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摘要：随着石油化工生产向大型化、一体化和智能化方向发展，安全生产受到人们越来越多的关注，从而使得安全仪表系统越来越多地得到研究和应用。
关键词：化工装置；安全仪表系统；设计
前言
化工生产具有易燃、易爆、易中毒、高温、高压、易腐蚀等特点，而且工艺条件苛刻，有些化学反应在高温、高压下进行，有的要在低温、高真空度下进行。与其他行业相比，化工生产潜在的不安全因素更多，危险性和危害性更大，因而对安全生产的要求也更严格。当某些工艺参数超出安全极限，未及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。而安全仪表系统（SafetyInstrumented System，SIS）就是一种经过专门机构认证，具有一定安全完整性水平，用于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于安全状态，以确保人员、设备及工厂周边环境的安全。
1安全仪表系统概述
安全仪表系统（Safety Instrumented System，SIS）也称为安全联锁系统（Safety Intellocks）、紧急停车系统（Emeigency Shutdown System，ESD）、安全关联系统（Safety Ｒelated System）、安全停车系统（safetyShutdown System）等，它是由国际电工委员会（IEC）标准IEC61508及IEC 6151l定义的专门用于安全的控制系统。安全仪表系统对生产装置或设备可能发生的危险或不采取紧急措施将继续恶化的状态进行及时响应，使其进入一个预定义的安全停车工况，从而使危险和损失降到最低程度，保证生产、设备、环境和人员安全。
安全仪表系统在整个安全控制和管理中处于举足轻重的位置。如图1所示，对过程工业的安全管理是分层次进行的，它的内核是工艺流程或生产装置，首先要建立基本过程控制系统对过程对象进行控制，通常使用分散控制系统DCS。它的外层是安全防护层，这其中就包括了安全仪表控制系统（Safety Instrumented Control systems）。即我们常说的安全仪表系统。因此，安全仪表系统被定义为由传感器、逻辑运算单元和最终控制元件组成的控制系统，设计用于当生产过程的预定条件受到冲击时，自动地将其置于安全状态。这些预定条件包括压力高限、温度高限等工艺参数。安全仪表检测出潜在的危险工艺状态，通过组态的联锁逻辑控制现场电磁阀等的切断或导通，保护工业设备和人员的安全；下一层是减灾，减轻和抑制危险事件的后果，如火灾和可燃气体检测系统（FGS），安全阀、爆破膜等；再外层就是消防等紧急响应系统，包括全厂和社会层，紧急广播、火灾消防、人员紧急撤离、医疗救助、工厂周边社区人员撤离等。
从图1可以看出，安全仪表系统处于第一层防护，用于监测石油化工生产过程运行状态，判断危险或风险发生的条件，自动或手动执行规定的安全仪表功能，防止或减少危险事件发生，减少人员伤害或经济损失，减轻危险事件造成的影响，保护人身和生产装置安全，保护环境。因此，设计合理规范的安全仪表系统至关重要。
2 SIS的设计原则
（1）SIS 的工程设计应兼顾可靠性、可用性、可维护性、可追溯性和经济性，应防止设计不足或过度设计；
（2）石油化工项目的SIS的安全完整性等级不宜高于SIL3级；
（3）SIS应独立于基本过程控制系统，并应独立完成安全仪表功能；
（4）SIS应设计成故障安全型，当系统内部产生故障时，应能按设计预定方式，将过程转入安全状态；
（5）SIS的逻辑控制器应具有硬件和软件自诊断功能；
（6）SIS的中间环节应尽可能少；
（7）逻辑控制器的中央处理单元、输入输出单元、通信单元及电源单元等，应采用冗余技术。
3安全完整性等级（SIL）划分
根据过程危险及可操作性分析，人员、过程、设备及设备的安全保护，以及安全完整性等级等要求确定安全仪表系统的功能。安全完整性等级可分为SIL1、SIL2、SIL3、SIL4。安全完整性等级越高，安全仪表系统实现安全仪表功能的能力越强。一般情况下，石油化工工厂或装置的安全完整性等级最高为SIL3级。
安全完整性等级评估的方法有保护层分析法（LOPA）、风险矩阵法、校正的风险图法、经验法等。不同等级安全仪表回路在设计时技术要求也不同。
4安全仪表系统设计
石油化工装置安全仪表系统主要用于实现一个或多个安全仪表功能，应由测量仪表、逻辑控制器和最终元件等组成。正常时候安全仪表系统是不运转的，是“静态”系统，正常工况时，始终监测生产装置的运行状态，系统输出不变，对生产过程不产生影响。非正常工况时，按照预先的设计进行逻辑运算，使生产装置安全联锁或者停车。因为要保护人和生产的安全，所以对安全仪表系统的要求要高于基本过程控制系统。
安全仪表系统应独立于基本过程控制系统，并应独立完成安全仪表功能。
安全仪表系统应设计成故障安全型。正常工况时，安全仪表系统的最终元件应励磁（带电）不动作；非正常工况时，安全仪表系统非励磁（失电）动作，将过程转入非安全状态。
4.1测量仪表设计
安全仪表系统应优先采用模拟量测量仪表，如压力、差压、流量、液位、温度变送器，不应采用开关仪表。因为现场开关量仪表长期不动作，会出现触点黏合或接触不良，导致不动作或者误动作，影响安全仪表的功能实现。测量仪表由安全仪表系统供电。测量仪表宜采用4～20mA叠加HART传输信号的智能变送器。测量仪表不应采用现场总线或其他通信方式作为安全仪表系统的输入信号。
（1）测量仪表的独立设置原则。SIL1级安全仪表功能，测量仪表可与基本过程控制系统共用； SIL2级安全仪表功能，测量仪表宜与基本过程控制系统分开；SIL3 级安全仪表功能，测量仪表应与基本过程控制系统分开。（2）测量仪表的冗余设置原则。SIL1级安全仪表功能，可采用单一测量仪表；SIL2级安全仪表功能，宜采用冗余测量仪表；SIL3级安全仪表功能，应采用冗余测量仪表。（3）测量仪表的冗余选择原则。当要求高安全性时，应采用“或”逻辑结构；当要求高可用性时，应采用“与”逻辑结构；当系统需要兼顾高安全性和高可用性时，宜采用三取二逻辑结构。测量仪表的冗余设置，并不表示冗余设置就对应安全完整性等级。
4.2最终元件设计
最终元件包括气动控制阀（调节阀、切断阀）、电磁阀、电机等。（1）控制阀的独立设置原则。SIL1级安全仪表功能，控制阀可与基本过程控制系统共用，应确保安全仪表系统的动作优先；SIL2级安全仪表功能，控制阀宜与基本过程控制系统分开；SIL3级安全仪表功能，控制阀应与基本过程控制系统分开。（2）控制阀的冗余设置原则。SIL1级安全仪表功能，可采用单一控制阀；SIL2级安全仪表功能，宜采用冗余控制阀；SIL3级安全仪表功能，应采用冗余控制阀。控制阀冗余方式可采用一个调节阀和一个切断阀，也可采用两个切断阀。（3）控制阀附件的配置。安全仪表系统的电磁阀应优先选用耐高温绝缘线圈，长期带电型，隔爆型。在工艺过程正常运行时，电磁阀应励磁工作。在工艺过程非正常运行时，电磁阀非励磁。
4.3逻辑控制器设计
逻辑控制器是SIS中完成一个或多个逻辑功能的部件。宜采用可编程电子系统。（1）逻辑控制器的独立设置原则。SIL1级安全仪表功能，逻辑控制器宜与基本过程控制系统分开；SIL2级安全仪表功能，逻辑控制器应与基本过程控制系统分开； SIL3级安全仪表功能，逻辑控制器应与基本过程控制系统分开。（2）逻辑控制器的冗余设置原则。SIL1级安全仪表功能，可采用冗余逻辑控制器；SIL2级安全仪表功能，宜采用冗余逻辑控制器；SIL3级安全仪表功能，应采用冗余逻辑控制器。
4.4通信接口
安全仪表系统与基本过程控制系统通信宜采用RS485串行通信接口，MODBUSRTU 或TCP/IP通信协议。通信接口宜冗余配置，并应有诊断功能。
5结语
目前，我国化工行业的发展方向是向着大型化、智能化方向进行，安全问题成为了化工生产的首要问题，在化工生产中安全仪表系统的合理设置对保证化工过程装置的安全运行至关重要。安全仪表系统的设计合理与否，直接影响到装置的安全运行，必须综合考虑测量仪表、逻辑控制器和最终元件三个方面的内容，防止过度设计或者设计不当，合理配置经济实用的系统。
参考文献：
[1]龚义文．安全仪表系统在化工装置中的应用[J]．自动化仪表，2010（12）
[2]王东峰．安全仪表系统的回路设计探讨[J]．石油化工自动化，2014（04）
[3]刘齐忠，林融．石油化工安全仪表系统的设计及实施探讨[J]．石油化工自动化，2010（05）
论文作者:汪微微
论文发表刊物:《建筑建材装饰》2015年10月上
论文发表时间:2016/9/8
标签：仪表论文; 系统论文; 功能论文; 冗余论文; 逻辑论文; 过程论文; 控制系统论文; 《建筑建材装饰》2015年10月上论文;