安全控制系统的理论研究与应用

安全控制系统的理论研究与应用一、引言在石化、化工等相对危急性较大的行业中，随着科学技术的进展，生产规模的不断扩大，工艺流程越来越简单，生产的平安性显得尤为重要。其中，自动化掌握系统的功能平安占了很大一部分的比重。以往国内一般会将过程掌握中与平安相关的部分与一般的DCS或PLC系统整合在一起，但现在从平安至上的角度动身，自动化供应商和最终用户本身都意识到了采纳相对独立的、应用于平安相关的掌握系统的必要性，基于此，平安掌握系统应运而生。二、与平安掌握系统相关的国际标准2000年5月，国际电工委员会(IEC)正式发布了IEC-61508标准，名为“电气／电子／可编程电子平安系统的功能平安”。该标准共计七个部分，涉及到1000多个规范。该标准针对起平安作用的电气／电子／可编程电子系统(E/E/PE)提出了一个基础、合理的技术方案，并建立一个相应的评价方法，综合考虑如传感器、通信系统、掌握装置、执行器等元器件与平安系统组合的问题。依据该标准规定，平安掌握系统的最终设计目标可以概括为：在生产过程中发生危急事故或系统本身发生故障的状况下，系统能做出准时和正确的反应并输出到现场，以防止危急的发生或减轻已发生危急所导致的后果。依据这一原则，IEC-61508规定了一项重要的可定量化要求：平安整体性要求等级SIL(SafetyIntegrityLevel)，它是指在肯定时间内、全部条件不变的状况下平安掌握系统达到所要求平安功能的一个指标。SIL共分为SIL1、SIL2、SIL3和SIL4四个等级，等级越高，相应的要求也越高。2003年1月，在IEC-61508的基础上，IEC又发布了IEC-61511“过程土业部门仪表型平安系统的功能平安”。这是特地针对流程工业领域平安掌握系统的平安功能标准。IEC-61511规定了掌握器单元在设计和使用的过程中需采纳的基本原则，构成平安掌握系统的传感器和最终执行元件所应达到的最低标准，并提出达到最低标准的平安生命周期活动的方法。也就是对过程工业领域中平安掌握系统的设计、安装、调试、运行和维护等一系列的要求进行标准化，并对应用和平安整体级别的确定方面供应指导。通俗点来说，两者间的关系和区分可以这样来理解：IEC-61508适用于设备制造商和供货商，而IEC-61511供应了一个在流程工业可实际应用和便于理解的IEC-61508版本且较为适用于平安掌握系统的设计者、集成商和最终用户。除了以上两大标准，其他主要的国际通用平安标准有：美国国家标准ANSI/ISA-S84.01，关于测量及掌握设备平安的德国国家标准DIN-19250以及针对机械设备的IEC-62061。现今国际上权威的平安标准认证机构包括德国的TUV组织，欧洲的BGIA认证，美国的EXIDA组织和FactowMutual组织。三、平安掌握系统定义及概述所谓平安掌握系统，指的是能供应一种高度牢靠的平安爱护手段，最大限度地避开相关设备的担心全状态，防止恶性事故的发生或在事故发生后尽可能地削减损失，以爱护生产装置及最重要的人身平安。平安掌握系统能在生产装置开车、停车、消失工艺扰动等状况和正常维护操作期间对设备供应平安爱护，一旦设备消失危急状况，平安掌握系统能够马上做出反应并输出正确信号，使得设备处于平安状态或停机。在化工行业中，平安掌握系统一般被称为ESD(紧急停车系统)或SIS(平安仪表系统)。从严格意义上来说，ESD指的是SIS中的规律运算器、即掌握系统硬件和相应的软件，而SIS还包括了外围的仪表传感器和最终执行元件等。平安掌握系统一般都采纳了冗余及容错的技术，两者之间不尽相同。冗余(Redundant)指的是并行的使用多个系统部件如CPU、输入模块、通讯卡件等，以供应错误检测和错误校正的功能，并可以自动地检测故障，在不影响整个系统运行的很短时间内切换到后备设备上连续正常工作。而容错技术(FaultTOlerant)指的是拥有内部冗余的并行元件和集成规律，当硬件或软件存在部分故障时，系统能够自动识别故障并使故障旁路连续执行正确的指定功能的力量。或者指硬件和软件发生故障的状况下，系统仍旧具有连续运行的力量。这一般包含了三方面的功能，一是故障约束，即限制过程或进程的动作，防止错误发生后在被检测出之前的扩大；二是故障检测，即对信息和过程进行不间断地动态检测，以准时发觉错误；三是故障恢复，即修正或切换失效的部件。容错技术包括了错误检测和校正所需要的各种编码、系统恢复、指令执行、程序复算、备件切换、系统重组等技术。它是以冗余技术为基础，尤其适用于平安掌握系统的一种先进牢靠的技术手段。四、平安掌握系统的设计原则4.1独立设置原则平安掌握系统应独立于过程掌握系统，以降低掌握功能和平安功能同时失效的概率，使平安掌握系统不依附于过程掌握系统就能独立完成自动爱护和联锁的平安功能。设计时必需考虑配置相应的通讯接口，使得过程掌握系统也能够监视平安掌握系统的运行状态。原则上需要独立设置的部件包括检测元件、执行元件、规律运算器、平安掌握系统，以及与过程掌握系统之间或其他设备的通讯组件。对于较为简单装置的平安掌握系统适合分解为若干子系统，各子系统相对独立且分别设置后备手动功能。4.2结构选用的原则平安掌握系统应采纳容错系统。在一个或多个元件发生故障时，系统仍旧具有连续运行的力量。对于以规律运算器为基础的容错系统来说，一般都会采纳冗余结构，并可参考采纳以下方法：对于有相互关系的参数之间可以使用不同的测量方法(如压力和温度)；对于同一变量采纳不同的测量技术(如涡街流量计和电磁流量计)；对于冗余结构的每一个通道采纳不同类型的可编程电子系统；对于冗余的通讯结构来说可以使用不同的地址。4.3技术选用的原则平安掌握系统可以采纳电气、电子或可编程电子(E/E/PE)技术，也可以采纳上述技术混合的方案。对于继电器而言需要留意如存在以下状况时不行使用：高负荷周期性的频繁转变状态；作为定时器或锁定功能使用；简单的规律应用场合。这时候可以考虑选用固态继电器，但也需恰当处理好故障平安模式。另外要留意的是对于平安掌握系统一般不推举使用固态规律，即将内部规律元件(与、或、非等)用直接连线的方式来获得规律功能，而一般这些功能在故障平安方面是受限制的。4.4故障平安原则平安掌握系统必需是故障平安型的。所谓故障平安是指检测元件和最终执行元件在系统正常时应当是励磁的，即得电状态；在系统故障时应是非