1 基本概念
根據功能安全標準定義, 安全儀表系統 (SIS, 全稱為Safety Instrumented System) 是指可以起到與單個或多個儀表相同安全功能的系統, 主要用于響應危險狀況, 如系統超過限值的情況, 并將生產過程從中脫開并轉入安全狀態, 以確保人員、過程、設備和環境的安全。定義中的安全功能 (SIF, 全稱為Safety Instrumented Function) 是指為保證生產過程的安全, 由具備一定安全完整性等級的安全儀表系統, 為實現特定危險事件中系統風險降低而實現的功能, 分為儀表安全保護功能和儀表安全控制功能。安全完整性是指在規定時段和條件的情況下, 安全儀表系統正確執行安全功能的平均概率, 共分為4個安全完整性等級 (SIL, 全稱為Safety Integrity Level) , 其中SIL4為最高級別, SILI為最低級別。安全完整性等級是衡量安全儀表系統功能安全的重要標準。
2 基本組成
安全儀表系統主要包括硬件和軟件兩個基本組成部分。 (l) 硬件:安全儀表系統的硬件分為傳感器、邏輯解算器和最終元件等三個子系統, 具體如下: (1) 傳感器是指一個或一組用于測量生產過程變化的部件, 主要包括壓力、溫度、流量和液位傳感器、變送器、過程開關和控制開關等。一般安全儀表系統選用的是隔爆型傳感器。 (2) 邏輯解算器是指能夠實現一個或多個邏輯功能的部件, 主要包括冗余電源、CPU處理器、輸入/輸出模塊等。 (3) 最終元件是指通過執行指定動作而使系統進入安全狀態的部件, 主要包括切斷閥、控制閥、電磁閥等。
(2) 軟件。安全儀表系統軟件是由程序、數據、進程和規則組成的數據處理工具, 分為應用軟件、嵌入式軟件和工具軟件三個類型: (1) 應用軟件是指供用戶控制系統以實現系統功能的軟件, 通常包括邏輯結構和時序、數據的允許值和極限值以及表達式, 以確保輸入/輸出數據、計算和決策過程的正確性; (2) 嵌入式軟件, 又稱系統軟件, 是指作為系統固有組成部分的軟件, 對該軟件的修改工作只有通過生產商才能夠進行; (3) 工具軟件是指用于組建、調整和編輯應用程序的軟件, 該軟件在操作系統過程中并不會被使用到。由于本文關注的是系統的安全完整性, 所以功能安全認證對象僅限于應用軟件。
3 工作流程
IEC61508和IEC61511標準介紹了五種邏輯結構的安全儀表系統, 分別是1001、1002、2002、1002D和2003, 下面以其中的2003型系統為例, 對安全儀表系統的工作流程進行分析。 (1) 測量數據:傳感器負責檢測系統狀態變化的數據。 (2) 數據輸入:系統狀態數據經輸入模塊進入到輸入回路, 并通過三重冗余的FO總線傳送至控制模塊, 并提交處理器表決。 (3) 處理器表決:三個處理器同時建立數據表, 并采取三中選二的方式進行表決。 (4) 輸出執行:表決后的數據經I/O總線傳送至輸出模塊, 如表決結果為采取安全措施, 則數據傳入輸出回路, 控制最終元件執行動作。
4 風險
風險是衡量系統安全完整性的指標, 它綜合了危害發生的概率以及后果嚴重性兩部分內容, 可用公式1進行表達:R=S×P。 (1) 式中R為“風險”, S為“嚴重度”, 指的是事故危害的量化值;P表示頻次, 即在一定的生產周期內, 系統發生事故的次數。為確保實現系統的安全功能, 必須降低風險發生概率以及后果嚴重性, 直到可允許的范圍內。按照系統安全完整性的承擔者進行分類, 可將風險的降低分為三部分, 分別是由E/E/PE安全相關系統負擔的風險降低部分、由其他技術安全相關系統負擔的風險降低部分和由外部風險降低設施負擔的風險降低部分, 如圖1所示。
5 安全儀表系統的主要功能
是當生產過程達到預設的危險條件時, 自動將所控制系統轉入安全狀態。如在上述案例中, 安全儀表系統的作用就是在監測到可燃氣體濃度達到規定的限值時, 第一時間發出警報并轉入應急狀態, 并采取措施進行控制, 以免造成更大的危險。安全儀表系統除了發揮監控生產過程的作用以外, 如何保證它在關鍵時刻不發生失效是功能安全關注的重點?？梢钥闯? 安全儀表系統對于過程工業領域的生產安全有著非常重要的作用, 但目前為止還未被列入“3C”的目錄中。IEC61508和IEC615n標準是國際電工委員會分別針對通用電氣/電子/可編程電子和安全儀表系統制定的功能安全標準, 這兩份標準的發布, 為安全系統功能安全領域的研究和實踐提供了理論基礎, 尤其是標準中提出的安全完整性等級的概念更是成為了判定系統可靠性的重要指標, 被用戶視作采購時必須參考的重要依據。在我國工業快速發展、生產規模不斷擴大、產能大幅提高的同時, 生產過程中的風險也在不斷增加, 安全儀表系統的重要性日益凸顯。功能安全作為安全儀表系統的核心要素, 越來越迫切地需要通過一套科學、完整的方法進行認可和證明, 開展功能安全認證工作勢在必行。
摘要：安全儀表系統作為一種重要的安全系統, 大量應用在以石化行業為代表的過程工業領域, 起到了降低生產風險、提高安全水平的作用。石化行業是關系到國家安全和國民經濟命脈的重要能源產業, 2009年行業總產值達到6.63萬億元人民幣, 并預計在2010年繼續保持增長。此外, 石化行業還屬于高危行業, 產品所具有的易燃、易爆、易污染的特性對于生產安全來說是一個嚴峻的挑戰, 由于生產工藝復雜, 設備運行條件苛刻, 稍有失誤就可能引發生產事故。2010年1月7日, 蘭州石化公司石油化工廠的儲罐閥門出現裂縫, 可燃氣體濃度達到爆炸極限, 當班操作人員進行緊急處理過程中發生爆炸, 造成12人死傷的嚴重后果。如果說閥門裂縫是由于長期使用而不可避免的磨損和老化現象, 那么氣體濃度監測系統作為一個重要的安全措施, 此時的工作狀態是否正常就顯得格外重要。
關鍵詞：GPIB,標準,系統組成