朱立涛 李春伟 康勃 齐啸天
中国石油天然气股份有限公司管道大庆输油气分公司 黑龙江省大庆市 163000
摘要：随着国家经济建设的快速发展，人民生活水平的不断提高，科学技术的日新月异，探讨安全仪表系统在过程工业中的必要性与重要性，阐述安全仪表系统与过程控制系统的异同。研究安全仪表系统设计过程中风险分析与安全完整性水平等的关键技术；同时认为安全仪表系统作为一种有效的安全保障措施，应当以风险与危害分析为基础，按照最低合理可行原则，根据对象的不同特点，确定适当的安全完整性水平。该应用研究成果对于安全仪表系统的设计与应用具有一定的指导意义。
关键词：安全仪表系统；应用；发展
引言
随着社会的发展和以人为本理念的深入，安全对于人员、设施和环境来说变得越来越重要。近年来，石油、化工和煤炭等工业领域，重特大事故的频繁发生不仅给企业和社会带来了巨大的经济损失，而且对人身、设备和环境构成了极大威胁，已成为制约我国经济发展与和谐社会建设的重要因素。严峻的安全生产形势迫切要求我国加强工业领域的安全生产管理和功能安全保障体系研究。笔者以安全仪表系统生命周期为出发点，通过对风险分析和安全完整性水平等安全仪表系统相关问题的研究，旨在建立风险分析与安全仪表系统之间的联系，为安全仪表系统的设计，运行与维护提供理论依据。
1安全仪表系统生命周期
安全仪表系统的设计有自己独立的流程，遵循严格的程序。安全系统的生命周期不是一成不变的，在设计过程中，可以根据自己的特殊要求，建立各种不同的周期循环。安全仪表设计过程中，最重要的两个方面是风险及危害的评价及SIL的确定。在安全仪表系统进行设计之前需要明白一个原则：安全系统的设计并不是可靠性越高越好，而是应该寻求系统可靠性与经济性的一种平衡，即在达到系统安全要求的条件下，选择既经济又可靠的安全方案。作为一个系统性的工程，安全仪表系统设计往往需要多个专业的共同合作才能完成。设计过程是在对过程对象充分了解的条件下，对过程中可能出现的风险及危害进行分析和评估，以确定是否需要仪表安全系统来提供对系统的安全保护。当风险水平不能被控制在可接受的水平范围，要求使用安全仪表系统时，便进入了安全仪表系统的设计阶段。一旦确定使用仪表安全系统，面临的第一个问题便是安全完整性水平的选择。安全完整性等级的选择与系统风险和危害程度紧密相关，所选择的安全完整性水平应当与风险水平相匹配。安全完整性等级的确定往往是安全仪表设计过程中最难的一个环节。当通过全面评估并确定安全系统的停用不会影响到生产过程和周围环境的相关单元时，可以停止安全仪表系统的使用。至此完成了整个安全生命周期。
2安全仪表系统的应用
2.1继电器型系统
早期执行安全功能的安全仪表系统大多是由继电器组成的安全连锁系统，采用单元化结构，通过继电器来执行逻辑。优点是可靠性高，不易受干扰影响，电压适用范围宽，系统一次投资费用较低。缺点是此类系统体积大，灵活性差，难以构建大规模系统，不便于进行功能修改或添加，也缺乏串行通信功能，无报告和文档功能。这种继电器系统结构的SIS平均无故障工作时间（MTBF）一般为10年。
2.2硬接线固态电路型系统
多为模块化结构，采用独立的固态器件，通过硬接线构成系统实现要求的逻辑功能，如基于带诊断的二取一（1oo2D）、三取二（2oo3）等表决型安全控制系统。结构紧凑，可对系统中包括输入/输出（I/O）在内的所有运行通道进行在线测试，易于识别故障；可串行通信；易于更换，便于维修；可配置成冗余系统，改善系统性能，增强系统容错性。但固态系统的灵活性不够，任何逻辑修改或添加必须改变系统的连线；大系统的操作费用也较高；同时硬接线固态系统的可靠性不如继电器型系统。
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2.3可编程电子型系统
可编程电子型系统是目前应用最广泛的一种安全系统。系统以微处理器技术为基础，安全可编程逻辑控制器（PLC）是其典型代表。系统一般采用模块化结构，通过微处理器和软件来执行逻辑任务。它采用专门的软件和微程序固件，具有强大的、方便灵活的编程能力。系统设计有内部自测试和自诊断功能可有多种通讯接口。
3安全仪表系统发展趋势
安全仪表系统的实现经历了从气动系统，继电器系统，固态继电器系统到PLC系统几个发展阶段。虽然这些系统现在仍在应用，但正在被越来越先进的智能型安全仪表系统所取代。随着科学技术的不断发展，出现了一些新型的安全仪表系统，如Emerson推出的PlantWebSmartSIS智能安全仪表管理方案，ABB公司的800xAHighIntegrity系统，西门子推出的SIMATICPCS7安全一体化系统等，从这些新推出的安全系统可以看出，安全仪表系统呈现出如下的发展趋势：
3.1与基本过程控制系统的集成
通讯接口与通讯网络标准的统一为安全仪表控制系统与基本过程控制系统的集成带来极大的便利，对于一些要求较低、规模较小的生产过程可以采用集成的方法来减少投资，同时减少由基本过程控制系统和安全仪表系统不同的实现方式带来的问题。安全仪表系统同基本过程控制系统的集成目前主要有3种方式：Interfaces，Integrated和Com-mon。Interfaces方式为基本过程控制系统与安全仪表系统各自采用独立的网络和工程师站。两个系统之间通过网关进行通讯。Integrated模型中两个系统采用通用的网络连接，并共用工程师站，但两者的职能有明确的划分。Common模式为两个系统的完全整合，采用基本过程控制系统来完成安全仪表系统的功能。
3.2安全仪表系统向智能化方向发展
智能安全仪表系统采用智能型传感器和数字阀门定位器，传感器、数字阀门同逻辑控制器之间采用数字通讯。智能型终端设备不仅可以检测过程变量、接受控制信号，同时还可以提供包括关于设备自身、相关设备甚至周围过程的信息，供逻辑控制器的安全决策使用。数字通讯网络使信息可以进行双向流动，在传递控制信号的同时，也可以传递逻辑控制器对终端设备的组态或标定数据。智能型的逻辑控制器能够对现场设备的数据进行备份、归档和分析，也可以对设备和诊断数据进行分析，以鉴别出现的问题，并提供一些更正建议。
3.3现场总线在安全仪表系统中的应用
随着现场总线技术在工业控制领域得到越来越多的应用和推广，它也在向安全相关系统领域延伸，发展成为安全总线。目前已经有包括InterBusSafe-ty，EsaLAN，DeviceNetSafety等在内超过10种的安全总线类型。安全总线能够检测到通讯错误并进入安全状态，它的引入能够实现安全仪表系统的柔性设计，能够加强对现场设备的管理。从长远来看，还能够降低投资成本。
3.4具备更高的过程可用性及更低的维护成本
作为一个系统，本身也存在出现故障的可能性，但是未来的安全仪表系统将借助自身的故障诊断系统在线监视设备及过程状态，并同时能够向操作人员发出包括可能或适当应对措施在内的警报，从而提高系统的可用率。智能安全仪表系统的诊断功能还可以通过避免派遣维护技工去现场进行例行设备检查达到节省成本的目的。同时安全仪表系统自动实施的部分行程测试也可以节省大量的由于减少停车所带来的成本。
结语
安全仪表系统的设计有着一套独立的方法，它需要过程工业中多个专业人员的协同合作才能完成。安全仪表系统的设计应以风险分析为基础，通过采用定量或定性的分析方法建立安全仪表系统的安全完整性水平，进而确定整个安全仪表系统的基本要求。由于不同的方法得到的安全完整性水平可能有所差异，应根据具体的情况对安全完整性水平分析方法加以取舍。新技术的不断发展使得安全仪表系统的功能将更强，成本将更低，它的设计和应用将变得更为简捷，安全仪表系统的发展本着以人为本的理念，出现了一些新特点、新趋势，出现了一些新型的安全仪表系统，这些安全仪表系统将为过程工业的安全生产提供更为安全的保障。
参考文献：
[1]王凯全，王晓宇，尹齐峰.安全系统的故障分析[J].中国安全科学学报，2007，17（8）：5～9
[2]石油化工安全仪表系统设计规范[S].SH/T3108—2003，2003
[3]工业生产过程中安全仪表系统的应用[S].SY/T10045—2003，2003
论文作者:朱立涛,李春伟,康勃,齐啸天
论文发表刊物:《防护工程》2018年第14期
论文发表时间:2018/10/8
标签：系统论文; 仪表论文; 过程论文; 控制系统论文; 完整性论文; 水平论文; 风险论文; 《防护工程》2018年第14期论文;