1 基本概念
根据功能安全标准定义, 安全仪表系统 (SIS, 全称为Safety Instrumented System) 是指可以起到与单个或多个仪表相同安全功能的系统, 主要用于响应危险状况, 如系统超过限值的情况, 并将生产过程从中脱开并转入安全状态, 以确保人员、过程、设备和环境的安全。定义中的安全功能 (SIF, 全称为Safety Instrumented Function) 是指为保证生产过程的安全, 由具备一定安全完整性等级的安全仪表系统, 为实现特定危险事件中系统风险降低而实现的功能, 分为仪表安全保护功能和仪表安全控制功能。安全完整性是指在规定时段和条件的情况下, 安全仪表系统正确执行安全功能的平均概率, 共分为4个安全完整性等级 (SIL, 全称为Safety Integrity Level) , 其中SIL4为最高级别, SILI为最低级别。安全完整性等级是衡量安全仪表系统功能安全的重要标准。
2 基本组成
安全仪表系统主要包括硬件和软件两个基本组成部分。 (l) 硬件:安全仪表系统的硬件分为传感器、逻辑解算器和最终元件等三个子系统, 具体如下: (1) 传感器是指一个或一组用于测量生产过程变化的部件, 主要包括压力、温度、流量和液位传感器、变送器、过程开关和控制开关等。一般安全仪表系统选用的是隔爆型传感器。 (2) 逻辑解算器是指能够实现一个或多个逻辑功能的部件, 主要包括冗余电源、CPU处理器、输入/输出模块等。 (3) 最终元件是指通过执行指定动作而使系统进入安全状态的部件, 主要包括切断阀、控制阀、电磁阀等。
(2) 软件。安全仪表系统软件是由程序、数据、进程和规则组成的数据处理工具, 分为应用软件、嵌入式软件和工具软件三个类型: (1) 应用软件是指供用户控制系统以实现系统功能的软件, 通常包括逻辑结构和时序、数据的允许值和极限值以及表达式, 以确保输入/输出数据、计算和决策过程的正确性; (2) 嵌入式软件, 又称系统软件, 是指作为系统固有组成部分的软件, 对该软件的修改工作只有通过生产商才能够进行; (3) 工具软件是指用于组建、调整和编辑应用程序的软件, 该软件在操作系统过程中并不会被使用到。由于本文关注的是系统的安全完整性, 所以功能安全认证对象仅限于应用软件。
3 工作流程
IEC61508和IEC61511标准介绍了五种逻辑结构的安全仪表系统, 分别是1001、1002、2002、1002D和2003, 下面以其中的2003型系统为例, 对安全仪表系统的工作流程进行分析。 (1) 测量数据:传感器负责检测系统状态变化的数据。 (2) 数据输入:系统状态数据经输入模块进入到输入回路, 并通过三重冗余的FO总线传送至控制模块, 并提交处理器表决。 (3) 处理器表决:三个处理器同时建立数据表, 并采取三中选二的方式进行表决。 (4) 输出执行:表决后的数据经I/O总线传送至输出模块, 如表决结果为采取安全措施, 则数据传入输出回路, 控制最终元件执行动作。
4 风险
风险是衡量系统安全完整性的指标, 它综合了危害发生的概率以及后果严重性两部分内容, 可用公式1进行表达:R=S×P。 (1) 式中R为“风险”, S为“严重度”, 指的是事故危害的量化值;P表示频次, 即在一定的生产周期内, 系统发生事故的次数。为确保实现系统的安全功能, 必须降低风险发生概率以及后果严重性, 直到可允许的范围内。按照系统安全完整性的承担者进行分类, 可将风险的降低分为三部分, 分别是由E/E/PE安全相关系统负担的风险降低部分、由其他技术安全相关系统负担的风险降低部分和由外部风险降低设施负担的风险降低部分, 如图1所示。
5 安全仪表系统的主要功能
是当生产过程达到预设的危险条件时, 自动将所控制系统转入安全状态。如在上述案例中, 安全仪表系统的作用就是在监测到可燃气体浓度达到规定的限值时, 第一时间发出警报并转入应急状态, 并采取措施进行控制, 以免造成更大的危险。安全仪表系统除了发挥监控生产过程的作用以外, 如何保证它在关键时刻不发生失效是功能安全关注的重点。可以看出, 安全仪表系统对于过程工业领域的生产安全有着非常重要的作用, 但目前为止还未被列入“3C”的目录中。IEC61508和IEC615n标准是国际电工委员会分别针对通用电气/电子/可编程电子和安全仪表系统制定的功能安全标准, 这两份标准的发布, 为安全系统功能安全领域的研究和实践提供了理论基础, 尤其是标准中提出的安全完整性等级的概念更是成为了判定系统可靠性的重要指标, 被用户视作采购时必须参考的重要依据。在我国工业快速发展、生产规模不断扩大、产能大幅提高的同时, 生产过程中的风险也在不断增加, 安全仪表系统的重要性日益凸显。功能安全作为安全仪表系统的核心要素, 越来越迫切地需要通过一套科学、完整的方法进行认可和证明, 开展功能安全认证工作势在必行。
摘要：安全仪表系统作为一种重要的安全系统, 大量应用在以石化行业为代表的过程工业领域, 起到了降低生产风险、提高安全水平的作用。石化行业是关系到国家安全和国民经济命脉的重要能源产业, 2009年行业总产值达到6.63万亿元人民币, 并预计在2010年继续保持增长。此外, 石化行业还属于高危行业, 产品所具有的易燃、易爆、易污染的特性对于生产安全来说是一个严峻的挑战, 由于生产工艺复杂, 设备运行条件苛刻, 稍有失误就可能引发生产事故。2010年1月7日, 兰州石化公司石油化工厂的储罐阀门出现裂缝, 可燃气体浓度达到爆炸极限, 当班操作人员进行紧急处理过程中发生爆炸, 造成12人死伤的严重后果。如果说阀门裂缝是由于长期使用而不可避免的磨损和老化现象, 那么气体浓度监测系统作为一个重要的安全措施, 此时的工作状态是否正常就显得格外重要。
关键词：GPIB,标准,系统组成