SIS系統在大型化工裝置上的應用探討

危 洋，鄭玉時（天津大沽化工股份有限公司，天津 300455）

SIS系統在大型化工裝置上的應用探討

危 洋，鄭玉時（天津大沽化工股份有限公司，天津 300455）

本文介紹了安全儀表系統的基本概念及特點，明確了安全儀表系統在化工企業生產中的重要性，對安全儀表系統在大型化工裝置上的應用情況進行了分析。

安全儀表系統；安全完整性等級；控制系統；集成

1 引言

當前過程工業控制領域的自動化控制水平越來越高，同時對過程設備或裝置的安全性、可靠性的要求也逐步提高，于是安全儀表系統（SIS）應運而生。SIS系統可以獨立于過程控制系統而單獨存在。SIS系統的存在解決了過程工業控制各行各業（包括石油、化工、電力、冶金等）對安全功能的要求，提高了過程裝備的安全性，減少了人員的傷害和設備的損失。各個控制系統制造商大都推出了自己的SIS系統，包括：Honeywell公司的FSC/Safety Manager系統、HIMA公司的PES系統、Triconex公司的Tricon系統、YOKOGAWA公司的ProSafe-PLC等。

2 SIS系統的基本特點

2.1 安全完整性等級

安全完整性指在規定的條件和時間內，安全儀表系統完成安全儀表功能的平均概率。安全完整性等級由低到高可分為SIL1、SIL2、SIL3、SIL4。

SIL1級每年故障危險的平均概率為0.1 ~0.01之間；

SIL2級每年故障危險的平均概率為0.01 ~0.001之間；

SIL3級每年故障危險的平均概率為0.001~0.0001之間。

SIL4級每年故障危險的平均概率為0.0001~0.00001之間

安全完整性等級評估方法應根據工藝過程復雜程度、國家現行標準、風險特性和降低風險的方法、人員經驗等確定。主要方法應包括保護層分析法、風險矩陣法、校正的風險圖法、經驗法及其他方法。

安全儀表系統的工程設計應兼顧可靠性、可用性、可維護性、可追溯性和經濟性，應防止設計不足或過度設計，石油化工廠的安全完整性等級不應高于SIL3。

2.2 多重冗余系統及自診斷能力

SIS一般采用多重冗余結構以提高系統的硬件故障裕度，單一故障不會導致SIS安全功能喪失。

SIS的安全完整性要求還包括避免失效的要求和系統故障控制的要求，同時，構成系統的各個部件均需明確故障診斷措施和失效后的行為。系統整體診斷覆蓋率達到90%以上，能夠檢測并預防潛在的危險。SIS的硬件具有高度可靠性，能承受大多數環境應力，如抗電磁干擾等，從而可以較好適應于各種工藝環境。

2.3 響應速度快

從輸入變化到輸出變化的響應時間一般在10~50ms左右，為了更好地進行事故分析和事后追溯，SIS具有事件順序記錄SOE（Sequence of Events）功能，即可按時間順序記錄各個指定輸入、輸出及狀態變量的變化時間，記錄精度精確到毫秒級。

3 安全儀表系統（SIS）的獨立性及集成

IEC 61508標準強烈建議DCS和SIS系統分離。DCS與SIS系統之間的分離方式可采用同種分離或異種分離。就目前情況來看，同種分離意味著DCS和SIS系統采用同一制造商的技術，例如采用同一個DCS制造商生產的SIS。異種分離則意味著DCS和SIS使用不同制造商的技術。同種分離有利于降低隨機失效，在設計上和維護上有一些優勢，因為它降低了維護錯誤的可能性。異種分離有利于降低系統失效率和減小共因失效。

由于DCS和SIS是兩個獨立的系統，不同的網絡、不同的控制器和人機界面。主要由于它們來自不同的制造商，需要單獨的系統設計，單獨的設備組態軟件、算法邏輯組態軟件、人機界面組態軟件，不同的維護方式，連接兩套系統的通訊等，給實際工作帶來很多不便，因此DCS和SIS系統的無縫集成問題就擺在了制造商、設計和終端用戶面前。

下面給出某大型化工裝置上DCS和SIS集成的同種分離解決方案，如圖1和圖2分別給出了Honeywell的TPS和FSC的集成網絡結構圖，Safety Manager和PKS的集成網絡結構圖。

圖1 TPS和FSC的網絡結構圖

圖2 Safety Manager和PKS的網絡結構圖

由于系統全部采用Honeywell的產品，所以可以通過連接到網絡上實現DCS與SIS的無縫集成。在整個網絡范圍內的所有DCS工作站及服務器都可以查看SIS系統的診斷信息和點的詳細信息。SIS系統的報警，SOE等集成到服務器，以方便統一管理。DCS與SIS間的通訊已經通過TüV認證，系統間的數據交換不會影響其安全相關程序的運行，并且可以簡化工程項目。

下面給出某大型化工裝置上DCS與SIS的異種分離解決方案，如圖3所示，該方案采用的DCS是Emerson的Delta V，SIS采用的是Honeywell的Safety Manager。DCS與SIS的通訊是通過Delta V的通訊卡以RS485總線形式進行，通過組態可以調用SIS中的實時數據信息，但是DCS上無法看到SIS系統的診斷信息、報警信息以及SOE信息。

圖3 Safety Manager和Delta V的網絡結構圖

通過以上三種不同的網絡結構圖以及實際使用情況來看，DCS與SIS采用同一制造商的技術更加有利于實現無縫集成，這種無縫集成在系統設計、人機界面、系統通訊及系統維護上更加節省時間、人力及維護成本，提高維護效率。

4 SIS系統的應用情況

SIS系統在大型化工裝置上應用情況見表1。

表1 SIS系統在大型化工裝置上應用統計

從表1可以看出，該化工裝置運行的SIS系統全都是Honeywell公司的產品，包括早期的LM、FSC，而且建設比較早、投運的時間跨度比較大，最早的一套是在1996年投運，最近投運的一套也是2011年。由于早期的SIS系統運行時間過長，最早運行的LM系統已經投運19年，備件的訂購非常困難，早期系統的更新換代迫在眉睫。早期產品由于當時的技術局限性，對用戶來說學習的難度比較大，易用性相對差一些。

就運行情況來看，SIS系統控制器沒有發生過故障，DI、DO卡及電源模塊發生過故障。就整個系統來說，傳感器和執行元件發生故障的比例大約為百分之九十，因此整個系統三個部分中控制器的可靠性還是非常高的。

總體來講SIS系統操作簡單、維護量小、故障率低，提高了裝置的安全水平，取得了良好的經濟效益和社會效益。

5 結語

SIS系統在大型化工裝置上經過大量調試、組態和修改后，目前都運行穩定，系統的數據采集及檢測效果良好，為裝置區的安全及可靠運行提供了有力保障。

[1] 石油化工儀表自動化培訓教材編寫組. 安全儀表控制系統(SIS)[M]. 北京：中國石化出版社, 2009.

[2] 樂嘉謙. 化工儀表維修工[M]. 北京：化學工業出版社, 2004.

[3] 龔義文. 安全儀表系統在化工裝置中的應用[J]. 自動化儀表. 2010, 12.

[4] 孟然. 安全儀表系統在丁二烯抽提裝置中的應用[J]. 石油化工自動化, 2015, 2.

[5] 朱萍 金利文. 安全儀表系統在化工裝置中的設計和應用實例[J]. 化工生產與技術. 2014, 4.

[6] 石油化工安全儀表系統設計規范. GB/T50770 - 2013[S].

Application and Investigation of Safety Instrumented System in the Large Chemical Plant

This paper introduces the basic concepts and features of safety instrumented system, emphasizes its importance in the chemical industry production, and analyzes its application in the large chemical plant.

Safety instrumented system; Safety integrity level; Control system; Integration

B

1003-0492(2016)01-0100-02

TP273

危洋（1983-），男，天津人，工程師，現就職于天津大沽化工股份有限公司，主要從事自動化儀表技術管理工作。

鄭玉時（1972-），男，天津人，高級工程師，現任天津大沽化工股份有限公司電儀分廠副廠長。