李致遠(yuǎn)
(安徽省化工設(shè)計(jì)院,安徽合肥230009)
安全儀表系統(tǒng)(Safety Instrumented System,SIS)與安全生產(chǎn)緊密相關(guān),是應(yīng)用于安全領(lǐng)域及關(guān)鍵控制部分,用以避免事故或者減少事故給設(shè)備、人員和環(huán)境造成危害,從而使危險(xiǎn)降低到最低程度的一種專用儀表系統(tǒng),其主要應(yīng)用于化工、高鐵、核電、航空航天等高新產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域,在響應(yīng)速度、安全性、故障自診斷等方面有較高要求,是當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的一種高尖端技術(shù)[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和人們安全意識(shí)的逐步提高,特別是近年來頻頻發(fā)生的惡性事故更是給人們敲響了安全警鐘,因而SIS系統(tǒng)得到了人們越來越多的關(guān)注和重視。
安全儀表系統(tǒng)由美國儀表學(xué)會(huì)(ISA)首先提出,也稱為緊急停車系統(tǒng)(Emergency Shutdown Device,ESD)、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)或儀表保護(hù)系統(tǒng)(Instrument Protection System,IPS)。
SIS系統(tǒng)可以監(jiān)測生產(chǎn)過程中出現(xiàn)或者潛伏的危險(xiǎn),迅速響應(yīng)發(fā)出警告信息或直接執(zhí)行預(yù)定程序,立即進(jìn)入操作,防止事故發(fā)生、降低事故帶來的危害及其影響。它的特點(diǎn)是:
(1)以IEC61508作為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn),符合國際安全協(xié)會(huì)規(guī)定的儀表安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
(2)覆蓋面廣、安全性高、有自診斷功能,能夠檢測并預(yù)防潛在的安全危險(xiǎn)。
(3)具有容錯(cuò)性的多重冗余系統(tǒng),SIS一般采用多重冗余結(jié)構(gòu)以提高系統(tǒng)的硬件故障裕度,單一故障不會(huì)導(dǎo)致SIS安全功能喪失。
(4)應(yīng)用程序根據(jù)實(shí)際需要容易修改,可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)軟件進(jìn)行修改。
(5)自診斷覆蓋率大,工人維修時(shí)需要檢查的點(diǎn)數(shù)比較少。
(6)響應(yīng)速度快,從輸入變化到輸出變化的響應(yīng)時(shí)間一般在10~50ms左右,小型SIS的響應(yīng)時(shí)間更短。
(7)可實(shí)現(xiàn)從傳感器到執(zhí)行元件所組成的整個(gè)回路的安全性設(shè)計(jì),具有I/O短路、斷線等監(jiān)測功能[1]。
安全儀表系統(tǒng)包括傳感器、邏輯運(yùn)算器和最終執(zhí)行元件,即檢測單元、控制單元和執(zhí)行單元。
目前SIS的主流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有TMR(三重化)、2004D(四重化)兩種。
(1)TMR結(jié)構(gòu):它將三路隔離、并行的控制系統(tǒng)(每路稱為一個(gè)分電路)和廣泛的診斷集成在一個(gè)系統(tǒng)中,用三取二表決提供高度完善、無差錯(cuò)、不會(huì)中斷的控制,如圖1所示。
TRICON、ICS、和利時(shí)均是采用TMR結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。
(2)2004D結(jié)構(gòu):2004D系統(tǒng)由2套獨(dú)立并行運(yùn)行的系統(tǒng)組成,通訊模塊負(fù)責(zé)其同步運(yùn)行,當(dāng)系統(tǒng)自診斷發(fā)現(xiàn)一個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí),CPU將強(qiáng)制其失效,確保其輸出的正確性。同時(shí),安全輸出模塊中SMOD功能(輔助去磁方法),確保在兩套系統(tǒng)同時(shí)故障或電源故障時(shí),系統(tǒng)輸出一個(gè)故障安全信號(hào)。一個(gè)輸出電路實(shí)際上是通過四個(gè)輸出電路及自診斷功能實(shí)現(xiàn)的。這樣確保了系統(tǒng)的高可靠性、高安全性及高可用性。HONEYWELL、HIMA的SIS均采用了2004D結(jié)構(gòu)。
二十世紀(jì)70年代中期以前,相關(guān)安全系統(tǒng)的控制設(shè)備均由電磁繼電器組成,部分也采用固態(tài)集成電路構(gòu)成。二十世紀(jì)80年代開始采用可編程序控制器(Programmable Logic Controller,PLC)。隨著對(duì)設(shè)備安全、人身安全和環(huán)境保護(hù)的要求越來越嚴(yán)格,各工業(yè)企業(yè)和儀表自動(dòng)化行業(yè)對(duì)過程安全功能給予了極大的關(guān)注。二十世紀(jì)80年代中期以后,伴隨著微電子技術(shù)和控制系統(tǒng)可靠性技術(shù)的發(fā)展,專門用于有關(guān)安全系統(tǒng)的控制器系統(tǒng)、安全型PLC和安全解決方案得到迅速發(fā)展和推廣[2],出現(xiàn)了一些新型的安全儀表系統(tǒng),如Emerson推出的PlantWeb SmartSIS智能安全儀表管理方案,ABB公司的800xA High Integrity系統(tǒng),西門子推出的SIMATIC PCS7安全一體化系統(tǒng)等。從這些新推出的安全系統(tǒng)可以看出,安全儀表系統(tǒng)呈現(xiàn)出如下發(fā)展趨勢:
(1)與基本過程控制系統(tǒng)的集成。通訊接口與通訊網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一為安全儀表控制系統(tǒng)與基本過程控制系統(tǒng)的集成帶來極大的便利,對(duì)于一些要求較低、規(guī)模較小的生產(chǎn)過程可以采用集成的方法來減少投資,同時(shí)減少由基本過程控制系統(tǒng)和安全儀表系統(tǒng)不同的實(shí)現(xiàn)方式帶來的問題。安全儀表系統(tǒng)同基本過程控制系統(tǒng)的集成目前主要有 3種方式:Interfaces、Integrated和Common。Interfaces方式為基本過程控制系統(tǒng)與安全儀表系統(tǒng)各自采用獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)和工程師站,兩個(gè)系統(tǒng)之間通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通訊。Integrated模型中兩個(gè)系統(tǒng)采用通用的網(wǎng)絡(luò)連接,并共用工程師站,但兩者的職能有明確的劃分。Common模式為兩個(gè)系統(tǒng)的完全整合,采用基本過程控制系統(tǒng)來完成安全儀表系統(tǒng)的功能。
(2)安全儀表系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展。智能安全儀表系統(tǒng)采用智能型傳感器和數(shù)字閥門定位器,傳感器、數(shù)字閥門同邏輯控制器之間采用數(shù)字通訊。智能型終端設(shè)備不僅可以檢測過程變量、接受控制信號(hào),同時(shí)還可以提供包括關(guān)于設(shè)備自身、相關(guān)設(shè)備甚至周圍過程的信息,供邏輯控制器的安全決策使用。數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)使信息可以進(jìn)行雙向流動(dòng),在傳遞控制信號(hào)的同時(shí),也可以傳遞邏輯控制器對(duì)終端設(shè)備的組態(tài)或標(biāo)定數(shù)據(jù)。智能型的邏輯控制器能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份、歸檔和分析,也可以對(duì)設(shè)備和診斷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,以鑒別出現(xiàn)的問題,并提供一些更正建議。
(3)具備更高的過程可用性及更低的維護(hù)成本。作為一個(gè)系統(tǒng),本身也存在出現(xiàn)故障的可能性,但是未來的安全儀表系統(tǒng)將借助自身的故障診斷系統(tǒng)在線監(jiān)視設(shè)備及過程狀態(tài),并同時(shí)能夠向操作人員發(fā)出包括可能或適當(dāng)應(yīng)對(duì)措施在內(nèi)的警報(bào),從而提高系統(tǒng)的可用率。智能安全儀表系統(tǒng)的診斷功能還可以通過避免派遣維護(hù)技工去現(xiàn)場進(jìn)行例行設(shè)備檢查達(dá)到節(jié)省成本的目的。同時(shí)安全儀表系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)施的部分行程測試也可以減少停車,節(jié)約成本。
根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》(GB18218-2009)及《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》(國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令第40號(hào))中的《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源分級(jí)方法》進(jìn)行辨識(shí),廠區(qū)內(nèi)液氨儲(chǔ)罐區(qū)及甲醇儲(chǔ)罐區(qū)均構(gòu)成危險(xiǎn)化學(xué)品二級(jí)重大危險(xiǎn)源。根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》(國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令第40號(hào))(2011)的要求,須對(duì)安徽某大型化工企業(yè)已建液氨及甲醇儲(chǔ)罐區(qū)進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)改造。
根據(jù)“安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、控制水平先進(jìn)、自動(dòng)化水平高、管理靈活、操作方便”的原則,結(jié)合該企業(yè)工藝要求及生產(chǎn)操作特點(diǎn),采用兩套集散控制系統(tǒng)(DCS),分別對(duì)液氨儲(chǔ)罐區(qū)和甲醇儲(chǔ)罐區(qū)涉及到的溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)進(jìn)行檢測,并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的指示、記錄、報(bào)警及聯(lián)鎖功能。
(1)液氨儲(chǔ)罐區(qū)由4個(gè)100m3臥式儲(chǔ)罐組成,液氨儲(chǔ)罐承接上游氨合成系統(tǒng)液氨的存儲(chǔ),并向外及各生產(chǎn)工序輸送液氨等功能。儲(chǔ)罐均配置遠(yuǎn)傳熱電阻溫度計(jì)、現(xiàn)場壓力表和遠(yuǎn)傳壓力表,現(xiàn)場都有磁翻板液位計(jì),儲(chǔ)罐進(jìn)、出料管上均配置緊急切斷閥,可以在DCS上遠(yuǎn)程控制開關(guān)。
(2)甲醇儲(chǔ)罐區(qū)負(fù)責(zé)該公司甲醇的存儲(chǔ),承接上游生產(chǎn)車間甲醇的存儲(chǔ)以及向外輸送甲醇等功能。罐區(qū)1個(gè)30000m3甲醇儲(chǔ)罐及汽車裝卸泵和裝船泵是罐區(qū)的主要設(shè)備。儲(chǔ)罐配置兩套遠(yuǎn)傳液位計(jì)、一套遠(yuǎn)傳熱電阻溫度計(jì),儲(chǔ)罐進(jìn)、出料管上均配置緊急切斷閥,可以在DCS上遠(yuǎn)程控制開關(guān)。
(1)安全儀表系統(tǒng)由測量儀表、邏輯控制器和最終元件等組成。安全儀表系統(tǒng)的功能根據(jù)過程危險(xiǎn)及可操作性分析,人員、過程、設(shè)備及環(huán)境的安全保護(hù)以及安全完整性等級(jí)等要求確定。
(2)安全儀表系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)安全儀表功能,多個(gè)安全儀表功能可使用同一個(gè)安全儀表系統(tǒng)。當(dāng)多個(gè)安全儀表功能在同一個(gè)安全儀表系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)時(shí),系統(tǒng)內(nèi)的共用部分符合各功能中最高安全完整性等級(jí)要求。安全儀表系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立于基本過程控制系統(tǒng)(項(xiàng)目已有的DCS),并應(yīng)獨(dú)立完成安全儀表功能。安全儀表系統(tǒng)與基本過程控制系統(tǒng)之間采用Modbus通訊或其它通訊的方式進(jìn)行連接,將兩套系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相互傳遞,詳見圖2。
(3)安全儀表系統(tǒng)不應(yīng)介入或取代基本過程控制系統(tǒng)的工作;基本過程控制系統(tǒng)不應(yīng)介入安全儀表系統(tǒng)的運(yùn)行或邏輯運(yùn)算。
(4)安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)成故障安全型。當(dāng)安全儀表系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生故障時(shí),安全儀表系統(tǒng)能按設(shè)計(jì)預(yù)定方式,將過程轉(zhuǎn)入安全狀態(tài)。
(5)安全儀表系統(tǒng)應(yīng)具有硬件和軟件自診斷和測試功能,具有順序事件(SOE)記錄和報(bào)警功能[3]。
(6)邏輯控制器的中央處理單元、輸入輸出單元、通信單元及電源單元等采用冗余技術(shù)。
(7)安全儀表系統(tǒng)的接地采用等電位連接方式。
(8)安全儀表系統(tǒng)的硬件、操作系統(tǒng)及編程軟件采用正式發(fā)布版本。
(9)按照石油化工安全儀表設(shè)計(jì)規(guī)定的要求,SIS系統(tǒng)的控制器、電源、通訊及IO要求冗余配置,控制器及其連接傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)需滿足SIL認(rèn)證。
(10)機(jī)柜內(nèi)所用的信號(hào)分配器及繼電器需滿足SIL認(rèn)證。
(11)緊急停車按鈕、重要的信號(hào)報(bào)警分別安裝對(duì)應(yīng)罐區(qū)控制室的輔助操作臺(tái)上,采用硬接線與安全儀表系統(tǒng)(SIS)連接,信號(hào)報(bào)警器應(yīng)具有區(qū)別第一報(bào)警功能。
根據(jù)《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50770-2013),安全完整性等級(jí)為SIL1~SIL4共4級(jí),石油化工工廠或裝置的安全完整性等級(jí)最高為SIL3級(jí)。SIL等級(jí)越高,安全儀表功能失效的概率越低。
安全儀表系統(tǒng)的低要求操作模式是指安全儀表系統(tǒng)動(dòng)作頻率不大于每年一次。通常石油化工工廠和裝置的安全儀表系統(tǒng)工作于低要求操作模式。安全儀表功能的安全完整性等級(jí)見表1[4]。
表1 SIS系統(tǒng)在重大危險(xiǎn)源存儲(chǔ)設(shè)施上的設(shè)計(jì)及應(yīng)用
本項(xiàng)目在進(jìn)行工藝危險(xiǎn)及可操作分析(HAZOP)及保護(hù)層分析(LOPA)后,確定SIS系統(tǒng)采用完全的三重化架構(gòu)(即控制器、輸入模塊和輸出模塊都為三重化TMR)來獨(dú)立完成裝置的安全聯(lián)鎖功能。SIS系統(tǒng)、所有進(jìn)出SIS系統(tǒng)的測量儀表及最終元件要求符合SIL2標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的安全等級(jí)要求。然后根據(jù)設(shè)備廠商反饋的參數(shù),采用馬爾科夫(Markov)模型及SIL驗(yàn)證軟件工具,驗(yàn)證儀表安全回路的安全完整性等級(jí)能否滿足實(shí)際要求。
(1)液氨儲(chǔ)罐區(qū)SIS設(shè)計(jì)方案。原有罐區(qū)內(nèi)四臺(tái)儲(chǔ)罐的溫度遠(yuǎn)傳儀表,更換成具有SIL2等級(jí)的一體化溫度變送器,信號(hào)分別通過一入兩出的信號(hào)分配器分成兩路,一路進(jìn)DCS系統(tǒng),一路進(jìn)SIS系統(tǒng)。當(dāng)溫度達(dá)高限時(shí),DCS系統(tǒng)報(bào)警。當(dāng)溫度達(dá)高高限時(shí),SIS系統(tǒng)執(zhí)行以下聯(lián)鎖動(dòng)作:停上游的氨合成系統(tǒng);關(guān)閉上游氨分離器高壓放氨切斷閥。
罐區(qū)內(nèi)四儲(chǔ)罐上各新增一臺(tái)具有SIL2等級(jí)的壓力變送器(四儲(chǔ)罐上原各有一臺(tái)進(jìn)DCS系統(tǒng)的壓力變送器),壓力信號(hào)進(jìn)SIS系統(tǒng)。當(dāng)壓力達(dá)高限時(shí),DCS系統(tǒng)報(bào)警。當(dāng)壓力達(dá)高高限時(shí),SIS系統(tǒng)執(zhí)行以下聯(lián)鎖動(dòng)作:停上游的氨合成系統(tǒng);關(guān)閉上游氨分離器高壓放氨切斷閥。當(dāng)壓力達(dá)低限時(shí),DCS系統(tǒng)報(bào)警。當(dāng)壓力達(dá)低低限時(shí),SIS系統(tǒng)執(zhí)行以下聯(lián)鎖動(dòng)作:關(guān)閉儲(chǔ)罐液氨出口緊急切斷閥;關(guān)閉液氨裝車總管緊急切斷閥。
罐區(qū)內(nèi)四儲(chǔ)罐上各新增一臺(tái)具有SIL2等級(jí)的差壓液位變送器(四儲(chǔ)罐上原各有一臺(tái)進(jìn)DCS系統(tǒng)的液位變送器),液位信號(hào)進(jìn)SIS系統(tǒng)。當(dāng)液位達(dá)高限時(shí),DCS系統(tǒng)報(bào)警。當(dāng)液位達(dá)高高限時(shí),SIS系統(tǒng)執(zhí)行以下聯(lián)鎖動(dòng)作:停上游的氨合成系統(tǒng);關(guān)閉上游氨分高壓放氨切斷閥。當(dāng)液位達(dá)低限時(shí),DCS系統(tǒng)報(bào)警。當(dāng)液位達(dá)低低限時(shí),SIS系統(tǒng)執(zhí)行以下聯(lián)鎖動(dòng)作:關(guān)閉儲(chǔ)罐液氨出口緊急切斷閥;關(guān)閉液氨裝車總管緊急切斷閥。
在氨合成系統(tǒng)總管上設(shè)置一臺(tái)具有SIL2等級(jí)的壓力變送器,壓力信號(hào)分別通過一入兩出的信號(hào)分配器分成兩路,一路進(jìn)DCS系統(tǒng),一路進(jìn)SIS系統(tǒng)。當(dāng)壓力達(dá)高限時(shí),DCS系統(tǒng)報(bào)警。當(dāng)壓力達(dá)高高限時(shí),SIS系統(tǒng)執(zhí)行以下聯(lián)鎖動(dòng)作:停上游的氨合成系統(tǒng);關(guān)閉上游氨分高壓放氨切斷閥。
原有氨合成系統(tǒng)總管上設(shè)置了一臺(tái)緊急切斷閥,當(dāng)緊急切斷閥關(guān)閉時(shí),閥位信號(hào)進(jìn)入SIS系統(tǒng),SIS系統(tǒng)報(bào)警并緊急關(guān)閉1#~4#液氨儲(chǔ)罐進(jìn)口支管緊急切斷閥。
當(dāng)按下液氨控制室緊急停車按鈕或SIS系統(tǒng)故障或失電時(shí),SIS系統(tǒng)報(bào)警并執(zhí)行以下動(dòng)作:停上游的氨合成系統(tǒng);關(guān)閉上游氨分離器高壓放氨切斷閥;關(guān)閉1#~4#儲(chǔ)罐液氨出口支管緊急切斷閥;關(guān)閉液氨裝車總管緊急切斷閥。
(2)甲醇儲(chǔ)罐區(qū)SIS設(shè)計(jì)方案。利用甲醇儲(chǔ)罐原有的差壓液位信號(hào),分別通過一入兩出的信號(hào)分配器分成兩路,一路進(jìn)DCS系統(tǒng),一路進(jìn)SIS系統(tǒng)(儲(chǔ)罐上原有兩臺(tái)進(jìn)DCS系統(tǒng)的液位變送器)。當(dāng)液位達(dá)高限時(shí),DCS系統(tǒng)報(bào)警。當(dāng)液位達(dá)高高限時(shí),SIS系統(tǒng)執(zhí)行下列動(dòng)作:甲醇系統(tǒng)停車;關(guān)閉甲醇儲(chǔ)罐進(jìn)口切斷閥;停汽車裝卸泵。當(dāng)液位達(dá)低限時(shí),DCS系統(tǒng)報(bào)警。當(dāng)液位達(dá)低低限時(shí),SIS系統(tǒng)執(zhí)行下列動(dòng)作:關(guān)閉甲醇儲(chǔ)罐出口切斷閥;停汽車裝卸泵;停裝船泵。
當(dāng)按下甲醇控制室緊急停車按鈕或SIS系統(tǒng)故障或失電時(shí),SIS系統(tǒng)報(bào)警并執(zhí)行下列動(dòng)作:甲醇系統(tǒng)停車;關(guān)閉甲醇儲(chǔ)罐進(jìn)口切斷閥;關(guān)閉甲醇儲(chǔ)罐出口切斷閥;停汽車裝卸泵;停裝船泵。
安全儀表系統(tǒng)作為現(xiàn)代過程工業(yè)降低風(fēng)險(xiǎn)和保障安全的有效方法正得到越來越多的重視[5]。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型時(shí),不能只要求控制器部分的安全性而忽略現(xiàn)場儀表的安全要求。在設(shè)計(jì)過程中,既要重視系統(tǒng)的可用性要求,又不能忽視現(xiàn)場測量和執(zhí)行部分的設(shè)計(jì)選型;既要重視安全儀表系統(tǒng)本身的功能設(shè)計(jì),又不能疏忽安全生命周期其它各階段工作的重要性。
[1]IEC 61508-5 Function safety of electrical/electronic/programmable electronic safety related system[S].1982:21-22.
[2]李勝利,盧金芳.石油化工裝置安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].石油化工自動(dòng)化,2007(2):18-22.
[3]劉齊忠,林融.石油化工安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)例探討[J].石油化工自動(dòng)化,2010(5):1-6.
[4]GB/T 50770-2013,石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[5]洪小紅.安全儀表系統(tǒng)在石油煉化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技,2009(5):269-269.□