淺談BPCS 與SIS 儀表共用的問(wèn)題

李家?guī)?/p>

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

目前， 在石油化工企業(yè)的安全完整性等級(jí)（SIL）評(píng)估或安全檢查中，安全儀表功能回路與基本工程控制回路共用儀表（傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）問(wèn)題經(jīng)常被作為隱患項(xiàng)或建議改進(jìn)措施提出，但是考慮到在役裝置的生產(chǎn)條件及現(xiàn)場(chǎng)情況，獨(dú)立設(shè)置往往面臨一定的難度，因此是不是遇到的所有的共用儀表都要獨(dú)立設(shè)置的問(wèn)題仍然存在許多爭(zhēng)論，同時(shí)這也是困擾企業(yè)、設(shè)計(jì)方及監(jiān)管部門的難題[1]。

本文將著重對(duì)基本過(guò)程控制系統(tǒng)(BPCS)與安全儀表系統(tǒng)(SIS)的共用問(wèn)題進(jìn)行討論。

1 BPCS 和SIS 的關(guān)系分析

SIS 獨(dú)立于BPCS， 例如分散控制系統(tǒng)（DCS）等，生產(chǎn)正常時(shí)處于休眠或靜止?fàn)顟B(tài)，一旦生產(chǎn)裝置或設(shè)施出現(xiàn)可能導(dǎo)致安全事故的情況時(shí)，能夠瞬間準(zhǔn)確動(dòng)作，使生產(chǎn)過(guò)程安全停止運(yùn)行或自動(dòng)導(dǎo)入預(yù)定的安全狀態(tài)， 必須有很高的可靠性（即功能安全）和規(guī)范的維護(hù)管理，如果安全儀表系統(tǒng)失效，往往會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。

如果BPCS 控制回路的正常操作滿足以下要求，則可作為獨(dú)立保護(hù)層。

BPCS 控制回路應(yīng)與SIS 功能安全回路安全完整性等級(jí)（SIF）在物理上分離，包括傳感器、控制器和最終元件。

BPCS 和SIS 的區(qū)別：1）目的功能不同：生產(chǎn)功能/安全功能；2）運(yùn)行狀態(tài)不同：實(shí)時(shí)控制/超限時(shí)聯(lián)鎖；3）可靠性要求不同：SIS 要求更高的可靠性；4）控制方法不同：連續(xù)控制為主/邏輯控制為主；5）使用和維護(hù)方法不同：SIS 更嚴(yán)格。

2 BPCS 和SIS 共用元件討論

BPCS 和SIS 是否可以共用元件，可以從以下三個(gè)方面考慮和確定：1）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求和規(guī)定，安全要求、IPL 方法論、SIL 評(píng)估；2）經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)（前提是滿足安全基本要求）；3）分析管理者或者工程人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和主觀意志確定。 不論采用哪種方式，都以滿足法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)要求為最低要求。

BPCS 和SIS 是否可以共用元件，應(yīng)以不會(huì)引起所有型式失效為原則。

如果BPCS 和SIS 共用元件，BPCS 為獨(dú)立保護(hù)層， 共用元件應(yīng)該同時(shí)擔(dān)負(fù)原來(lái)BPCS 和SIS各自獨(dú)立的保護(hù)層職責(zé)；BPCS 為初始事件，共用元件應(yīng)該擔(dān)負(fù)BPCS 和SIS 各自獨(dú)立的失效頻率結(jié)合對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)降低。 共用元件危險(xiǎn)失效率必須足夠低， 安全完整性的要求可能改變， 比如從SIL1 變成SIL2，并且符合安全全生命周期的所有要求。

必須滿足安全全生命周期的要求， 包括SIS指令優(yōu)先、DCS 指令不能干擾和降低SIS 指令功能、相關(guān)儀表和系統(tǒng)失效率滿足要求、要按照GB/T50770-2013、GB/T21109（IEC61511）的規(guī)定執(zhí)行包括記錄檔案維護(hù)管理檢維修周期、 需要進(jìn)行SIL 演算確認(rèn)滿足相關(guān)SIL 等級(jí)的要求、各個(gè)保護(hù)層場(chǎng)景總頻率的計(jì)算依然滿足等[2]。

如果BPCS 和SIS 共用元件，BPCS 不作為保護(hù)層和初始事件，必須符合安全全生命周期的所有要求， 必須充分考慮BPCS 操作維護(hù)等對(duì)SIS的影響。

特別注意， 當(dāng)SIS 的一部分用于控制并且共用設(shè)備的一次危險(xiǎn)失效可能引起對(duì)SIS 所執(zhí)行的功能提出一次要求時(shí)，則會(huì)引入新的風(fēng)險(xiǎn)。 附加的風(fēng)險(xiǎn)與共享部件的危險(xiǎn)失效率有關(guān)，這是因?yàn)楫?dāng)共享部件發(fā)生故障時(shí)， 立即就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)要求，而SIS 對(duì)此要求無(wú)力作出響應(yīng)。因此在這些情況下需要進(jìn)行額外的分析以保證共享部件的危險(xiǎn)失效率足夠低。

BPCS 和SIS 共用元件會(huì)引起操作模式的改變，由低要求模式變?yōu)檫B續(xù)模式，相關(guān)元件的維護(hù)規(guī)程和策略均應(yīng)相應(yīng)改變。

BPCS 和SIS 共用元件對(duì)PFD(PFH)、HFT、SC的要求都有影響。

必須符合安全全生命周期的所有要求，必須充分考慮BPCS 操作維護(hù)等對(duì)SIS 的影響。

通常因以下原因，SIS 是同BPCS 分開(kāi)的：

1）為了降低BPCS 對(duì)SIS 的影響，特別是當(dāng)它們共享共用設(shè)備時(shí)。 例如，當(dāng)BPCS 和SIS 共享一個(gè)用于停機(jī)和控制的共用閥門時(shí)，在該閥門的一次危險(xiǎn)失效事件中， 它并不能用來(lái)執(zhí)行一個(gè)SIS 停機(jī)功能。

2）為了保持與BPCS 有關(guān)的更改、維護(hù)、測(cè)試和文檔的靈活性。

3）為了有助于SIS 的確認(rèn)和功能安全評(píng)估。

4）如果BPCS 與SIS 組合在一起，為滿足修改管理的計(jì)劃安排， 需要限制對(duì)BPCS 的編程和配置功能的訪問(wèn)。

3 BPCS 和SIS 配置方案舉例

3.1 BPCS 和SIS 相互獨(dú)立

BPCS 控制回路與安全儀表系統(tǒng)功能安全回路在物理上分離，包括取源管嘴、測(cè)量引線、傳感器、控制器和最終元件[3]。

此方案為建議方案。 舉例如圖1，2。

圖1 系統(tǒng)配置示例

圖2 液位調(diào)節(jié)聯(lián)鎖示例（BPCS 和SIS 各自獨(dú)立）

3.2 BPCS 和SIS 共享傳感器

共用傳感器先接入SIS 系統(tǒng)， 然后由SIS 系統(tǒng)通訊至BPCS 系統(tǒng)（如圖3 所示）。 也可以經(jīng)一入二出信號(hào)分配器，分別接入SIS 和BPCS 系統(tǒng)。一入二出信號(hào)分配器安裝于SIS 機(jī)柜， 由SIS 系統(tǒng)供電。 去BPCS 的信號(hào)不論正常與否均不能干擾SIS 信號(hào)。

圖3 進(jìn)出料流量調(diào)節(jié)聯(lián)鎖示例（BPCS 和SIS 共用傳感器）

3.2.1 BPCS 和SIS 共享最終元件—1 個(gè)電磁閥

調(diào)節(jié)閥帶電磁閥配置示例見(jiàn)圖4， 典型回路圖見(jiàn)圖5。

圖4 調(diào)節(jié)閥帶電磁閥配置示例

圖5 典型溫度調(diào)節(jié)（BPCS）帶聯(lián)鎖切斷（SIS）回路圖

圖中：SOV 為電磁闊。 電磁閥勵(lì)磁，A→B 通，閥開(kāi)；電磁閥非勵(lì)磁，B→C 通，閥關(guān)。

3.2.2 BPCS 和SIS 共享最終元件—2 個(gè)電磁閥

當(dāng)系統(tǒng)要求高安全性時(shí)，調(diào)節(jié)閥配電磁閥帶冗余電磁配置可選用圖6，圖7 所示配置方式。

圖6 調(diào)節(jié)閥帶雙電磁閥配置示例

圖7 切斷閥帶雙電磁閥配置示例

圖6,7 中：當(dāng)電磁閥1 勵(lì)磁，A-B 通；電磁閥2 勵(lì)磁，A→B 通， 則控制閥開(kāi)。 當(dāng)電磁閥1 勵(lì)磁，A→B 通； 電磁閥2 非勵(lì)磁，B→C 通， 則控制閥關(guān)。 當(dāng)電磁閥1 非勵(lì)磁，B→C 通；電磁閥2 勵(lì)磁，A→B 通，則控制閥關(guān)。 當(dāng)電磁閥1 非勵(lì)磁，B→C通；電磁閥2 非勵(lì)磁，B-C 通，則控制閥關(guān)。

3.3 BPCS 和SIS 共享取源管嘴

通常情況下BPCS 和SIS 應(yīng)采用獨(dú)立取源。

特殊場(chǎng)合，例如高壓設(shè)備，可以具體分析，比如一定前提下經(jīng)分析評(píng)估后可采用連通管方案。

3.4 其他

3.4.1 BPCS 和SIS 可以共用UPS 情況

1）全廠電源的源頭是一樣的；2）設(shè)置了UPS（雙UPS 或者單UPS）；3）UPS 具有后備電源；4）儀表通常按照故障安全型設(shè)計(jì)，非故障安全型通常有輔助保護(hù)措施；5）電源配線獨(dú)立并配有獨(dú)立空開(kāi)。

3.4.2 BPCS 和SIS 氣動(dòng)執(zhí)行元件共用氣源總管和分支總管情況

1）裝置儀表氣源的源頭是一樣的；2）為每一個(gè)氣動(dòng)執(zhí)行元件單獨(dú)敷設(shè)供氣線路不現(xiàn)實(shí)，也沒(méi)有必要；3）氣源總管和分支總管相對(duì)較粗，出現(xiàn)故障的概率較低；4）氣源總管和分支總管尺寸選擇充分考慮工況需求并留有足夠裕度；5）氣動(dòng)執(zhí)行元件通常按照故障安全型設(shè)計(jì)，非故障安全型有輔助保護(hù)措施，比如設(shè)置儲(chǔ)氣罐；6）每個(gè)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置獨(dú)立的分支供氣線路，并設(shè)置獨(dú)立的氣源閥。

3.4.3 BPCS 和SIS 測(cè)量?jī)x表可以共用伴熱、吹掃、沖洗總管和分支總管情況

1）裝置伴熱、吹掃、沖洗的源頭是一樣的；2）為每一個(gè)測(cè)量?jī)x表單獨(dú)敷設(shè)伴熱、吹掃、沖洗線路不現(xiàn)實(shí)，也沒(méi)有必要；3）伴熱、吹掃、沖洗總管和分支總管尺寸相對(duì)較大，出現(xiàn)故障的概率較低；4）伴熱、吹掃、沖洗總管和分支總管尺寸選擇充分考慮工況需求并留有足夠裕度；5）每個(gè)測(cè)量?jī)x表設(shè)置獨(dú)立的伴熱、吹掃、沖洗線路，并設(shè)置獨(dú)立的閥門。

需要注意的是：以上均不包括法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)有要求的場(chǎng)合。

同時(shí)，還要考慮一些因素：1）工況條件，比如高溫、高壓，介質(zhì)理化特性；2）設(shè)備大?。ㄒ郧昂同F(xiàn)在）、設(shè)備材質(zhì)、制造情況、連通管材質(zhì)；3）根閥和每路閥門設(shè)置，連通管尺寸和取源尺寸及根閥尺寸；4）設(shè)備和連通管之間的微循環(huán)；5）危險(xiǎn)或者故障場(chǎng)景分析，不同配置方案間的比較，安全、運(yùn)行、維護(hù)；6）在役裝置還是新建裝置。

具體到工程設(shè)計(jì)中，BPCS 和SIS 是否能共用應(yīng)根據(jù)具體情況以及工程實(shí)際，進(jìn)行充分分析論證。

4 結(jié)論

BPCS 和SIS 共用元件不符合獨(dú)立保護(hù)層方法論初衷。BPCS 和SIS 共用元件必須符合安全全生命周期的所有要求，必須有完善的確認(rèn)、驗(yàn)證和記錄。

BPCS 和SIS 共用元件會(huì)引起操作模式的改變，由低要求模式變?yōu)檫B續(xù)模式，相關(guān)元件的維護(hù)規(guī)程和策略均應(yīng)相應(yīng)改變。 安全完整性的要求也可能改變，比如從SIL1 變成SIL2。

BPCS 和SIS 共用元件會(huì)改變習(xí)慣的操作和維護(hù)模式，必須充分考慮BPCS 操作維護(hù)等對(duì)SIS的影響。

在化工工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人與企業(yè)最常討論的一個(gè)問(wèn)題就是怎樣在嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范要求的情況下，既能滿足安全完整性，降低危險(xiǎn)失效率，達(dá)到安全生產(chǎn)， 同時(shí)通過(guò)BPCS 和SIS 共用的手段達(dá)到減少成本的目的。 本文討論了一些分析方法，列舉了一些實(shí)際的配置情況，設(shè)計(jì)人可以在滿足共用的前提條件和要求的情況下，具體問(wèn)題具體分析， 針對(duì)性地解決BPCS 和SIS 的共用的問(wèn)題，提出合理、客觀的設(shè)計(jì)方案。