霍明鑫 呼延方园 张瑞
陕煤集团榆林化学有限责任公司 陕西 榆林，719000
摘要：随着国际安全控制技术的不断发展，国内功能安全理念的推广和应用，工业领域为确保企业的安全生产，安全仪表系统（ＳＩＳ－－ＳａｆｅｔｙＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄＳｙｓｔｅｍ）已越来越多地得到重视，并广泛应用到各行各业，以确保人员、财产的安全，把风险降到最低。
关键词：安全仪表系统；设计；应用
前言
随着经济的快速发展，生产过程自动化水平逐步提高，对于安全的要求也越来越严格。尤其是新《安全生产法》已于２０１４年１２月１日起开始实施，体现了国家对于安全生产的重 视。 为确保化工装置生产过程的安全，安全仪表系统已越来越多地得到重视和应用。国家安全监管总局也提出了关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见，更加重视化工安全仪表系统的设计、安装调试和操作维护管理等，如果安全仪表系统失效，往往会导致严重的安全事故。因此，设计合理的安全仪表系统至关重要。
1安全仪表系统概述
安全仪表系统（SafetyInstrumentedSystem，SIS）也称为安全联锁系统（SafetyIntellocks）、紧急停车系统（EmeigencyShutdownSystem，ESD）、安全关联系统（SafetyＲelatedSystem）、安全停车系统（safetyShutdownSystem）等，它是由国际电工委员会（IEC）标准IEC61508及IEC6151l定义的专门用于安全的控制系统。安全仪表系统对生产装置或设备可能发生的危险或不采取紧急措施将继续恶化的状态进行及时响应，使其进入一个预定义的安全停车工况，从而使危险和损失降到最低程度，保证生产、设备、环境和人员安全。安全仪表系统在整个安全控制和管理中处于举足轻重的位置。安全仪表系统被定义为由传感器、逻辑运算单元和最终控制元件组成的控制系统，设计用于当生产过程的预定条件受到冲击时，自动地将其置于安全状态。这些预定条件包括压力高限、温度高限等工艺参数。安全仪表检测出潜在的危险工艺状态，通过组态的联锁逻辑控制现场电磁阀等的切断或导通，保护工业设备和人员的安全；下一层是减灾，减轻和抑制危险事件的后果，如火灾和可燃气体检测系统（FGS），安全阀、爆破膜等；再外层就是消防等紧急响应系统，包括全厂和社会层，紧急广播、火灾消防、人员紧急撤离、医疗救助、工厂周边社区人员撤离等。
因此，设计合理规范的安全仪表系统至关重要。
2安全仪表系统的安全度等级
安全度等级是用于描述安全仪表系统安全综合评价的等级,指在规定的条件下、规定的时间内,安全系统成功实现所要求的安全功能的概率。安全仪表系统的安全度等级越高,安全系统实现所要求的安全功能失败的可能性就越低。IEC61508标准根据安全系统满足安全要求的程度将安全系统分为4个等级:SIL1~SIL4，SIL1最低,SIL4(主要用于核工业)最高。其主要定义如下:
(1)SILl级:装置可能很少发生事故。如发生事故,对装置和产品有轻微的影响,不会立即造成环境污染和人员伤亡,经济损失不大。
(2)SIL2级:装置可能偶尔发生事故。如发生事故,对装置和产品有较大的影响,并有可能造成环境污染和人员伤
亡,经济损失较大。
(3)SIL3级:装置可能经常发生事故。如发生事故对装置和产品将造成严重的影响,并造成严重的环境污染和人员伤亡,经济损失严重。
3安全仪表系统的设计原则
3.1安全的计算机控制系统
计算机控制系统的设计主要包括可靠性和可用性两方面。计算机控制系统的可靠性首先应满足安全仪表系统的安全度等级(SIL1~4),在此基础上,世界上各著名的安全仪表系统制造商均推出了不同结构的系统,有冗余的、冗余容错的,这些系统都取得了TUV认证
达到相应的安全等级。
原则上只要能经认证,并达到装置要求的安全等级,那么该计算机控制系统就能够用来执行安全保护功能。计算机控制系统的可用性是系统的基本指标,容错
是系统提高可用性的重要手段,容错是指控制器或系统在出现故障时仍能正常工作同时又能查出故障的能力。它需要一定的冗余,I/O模块、电源、通讯模块等的冗余配置是容错实施的基本条件。冗余容错结构的系统配置在提高了系统可靠性的同时,也提高了系统可用性。系统低可靠性时却要求较高的可用性会造成系统的高成本。在安全仪表系统设计时,任何可靠性及可用性的定性分析结果都不能简单地作为认定某种结构的计算机控制系统可靠性及可用性高或低的依据,应仔细分析装置对安全仪表系统可用性及可靠性的要求,综合考虑各种因素,选择结构合适的计算机控制系统,并合理进行系统配置。
3.2执行元件设计
执行元件包括控制阀(气动、液动、电动执行等调节阀、切断阀)、电磁阀开关、电机及附属元件等。安全仪表系统的最终元件宜采用气动控制阀,带电磁阀、限位开关等。不宜采用电动控制阀。对于SIL1级安全仪表功能,控制阀可与基本过程控制系统共用,应确保安全仪表系统的动作优先；对于SIL2级安全仪表功能,控制阀宜与基本过程控制系统分开设置；对于SIL3级安全仪表功能,控制阀应与基本过程控制系统分开设置。SIL1、SIL2、SIL3级安全仪表功能的控制阀不宜带手轮或旁路阀。对于SIL1级安全仪表功能,可采用单一控制阀；对于SIL2级安全仪表功能,宜采用冗余的控制阀，如采用单一控制阀，其配套的电磁阀宜冗余设置。对于SL级安全仪表功能,应采用冗余的控制阀。如特殊情况下采用单一控制阀,其配套的电磁阀应冗余设置。控制阀余方式可采用一个调节阀和一个开关阀,也可采用二个开关阀。
3.3逻辑控制器设计
逻辑控制器是SIS中完成一个或多个逻辑功能的部件。宜采用可编程电子系统。（1）逻辑控制器的独立设置原则。SIL1级安全仪表功能，逻辑控制器宜与基本过程控制系统分开；SIL2级安全仪表功能，逻辑控制器应与基本过程控制系统分开；SIL3级安全仪表功能，逻辑控制器应与基本过程控制系统分开。（2）逻辑控制器的冗余设置原则。SIL1级安全仪表功能，可采用冗余逻辑控制器；SIL2级安全仪表功能，宜采用冗余逻辑控制器；SIL3级安全仪表功能，应采用冗余逻辑控制器。
3.4传感器设计
对于BPC和SIS使用单个传感器需要进一步的审查和分析。单一的传感器的故障可能导致危险的情况。当一个传感器同时用于BPC和SIS功能时，IEC61511-1：2016的要求是：
只有在传感器诊断能够充分降低危险故障率和SIS能够在所需时间内将过程置于安全状态的情况下才能满足。共享传感器(例如。变送器、分析器和开关)应由SIS供电。还应考虑在共享设备因检测到的故障、维护或测试而无法使用期间实施的补偿措施。对于较高的SIL，通常需要具有相同或不同冗余的单独的SIS传感器来满足所需的安全完整性。当使用冗余的SIS传感器时，传感器也可以通过适当的隔离器或其他方法连接到BPCS，以确保BPCS的故障不会导致SIS的危险故障。如果使用单个单独的SIS传感器，通过的隔离器或其他方法将信号传输到BPCS，要确保BPCS的故障不会导致SIS的危险故障。这种方式可以通过允许BPC和SIS传感器之间的信号比较来提高诊断覆盖率。
结语：目前，在以石油、天然气开采运输、石油化工，发电，化工等为代表的过程工业领域朝着大型化、智能化方向进行，安全问题成为了企业生产的首要问题。在企业生产中安全仪表系统的合理设置，可以保护人员、生产设备及环境的安全。随着自控技术和工业安全理念的发展，安全仪表系统已从传统的过程控制概念脱颖而出，并与基本
过程控制系统（如ＤＣＳ）并驾齐驱，成为自控领域的一个重要部分。
参考文献：
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