1、燕山石化燕山石化 王立奉王立奉 安全仪表系统安全仪表系统(SIS ) 1 什么是安全仪表系统什么是安全仪表系统? 1 什么是安全仪表系统什么是安全仪表系统? 在在IEC61508 中，中，SIS被称为安全相关系统（被称为安全相关系统（Safety Related System）,将被控对象称为被控设备（将被控对象称为被控设备（EUC）。）。 IEC61511将安全仪表系统将安全仪表系统SIS定义为用于执行一个或多个安全仪定义为用于执行一个或多个安全仪 表功能（表功能（Safety Instrumented System）的仪表系统。）的仪表系统。SIS是由传感器是由传感器 （如各类开关、变送器
2、等）（如各类开关、变送器等）、逻辑控制器、以及最终元件、逻辑控制器、以及最终元件（如电磁（如电磁 阀、电动门等）阀、电动门等）的组合组成。的组合组成。 IEC61511又进一步指出，又进一步指出，SIS可以包括，也可以不包括软件。另可以包括，也可以不包括软件。另 外，当操作人员的手动操作被视为外，当操作人员的手动操作被视为SIS的有机组成部分时，必须在安的有机组成部分时，必须在安 全规格书（全规格书（Safety Requirement Specification,SRS)中对人员操作动作中对人员操作动作 的有效性和可靠性做出明确规定，并包括在的有效性和可靠性做出明确规定，并包括在SIS的绩效
3、计算中。的绩效计算中。 从从SIS的发展过程看，其控制单元部分经历了电气继电器的发展过程看，其控制单元部分经历了电气继电器 （Electrical）、电子固态电路（）、电子固态电路（Electronic）和可编程电子系统）和可编程电子系统 （Programmable Electronic System），即），即E/E/PES三个阶段。三个阶段。 图图1 SIS的构成的构成 检测单元检测单元 输入模块输入模块 控制模块控制模块 输出模块输出模块 执行单元执行单元 PES 下图为由下图为由PES构成的构成的SIS SIS安全仪表系统安全仪表系统 SIS仪表安包含全控制功能，也可包含仪表安全保护功
4、仪表安包含全控制功能，也可包含仪表安全保护功 能，或包含这两者。能，或包含这两者。 需要说明的是，这里所说的仪表控制功能，是指以连需要说明的是，这里所说的仪表控制功能，是指以连 续模式（续模式（Continuous Mode）操作并具有特定的）操作并具有特定的SIL,用用 于防止危险状态发生或者减轻其发生的后果，与常规于防止危险状态发生或者减轻其发生的后果，与常规 的的PID控制功能是完全不同的概念。控制功能是完全不同的概念。 SIS可以包括或不包括软件可以包括或不包括软件 SIS的一部分也可能是人的动作的一部分也可能是人的动作 SIS安全仪表系统安全仪表系统 如图如图2所示，这是一个气液分离
5、容器所示，这是一个气液分离容器A液位控制的安液位控制的安 全仪表功能。对这个安全仪表功能完整的描述是：当全仪表功能。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） 使电磁阀使电磁阀2断电，则切断进调节阀膜头信号，使调节断电，则切断进调节阀膜头信号，使调节 阀切断容器阀切断容器A进料，这个动作要在进料，这个动作要在3秒内完成，安全秒内完成，安全 等级必须达到等级必须达到SIL2。这是一个安全仪表功能的完整。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，则是类似一个或多个描述，而所谓的安全仪表系统，则是类似
6、一个或多个 这样的安全仪表功能的集合。这样的安全仪表功能的集合。 图图2 安全仪表回路图安全仪表回路图 图图2 说明说明 1. L液面超高液面超高-L1接点闭合接点闭合-Z带电。带电。 2. Z1常闭接点打开，常闭接点打开，S线圈断电。线圈断电。 3. S电磁阀切断，往调节阀膜头的控制信号调节阀切断电磁阀切断，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。工艺进料，完成联锁保护作用。 4. K起：按钮开关：起动联锁保护回路兼有复位作用。起：按钮开关：起动联锁保护回路兼有复位作用。 5. K停：起人工强制起动联锁保护作用。停：起人工强制起动联锁保护作用。 6. K旁：旁路联锁保护
7、作用，用于开车或检修联锁信号旁：旁路联锁保护作用，用于开车或检修联锁信号 仪表仪表。 图图3 SIS逻辑图逻辑图 SIS安全仪表系统安全仪表系统 大多石油和化工生产过程具有高温大多石油和化工生产过程具有高温、高压高压、易燃易燃、易爆易爆、 有毒等危险有毒等危险。当某些工艺参数超出安全极限当某些工艺参数超出安全极限，未及时处未及时处 理或处理不当时理或处理不当时，便有可能造成人员伤亡便有可能造成人员伤亡、设备损坏设备损坏、 周边环境污染等恶性事故周边环境污染等恶性事故。这就是说这就是说，从安全的角度出从安全的角度出 发发，石油和化工生产过程自身存在着固有的风险石油和化工生产过程自身存在着固有的风
8、险。 总之总之，SIS是一种经专门机构认证是一种经专门机构认证，具有一定安全完整性具有一定安全完整性 水平水平，用于降低生产过程风险的仪表安全保护系统用于降低生产过程风险的仪表安全保护系统。它它 不仅能响应生产过程因超过安全极限而带来的风险不仅能响应生产过程因超过安全极限而带来的风险，而而 且能检测和处理自身的故障且能检测和处理自身的故障，从而按预定条件或程序使从而按预定条件或程序使 生产过程处于安全状态生产过程处于安全状态，以确保人员以确保人员、设备及工厂周边设备及工厂周边 环境的安全环境的安全。 SIS安全仪表系统安全仪表系统 按照按照SIS的定义，下述系统均属于安全仪表系统：的定义，下述
9、系统均属于安全仪表系统： 安全联锁系统（安全联锁系统（Safety Interlock SystemSIS） 安全关联系统（安全关联系统（Safety Related SystemSRS） 仪表保护系统（仪表保护系统（Instrument Protective SystemIPS） 透平压缩机集成控制系统（透平压缩机集成控制系统（Integrated Turbo & Compressor Control SystemITCC） 火灾及气体检测系统（火灾及气体检测系统（Fire and gas systemsF&G） 紧急停车系统（紧急停车系统（Emergency Shutdown Device
10、ESD） 燃烧管理系统（燃烧管理系统（Burner Management System） 列车自动防护系统（列车自动防护系统（ATP） 2 SIS的相关标准及认证机构的相关标准及认证机构 SIS的相关标准及认证机构的相关标准及认证机构 鉴于鉴于SIS涉及到人员涉及到人员、设备设备、环境的安全环境的安全，因此各国均因此各国均 制定了相关的标准制定了相关的标准、规范规范，使得使得SIS的设计的设计、制造制造、使使 用均有章可循用均有章可循。并有权威的认证机构对产品能达到的并有权威的认证机构对产品能达到的 安全等级进行确认安全等级进行确认。这些标准这些标准、规范及认证机构主要规范及认证机构主要 有：
11、有： 我国石化集团制定的行业标准我国石化集团制定的行业标准SHB-Z06-1999石油化石油化 工紧急停车及安全联锁系统设计导则工紧急停车及安全联锁系统设计导则。 2006年、年、2007年等同采用年等同采用IEC61508、IEC61511的中国的中国 国家标准国家标准GB/T20438、GB/T21109相继发布，中国的相继发布，中国的 功能安全标准开始规范我国的功能安全工作。功能安全标准开始规范我国的功能安全工作。 SIS的相关标准及认证机构的相关标准及认证机构 国际电工委员会国际电工委员会1997年制定的年制定的IEC 61508/61511标准，标准， 对用机电设备（继电器）、固态电
12、子设备、可编程电对用机电设备（继电器）、固态电子设备、可编程电 子设备（子设备（PLC）构成的安全联锁系统的硬件、软件及）构成的安全联锁系统的硬件、软件及 应用作出了明确规定。应用作出了明确规定。 美国仪表学会制定的美国仪表学会制定的ISA-S84.01-1996安全仪表系统安全仪表系统 在过程工业中的应用在过程工业中的应用。 美国化学工程学会制定的美国化学工程学会制定的AICHE（ccps）-1993， 化学过程的安全自动化导则化学过程的安全自动化导则。 英国健康与安全执行委员会制定的英国健康与安全执行委员会制定的HSE PES-1987， 可编程电子系统在安全领域的应用可编程电子系统在安全
13、领域的应用。 SIS的相关标准及认证机构的相关标准及认证机构 德国国家标准中有安全系统制造厂商标准德国国家标准中有安全系统制造厂商标准-DIN V VDE 0801、过程操作用户标准、过程操作用户标准-DIN V 19250和和DIN V 19251、燃烧管理系统标准、燃烧管理系统标准-DIN VDE 0116等。等。 德国技术监督协会（德国技术监督协会（TV）是一个独立的、权威的认）是一个独立的、权威的认 证机构，它按照德国国家标准（证机构，它按照德国国家标准（DIN），将），将ESD所达所达 到的安全等级分为到的安全等级分为AK1AK8，AK8安全级别最高。安全级别最高。 其中其中AK4、
14、AK5、AK6为适用于石油和化学工业为适用于石油和化学工业 取得取得 TUV认证的认证的SIS产品产品 SIS的相关标准及认证机构的相关标准及认证机构 在国内石化行业中应用的在国内石化行业中应用的SIS产品中，经过产品中，经过TUV认证的主要认证的主要 有：有： Tricon、Triden，美国，美国Triconex公司开发用于压缩机综合公司开发用于压缩机综合 控制（控制（ITCC）和紧急停车系统。安全等级为）和紧急停车系统。安全等级为AK6 （SIL3）。）。 FSC（Fail safe control），由荷兰），由荷兰P&F（Pepper&Fuchs） 公司开发，公司开发，1994年被年
15、被Honeywell公司收购。安全等级可达公司收购。安全等级可达 AK6（SIL3） SIS的相关标准及认证机构的相关标准及认证机构 HIMA PES，HIMA是德国一家专业生产安全控制设备的是德国一家专业生产安全控制设备的 公司，公司，PES (Programmable Electronic System)是可编程电是可编程电 子系统的简称，是近几年来国内引进较多的一种安全仪表子系统的简称，是近几年来国内引进较多的一种安全仪表 系统。主要由系统。主要由H41q和和H51q系统组成。系统组成。H41q也叫小系统，也叫小系统， 它分为不冗余的系统和冗余的系统，不冗余系统型号为它分为不冗余的系统和
16、冗余的系统，不冗余系统型号为 H41qM，冗余系统又分为高可靠系统，冗余系统又分为高可靠系统H41qH和高性和高性 能系统能系统H41qHR。H51q称为模块化的系统，它也分为不称为模块化的系统，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冗余的系统和冗余的系统，不冗余的系统型号为H51qH 和高性能系统和高性能系统H51qHR。各种型号的。各种型号的PES都具有都具有TUV AK16级认证。级认证。 SIS的相关标准及认证机构的相关标准及认证机构 ProsafeRS，是横河电机安全仪表系统，其特点是与，是横河电机安全仪表系统，其特点是与 CENTUMCS.3000 R3的技术融合，
17、即实现了与的技术融合，即实现了与DSC的无的无 缝集成。非冗余取量即可实现缝集成。非冗余取量即可实现SIL3，通过冗余取量实现更，通过冗余取量实现更 高的可用性。高的可用性。 QUADLOG，由，由MOORE公司开发，日本横河电机公司收公司开发，日本横河电机公司收 购后称购后称prosafe plc，其，其1oo2D结构安全等级达结构安全等级达AK6 (SIL3)； SIMATICS7400F/FH，德国，德国SIEMENS公司产品。公司产品。400F 和和400FH分别为分别为1个个CPU和和2个个CPU运行运行fail-safe（F）用户）用户 程序，均取得程序，均取得TUV认证，安全等级
18、为认证，安全等级为AK1AK6 （SIL1SIL3）；）； SIS的相关标准及认证机构的相关标准及认证机构 Regent Trusted，美国，美国ICS利用宇航技术开发的安全系统。利用宇航技术开发的安全系统。 安全等级安全等级AK4AK6（SIL2SIL3）；）； GMR90-70，美国，美国GE Fanuc公司开发。其中公司开发。其中GMR90-70(模模 块式冗余容错块式冗余容错)的安全等级为的安全等级为class 5（2oo3），），class 4 （1oo2）和）和class 5（2oo2）；）； TRIGUARD SC300E， AUGUST公司开发，公司开发，1999年成为年成为
19、 ABB集团成员之一，安全等级为集团成员之一，安全等级为class 5和和class 6，系统结，系统结 构为构为2oo3； Safeguard 400&300，ABB Industry公司开发，系统结构公司开发，系统结构 1oo2D。 3 SIS和和DCS的比较的比较 SIS和和DCS的比较的比较 DCS与由与由PES构成的构成的SIS的主要区别有：的主要区别有： DCS SIS 构 成 不含检测、执行 含检测、执行单元 作用（功能） 使生产过程在正常工况乃至最佳工 况下运行 超限安全停车 工 作 动态、连续 静态、间断 安全级别 低、不需认证 高、需认证 SIS和和DCS的比较的比较 系统
20、的组成：系统的组成：DCS一般是由人机界面操作站、通信总线及一般是由人机界面操作站、通信总线及 现场控制站组成；而现场控制站组成；而SIS系统是由传感器、逻辑解算器和系统是由传感器、逻辑解算器和 最终元件三部分组成。及最终元件三部分组成。及DCS不含检测执行部分。不含检测执行部分。 实现功能：实现功能：DCS用于过程连续测量、常规控制（连续、顺用于过程连续测量、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 至最佳工况；而至最佳工况；而SIS是超越极限安全即将工艺、设备转至是超越极限安全即将工艺、设备转至 安全状态。安全
21、状态。 工作状态：工作状态：DCS是主动的、动态的，它始终对过程变量连是主动的、动态的，它始终对过程变量连 续进行检测、运算和控制，对生产过程动态控制确保产品续进行检测、运算和控制，对生产过程动态控制确保产品 质量和产量。而质量和产量。而SIS系统是被动的、休眠的系统是被动的、休眠的 。 SIS和和DCS的比较的比较 安全级别：安全级别：DCS安全级别低，不需要安全认证；而安全级别低，不需要安全认证；而SIS 系统级别高，需要安全认证。系统级别高，需要安全认证。 应对失效方式：应对失效方式：DCS系统大部分失效都是显而易见的，系统大部分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，
22、很少存在隐性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；失效；SIS失效就没那么明显了，因此确定这种休眠系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，就是对该系统进行周统是否还能正常工作的唯一方法，就是对该系统进行周 期性的诊断或测试。因此安全仪表系统需要人为的进行期性的诊断或测试。因此安全仪表系统需要人为的进行 周期性的离线或在线检验测试，而有些安全系统则带有周期性的离线或在线检验测试，而有些安全系统则带有 内部自诊断。内部自诊断。 4 SIS设计应遵循的原则设计应遵循的原则 SIS设计应遵循的原则设计应遵循的原则 原则上应独立设置（含检测和执行单元）；
23、原则上应独立设置（含检测和执行单元）； 中间环节最少；中间环节最少； 应为故障安全型；应为故障安全型； 采用冗余容错结构。采用冗余容错结构。 5 故障安全原则故障安全原则 故障安全原则故障安全原则 组成组成SIS的各环节自身出现故障的概率不可能为零，的各环节自身出现故障的概率不可能为零， 且且 供电、供气中断亦可能发生。供电、供气中断亦可能发生。 当内部或外部原因使当内部或外部原因使SIS失效时，被保护的对象（装置）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（应按预定的顺序安全停车，自动转入安全状态（Fault to Safety），这就是故障安全原则。），这就是故
24、障安全原则。 具体体现：具体体现： 现场开关仪表选用常闭接点，工艺正常时，触点闭合，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。“二选一”、“二选二”或“三选二”配置。 电磁阀采用正常励磁，联锁未动作时，电磁阀线圈带电，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。联锁动作时断电。 故障安全原则故障安全原则 送往电气配电室用以开送往电气配电室用以开/停电机的接点用中间继电器隔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
25、。离，其励磁电路应为故障安全型。 作为控制装置（如作为控制装置（如PLC）“故障安全”意味着当其自）“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范围时，身出现故障而不是工艺或设备超过极限工作范围时， 至少应该联锁动作，以便按预定的顺序安全停车（这至少应该联锁动作，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（件的冗余和容错技术，在过程安全时间（PST-Process Safety Time）内检测到故障，自动执行纠错程序，排）内检测到故障，自动执行纠错程序，排
26、除故障。除故障。 6 隐故障与显故障隐故障与显故障 隐故障与显故障隐故障与显故障 隐故障（隐故障（Covert Fault）：不对危险产生报警，允许危）：不对危险产生报警，允许危 险发展的故障，是故障危险故障（险发展的故障，是故障危险故障（SHB-Z06-1999）。）。 Covert Fault：Fault that can be classified as hidden， concealed， undetected， unrevealed， latent， ect. （ISA-S84.01-1996） 显故障（显故障（Overt Fault）：能显示出故障自身存在的故）：能显示出故障自身存
27、在的故 障，是故障安全故障（障，是故障安全故障（SHB-Z06-1999）。）。 Overt Fault：Fault that can be classified as announced， detected， revealed，ect.（ISA-S84.01-1996） 隐故障与显故障隐故障与显故障 SIS系统拒动：系统拒动： 当工艺条件达到或超过安全极限时，当工艺条件达到或超过安全极限时，SIS本应引导本应引导 工艺过程停车，但由于其自身存在隐性故障（危工艺过程停车，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，而不能响险故障），譬如输出开关被误连短路，而不能响 应此要求
28、，即该停车而拒停，降低了安全性。危应此要求，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应。系统对潜在的危险工况做出反应。 隐故障与显故障隐故障与显故障 SIS系统误动：系统误动： 在图在图4中，当输出开关由于某种原因处于非激励状态，即中，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，使潜在的危险工况没有发生，SIS也会进入一种安全失效也会进入一种安全失效 状态见图状态见图5，这种情况经常被称为“误动”。误动可能会，这种情况经常被称为“误动”。误动可能会 以许多不同方式
29、发生。例如，输入电路可能会发生故障，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。逻辑解算器本身也可能出现事实上并没有这种情况发生。逻辑解算器本身也可能出现 运算错误，并导致输出回路失电，输出回路可能出现开路。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。的许多元件失效均会导致系统进入安全失效状态。 图图4 正常运行时的正常激励系统正常运行时的正常激励系统 SIS 负 载 压力开关 开关量输入 正常运行时
30、 开关闭合， 非正常运行 时开关打开 + 正常工作时 输出开关处 在激励状态 非正常运行时 输出开关处在 失励状态 输出开关 + 图图5 SIS 负 载 压力开关 开关量输入 即使压力开关 闭合，由于输 入电路的故障 SIS也会误认 为它是打开的 + 输出电路发 生开路故障 逻辑解算器不能读取1输入， 不能进行正常的逻辑运算，也 不能生成逻辑1输出 输出开关 + PFS（安全故障概率）：正常激励的（安全故障概率）：正常激励的SIS系统在它的输出非系统在它的输出非 激励时，就会处于故障状态，这有一个概率。称为安全故障激励时，就会处于故障状态，这有一个概率。称为安全故障 概率（概率（PFS），或称
31、误动率。），或称误动率。 PFD（要求时失效概率）：这是一个衡量安全性的指标，称（要求时失效概率）：这是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。（潜在的紧急条件）发生时产生响应。 SIS的功能安全的功能安全 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。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功能安全实际上讲的是SIS系统自身
32、的安全问题。系统自身的安全问题。 SIS的安全功能的安全功能 如图如图6示安全仪表系统，该系统由一个压力变送器、一示安全仪表系统，该系统由一个压力变送器、一 个阀门和一个安全个阀门和一个安全PLC组成的组成的SIS系统。系统。 压力变送器检测容器内压力并将其变换成合适的信号传压力变送器检测容器内压力并将其变换成合适的信号传 送给安全送给安全PLC，安全，安全PLC判断若压力超过了额定值则打判断若压力超过了额定值则打 开阀门以降低容器内压力，这被称为安全系统的一个安开阀门以降低容器内压力，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。全功能。很明显例子中仪表安全系统
33、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，即如果三个设备有一个或多个失效，安全功能将失效，即 它将不能对压力容器内压力进行限制。因此安全仪表系它将不能对压力容器内压力进行限制。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部分功统的安全性能由传感器、逻辑解算器和执行器三部分功 能决定。能决定。 SIS安全功能实际上讲的是让安全功能实际上讲的是让SIS执行什么样的安全任务，执行什么样的安全任务， 如何保护受控设备。如何保护受控设备。 图图6 反应器的安全仪表系统反应器的安全仪表系统 PS Logic solve 逻辑解算器 feed valve 进料阀 Rea
34、ctor 反应器 T S Feed 进料 Pressure Sensor 压力变送器 Temperature Sensor 温度变送器 当反应器温度及压力超高达到危险状当反应器温度及压力超高达到危险状 态时都要停车，关断进料阀。态时都要停车，关断进料阀。 7 安全性及响应失效率安全性及响应失效率 安全性及响应失效率安全性及响应失效率 当工艺条件达到或超过安全极限值时，当工艺条件达到或超过安全极限值时，SIS本应引导工本应引导工 艺过程停车，但由于其自身存在隐故障（危险故障）而艺过程停车，但由于其自身存在隐故障（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。不能响应此要求，即该停车
35、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衡量安全性的指标为响应失效率或称要求的故障率 （PFD：Probability of Failure on Demand）。它是安全）。它是安全 联锁系统按要求执行指定功能的故障概率。是度量安全联锁系统按要求执行指定功能的故障概率。是度量安全 联锁系统按要求模式工作故障率的目标值（联锁系统按要求模式工作故障率的目标值（SHB-Z06- 1999）。）。 不同的工业过程（如生产规模、原料和产品的种类、工不同的工业过程（如生产规模、原料和产品的种类、工 艺和设备的复杂程度等）对安全的要求是不同的。上述艺和设备的复杂程度等）对安全的
36、要求是不同的。上述 的国际标准将其划分为若干安全完整性等级（的国际标准将其划分为若干安全完整性等级（SIL： Safety Integrity Level）。）。 安全完整性等级安全完整性等级Safety Integrity Level（SIL） 安全完整性等级（安全完整性等级（SIL）是一种离散的等级，用来规定分）是一种离散的等级，用来规定分 配给配给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安全完整性等级可分为4个等级，个等级，SIL4是安全完整性最是安全完整性最 高的等级（平均概率最高），高的等级（平均概率最高），SIL
37、1是最低等级；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；也越高； 根据安全相关系统使用方式，要求发生的频率可分为低根据安全相关系统使用方式，要求发生的频率可分为低 要求操作模式（要求操作模式（1次次/年）。年）。 安全完整性等级安全完整性等级Safety Integrity Level（SIL） 根据根据GB/T 20438标准，在不同的操作模式下，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安全完整性的目标失效概率和目标风险降低见 下表下表1-1和和1-2。 采用不同的操作模式结构有可能使用
38、几个安全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：使用一个整性等级功能的需要（例如：使用一个SIL2和和 一个一个SIL1的系统共同来满足一个的系统共同来满足一个SIL3功能的需功能的需 要）。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）低要求操作模式（平均失效概率） 安全完整性等级（安全完整性等级（SIL） 要求时的目标平均失效要求时的目标平均失效 概率概率 目标风险降低目标风险降低 4 10-510000100000 3 10-410001000
39、0 2 10-31001000 1 10-210100 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）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执行仪表安全功能的目标危险失效概率 4 10-910-8 3 10-810-7 2 10-710-6 1 10-610-5 表1-3 SIL与PFD的对应关系 ISA-S84.01 IEC 61508 DIN V 19520(TUV) PFD SIL 1 SIL 1 AK1 10-110-2 AK2 AK3 SIL 2 SIL 2
40、AK4 10-210-3 SIL 3 SIL 3 AK5 10-310-4 AK6 SIL 4 AK7 10-410-5 AK8 8 可用性及可用度可用性及可用度 可用性及可用度可用性及可用度 工艺条件并未达到安全极限值，工艺条件并未达到安全极限值，SIS不应引导工艺过程停不应引导工艺过程停 车，但由于其自身存在显故障（安全故障）而导致工艺过车，但由于其自身存在显故障（安全故障）而导致工艺过 程停车，即不该停车而误停，降低了可用性。程停车，即不该停车而误停，降低了可用性。 可用度（可用度（A：Availability）是指系统可使用工作时间的概）是指系统可使用工作时间的概 率，用百分数计算：率
41、，用百分数计算： （SHB-Z06-1999） MDTMTBF MTBF A MTBF：平均故障间隔时间（Mean Time Between Failures） MDT：平均停车时间（Mean Downtime） MTTF、MTTR、MTBF 与与SIL的关系的关系 MTBF：平均故障间隔时间（：平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure） MTTR：平均恢复时间（：平均恢复时间（Mean Time to Repair） MTTF：平均无故障时间（：平均无故障时间（Mean Time to Failure） 例如：例如： 开车 MTTF （SIS系统运行总时间） MT
42、TR 24h （SIS故障时间） MTBF 2000h 发生危险故障 图图7 MTTF、MTTR和和MTBF MTTF、MTTR、MTBF 与与SIL的关系的关系 MTTF=MTTR+MTBF PFD=MTTR/（MTBF+MTTR） 已知已知 MTTR=24H MTBF=2000H 则则 PFD=24/(24+2000)=0.0119 所以硬件安全完整性等级达到所以硬件安全完整性等级达到SIL1水平。水平。 9 冗余和容错冗余和容错 冗余和容错冗余和容错 冗余（冗余（Redundant）：具有指定的独立的）：具有指定的独立的N：1重元件，重元件， 并且可以自动地检测故障，切换到后备设备上。并
43、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（冗余系统（Redundant System）：并行地使用多个系统）：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。部件，以提供错误检测和错误校正能力的系统。 （SHB Z06 1999）。）。 冗余和容错冗余和容错 容错（容错（Fault Tolerant）：具有内部冗余的并行元件和）：具有内部冗余的并行元件和 集成逻辑，当硬件或软件部分故障时，能够识别故障并集成逻辑，当硬件或软件部分故障时，能够识别故障并 使故障旁路，进而继续执行指定的功能。或在硬件和软使故障旁路，进而继续执行指定的功能。或在硬
44、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；或进程的动作，以防止在错误被检测出来之前继续扩大； 第二是检测故障，即对信息和过程或进程的动作进行动第二是检测故障，即对信息和过程或进程的动作进行动 态检测；第三是故障恢复即更换或修正失效的部件。态检测；第三是故障恢复即更换或修正失效的部件。 （SHB Z06 1999） 冗余和容错冗余和容错 容错系统（容错系统（Fault Tolerant
45、System）：具有容错结构的）：具有容错结构的 硬件与软件系统。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。图系统的冗余形式有双重、三重、四重等。图8和图和图9、图、图 10分别表示分别表示CPU冗余（双机热备）和三重化冗余容错系冗余（双机热备）和三重化冗余容错系 统。统。 图图8 CPU冗余（双机热备）冗余（双机热备） CPU 1 CPU 2 开关 输入/输
46、出 现场设备 图图9 三重模块冗余容错系统三重模块冗余容错系统 输入 输入 输入 CPU C CPU B 输出 输出 2oo3 表决器 输出 CPU A 输入 端子 输出 端子 图图10 三重信号冗余容错系统三重信号冗余容错系统 看门狗 输出 输出 端子 输入 端子 输入 输出输入 看门狗 看门狗 输出 输入 23 表决器 图3三重位号冗余容错系统 怎样通过冗余来改善系统的整体怎样通过冗余来改善系统的整体SIL水平水平 当一个当一个SIS系统的安全完整性等级要求为系统的安全完整性等级要求为SIL3，而实际，而实际 配置为传感器为配置为传感器为2.210-3(SIL 2)，逻辑解算器为，逻辑解算
47、器为 1.310-4(SIL3)（包括（包括I/O接口），终端执行器为接口），终端执行器为 2.4110-3（SIL2）,所以整个系统为所以整个系统为SIL2不满足要求。不满足要求。 于是我们改变传感器的配置结构，选择于是我们改变传感器的配置结构，选择1oo2冗余，其冗余，其 中共因失效中共因失效=10%，诊断覆盖率（，诊断覆盖率（DC）=90%，可以算，可以算 出出1oo2传感器的结构的传感器的结构的PFD=2.310-4，达到，达到SIL3的水的水 平，同理可以配置执行器为平，同理可以配置执行器为1oo2冗余结构，也可达到冗余结构，也可达到 SIL3的要求，于是最终整体的要求，于是最终整体
48、SIS系统的系统的SIL可以达到可以达到 SIL3的要求。的要求。 怎样通过冗余来改善系统的整体怎样通过冗余来改善系统的整体SIL水平水平 这个问题的解决给我们以启示，当装置引进一个这个问题的解决给我们以启示，当装置引进一个SIS系系 统时，整体安全完整性等级不仅取决于逻辑解算器部统时，整体安全完整性等级不仅取决于逻辑解算器部 分，而且传感器、终端执行器部分也非常关键。配置分，而且传感器、终端执行器部分也非常关键。配置 系统时，除了引进一个系统时，除了引进一个SIL3的安全仪表系统，譬如的安全仪表系统，譬如 FSC等，还要将传感器、终端执行器一并讨论。算出等，还要将传感器、终端执行器一并讨论。算出 SIS整体的整体的SIL数据，定量的安全仪表系统配置任务才数据，定量的安全仪表系统配置任务才 算完成。算完成。 冗余表决方法及其安全性、可用性的关系冗余表决方法及其安全性、可用性的关系 可用性（可用性（A：Availability）是指系统可使用工作时间（连）是指系统可使用工作时间（连 续运行时间）的概率，用百分数计算续运行时间）的概率，用百分数计算A值越大，可用性越值越大，可用性越
