安全仪表系统(SIS)的设计与应用

安全仪表系统 (SIS) 的设计与应用

成贤娟

33071919831123 **** 浙江省杭州市 310018

摘要：按照国家最新要求，对涉及“两重点一重大”的化工企业和危化品储存单位，无论是新建项目还是存在安全隐患需要改造的在役项目，在进入设计阶段之前或初期都要进行风险和安全评估。一般都是通过有相关资质的单位做危险和可操作性分析（HAZOP）以及保护层分析（LOPA），出具正式的分析报告，以此来确定该项目的安全仪表功能（SIF）及其安全完整性等级（SIL），作为设计院进行施工图阶段的设计依据。基于此，文章对安全仪表系统（SIS）的设计与应用进行了研究，以供参考。

关键词：安全仪表；设计原则；应用管理

1安全仪表系统的定义

根据IEC　61511的定义，安全仪表系统（SIS）是指实现一个或者多个SIF的仪表系统，通常由传感器，逻辑运算器和执行元件组成。该定义可以这样理解：将用于安全保护的现场各类检测仪表，其信号传输至独立于基本过程控制系统（BPCS）的用于过程安全的控制系统中，通过逻辑运算，使负责安全功能的执行器执行安全保护动作，最终保障整个系统的安全运行。

2安全仪表系统相关概念

SIF是为了防止和减少危险事件的发生，由SIS执行具有特定SIL等级的安全功能。通过现场检测仪表、逻辑控制器、执行元件及相关软件等，应对特定的危险状态，保持安全状态运行。SIF运行模式分为低要求操作模式和高要求（或连续）操作模式。举个完整的SIF的例子：液位开关—输入卡件（DI）—逻辑控制器—输出卡件（DO）—继电器—电机／开关阀，便是一个完整的SIF回路，回路中的每一个组成部分都需要满足SIF回路的SIL等级要求。

3安全仪表系统(SIS)的设计要点

3.1设计原则

安全仪表系统的各个组成部分都必须要满足《石油化工安全仪表系统设计原则》，尤其是在信号报警器和联锁点的设置方面，在进行动作设计以及阀值量值调整方面，必须要做到符合相关生产工艺的严格要求。做好安全生产是大前提，在进行线路设计和各类元器件安排之后，应该尽量做到简单。为了避免振动及灰尘和腐蚀液体的作用，信号报警和相应的安全连锁设备应该安置在合理的场所内，同时还要避免电磁辐射影响。如果把继电器线路应用在信号报警和安全联锁系统中也非常受用，当然也可采用无触点式晶体管电路，还有DCS和PLC系统性设计信号报警的SIS。从安装角度来说，其要求也是相当严格的，任何在建造和施工现场的检出装置和执行器，都应当满足所在工作场合的防爆和相应的防火要求。从供电等级上来说，信号报警方面的供电要求与一般仪表供电等级相同。普遍来说，SIS系统在石油化工行业应用较多，其所遵循的规则是IEC-61508标准。从安全仪表设计角度来说，要满足可靠性、可用性、独立性三大原则，而且每个原则的设计都要付诸于传感器、逻辑单元和控制单元中。可靠性主要包括工艺、结构和使用年限上的可靠性，还有工作过程、连锁保护的可靠性。为了加强SIS的系统可用性，安全仪表系统所具备的外部硬件和装备软件，都应该具备自诊和测试功能。针对SIS系统的可用性，可以提高系统的材料品质，采用高强度和高硬度的材料，还可以延长系统初始周期，或者采用非全局的测试方法，在可能发生事故的状态下及时关闭阀门，对截止阀采用紧急状态手动关闭，可以允许在线初始状态下，安全仪表系统阀门的正常使用。这些措施安全仪表系统的可用性都可以起到很大的帮助。对于安全仪表系统来说，应该和基本过程控制系统分开，从而独立完成相应的安全保护。

3.2智能化设计

未来的安全仪表的设计制造研究，会向三个方面发展，分别是功能多样化、设计信息化发展、系统化。在工艺质量达到标准的前提下，向人工智能化发展。因为安全方面的原因，之前的设计是以保守为主。但智能化研究是未来机械设计发展的方向，利用计算机仿真和大数据系统对先验设计进行评估研究，例如利用有限元分析，利用数据库观察哪类设计方案出现问题的时候最多等等。通讯接口与通讯网络标准的统一为安全仪表控制系统与基本过程控制系统的集成带来极大的便利，对于一些要求较低、规模较小的生产过程可以采用集成的方法来减少投资，同时减少由基本过程控制系统和安全仪表系统不同的实现方式带来的问题。安全仪表系统同基本过程控制系统的集成目前主要有三种方式：Interfaces、Integrated和com-mon。安全仪表系统采用智能型传感器和数字阀门定位器，传感器、数字阀门同逻辑控制器之间采用数字通讯。智能型终端设备不仅可以检测过程变量、接受控制信号，同时还可以提供包括关于设备自身、相关设备甚至周围过程的信息，供逻辑控制器的安全决策使用。数字通讯网络使信息可以进行双向流动，在传递控制信号的同时，也可以传递逻辑控制器对终端设备的组态或标定数据。智能型的逻辑控制器能够对现场设备的数据进行备份、归档和分析，也可以对设备和诊断数据进行分析，以鉴别出现的问题，并提供一些更正建议。自诊断系统也是未来仪表研发需要着重攻坚的方向。

4加强化工安全仪表系统(SIS)的应用管理

4.1加强化工SIS管理的基础工作

加强安全仪表系统管理人才的培养，加快SIS系统功能安全的相关技术。不管是化工设计，还是危险化学品生产或者储存单位，都要求要组织相关负责人及技术人员进行专业的培训，开展相应的功能安全知识和有关标准规范的培训指导。加快制定SIS技术的标准体系，进一步完善化工SIS技术的标准和认证体系。而如何规划好我国SIS标准体系，这需要有关单位和部门，去制定关于加强SIS管理的工作计划，组织并制定符合企业安全发展的标准应用指南，从而推进能够符合我国国情的安全认证体制机制。

4.2进一步加强SIS使用周期的管理

在对SIS进行设计之前，首先，要明确安全仪表系统过程中的安全要求，设计的意图以及相应的依据；其次，要严格SIS系统的安装调试和联合确认，从而规范SIS的设计；最后，加强化工企业安全仪表系统的操作和维护管理，逐渐完善SIS的管理制度和加强内部规范。化工企业需要制定和完善SIS相关管理制度，企业内部技术需要规范，将功能安全管理融合到企业安全管理体系当中去，以此来不断提高化工安全仪表的管理水平。

4.3加强其他相关仪表保护措施管理

加强过程报警系统中的报警管理，制定相关制度，并要求严格去执行。加深基本过程控制系统的管理工作，使其能安全并完整地控制回路，在这过程中，工作人员可以参照SIS的功能来进行管理和检验测试，还能够保证自动控制回路的使用率和投用率。严格根据标准来进行仪表的设计和实施，建立防止有毒有害，以及可燃气体危害人员的检测保护系统，从而确保SIS功能的可靠性，这就要求系统必须独立与基本过程控制系统之外。

4.4积极推进在役SIS评估工作

在涉及到关于“两重点一重大”在役生产装置或者设施的化工企业，以及危险化学品储存的单位中，需要全面开展过程装置系统中对应的危险的分析(如危险与可操作性分析)，并通过其风险分析来确定SIS存在哪些风险，以及怎样来降低风险，尽快判断现有SIS功能能否满足风险降低要求。而企业需要在评估的基础上，制定出SIS系统管理的具体方案以及制定好定期检验测试计划。

结语

综上所述，整个安全仪表系统在设计时遵循了可靠性原则、可用性原则、独立性原则、标准认证原则和故障安全原则。通过本次改造，解决了企业多年一直存在的安全隐患和问题；新设的安全仪表系统更加安全、可靠、开放，运行稳定，为企业职工的人身安全和装置长周期安全稳定运行保驾护航。

1. 匡蕾,等.基于危险工艺装置设置安全联锁系统的研究[J].中国安全科学学报，2009，(7).

2. 张志檩.安全仪表系统技术与应用进展[J].自动化博览,2009,(6):20-27.

[3]阳宪惠,郭海涛.安全仪表系统的功能安全[M].北京:清华大学出版社,2011.

[4]靳江红.安全仪表系统安全失效评估方法研究[D].北京.中国矿业大学，2010.

[5]张亨.化工装置安全仪表系统功能安全评估体系的研究与应用[D].上海.华中理工大学.