石化行業中SIS 安全儀表系統的重要性

唐靖偉，施金波，王志鑫

（盤錦北方瀝青股份有限公司，盤錦 124022）

石化行業作為國民經濟的重要支柱產業，其安全生產問題一直備受關注，保障人員的生命安全和設備的正常運行是石化企業持續發展的基礎。而SIS 安全儀表系統作為一種先進的安全控制系統，已經廣泛應用于石化行業中。本文旨在通過對SIS安全儀表系統的研究和分析，探討其在石化行業中的重要性。

SIS 系統能夠監測和控制關鍵過程參數，提供緊急停機功能，并進行故障診斷和維護管理。使用SIS 系統，石化企業能夠提高生產設備的安全性能，減少事故發生的風險，保護員工的生命安全和環境的健康。

1 SIS 的原理和功能

1.1 SIS 的基本原理及設計原則

對化工行業而言，其物料易氧化、腐蝕，設備環境惡劣，壓力容器易燃、易爆，為了避免人工誤操作，大都采用DCS 控制過程生產，并由SIS 負責操作安全。在超出安全限值的范圍時，SIS 可發指令緊急停車，避免異常導致的火災、設備損壞、財產損失、甚至是人身健康損害。

SIS 系統硬件部分由現場傳感器、邏輯控制器和執行機構三部分組成，如圖1 所示。

圖1 SIS 系統組成Fig.1 rchitecture of SIS system

目前市場上符合規范的SIS 供應商很多，生產企業上SIS 項目時，供應商可根據客戶的生產工藝而配置相應的IO 卡件數量、控制對象等因素來設計、配置儀表、邏輯控制器等，設計的依據是《SIS 安全要求規范》。

1.2 SIS 設計的原則[1]

1.2.1 獨立的原則

（1）檢測單元獨立設置

（2）執行原件獨立設置

（3）邏輯單元獨立設置

通過以上3 個獨立設置原則確保了SIS 系統不直接參與過程控制，而是專注于實現安全功能，如自動保護和安全聯鎖，增加系統的可靠性和安全性。

1.2.2 中間環節最少原則

接線盒、信號轉換單元盡可能少。

中間環節越多，接觸不良的風險越大，傳輸時間也越長，響應速度降低。

1.2.3 故障安全型原則

在判斷異常發生時，SIS 為保證系統轉入安全狀態，邏輯控制單元將被保護的裝置按順序安全停車，所以對檢測單元及執行單元的連接方式有以下3 點要求：

（1）DI 類型的檢測單元選用常閉觸點。檢測到異常時，觸點斷開，觸發聯鎖機制。

（2）現場速斷電磁閥采用正常勵磁，連鎖時斷電，當聯鎖動作來臨時迅速斷電。

（3）配電柜控制內，中間繼電器需要采用安全型繼電器。故障安全型中間繼電器具有熔點相對較高、銜鐵較重、銜鐵與極靴之間具備一定厚度的磁極間隔止片等特點。

1.2.4 冗余容錯結構原則

（1）檢測冗余

重要檢測參數的單元采用雙變送器甚至三變送器，邏輯控制時要采用“二選一”、“二選二”或“三選二”配置，這樣提高安全性，防止誤動作。

（2）控制系統冗余

它一般包括機架冗余、CPU 冗余、IO 冗余。雖然系統一個CPU 也能完成安全性，而冗余CPU 里，至少含有2 個獨立的芯片和2 種算法來完成表決，所以冗余CPU 的安全性更高。當主CPU 和從CPU 同時運行時，若主CPU 發生故障，系統會自動切換到從CPU 繼續運行程序，從而有效的保證了自動化控制系統的持續運行。

I/O 冗余是將2 個成對的IO 模塊共同工作的方式使用，當某個I/O 模塊發生故障，形成冗余的另一個I/O 模塊可以繼續工作，提高采樣、控制的可靠性。

（3）電源冗余

電源冗余包括UPS 供電冗余和24 V 電源冗余。前者是防止市電掉電，后者是由2 個或多個單機24 V 電源組成的冗余電源，使得輸出容量擴大的同時還可以預防某個電源故障而影響控制器運行。

（4）通訊冗余

雙套網絡（雙網卡、雙網線、雙交換機）。這些冗余方式可降低網絡掉線的機率，保證了數據的實時監控，從而大大提高了運行的安全性。

容錯一般是針對軟件來說的，軟件在過程檢測時間內，通過對冗余的檢測通道數據對比、分析，判斷出數據異常的來源，如果是檢測單元本身故障，工藝運行正常，系統自動執行糾錯程序，避免誤停機情況發生。

1.3 SIS 系統的功能和特點

1.3.1 功能

安全儀表系統包含了緊急停車系統（ESD）、火檢報警系統（F&GS）、尾纖場合燃燒管理系統（BMS）、火災和氣體保護系統（FGS）等子系統。

這些子系統分別位于防護層和減災層，用于降低工藝流程的事故風險和減輕或者抑制危險事件后果。安全儀表系統特指緊急停車系統或者其他位于保護層的可編程電子電氣裝置，其作用是降低危險事件發生概率，保持或者達到安全狀態。

SIS 系統是獨立的自控系統，當生產過程中有異常征兆時，SIS 會實時報警、自動干預，為安全生產提供了過程監控，避免事故的發生。

SIS 系統是以安全型控制系統為基礎，配置先進、適用、有效的軟件計算方法，為過程生產運行提高了可靠性。

SIS 系統具有事故追憶功能，為管理者提供真實的實時運行數據，為管理者發現問題的原因提供有力的證據。

1.3.2 特點

（1）SIS 具有與現場要求一致的安全完整性等級，為生產提供足夠的安全保證

SIS 系統充分考慮了系統的整體安全生命周期，并提出了評估安全完整性等級（SIL）的方法。安全完整性等級的評估是根據潛在危險、發生頻率和后果嚴重性等因素進行的，以確定系統所需的功能安全水平。

（2）SIS 可維護性好

SIS 系統構成的每一部分都是獨立的，而且是安全型儀表，作為停機條件的檢測通道都是冗余的，所以單一故障是不會造成系統的誤停車，所以維護系統時，逐個檢測、維修、更換都不會影響整個系統的正常運行，對故障卡件在線維護，實現了告別停系統維護的時代。

（3）SIS 是多重冗余的系統

SIS 系統的冗余設計，讓系統的硬件故障裕度得以提高，SIS 系統不會因某個單一故障就導致系統停機。SIS 系統更多的使用2 取2、3 取3 的選擇法來判斷故障信號的真偽，減少錯誤停機率，增加可靠性。

（4）強大的故障自診能力

SIS 系統的各個組件，尤其是邏輯控制器部分，硬件都具有自診斷能力，如IO 卡件可以診斷接口外部是短路還是斷路、AI 信號是否超量程為無效信號等等，邏輯控制器根據卡件狀態及信息判斷生產中是否已背離正常工況。

（5）快速響應

隨著芯片技術的迅猛發展，SIS 系統的IO 掃描采樣響應時，邏輯判斷時間都飛速提高，從信號輸入到輸出的響應時間一般在毫秒級。

（6）具有事故追憶功能

在系統生產運行過程中突發停機，可以通過SIS系統來查找報警記錄、歷史趨勢，根據數據分析事故產生原因，通常其要求的記錄的分辨率是≤1 ms。

（7）安全的設計

設計人員會為不同的工藝設計不同SIS 組成元件，從傳感器到執行元件都有不同的安全性設計要求。SIS 是靜態的，不需要人為干預，SIS 起到一個安全聯鎖的作用，避免人為誤動作。SIS 寧可犧牲可用性也不降低失效性，寧可誤動，不可拒動。

2 SIS 系統在石化行業中的重要性

石油化工生產的特點是易燃、易爆、高溫、深冷、高壓、有毒、腐蝕性強，這些特點決定了化工生產所固有的危險性，近幾十年，隨著新設備、新工藝、新材料的出現，自動化程度越來越高，安全儀表系統應運而生，使生產過程中發生事故的可能性大大降低。SIS 有以下的重要意義。

2.1 事故預防

石化行業存在許多危險的工藝環境，如高溫、高壓、易燃易爆等，一旦控制失效就可能導致嚴重的事故，SIS 系統通過實時監測生產參數，當參數超過區間值時將自動采取應急措施，如切斷電源，關閉閥門等，以預防事故的發生。

2.2 人員安全

SIS 檢測到工作環境存在危險（如有毒氣體泄漏、管道或容器壓力超高、反應釜溫度超高、局部有火苗出現等），SIS 系統可以通過聲光報警、打開緊急泄壓閥、停機等方式警報、采取措施，保障工作人員的安全。

2.3 環境保護

石化行業對環境的影響較大，如污染排放、化學品泄漏等。SIS 系統可以監測和控制污染物排放、檢測化學品泄漏等情況，減少對環境的損害。

2.4 資產保護

石化行業的設備和設施通常價值巨大，如反應器、儲罐等。SIS 系統能夠檢測到潛在的危險情況，并快速做出反應，防止事態進一步擴大和蔓延。例如，當溫度、壓力或液位超出安全范圍時，SIS 系統可以自動觸發緊急停機，避免爆炸、飛車等事故發生，從而節省了可能大量流失的物料和設備維修維修成本，減少了對資產造成的損害。

2.5 符合法律法規和行業標準

世界各國都有與SIS 相關的標準和規范，使得設計有章有據。我國的認證標準、規范主要有：

（1）《化工建設項目安全設計管理導則》（AQ/T3033-2010）。

（2）《石油化工緊急停車及安全聯鎖系統設計導則》。

（3）《電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全》（GB/T20438）。

（4）《過程工業領域安全儀表系統的功能安全》（GB/T21109），逐步建立相關人員、產品以及組織機構功能安全認證服務體系。

石化行業涉及安全的法規有：

（1）《危險化學品重大危險源監督管理暫行規定》（安監總局令（2011）第40 號）“一級或者二級重大危險源，裝備緊急停車系統。涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級或者二級重大危險源，配備獨立的安全儀表系統（SIS）?！?/p>

（2）《關于進一步加強危險化學品建設項目安全設計管理的通知》（安監總管三〔2013〕76 號）中，明確了“所有新建涉及“兩重點一重大”的化工裝置和危險化學品儲存設施要設計符合要求的安全儀表系統。”

（3）《國家安全監管總局關于加強化工安全儀表系統管理的指導意見》（安監總管三〔2014〕116號）“大型和外商獨資合資等具備條件的化工企業新建涉及“兩重點一重大”的化工裝置和危險化學品儲存設施，要按照本指導意見的要求設計符合相關標準規定的安全儀表系統?！盵2]

通過SIS 系統的使用，石化企業能夠提高自身的安全管理水平，降低事故和風險的發生概率，避免可能的法律風險和罰款，保護企業的聲譽和利益。

3 SIS 系統的發展前景

從最早的安全連鎖保護系統演繹到如今的SIS系統，用時幾十年。無論是硬件技術、軟件診斷技術還是設計理念都取得了巨大的進步，工業領域尤其是石化領域，自然就有了SIS 系統的需求。隨著技術自身由簡單到復雜的發展規律，SIS 系統的功能會日益強大。隨著計算機技術、通訊技術、人工智能技術、云計算技術、大數據技術的進步，SIS 技術也在不斷地升級和更新，未來的SIS 系統也更加智能化、多樣化地滿足不同用戶的個性化需求，定制化和集成化的工作也將成為SIS 系統開發和應用的重要環節。

4 結語

SIS 系統的重要性在于保護人員生命安全和環境的健康、提高生產設備的安全性能，預防和減少事故發生的風險，保護企業資產，是石化企業安全管理和風險控制的重要組成部分。因此，石化企業應該高度重視SIS 系統的建設和運行，不斷提升安全意識和技術水平，確保石化生產的安全可持續發展。