xiàn)的問題，并提供一些更正建議。3.3現(xiàn)場總線在安全儀表系統(tǒng)中的應(yīng)用隨著現(xiàn)場總線技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用和推廣，它也在向安全相關(guān)系統(tǒng)領(lǐng)域延伸，發(fā)展成為安全總線。目前已經(jīng)有包括InterBusSafe-ty，EsaLAN，DeviceNetSafety等在內(nèi)超過10種的安全總線類型。安全總線能夠檢測到通訊錯誤并進(jìn)入安全狀態(tài)，它的引入能夠?qū)崿F(xiàn)安全儀表系統(tǒng)的柔性設(shè)計，能夠加強(qiáng)對現(xiàn)場設(shè)備的管理。從長遠(yuǎn)來看，還能夠降低投資成本。3.4具備更高的過程可用性及更低的維護(hù)成本作為一個系統(tǒng)，本身也存在出現(xiàn)故障的可能性，但是未來的安全儀表系統(tǒng)將借助自身的故障診斷系統(tǒng)在線監(jiān)視設(shè)備及過程狀態(tài)，并同時能夠向操作人員發(fā)出包括可能或適當(dāng)應(yīng)對措施在內(nèi)的警報，從而提高系統(tǒng)的可用率。智能安全儀表系統(tǒng)的診斷功能還可以通過避免派遣維護(hù)技工去現(xiàn)場進(jìn)行例行設(shè)備檢查達(dá)到節(jié)省成本的目的。同時安全儀表系統(tǒng)自動實施的部分行程測試也可以節(jié)省大量的由于減少停車所帶來的成本。結(jié)語安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計有著一套獨立的方法，它需要過程工業(yè)中多個專業(yè)人員的協(xié)同合作才能完成。安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)以風(fēng)險分析為基礎(chǔ)，通過采用定量或定性的分析方法建立安全儀表系統(tǒng)的安全完整性水平，進(jìn)而確定整個安全儀表系統(tǒng)的基本要求。由于不同的方法得到的安全完整性水平可能有所差異，應(yīng)根據(jù)具體的情況對安全完整性水平分析方法加以取舍。新技術(shù)的不斷發(fā)展使得安全儀表系統(tǒng)的功能將更強(qiáng)，成本將更低，它的設(shè)計和應(yīng)用將變得更為簡捷，安全儀表系統(tǒng)的發(fā)展本著以人為本的理念，出現(xiàn)了一些新特點、新趨勢，出現(xiàn)了一些新型的安