SIL定量計算評估方法在BPCS中的應用

宋雷，孫軍

(1. 中國石油工程建設公司 華東設計分公司，山東 青島 266071；2.北京化工大學 計算機模擬與系統(tǒng)安全工程研究中心，北京 10029)

對于安全儀表系統(tǒng)(SIS)，通過安全完整性等級(SIL)的定量計算與評估，可以得到SIL等級和平均失效概率PFDavg等定量數據，用以衡量其執(zhí)行所設計的安全功能能力的大小[1]。在SIS全生命周期的不同階段，進行SIL的定量計算與評估，可以為SIS的設計、安裝、維護、更換、拆除等工作提供可靠的科學依據；為企業(yè)在保證人身安全、正常生產的前提下，最大限度地降低生產成本及能耗，提升生產裝置運行性能，實現公司效益最大化的目標提供強有力的支持。在工業(yè)現場，具有多種控制結構的基本過程控制系統(tǒng)(BPCS)的使用遠多于SIS，用于構成BPCS的各類儀表的數量也遠多于構成SIS的儀表數量。而且，由于目前SIS的安裝等工作主要依靠專家經驗來進行，使得現場安裝的SIS難免存在很多不合理的地方。因此，在目前的工業(yè)現場，BPCS在很多場合下都在代替SIS起到一定的安全作用，BPCS能否正常運行，能否完成其所設計的相應功能，顯得至關重要。筆者根據概率論的基本方法，將定量計算評估SIS的相關方法及PFDavg等概念引入到具有各類控制結構的BPCS的評價工作中，并針對BPCS的特點提出了動態(tài)λ的概念，希望這些方法和概念能夠為有效衡量BPCS的執(zhí)行能力提供幫助，從而為BPCS的設計、安裝、維護、更換和拆除等工作提供可靠的科學依據。

1 SIS的SIL定量計算評估方法

SIS一般由傳感器、邏輯控制器和最終元件三部分構成。在進行SIL計算時，分別對三部分單獨計算，再利用式(1)得到整個SIS的PFDavg，進而利用SIL等級的定義(表1所列)得到被評價SIS的SIL等級。

PFDavg=PFDavg傳+PFDavg控+PFDavg執(zhí)

(1)

表1 低要求操作模式下的安全完整性等級

對于每個單獨的部分(如傳感器)，可以采用故障樹分析、可靠性框圖、Markov(馬爾可夫)模型或針對不同冗余結構的概率計算等方法進行計算[2-5]，由于篇幅所限，此處不做詳細說明。

2 各類控制結構的BPCS的計算方法

與SIS簡單的控制結構相比，工業(yè)現場的BPCS往往具有較為復雜的控制結構，如串級控制結構、選擇控制結構等。對于構成BPCS的每一部分，與SIS相同，評估人員可以采用上文提到的各類方法(如故障樹分析、可靠性框圖、Markov模型等)對其進行SIL計算。此外，需要注意的是，在計算完各個組成部分的PFDavg之后，在計算整個SIS的平均失效概率時，就不能只是使用式(1)了，而要針對不同的控制結構采用不同的集成計算公式。

2.1 單回路控制結構

單回路控制結構的組成與常見SIS的組成相同，所以可采用式(1)計算其PFDavg。

2.2 串級控制結構

串級控制結構的組成如圖1所示[6]。

圖1 串級控制結構的組成示意

根據串級控制結構的特點，依據基本的概率計算方法可以得到其平均失效概率的集成公式：

PFDavg=(PFDavg主傳+PFDavg主控)×PFDavg副傳+

PFDavg副控+PFDavg執(zhí)

(2)

2.3 單閉環(huán)比值控制結構

單閉環(huán)比值控制結構的組成如圖2所示(比值K在控制器中由邏輯實現)，由主傳感器并聯副傳感器，再與控制器和執(zhí)行機構串聯而成[6]。

圖2 單閉環(huán)比值控制結構的組成示意

根據單閉環(huán)比值控制結構的特點，依據基本的概率計算方法可以得到其平均失效概率的集成公式：

PFDavg=PFDavg主傳×PFDavg副傳+

PFDavg控+PFDavg執(zhí)

(3)

2.4 雙沖量均勻控制結構

雙沖量均勻控制結構的組成如圖3所示[6]。

圖3 雙沖量均勻控制結構的組成示意

根據雙沖量均勻控制結構的特點，依據基本的概率計算方法可以得到其平均失效概率的集成公式：

PFDavg=PFDavg主傳×PFDavg副傳+PFDavg加法器+

PFDavg控+PFDavg執(zhí)

(4)

2.5 選擇控制結構

選擇控制結構的組成如圖4所示[6]。

圖4 選擇控制結構的組成示意

根據選擇控制結構的特點，依據基本的概率計算方法可以得到其平均失效概率的集成公式：

PFDavg=(PFDavg主傳+PFDavg主控)×(PFDavg副傳+

PFDavg副控)+PFDavg選擇器+PFDavg執(zhí)

(5)

2.6 分程控制結構

分程控制結構的組成如圖5所示[6]。

圖5 分程控制結構的組成示意

根據分程控制結構的特點，依據基本的概率計算方法可以得到其平均失效概率的集成公式：

PFDavg=PFDavg傳+PFDavg控+

PFDavg執(zhí)1+PFDavg執(zhí)2

(6)

此外，由于控制結構的組成相同，因而還可以利用上述6個公式解決開環(huán)比值控制結構、單閉環(huán)比值控制結構(硬件實現比值作用)、簡單均勻控制結構、串級均勻控制結構、雙沖量均勻控制結構(軟件實現加法器作用)、前饋控制結構、雙閉環(huán)比值控制結構和軟件實現比值的雙閉環(huán)比值控制結構的集成計算問題。

3 動態(tài)λ

由于BPCS是連續(xù)執(zhí)行設計的功能，構成BPCS的各類儀表在工廠正常生產的每時每刻都在運行，因此這些儀表的損耗相對較大，隨著使用時間的增加，其可靠性將出現較為明顯的降低。為了切實地將這種變化反映出來，筆者提出了動態(tài)λ的概念，即用一個時間函數來描述儀表的失效概率λ(公式(7)所示)，而不像在SIS的計算評估中做的那樣，λ是一個確定不變的數值。

λ=F(t)

(7)

式中：F(t)——根據具體儀表自身的特點來確定的一個關于時間的函數，如常見的“浴盆”模型函數等。

在BPCS的計算評估中，首先根據被評估儀表的不同特點(內部結構、使用環(huán)境等)確定F(t)的形式，即確定λ與時間之間的函數關系。λ確定之后，可以根據SIS的計算評估中常用的方法，如可靠性框圖、故障樹以及Markov模型等計算確定構成BPCS各儀表的PFDavg。最后，利用本文第2部分中提到的針對各類控制結構的計算方法，計算得出整個BPCS系統(tǒng)的平均失效概率，從而達到定量計算評估的目的。

由于λ是隨時間的變化而變化的，使得最終的評估結論將隨著時間的變化而變化，將儀表的損耗有效、合理地引入到整個評價過程中來，使得評價過程更為合理，評價結論更為準確，并提供了一定的預測功能。

4 結束語

BPCS在工業(yè)領域的應用中，往往只注重針對于工藝過程及工藝參數的控制，較少關注其執(zhí)行能力。本文提出了動態(tài)λ的概念，通過引用廣泛應用于SIS評價中的失效概率PFDavg等理念，采用概率計算的基本方法，對各類控制結構的BPCS進行評價，以達到定量評估BPCS的目的，供工程技術人員參考。

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