SIS)安全仪表系统解析

1、1、什么是安全仪表系统在IEC61508中，SIS被称为安全相关系统SafetyRelatedSystem，将被控对象称为被控设备EU(IEC61511将安全仪表系统SIS定义为用丁执行一个或多个安全仪表功能SafetyInstrumentedFunction,SIF的仪表系统。SIS是由传感器如各类开关、变送器等、逻辑控制器、以与最终元件如电磁阀、电动门等的组合组成，如图1所示。IEC61511乂进一步指出，SIS可以包括，也可以不包括软件。另外，当操作人员的手动操作被视为SIS的有机组成局部时，必须在安全规格书SafetyRequirementSpecification,SRS)中对人员操

2、作动作的有效性和可靠性做出明确规定，并包括在SIS的绩效计算中。从SIS的开展过程看，其控制单元局部经历了电气继电器Electrical、电子固态电路Electronic和可编程电子系统ProgrammableElectronicSystem，即E/E/PES三个阶段。(1) 安监总局116号文件国家安全监管总局丁2014年11月13日下发国家安全监管总局关丁加强化工安全仪表系统管理指导意见安监总管三2014116号»该意见涉与到了生产，设计，管理等多个方面。HAZO咨析，SIL等级评估，安全系统验证，老装置安全系统安全等级评估，安全系统改造等，这些工作将在今后几年中越来越多，越来越

3、重要！卜列图为由PES构成的SIS图1SIS的构成SIS安全仪表系统SIF安全仪表功能可以是安全仪表保护功能，也可以是安全仪表控制功能,或包含这两者。(2) 需要说明的是，这里所说的安全仪表控制功能，是指以连续模式ContinuousModa操作并具有特定的SIL,用丁防止危险状态发生或者减轻其发生的后果，与常规的PID控制功能是完全不同的概念。SIS可以包括或不包括软件SIS的一局部也可能是人的动作如图2所示，这是一个气液别离容器A液位控制的安全仪表功能回路图。对这个安全仪表功能完整的描述是：当容器液位开关达到安全联锁值时，逻辑运算器图3使电磁阀2断电，那么切断进调节阀膜头信号，使调节阀切断

4、容器A进料，这个动作要在3秒完成，安全等级必须达到SIL2。这是一个安全仪表功能的完整描述，而所谓的安全仪表系统，那么是类似一个或多个这样的安全仪表功能的集合。sisft点MI!fa1.MdMUMAJi*lIIBBfaLOAdGM>lclznocoo1ovdcD图2安全仪表回路图图2说明：L液面超高-L1接点闭合-Z带电。Z1常闭接点打开，S线圈断电。S电磁阀切断，往调节阀膜头的控制信号调节阀切断工艺进料，完成联锁保护作用。K起：按钮开关：起动联锁保护回路兼有复位作用。K停：起人工强制起动联锁保护作用。K旁：旁路联锁保护作用，用丁开车或检修联锁信号仪表。INPUT/、联常屏最开芸（贵距械

5、.楼获）OsLOGICSOLVEROUTPUT图3SIS逻辑图大多石油和化工生产过程具有周温、周压、易燃、易爆、有蠹等危险。当某些工艺参数超出安全极限，未与时处理或处理不当时，便有可能造成人员伤亡、设备损坏、周边环境污染等恶性事故。这就是说，从安全的角度出发，石油和化工生产过程自身存在着固有的风险。总之，SIS是一种经专门机构认证，具有一定安全完整性水平，用丁降低生产过程风险的仪表安全保护系统。它不仅能响应生产过程因超过安全极限而带来的风险，而且能检测和处理自身的故障，从而按预定条件或程序使生产过程处丁安全状态，以确保人员、设备与工厂周边环境的安全。按照SIS的定义，下述系统均属于安全仪表系统

6、：安全联锁系统SafetyInterlockSystemSIS；安全关联系统SafetyRelatedSystemSRS;仪表保护系统InstrumentProtectiveSystemIPS；透平压缩机集成控制系统IntegratedTurbo&CompressorControlSystemITCC；火灾与气体检测系统FireandgassystemsF&G；紧急停车系统EmergencyShutdownDeviceESD;燃烧管理系统BurnerManagementSystem；列车自动防护系统ATPJ2、SIS的相关标准与认证机构鉴于SIS涉与到人员、设备、环境的安全，因

7、此各国均制定了相关的标准、规，使得SIS的设计、制造、使用均有意可循。并有权威的认证机构对产品能达到的安全等级进展确认。这些标准、规与认证机构主要有：我国石化集团制定的行业标准SHB-Z06-1999石油化工紧急停车与安全联锁系统设计导那么。2006年、2007年等同采用IEC6150&IEC61511的中国国家标准GB/T20438GB/T21109相继发布,中国的功能安全标准开始规我国的功能安全工作。国际电工委员会1997年制定的IEC61508/61511标准，对用机电设备继电器、固态电子设备、可编程电子设备PLC3构成的安全联锁系统的硬件、软件与应用作出了明确规定。(3) 美国

8、仪表学会制定的ISA-S84.01-1996安全仪表系统在过程工业中的应用美国化学工程学会制定的AICHEccps-1993,化学过程的安全自动化导那么。(4) 英国健康与安全执行委员会制定的HSEPES-1987,可编程电子系统在安全领域的应用。德国国家标准中有安全系统制造厂商标准-DINVVDE0801、过程操作用户标准-DINV19250和DINV19251、燃烧管理系统标准-DINVDE0116等。(8)德国技术监视协会TuV是一个独立的、权威的认证机构，它按照德国国家标准DIN，将ES所达到的安全等级分为AK1AK&AK8安全级别最高。其中AK4AK5AK6为适用于石油和化学

9、工业取得TuV认证的SIS产品。在国石化行业中应用的SIS产品中，经过Tuv认证的主要有:Tricon、Triden，美国Triconex公司开发用于压缩机综合控制ITCC和紧急停车系统。安全等级为AK6SIL3。FSCFailsafecontrol，由荷兰P&FPepper&Fuchs公司开发，1994年被Honeywell公司收购。安全等级AK6SIL3和利时集团HiaGuardSIS，我国首套获TuVSIL3认证的安全仪表系统HIMAPES,HIM阈德国一家专业生产安全控制设备的公司，PES(ProgrammableElectronicSystem)是可编程电子系统的简称

10、，是近几年来国引进较多的一种安全仪表系统。主要由H41q和H51q系统组成。H41q也叫小系统，它分为不冗余的系统和冗余的系统，不冗余系统型号为H41M冗余系统乂分为高可靠系统H41"H和高性能系统H41尸HRH51q称为模块化的系统，它也分为不冗余的系统和冗余的系统,不冗余的系统型号为H51"H和高性能系统H51"HR各种型号的PEStK具有TuVAK16级认证。仪控工程网在线学习频道，有关于HIMA公司与产品的介绍ProsafeR§是横河电机安全仪表系统，其特点是与CENTUMCS.3000R3的技术融合，即实现了与DSC勺无缝集成。非冗余取量即可实

11、现SIL3,通过冗余取量实现更高的可用性。(10) QUADLOG由MOORE司开发，日本横河电机公司收购后称prosafeplc,其1oo2D结构安全等级达AK6(SIL3);SIMATICS7400F/FH,德国SIEMENS司产品。400F和400FH分别为1个CP顷日2个CP史行fail-safeF用户程序，均取得TUVU证，安全等级为AK1AK6SIL1SIL3；(8)RegentTrusted，美国ICS利用宇航技术开发的安全系统。安全等级AK4AK6SIL2SIL3；GMR90-70,美国GEFanuc公司开发。其中GMR90-70块块式冗余容错)的安全等级为class52oo3

12、,class41oo2和class52oo2；TRIGUARSC300EAUGUS松司开发,1999年成为ABB#团成员之一，安全等级为class5和class6，系统结构为2oo3;(11) DeltaVSIS是艾默生推出的TuV认证的新型整体回路概念的智能安全仪表系统，安全等级SIL3。(12) Safeguard400&300,ABBIndustry公司开发，系统结构1oo2D=篇幅有限不再列举3、SIS和DCS的比拟DC的由PES构成的SIS的主要区别有:DCSSTS不舍粒测、执行单元作用功能)使生产程霍无用工况乃至螭任工K下运行超隈实金停车1作为态i连壤静态.间断安全甄别嫉、

13、不薛认狂高.需认证系统的组成：DCSH股是由人机界面操作站、通信总线与现场控制站组成；而SIS系统是由传感器、逻辑解算器和最终元件三局部组成。与DC%含检测执行局部。(1) 实现功能：DCS用丁过程连续测量、常规控制连续、顺序、间歇等操作控制管理使生产过程在正常情况下运行至最正确工况;而SIS是超越极限安全即将工艺、设备转至安全状态。工作状态：DCS®主动的、动态的，它始终对过程变量连续进展检测、运算和控制，对生产过程动态控制确保产品质量和产量。而SIS系统是被动的、休眠的。(2) 安全级别：DC以全级别低，不需要安全认证；而SIS系统级别高，需要安全认证。应对失效方式：DCSS统大

14、局部失效都是显而易见的，其失效会在生产的动态过程中自行显现，很少存在隐性失效；SIS失效就没那么明显了，因此确定这种休眠系统是否还能正常工作的唯一方法，就是对该系统进展周期性的诊断或测试。因此安全仪表系统需要人为的进展周期性的离线或在线检验测试，而有些安全系统那么带有部自诊断。4、SIS设计应遵循的原那么原那么上应独立设置含检测和执行单元；中间环节最少；应为故障安全型；采用冗余容错结构5、故障安全原那么组成SIS的各环节自身出现故障的概率不可能为零，且供电、供气中断亦可能发生。当部或外部原因使SIS失效时，被保护的对象装置应按预定的顺序安全停车，自动转入安全状态FaulttoSafety:,这

15、就是故障安全原那么。具体表达：(1) 现场开关仪表选用常闭接点，工艺正常时，触点闭合，达到安全极限时触点断开，触发联锁动作，必要时采用“二选一”、“二选二”或“三选二"配置。(2) 电磁阀采用正常励磁，联锁未动作时，电磁阀线圈带电，联锁动作时断电。送往电气配电室用以开/停电机的接点用中间继电器隔离，其励磁电路应为故障安全型。作为控制装置如PLC3“故障安全"意味着当其自身出现故障而不是工艺或设备超过极限工作围时，至少应该联锁动作，以便按预定的顺序安全停车这对工艺和设备而言是安全的；进而应通过硬件和软件的冗余和容错技术，在过程安全时间PST-ProcessSafetyTime

16、检测到故障，自动执行纠错程序，排除故障。6、隐故障与显故障隐故障CovertFault：不对危险产生报警，允许危险开展的故障，是故障危险故障SHB-Z06-1999。CovertFault:Faultthatcanbeclassifiedashidden,concealed,undetected,unrevealed,latentect.ISA-S84.01-1996显故障OvertFault：能显示出故障自身存在的故障，是故障安全故障SHB-Z06-1999。OvertFault:Faultthatcanbeclassifiedasannounced,detected,revealed,ec

17、t.ISA-S84.01-1996SIS系统拒动：当工艺条件达到或超过安全极限时，SIS本应引导工艺过程停车，但由于其自身存在隐性故障危险故障，譬如输出开关被误连短路，而不能响应此要求，即该停车而拒停，降低了安全性。危险失效定义为这样一些失效，这些失效会阻止SIS系统对潜在的危险工况做出反响。SIS系统误动：在图4中，当输出开关由于某种原因处于非激励状态，即使潜在的危险工况没有发生，SIS也会进入一种安全失效状态见图5,这种情况经常被称为“误动。误动可能会以许多不同方式发生。例如，输入电路可能会发生故障，从而使逻辑解算器误认为是传感器检测到了危险工况，而事实上并没有这种情况发生。逻辑解算器本身

18、也可能出现运算错误，并导致输出回路失电，输出回路可能出现开路。SIS的许多元件失效均会导致系统进入安全失效状态。SIS非正常运行时桁出开关处在失助殁态正常运行时4,开圭闭合，虫力升关非正常运行"壬口碎时开关打开开关量输入图4正常运行时的正常激励系统即使压力开关闭合.由于输入电路的故障S1S也会误认为它是打开的压力开关无王量输丁输出开关输出电路发生弁路故障逻辑翼算器不能读教1箝人、不能进行正常的逻辑运算，也不能生成逻辑1输出负载图5PFS安全故障概率：正常激励的SIS系统在它的输出非激励时，就会处丁故障状态，这有一个概率。称为安全故障概率PFSJ,或称误动率。PFD要求时失效概率：这是

19、一个衡量安全性的指标，称为要求时失效概率。它意味着系统是危险的。它不会再要求潜在的紧急条件发生时产生响应。SIS的功能安全安全仪表系统必须在工业系统出现危险情况时正确执行其对应的安全功能，安全仪表系统的这种特性被称为功能安全。功能安全实际上讲的是SIS系统自身的安全问题。如图6示安全仪表系统，该系统由一个压力变送器、一个阀门和一个安全PLC组成的SIS系统。压力变送器检测容器压力并将其变换成适宜的信号传送给安全PLG安全PLC判断假设压力超过了额定值那么打开阀门以降低容器压力，这被称为安全系统的一个安全功能。很明显例子中仪表安全系统只有一个安全功能。如果三个设备有一个或多个失效，安全功能将失效

20、，即它将不能对压力容器压力进展限制。因此安全仪表系统的安全性能由传感器、逻辑解算器和执行器三局部功能决定。(1) SIS安全功能实际上讲的是让SIS执行什么样的安全任务，如何保护受控设备。当反应器温度及压力超高达到危险状PressureSensor图6反响器的安全仪表系统7、安全性与响应失效率(1)当工艺条件达到或超过安全极限值时，SIS本应引导工艺过程停车，但由丁其自身存在隐故障危险故障而不能响应此要求，即该停车而拒停，降低了安全性。衡量安全性的指标为响应失效率或称要求的故障率PFDProbabilityofFailureonDemand。它是安全联锁系统按要求执行指定功能的故障概率。是度量

21、安全联锁系统按要求模式工作故障率的目标值SHB-Z06-1999。(2) 不同的工业过程如生产规模、原料和产品的种类、工艺和设备的复杂程度等对安全的要不同的。上述的国际标准将其划分为假设干安全完整性等级SIL:SafetyIntegrityLevel。安全完整性等级SafetyIntegrityLevelSIL安全完整性等级SIL是一种离散的等级，用来规定分配给E/E/PE安全相关系统安全功能的安全完整性要求。安全完整性等级可分为4个等级，SIL4是安全完整性最高的等级平均概率最高,SIL1是最低等级；安全完整性等级越高，应执行所要求的安全功能的概率也越高；根据安全相关系统使用方式，要求发生的

22、频率可分为低要求操作模式<=1次和高要求或连续操作模式="">1次/年。根据GB/T20438标准，在不同的操作模式下，安全完整性的目标失效概率和目标风险降低见下表1-1和1-2。采用不同的操作模式结构有可能使用几个安全完整性等级较低的系统来满足一个较高安全完整性等级功能的需要例如：使用一个SIL2和一个SIL1的系统共同来满足一个SIL3功能的需要。表1-1安全完整性等级：要求时的失效概率低要求操作模式(平均失效概率)1斐全完整性等版(SIL)要求时的目标平均失效概率目标风险降低4>10<104>10(X)0<1000003M10*&l

23、t;103>1000<1woo2>100<10001>10-<100表1-2安全完整性等级：SIF的危险失效概率高要求或连续操作模式(每小时危险失效概率)安全完整性等级(SIL)执行仪表安全功能的目标危险失效概率4丑10#w3>1颈】2>10'<1061表1-3SIL与PFD的对应关系1SA-SH4.0IEC05fl«DINVi»5iiKrin)PFPS1L1SIL1AK1"顷上AUAKJ斜】“4K410111'S1L3SIL3AK51(1Jl"SIL4<K78、可用性与可用度但

24、由丁其自身存在降低了可用性。用白分数计算：工艺条件并未达到安全极限值，SIS不应引导工艺过程停车,显故障安全故障而导致工艺过程停车，即不该停车而误停,可用度A：Availability是指系统可使用工作时间的概率,MTBF平均故障间隔时间MeanTimeBetweenFailuresMDT平均停车时间MeanDowntime!MTBF平均故障间隔时间MeanTimeBetweenFailureMTTR平均恢复时间MeanTimetoRepairMTTF平均无故障时间MeanTimetoFailure例如：-2EZ开军！总at反lL-l*iMTTRLMTBF二:Ab'1fsn敌障时阕障H

25、7MTTF.MTtRWitbF9、冗余和容错冗余(Redundant)具有指定的独立的N:1重兀件，并且可以自动地检测故障，切换到后备设备上。(SHB-Z06-1999)冗余系统(RedundantSystem)并行地使用多个系统部件，以提供错误检测和错误校正能力的系统。(SHB-Z06-1999)。容错(FaultTolerant)具有部冗余的并行元件和集成逻辑，当硬件或软件局部故障时，能够识别故障并使故障旁路，进而继续执行指定的功能。或在硬件和软件发生故障的情况下，系统仍具有继续运行的能力。它往往包括三方面的功能：第一是约束故障，即限制过程或进程的动作，以防止在错误被检测出来之前继续扩大；

26、第二是检测故障，即对信息和过程或进程的动作进展动态检测；第三是故障恢复即更换或修正失效的部件。(SHB-Z06-1999)容错系统(FaultTolerantSystem)具有容错结构的硬件与软件系统。(SHB-Z06-1999)总之，通过冗余和故障屏蔽的结合来实现容错。容错系统一定是冗余系统，冗余系统不一定是容错系统。容错系统的冗余形式有双重、三重、四重等。图8和图9、图10分别表示CPUM余(双机热备)和三重化冗余容错系统。CPUCPU2现场设备图8CPU冗余（双机热备）输出垛子图9三重模块冗余容错系统输出端子图10三重信号冗余容错系统怎样通过冗余来改善系统的整体SIL水平当一个SIS系统

27、的安全完整性等级要求为SIL3,而实际配置为传感器为2.2X10-3(SIL2),逻辑解算器为1.3X10-4(SIL3)(包括I/O接口)，终端执行器为2.41X10-3(SIL2),所以整个系统为SIL2不满足要求。(1) 丁是我们改变传感器的配置结构,选择1oo2冗余，其中共因失效=10%诊断覆盖率(DC)=90%可以算出1oo2传感器的结构的PFD=2.欢10-4，达到SIL3的水平，同理可以配置执行器为1oo2冗余结构，也可达到SIL3的要求，丁是最终整体SIS系统的SIL可以达到SIL3的要求。(2) 这个问题的解决给我们以启示，当装置引进一个SIS系统时，整体安全完整性等级不仅取

28、决丁逻辑解算器局部，而且传感器、终端执行器局部也非常关键。配置系统时，除了引进一个SIL3的安全仪表系统，譬如FSC等，还要将传感器、终端执行器一并讨论。算出SIS整体的SIL数据，定量的安全仪表系统配置任务才算完成。冗余表决方法与其安全性、可用性的关系可用性(A:Availability)是指系统可使用工作时间(连续运行时间)的概率，用白分数计算A值越大，可用性越好：A=MTBF/(MTBF+MTTR)而PFD=MTTR/(MTBF+MTTR)PFDffi小那么安全性越好。冗余逻辑表决方法与安全性-可用性的关系例子如下表所示表2冗余逻辑的表决方法与其与安全性、可用性的关系妻决方法隐故障福宰柜

29、动）显故障概率.（误动）允并不危许安全性可用性Alid耳IwlQ.Q?,（知路的襁率Q.01升路的概率）存在隐故障杓髭故障二蠢一亡1m2Q.0004（两个均匝路的概率）0.08（只要有-个开路的概率）其中之一存在隘故障（仍可安全停车现中之一存在显故障（将误停车）最好最差二垃二T2uo20.04（只要有个短路的横率）0.0016（两个均开路的岷率）其中之一存在显故障（不会褒停和其中之一存在除故障（该停拒停）最差最好k5!oo30.0012（三个中两个均短路的概率）0.0048（三个中两个均升略的概率）其中之一存在隐故障成显故障其中两个存在隐故障或显扯障较好较好注:此表中故中概率数据摘a四门子公司

30、资料以上可见:（1）隐故障（危险故障）使SIS该动而拒动，隐故障概率越高，安全性越差。（2）显故障（安全故障）使ESD不该动而误动，显故障概率越高，可用性越差。1oo2（二选一）安全性最好，但可用性最差；2oo2（二选二）可用性最好，但安全性最差;2oo3（三选二）可兼顾。10、普通PLC和安全PLC的区别普通PLC和可以作为ESDE制局部的安全PLC的主要区别是：普通PLC不是按故障安全型设计的，当系统部元件出现短路故障时，它并不能检测到，因此其输出状态不能保证系统回到预定的安全状态。这种PLC只能用丁安全度等级要求低的场合。现以输出电路为例予以说明。+24VDC来自CPU的控制信号图11普

31、通PLCDO#示意图普通PLCDO#(1)当1、2两点短路时，来自PLC的控制信号将不起作用(失效)，电磁阀将一直处丁带电(励磁)状态，即需要联锁动作(电磁阀释电停车)时，由丁此故障的存在而拒动，其输出不能保证处丁安全停车状态。这就是违背了故障安全(FaulttoSafety)的原那么。(2)当1、2两点开路时，将导致误动作而停车，同样会带来损失。可见，这种普通PLC的DO卡输出电路的安全性和可用性都是不高的。OVDC图12安全性单容错DO卡示意图安全性单容错DO长图12所示为一种带有安全性单容错的。旋示意图(它是HoneywellSM手SC-101型输出示意图)。这里，中央处理器不仅向申联的

32、场效应管(FET)发出控制信号，而且还承受来自场效应管的状态反响信号，以便对其输出进展全面测试。当测得某管输出发生短路时，中央处理器即启动纠错动作，隔离相关的故障。看门狗(WatchDog)是个多通道的计时器电路。它由中央处理器和存等周期性地触发，如果两个触发之间的时间小于某设定值或者大于某最大值，那么看门狗的输出将失效。同时看门狗还能监视部工作电压，使之在正常的电压围。普通PLC和安全PLC的区别以上仅是DO卡上的差异。作为安全PLG至少应具备以下几点：满足相关安全标准规要求，且经过权威机构认证，取得了相应安全等级证书；在硬件和软件上采用冗余、容错措施，具有完善的测试手段，当检测到系统故障，特别是危险故障时能使系统回到安全状态；能进展系统故障报警，指示故障原因、故障位置，便于在线维护；能与DCS|£其它设备进展通讯。11、工艺过程风险的评估与安全度等级的评定不同的工艺过程(生产规模、原料和产品的种类、工艺和设备的复杂程度等)对安全的要不同的。一个具体的工艺过程，是否需要配置SIS、配置何种等级的SIS,其前提应该是对此具体