化工安全儀表系統全生命周期管理探討

謝 泉

（安徽實華安全評價有限責任公司，安徽 安慶 246000）

化工安全儀表系統（SIS）通常存在危險與風險分析不全、設計選型不當、冗余容錯結構不合理、缺乏明確的檢驗測試周期、預防性維護策略針對性不強等問題，亟須加強和規范化工行業安全儀表系統全生命周期管理。

1 化工安全儀表系統的基本概念

安全儀表系統包含檢測單元（傳感器）、控制單元（邏輯控制器）、執行單元（切斷閥等最終執行元件）。化工裝置及危化品儲罐正常生產時處于靜止或休眠狀態，當出現壓力、溫度、液位、流量、組分等工藝參數超限的危險狀況時，能夠越過基本過程控制系統（BPCS），發出警報并執行預定程序，快速、準確地執行聯鎖動作，實現生產過程緊急停車或自動導入預定的安全狀態。

安全儀表系統的全生命周期是指從生產工藝過程的風險識別開始，找出風險管控的方案，確認必需安全聯鎖回路及其功能，再對安全儀表系統進行工程設計、安裝、驗收、投用、維護，改進、拆除等完整過程。

2 設置化工安全儀表的基本原則

2.1 安全性原則

為確保化工裝置的生產安全，安全儀表系統應具有和生產工藝過程相匹配的安全完整性等級（SIL），依據國際電工委員會標準IEC61508《電氣/電子/可編程電子安全系統的功能安全》的規定，安全儀表系統的安全完整性等級自低到高分為SIL1、SIL2、SIL3、SIL 4 等4 個不同的級別[1]。化工行業安全儀表的安全完整性等級在SIL1～SIL3 之間，SIL4 級別主要用于核工業。安全儀表系統等級差異體現在設計、制造、安裝、調試、維護等方面的技術要求均不相同。安全儀表系統的安全完整性等級越高，就代表該系統的安全系數越高，各類功能的失效概率越低。

2.2 獨立性原則

在化工生產過程出現超限工況時，安全儀表系統能夠不依附基本過程控制系統（BPCS），獨立完成安全聯鎖、緊急停車等安全保護功能。安全儀表系統的電源、通訊模塊、檢測元件、邏輯控制器、執行元件等均應單獨設置，不與基本過程控制系統共用。中央控制室及現場機柜間應設置SIS 系統專用的工程師站、輔操臺、報警器、系統機柜、輔助機柜等。

2.3 故障安全型原則

安全儀表系統應屬于安全故障類型，當安全儀表系統本身發生故障時，系統能夠自動轉變為安全狀態，以此來避免生產設備由于安全儀表系統本身的故障或意外情況處于不安全狀態。在進行安全儀表系統設計時，應對系統設計、組件選擇、軟件編程等進行全面、綜合的考慮，必須要保證系統的絕對安全性[2]。

2.4 可用性原則

化工安全儀表系統應具備軟件和硬件測試和自診斷功能，通過設置必要的旁路開關以減少因系統維護不當導致的停車。但儀表輸出信號不可以設旁路、手動停車輸入信號不可以設旁路、具有冗余表決要求的傳感器不可以設旁路，以防止因誤操作導致事故。為滿足在線測試儀表的要求，必要時可采取對故障開狀態的閥門增加手動截止閥、對故障關狀態的閥門增加手動旁通閥、延長儀表測試周期、提高系統冗余配置等技術措施。安全儀表系統應具備易于安裝、方便維護和有利擴展的特點，以此來降低運行維護成本。

2.5 標準認證原則

安全儀表系統設計、結構都須嚴格遵守標準并取得認證。安全儀表系統中應使用正式版本軟件，儀表硬件應取得計量認證，易燃易爆場所安裝的儀表應符合相應等級電氣防爆要求。

3 化工安全儀表系統的設計優化

化工安全儀表系統由檢測單元（傳感器）、控制單元（邏輯控制器）、執行單元（切斷閥等最終執行元件）等部分組成，下面從4 個方面對化工安全儀表系統的設計進行具體分析。

3.1 檢測單元的設計

檢測元件是化工安全儀表系統中的重要組成部分，能夠對整個系統的檢測精度和安全性產生直接影響。安全儀表系統的檢測元件設計選型時，要遵循獨立設置原則，即SIS 系統檢測元件與DCS 檢測元件分開設置。同時還須遵循冗余設計原則，即安全完整性等級SIL1 聯鎖回路的檢測元件可以單一設置，SIL2 及SIL3 檢測元件應采用冗余設置[3]。化工安全儀表系統設計還應遵循冗余選擇原則，在保證系統的安全性時，可采用“或”邏輯，在保證系統的可用性時，可采用“與”邏輯，要想使得系統的安全性和可用性均得以保證時，可采用“三取二”邏輯結構。化工安全儀表系統中的檢測元件應采用電氣防爆的變送器，不能使用開關型傳感器，否則可能導致安全事故。檢測元件應由SIS 系統供電。

3.2 控制單元的設計

控制單元的邏輯控制器主要包括繼電器系統、可編程電子系統和混合系統3 種類型。可編程電子系統主要用于邏輯功能復雜的場合，可以是經過TUV 認證的PLC 系統、DCS 系統和其他專用系統。繼電器系統主要用于邏輯功能相對比較簡單的場合。安全儀表系統的邏輯運算器設計時，須要遵循獨立設置原則，即SIS 系統邏輯運算器與DCS 系統邏輯運算器分開設置。根據冗余設置原則，SIL1 級SIS 可以使用單一的邏輯運算器、SIL2 級SIS 可使用冗余或容錯邏輯運算器、SIL3 級SIS 可使用冗余容錯邏輯運算器。

3.3 執行單元的設計

執行單元的切斷閥等最終執行元件通過執行邏輯控制器的指令，實現工藝系統的安全狀態，降低事故發生的概率。氣動切斷閥或調節閥等最終執行元件須要采取冗余設計的電磁閥，電磁閥通常安裝在執行機構和閥門定位器之間。安全完整性等級高的SIF 回路的最終執行元件應采用冗余閥門，配套電磁閥應采用冗余結構。考慮系統可用性時，電磁閥可設計成“二取二”、“與”邏輯結構；考慮系統安全性時，電磁閥可設計成 “二取一”、“或”邏輯結構。

3.4 不同結構安全儀表系統的分析比較

化工安全儀表系統結構主要有繼電器系統結構、PLC 系統結構、TMR 系統結構。繼電器系統結構在工程控制中得到了廣泛使用，但存在系統龐大、可靠性低、維護困難、無自診功能、不能與DCS 系統通訊等弊端，目前正逐漸被淘汰。PLC 系統結構適用于大多數石油化工裝置，具有體積小、靈活性好、可編程和擴展修改方便、具有自診功能、可靠性高、可與 DCS 通訊等優勢，且安全等級在SIL2～SIL3 之間，但只有取得安全證書的PLC 才能夠作為SIS 的邏輯部件[4]。TMR 系統結構可適用于任何工業過程，TMR 系統結構的SIS 主處理器、電源和I/O 模塊采用三重化冗余配置，可以實現在線更換。TMR 系統結構的SIS 采用的容錯技術進行三取二表決，能夠將安全系統的隱性故障和顯性故障降到最低。

4 安全儀表全生命周期管理的重點

4.1 重視安全儀表系統的SIL 定級

根據化工工藝過程的安全要求及設計意圖，在工藝過程危險可操作分析（HAZOP）的基礎上，采用保護層分析（LOPA）方法，依據風險矩陣，審查每個安全儀表功能（SIF）相關的事故場景、風險程度、初始事件頻率、保護層等，確定每個聯鎖回路的SIF 需要達到的安全完整性等級（SIL 定級）。

4.2 規范安全儀表系統的設計及SIL 驗算

設計單位應根據過程工藝安全要求和安全儀表規格書（SRS），通過儀表選型、子系統冗余結構選擇、確定檢驗測試方法及測試周期、開展SIF 驗算等設計流程，確認安全儀表功能，明確工藝過程的安全狀態，確保實現降低工藝過程風險的要求。開展安全儀表功能評估（SIL 驗算），根據IEC61508/IEC61511 的要求，對各SIF 回路的PFDavg及MTTFs 進行計算并審查硬件結構約束特性，確定每個SIF 能否達到SIL 定級的要求。

4.3 嚴格安裝調試和聯合驗收

化工企業應制定安全儀表系統安裝調試與聯合驗收方案，建立施工及調試管理臺賬，記錄儀表安裝、調試、功能確認和結果。安全儀表系統安裝調試完成后，企業在安全儀表系統投運前，應按安全儀表設計文件以及相關儀表施工驗收規范的要求，組織相關各方對安全儀表系統進行聯合驗收，確保安全儀表系統各聯鎖回路的安全完整性等級符合要求，具備安全投用條件。

4.4 加強安全儀表系統測試及維護管理

化工企業應制定安全儀表系統的操作、測試及維護技術規程，建立安全儀表采購、系統聯鎖投用及摘除審批管理、儀表變更管理等制度，應按照測試周期對安全儀表進行定期檢驗測試，定期進行儀表系統校驗，建立安全儀表測試及維護保養臺賬記錄。及時對儀表失效、誤動作、聯鎖及旁路等進行分析處理，建立安全儀表失效數據庫，確保安全儀表系統可靠性，實現功能安全。

4.5 培養專業的安全儀表技術及管理人員

根據安全儀表系統的設計、安裝、驗收、投用、維護、改進、拆除等全生命周期不同階段的特點，對設計、安裝、調試、操作及維護等儀表工程技術及管理人員開展針對性的培訓，培養一批掌握安全儀表專業知識、熟悉安全儀表設計規范、具備安全儀表功能測試及保養能力的安全儀表工程技術及管理人員，滿足化工行業安全儀表功能安全管理工作的需要。

5 結論

化工安全儀表系統是保障化工行業安全生產的重要措施，加強化工安全儀表系統設計、安裝、驗收、投用、維護、改進等全生命周期管理，培養合格的安全儀表工程技術及管理人員，把安全儀表功能安全管理融入化工企業安全管理體系，提升化工過程安全管理水平，才能保證化工裝置長周期、穩定生產運行，保障化工行業的可持續發展。