安全儀表系統(tǒng)的設計與應用

李斌，俞澤科，姚玉田

（杭州中泰深冷技術股份有限公司，浙江 杭州 311402）

安全儀表系統(tǒng)的設計與應用

李斌，俞澤科，姚玉田

（杭州中泰深冷技術股份有限公司，浙江 杭州 311402）

安全儀表系統(tǒng)（SIS）是重要的石油及深海工程輔助裝備，其設計和應用應當遵守嚴格的規(guī)范，本文對各領域SIS系統(tǒng)的設計和應用進行了總結，給未來該設備設計應用提供了有效思路。

SIS；設計；應用

1 概述

安全儀表系統(tǒng)（SIS），也稱為安全連鎖系統(tǒng)，是作為工程項目中存在的失效和錯誤應用而生的質量控制系統(tǒng)，在石油、海洋工程等重大機械領域有著極其重要的應用。安全儀表系統(tǒng)都存在報警閥值，一旦達到事故發(fā)生的閥值點，系統(tǒng)就會出現(xiàn)報警，工作人員就會采取相應補救措施，又或者系統(tǒng)本身會自動轉入安全模式。目前，工業(yè)水平的進步所帶來的風險性設計也相對增多，安全隱患就會相應增多，因此在未來，無論是SIS的設計還是應用過程，都會向高精密、高精度、高集成化方向發(fā)展，測試系數(shù)也會隨之增高，向著高度智能化、自動化方向發(fā)展。

安全儀表系統(tǒng)主要由傳感器、邏輯運算單元和最終執(zhí)行元件組成，分別起到檢測、控制和執(zhí)行的作用。所謂安全聯(lián)鎖，是SIS最基本的執(zhí)行要求，可以起到預報警、聯(lián)鎖延時、區(qū)別事故原因、剎車復位等功能。

2 設計原則

安全儀表系統(tǒng)的各個組成部分都必須要滿足《石油化工安全儀表系統(tǒng)設計原則》，尤其是在信號報警器和聯(lián)鎖點的設置方面，在進行動作設計以及閥值量值調整方面，必須要做到符合相關生產(chǎn)工藝的嚴格要求。做好安全生產(chǎn)是大前提，在進行線路設計和各類元器件安排之后，應該盡量做到簡單。為了避免振動及灰塵和腐蝕液體的作用，信號報警和相應的安全連鎖設備應該安置在合理的場所內，同時還要避免電磁輻射影響。如果把繼電器線路應用在信號報警和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)中也非常受用，當然也可采用無觸點式晶體管電路，還有DCS和PLC系統(tǒng)性設計信號報警的SIS。

從安裝角度來說，其要求也是相當嚴格的，任何在建造和施工現(xiàn)場的檢出裝置和執(zhí)行器，都應當滿足所在工作場合的防爆和相應的防火要求。從供電等級上來說，信號報警方面的供電要求與一般儀表供電等級相同。普遍來說，SIS系統(tǒng)在石油化工行業(yè)應用較多，其所遵循的規(guī)則是IEC-61508標準。從安全儀表設計角度來說，要滿足可靠性、可用性、獨立性三大原則，而且每個原則的設計都要付諸于傳感器、邏輯單元和控制單元中。可靠性主要包括工藝、結構和使用年限上的可靠性，還有工作過程、連鎖保護的可靠性。為了加強SIS的系統(tǒng)可用性，安全儀表系統(tǒng)所具備的外部硬件和裝備軟件，都應該具備自診和測試功能。針對SIS系統(tǒng)的可用性，可以提高系統(tǒng)的材料品質，采用高強度和高硬度的材料，還可以延長系統(tǒng)初始周期，或者采用非全局的測試方法，在可能發(fā)生事故的狀態(tài)下及時關閉閥門，對截止閥采用緊急狀態(tài)手動關閉，可以允許在線初始狀態(tài)下，安全儀表系統(tǒng)閥門的正常使用。這些措施安全儀表系統(tǒng)的可用性都可以起到很大的幫助。對于安全儀表系統(tǒng)來說，應該和基本過程控制系統(tǒng)分開，從而獨立完成相應的安全保護。

3 智能化設計

未來的安全儀表的設計制造研究，會向三個方面發(fā)展，分別是功能多樣化、設計信息化發(fā)展、系統(tǒng)化。在工藝質量達到標準的前提下，向人工智能化發(fā)展。因為安全方面的原因，之前的設計是以保守為主。但智能化研究是未來機械設計發(fā)展的方向，利用計算機仿真和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)對先驗設計進行評估研究，例如利用有限元分析，利用數(shù)據(jù)庫觀察哪類設計方案出現(xiàn)問題的時候最多等等。

通訊接口與通訊網(wǎng)絡標準的統(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)的集成目前主要有三種方式：Interfaces、Integrated和com-mon。

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于設備自身、相關設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)絡使信息可以進行雙向流動，在傳遞控制信號的同時，也可以傳遞邏輯控制器對終端設備的組態(tài)或標定數(shù)據(jù)。智能型的邏輯控制器能夠對現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)進行備份、歸檔和分析，也可以對設備和診斷數(shù)據(jù)進行分析，以鑒別出現(xiàn)的問題，并提供一些更正建議。自診斷系統(tǒng)也是未來儀表研發(fā)需要著重攻堅的方向。

4 SIS在深冷裝置中的應用研究

深冷裝置指的是可以在超低溫環(huán)境下工作的裝置設備，由于有很多工業(yè)產(chǎn)品需要在低溫環(huán)境下運行，由此，深冷裝置應用而生，深冷裝置包括LNG裝置，合成氨液氮洗裝置，空氣分離裝置，一氧化碳氫氣分離裝置，丙烷脫氫制丙烯裝置等。深冷裝置的應用范圍非常廣泛，主要應用于特種材料研發(fā)制造、構造低溫工作及試驗環(huán)境等方面。

圖1 典型的深冷設備

圖1就是一種典型的深冷設備，其主要組成部分為深冷箱、冷裝配箱、閥門試驗臺和冷卻塔（壓縮機或液氮罐），如圖2。

圖2 深冷設備構造圖

隨著深冷技術在20世紀的出現(xiàn)，很快引起了科學研究領域和工業(yè)制造領域的高度重視，目前在國外，深冷技術已經(jīng)廣泛應用于量具、刀具、模具以及各類精密零件中，比如各類油泵的噴油嘴、船舶、汽車發(fā)動機的渦輪軸、軋輥、管路閥門、各種傳動齒輪、彈簧等工件的改性。在企業(yè)的戰(zhàn)略決策中，深冷改性技術所占據(jù)的比重也越來越大，應用發(fā)展非常迅速。

深冷技術裝置設備也可以劃分為深冷液化裝置、深冷凈化裝置和深冷分離裝置等，從工藝角度來說，包括天然氣液化工藝、焦爐氣、工業(yè)尾氣液化工藝，天然氣液化工藝，甲醇液凈化工藝、天然氣液化工藝、烯烴分離工藝等等。深冷液化指的是氣態(tài)轉變成液態(tài)的過程，氣體液化后體積會大幅減小，能夠解決氣體的運輸問題。凈化則是利用混合物各組成部分的物理特性差異，通過傳熱、傳介對有效組分進行提純的技術方法。深冷分離的介質通常為混合物，提純之后會有不同的利用價值，利用沸點的差異對各組分進行分離。

我國深冷研究起步不算太早，相對扎實的理論性研究也不多，因此結構復雜、焊接技術高的深冷裝備在出現(xiàn)問題之后，全國都很難找到相應的維修場點，所以利用安全儀表系統(tǒng)及早發(fā)現(xiàn)安全隱患是相當重要的，其未來的發(fā)展方向，應該著眼于方便、快捷、低廉和可靠，而可靠是最為重要的因素。將安全儀表系統(tǒng)的各個邏輯控制單元和深冷設備進行接口設計，通過邏輯控制和閥值控制對深冷設備可能出現(xiàn)故障之前進行報警，是未來智能化安全設計最重要的研究發(fā)展方向。

5 結語

未來的安全儀表系統(tǒng)將不再局限于石油行業(yè)，本文給出了一種新的應用思路，包括深冷機械，未來的工業(yè)設計將向復雜化發(fā)展，但在發(fā)展之余，落實安全才是基本，相信在理論基礎進一步夯實的前提下，安全儀表系統(tǒng)理論成果轉化覆蓋的范圍會越來越廣，而其在深海領域的發(fā)展也將會越來越得到設計方的重視。

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