化工安全儀表系統(tǒng)工程設(shè)計和應(yīng)用

田文娜

（兗礦魯南化工有限公司，山東棗莊 277500）

1 化工安全儀表系統(tǒng)的作用

安全性儀表系統(tǒng)，Safety instrumentedSystem，通稱SIS，又稱作安全性互鎖系統(tǒng)（Safetyinterlocking System）。關(guān)鍵為工廠操縱系統(tǒng)中警報和互鎖一部分，對操縱系統(tǒng)中檢查的結(jié)果執(zhí)行警報姿勢或調(diào)整或關(guān)機操縱，是工廠公司自動控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵構(gòu)成部分。它的關(guān)鍵構(gòu)成部分包含傳感器、程序控制器及其模塊等部件，這些組件經(jīng)過相互協(xié)作，共同實現(xiàn)安全保障功能，其主要作用包括以下幾個方面：

1）提高化工生產(chǎn)的效率，在保證高效率的同時降低成本。

2）自動化控制減少人力成本，降低工作難度，改善工作環(huán)境。

3）安全聯(lián)鎖報警，保證生產(chǎn)的正常運轉(zhuǎn)、事故安全聯(lián)鎖，提升化工生產(chǎn)過程的安全性，降低事故發(fā)生的概率，延長設(shè)備的使用壽命，保障工作人員的安全。

4）聯(lián)鎖動作和投運顯示，符合信息時代發(fā)展的需求，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

2 化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計基本原則

2.1 穩(wěn)定性

為了使儀表系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運行，首先應(yīng)該遵循系統(tǒng)設(shè)計的穩(wěn)定性原則，在設(shè)計系統(tǒng)時合乎邏輯。日常需對儀表裝置的元器件進行安全檢測和定期維護，保障整個儀器各項指標(biāo)達到相應(yīng)的要求。同時，定期對工作人員的技術(shù)知識進行培訓(xùn)，達到降低儀表系統(tǒng)安全隱患發(fā)生率的目的，切實維護相對應(yīng)工作人員的人身安全，進而促使各類原油生產(chǎn)制造主題活動可以高效進行。

2.2 科學(xué)性

儀表系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)遵循科學(xué)性原則，有了科學(xué)理論的支撐可以提升系統(tǒng)的整體運行效率，從元器件的選擇到各個系統(tǒng)中組件的銜接都不可違背科學(xué)的設(shè)計原則，以提高全部安全性儀表機器設(shè)備的市場份額和公司的核心競爭力。

2.3 安全性

滿足系統(tǒng)的安全性是貫徹我國以人為本的基本理念，在設(shè)計石油化工安全儀表系統(tǒng)時，始終應(yīng)考慮到系統(tǒng)的安全性能，在實際運行中保證工作人員的人身安全，使得該系統(tǒng)的整體設(shè)計更為人性化。

3 化工安全儀表系統(tǒng)的保障要求

3.1 儀表系統(tǒng)可靠穩(wěn)定性的保障措施

對系統(tǒng)所使用的表盤、控制器等元器件進行實時監(jiān)控，依托于石油化工安全儀表的功能展開統(tǒng)計測試，可以快速定位到系統(tǒng)故障風(fēng)險，并采用合理的解決方法。通常，可使用風(fēng)險控制思路對系統(tǒng)的功能點進行實時監(jiān)控，根據(jù)信息化技術(shù)監(jiān)控出SIF 的估算模型，從而降低風(fēng)險的發(fā)生概率，提升容錯率。通過估算模型進行分析和測試可以發(fā)現(xiàn)化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計中存在的不安全、穩(wěn)定問題，然后不斷改進優(yōu)化方案，最終落實到系統(tǒng)的設(shè)計模型中，提升整體控制裝置運行的穩(wěn)定性和安全性。

3.2 保證儀表性能穩(wěn)定可靠

在開發(fā)設(shè)計安全儀表系統(tǒng)的過程中，技術(shù)人員使用合理的功能裝置和控制邏輯完成功能設(shè)計，結(jié)合項目的實際執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，遵循系統(tǒng)設(shè)計的基本原則。為了更好地驗證系統(tǒng)的功能性和穩(wěn)定性，必須估算實體模型檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)測試得出儀表的控制指標(biāo)，分析可能影響儀表系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素，嚴(yán)格根據(jù)控制指標(biāo)進行可控評估測試，驗證安全儀表系統(tǒng)的功能穩(wěn)定性。在測試過程中，通過分析控制單元和執(zhí)行單元的數(shù)據(jù)，調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計和邏輯，以匹配系統(tǒng)的需求和進行功能的穩(wěn)定性驗證。

3.3 要求儀表日常維護和升級擴展

為了滿足儀表使用的安全穩(wěn)定性能，通常要對儀表進行日常的維護工作，在長時間的使用后還要對系統(tǒng)部件進行定期的維護和升級。首先在儀表選擇方面，應(yīng)盡量滿足安裝、拆卸簡單，使用方便，維護成本低的要求。同時，應(yīng)對儀表等元器件進行實時監(jiān)控，如果出現(xiàn)異常警報提示，應(yīng)及時進行處理。在設(shè)計系統(tǒng)時，應(yīng)留有升級改造空間，在系統(tǒng)設(shè)備中保留放置儀表的空間，便于日后系統(tǒng)的升級改造。

3.4 保證儀表系統(tǒng)不受損壞

系統(tǒng)部件具有一定的使用壽命，長期使用會造成磨損，加上石油化工行業(yè)的特殊性，讓儀表系統(tǒng)一直處在高壓、高溫的密閉環(huán)境，且存在易燃易爆風(fēng)險，所以對于儀表系統(tǒng)的硬件性能有著十分苛刻的要求。在儀表系統(tǒng)的選材時，應(yīng)注意其性能滿足儀表系統(tǒng)安全性需求，從而保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

4 化工安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 傳感器的設(shè)計

安全儀表根據(jù)風(fēng)險程度可以劃分為四個等級，可以根據(jù)等級劃分確定系統(tǒng)的安全狀態(tài)。為了更好地提高傳感器的品質(zhì)，傳感器設(shè)計方案一般選用獨立設(shè)計原理、冗余設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。獨立設(shè)計原理就是指安全性儀表系統(tǒng)應(yīng)獨立于基本上操縱過程控制系統(tǒng)，獨立進行安全性維護作用；冗余設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)就是指為提升安全性儀表系統(tǒng)的SIL 級別，對系統(tǒng)每個模塊完成冗余。

4.2 邏輯運算器的設(shè)計

在SIS 可編程邏輯控制板中，系統(tǒng)軟件程序編寫組態(tài)軟件遵循的最重要標(biāo)準(zhǔn)，是達到安全性完整性規(guī)定。程序控制器的總體功能主要表現(xiàn)，在較大水平上受限于手機軟件的品質(zhì)。一般來說，系統(tǒng)的安全性完整性包含硬件配置的安全性完整性和系統(tǒng)的安全完整性，在其中手機軟件不正確或缺點是危害系統(tǒng)安全性完整性的主要要素之一。

系統(tǒng)軟件設(shè)計方案和組態(tài)軟件應(yīng)遵循模塊化設(shè)計、低多元性的具體指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。依照加工工藝流程特性和安全防護邏輯性，區(qū)劃為相對性獨立、簡易的模塊或?qū)蛹墸@將給軟件性能測試和合并產(chǎn)生巨大的便捷，有益于提高手機軟件的完整性。邏輯性運算器的設(shè)計方案一樣選用獨立標(biāo)準(zhǔn)，安全儀表系統(tǒng)一般與過程控制系統(tǒng)分離，其中三級安全儀表控制系統(tǒng)必須和過程控制系統(tǒng)分開，一級安全儀表系統(tǒng)可采用簡單的邏輯運算器，二、三級配備冗余配置。

4.3 生命周期要點設(shè)計

系統(tǒng)生命周期的設(shè)計講究靈活多變，符合實際需求。在化工安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計中，生命周期會隨著一些設(shè)置的變化而變化，所以在進行生命周期的設(shè)計時，要注意設(shè)計的靈活性，一般進行可調(diào)節(jié)設(shè)計，并針對不同循環(huán)周期進行自適應(yīng)變化。化工安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計最重要的是安全穩(wěn)定性，所以針對風(fēng)險和危害問題，在生命周期中需要對系統(tǒng)設(shè)計的安全性和可靠性進行平衡。在安全穩(wěn)定的前提下，再從合理性、性價比等其他角度考慮，進行細(xì)節(jié)上的設(shè)計。圖1為儀表安全系統(tǒng)生命周期模型。

圖1 儀表安全系統(tǒng)生命周期模型

化工安全儀表系統(tǒng)需要在設(shè)計時考慮多方面的影響因素，在安全儀表運行時進行測試和評估風(fēng)險，以保障化工安全生產(chǎn)高效、穩(wěn)定性。在設(shè)計時針對有效控制風(fēng)險時，應(yīng)合理構(gòu)建系統(tǒng)的動態(tài)補償機制，不斷地對安全系統(tǒng)進行功能上的補充和完善。

4.4 化工安全儀表系統(tǒng)供電方案

化工安全儀表系統(tǒng)在供電時通常采用220VAC 的交流電源或24VDC 的直流電源進行供電。供電方式對于化工安全儀表系統(tǒng)的安全運行有著很大的影響，如果沒有采用正確的供電方式，很容易發(fā)生一些安全事故。本文總結(jié)了3種供電方式便于化工安全儀表系統(tǒng)作為參考。

（1）雙UPS 組成的雙回路并聯(lián)供電系統(tǒng)

為保障安全儀表系統(tǒng)的穩(wěn)定長周期運行，化工生產(chǎn)企業(yè)都會采取雙UPS 組成的雙回路并聯(lián)供電系統(tǒng)來給安全儀表系統(tǒng)供電，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。雙UPS 組成的雙回路并聯(lián)供電系統(tǒng)可以保證安全儀表系統(tǒng)正常運行，對實現(xiàn)監(jiān)測和控制功能起到重要作用。

圖2 交流220VAV冗余并聯(lián)系統(tǒng)

（2）冗余配置在直流供電中起到提高安全性和降低成本的作用，在直流24VDC 的供電系統(tǒng)中并聯(lián)且相互隔離，通過二極管實現(xiàn)解耦，以提高處理故障的效率，圖3為24VDC 冗余并聯(lián)供電方案。

圖3 直流24VDC并聯(lián)系統(tǒng)

（3）化工安全儀表系統(tǒng)中有部分現(xiàn)場監(jiān)控儀表需要220VAC 供電，可采用一路UPS 電和一路市電冗余切換的安全儀表的供電方案，利用STS 靜態(tài)開關(guān)對兩路電源進行切換，以提升整個系統(tǒng)的靈活性和可靠性，滿足化工安全儀表系統(tǒng)的基本需求。

圖4 現(xiàn)場儀表220VAC冗余供電系統(tǒng)

5 實際應(yīng)用與評價

5.1 安全識別系統(tǒng)的應(yīng)用

化工安全儀表系統(tǒng)關(guān)鍵運用于化工廠的生產(chǎn)過程中，是保障生產(chǎn)系統(tǒng)安全運行的化工裝置。在化工生產(chǎn)過程中，人工操作容易出現(xiàn)失誤從而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)異常，給整個系統(tǒng)運作帶來安全隱患，對企業(yè)和國家造成重大的經(jīng)濟損失。通過化工安全儀表系統(tǒng)中的安全識別功能，可以針對裝置的運行情況進行檢測，根據(jù)預(yù)估模型對檢測數(shù)據(jù)做出評估，一旦數(shù)據(jù)超出評估范圍標(biāo)準(zhǔn)，為了避免出現(xiàn)重大事故，對工作人員的安全產(chǎn)生威脅，該系統(tǒng)會立刻進行故障診斷，切斷危險源，或發(fā)出警報提示工作人員進行處理。另外，安全識別系統(tǒng)不僅可以診斷和排查故障，在系統(tǒng)正常運行時也能夠?qū)\行狀態(tài)進行分析和判斷，對可能發(fā)生故障的地方進行重點排查，提前預(yù)報危險。

5.2 安全儀表系統(tǒng)冗余配置

安全儀表系統(tǒng)的冗余配置是在系統(tǒng)任意一點發(fā)生異常時，可以切斷異常點和系統(tǒng)之間的聯(lián)系，但又不危害系統(tǒng)的總體作用。冗余配備是反復(fù)配備系統(tǒng)的部位構(gòu)件，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生問題時，冗余配備的構(gòu)件干預(yù)并擔(dān)負(fù)常見故障構(gòu)件的工作中，從而降低系統(tǒng)的常見故障時間。安全性儀表系統(tǒng)中的冗余配備可以在系統(tǒng)某一節(jié)點發(fā)生故障時，切換到備用的模塊。化工企業(yè)如果在生產(chǎn)中停止運轉(zhuǎn)會造成重大損失，所以冗余配置在系統(tǒng)異常時會起到關(guān)鍵作用。例如化工合成裝置在運行時不可以隨意停止運行，此時冗余配置可以保障系統(tǒng)在穩(wěn)定運行的同時，不會發(fā)生重大事故。總之，冗余配置極大提升了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，為化工企業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大的便利。

6 結(jié)論

石油化工行業(yè)是支撐國民經(jīng)濟的重要產(chǎn)業(yè)，在未來有著新的機遇和發(fā)展前景。安全儀表系統(tǒng)是保證化工生產(chǎn)穩(wěn)定、高效的重要一環(huán)，在設(shè)計過程中應(yīng)遵循以人為本的理念，滿足穩(wěn)定性、科學(xué)性、安全性等設(shè)計原則。同時，化工企業(yè)應(yīng)注重加強員工的知識技能和素質(zhì)培養(yǎng)，以推動我國石油化工行業(yè)的穩(wěn)健發(fā)展。