吴承刚

（中海壳牌石油化工有限公司，广东惠州 516086）

化工装置安全仪表系统功能安全评估体系的研究与应用

吴承刚

（中海壳牌石油化工有限公司，广东惠州 516086）

安全仪表系统（SIS）作为一项现代化系统，能够实现对化工生产动态化监督和控制，实现对整个生产活动进行安全评估。从安全仪表系统概念入手，对SIL评估计算软件的设计进行分析，最后探讨在德固赛（是一家来自德国法兰克福的贵金属提炼公司）安全联锁系统功能安全评估中应用措施。

化工装置安全仪表系统；功能安全；评估体系；应用

近年来，工业生产呈现规模化特点，我国工业正处于现代化发展阶段，人们对于工业生产安全性提出了更高要求。安全成为化工生产的核心。在化工生产中，设计、操作及实施任何一个环节出现失误，都会给企业带来经济损失，严重情况下，还会造成人员伤亡。传统化工生产中，很多环节都存在漏洞，且采取人工监测，埋下了较大的安全隐患。为了避免这一问题出现，在化工行业引入SIS非常必要，该系统融合了逻辑控制器等多项设备于一体，自动化水平较高。在应用中，一旦出现生产与预期相悖的情况，系统便会及时响应，采取相应措施，保障整个生产过程安全、稳定。因此加强对该系统应用的研究非常重要，能够为化工生产提供支持。

1 安全仪表系统概述

安全仪表系统，是指由一个或者多个仪表相同安全功能的系统，主要应用于对危险状况响应，如系统超限制等情况，能够保证生产过程处于安全状态当中，为人员、设备等构建安全环境。一般来说，SIS是由传感器、逻辑控制器等组成，采集生产中的某些参数，并运用逻辑控制器对参数进行分析，如果进入到危险范围，那么执行元件会进行安全操作，达到控制目标。针对不同的行业，安全仪表系统可以划分为多种形式，如化工、电子及汽车等安全仪表，每个行业根据生产需求还可以进行细化[1]。现阶段，SIS朝着多元化方向发展，虽然应用领域有所差别，但是其功能和实现的目标都具有一致性，都是为了确保生产安全、稳定而设计的一种安全防护系统，且具有严格的规范标准。

2 SIL评估计算软件的设计与实现

2.1 方法选择

SIL评估方法，现阶段，SIL主要具有四个等级，其中等级4最高，等级1最低。在实践应用中，主要有后果分析法、风险图等方法（如图1），由于生产装置有所差别，其对应的工艺流程等也会随之改变。因此对于方法的选择要结合实际情况。如对于其中的可能性分析法来说，过程风险频率是设计事件频率的结合，围绕着时间，使得每个事件范围都处于固定范围内，一旦超出范围，能够及时响应。另外，SIL等级评估方法可以划分为定性与定量两种形式，定性方法无法达到精确的等级要求，定量分析评估SIL才能够更好地保障安全。如故障树分析法可以应用简单的数学公式、布尔代数解决复杂的回路问题，以此来识别和分析引起指定不期望事件发生的条件。

图1 风险与安全完整性水平关系

2.2 构建模型

马尔科夫模型主要有两种，一种是离散的时间马尔科夫模型，另一种是连续时间马尔科夫模型其中前者能够通过计算机计算，使得求解更加便利。具体模型如下：

2.3 软件设计

本文对于软件的设计，主要在MFC框架下，进行matlab混合编程。在MFC框架下，能够使得系统界面更加美观、且辨识度更高，实现良好的人机互动。针对开发中遇到的矩阵运算问题，应用C++实现难度较大，且程序存在繁琐问题。对此，可以引用Matlab相关函数，有效解决矩阵问题，使得程序功能得到有效发挥[2]。完成上述工作后，应对传感器等部件进行冗余设计，设置好各个模块失效率参数，点击计算按钮，对程序进行计算，实现对系统内部各环节失效率比例的计算。在此基础上，能够合理评估安全仪表系统SIL等级，将其应用到化工装置安全评估工作中，提高计算准确性，从而实现对评估质量的有效改善。

2.4 SIL计算机软件整体设计

本软件设计目的是在传感器、逻辑控制器及执行器等失效率已知的情况下，构建的紧急停车系统。市面上的多数仪表说明书，都增加了失效率这一项，各自冗余结构已知条件下，导入相应的数据，构建对应的模型，然后对对象运用Markov模型进行整体SIL等级和PFD（概率失败需求）等计算和验证。当明确各期间失效率时，设计师应结合失效率之间的关系得出相应的参数。完成上述工作后，软件开发中使用的Matlab函数为组件工具性能的发挥提供了支持，使用该工具能够制作出想要的组件，供其他支持COM编程语言调用，从而实现Matlab与其他变成语言的整合。

3 在德固赛安全联锁系统功能安全评估中的应用

对于SIS进行功能安全评估来说，选取德固赛安全联锁系统作为研究对象，对其安全完整性等级进行评估，从中发现问题及隐患，并提出相应的改进建议。

3.1 SIS安全联锁系统

针对安全装置来说，按照工艺需求，过程联锁主要是由DCS实现。在实践中，我们坚持安全原则，对关键参数进行控制。安全联锁信号应为硬接线，且独立存在于控制系统中。如针对反应器R1025来说，作为MMA装置的压力容器，其内涵主物料为异丁烯、蒸汽，通过循环气的混合发生化学反应，生成甲基丙烯醛。该化学反应需要在特定温度下进行。不仅如此，当系统内部压力达到限定值后，高保护设定点将被激活，信号传递到逻辑控制器中，启动执行元件，将生产过程及时切断，确保压力容器稳定性。从技术先进等角度来看，结合该项目特点，主要采用集散型控制系统进行控制，该系统由单元控制装置、过程接口等构成，在过程参数控制、生产过程联锁等功能实现上能够达到目标，使得各个装置生产控制更加灵活。具体结构如图2。

图2 压力保护安全仪表系统

3.2 评估计算

针对上述系统进行功能安全评估。由于该系统内部为逻辑结构，对应的状态转移矩阵P能够得出，并应用模型对系统安全完整性水平进行评估。根据loo1结构PFD公式能够得出一年内系统安全失效率。根据计算结果来看，虽然传感器、逻辑控制器能够满足SIL=2等级要求，但是系统平均危险失效率概率较高，根据IEC61511标准来看，系统安全完整性水平较低，仍然属于低要求操作模式，还有待进一步完善。其中执行器部分的危险失效率较高，占比高达78.5%，传感器与逻辑控制器分别占比为18.3%、13.2%。因此执行器部分对于系统功能的贡献率最大，其次是传感器，影响最小的是逻辑控制器部分。要想提高系统安全完整性，在具体实践中，应重视SIF执行能力的控制，并对执行器细节之处进行相应的调整，从而提高整个安全仪表系统的SIL等级。

表1 传感器部分改进结果

对于本文选取的研究案例，可以将执行器部分的冗余配置由单一改成双重冗余，且阀门采取统一型号。再次对系统进行评估，发现整个系统的安全性达到了SIL2级别，根据IEC61511标准来看，执行危险失效率大幅度下降，下降到21.3%，表1传感器部分改进结果。在此基础上，能够确保生产、人员安全，且增强安全仪表系统执行安全性，从而使得工业生产能够满足安全标准要求。通过对分析结果来看，我们能够发现误差较小，说明Markov模型计算出来的PFD结果要比通过简化公式计算出来的PFD更小。且当λT=6时，2oo3逻辑结构系统计算产生的误差＞7%，在实际化工生产中，周期性功能测试一般会＞8 760h，随着T的增长，故障树模型带来的误差更加明显。对于Markov模型，不受功能检测周期影响是其优点之一，能够显著提升计算准确性。因此我们将该模型作为系统的一部分，以此来提高评估准确性。

4 结论

未来工业发展中，安全已经成为现代工业发展的主流趋势，广泛应用于化工行业生产中。安全仪表系统作为一项重要的系统，在提高生产安全性等方面占据至关重要的位置。因此化工企业要充分认识到引入该系统的必要性，同时根据化工装置特点，对其进行功能安全评估，及时发现各个环节存在的不足之处，并采取相应的措施进行调整和优化。一般来说，化工装置内部多含有化学成分，存在一定危险性。通过该系统进行功能安全评估，能够在很大程度上提高生产安全性，为生产人员构建良好的工作环境，从而促进化工企业持续健康发展。

[1] 文华，钮英建.功能安全评估在安全评价中的应用体系研究[J].中国安全生产科学技术，2011，（7）：116-119.

[2] 杨绍军.煤制烯烃项目安全仪表系统评估工作的探讨[J].仪器仪表用户，2016，（5）：25-27+31.

Research and Application of Safety Evaluation System of Safety Instrument System in Chemical Plant

Wu Chen-gang

Safety Instrumented System（SIS），as a modern system，can realize the dynamic monitoring and control of chemical production，and realize the safety assessment of the whole production activities.This article from the concept of safety instrument system，the appraisal of the SIL analysis and design calculation software，finally discussed in（Degussa is from Germany Frankfurt precious metal refining company）application of safety interlock system functional safety assessment.

chemical equipment safety instrumented system；functional safety；evaluation system；application

TQ086

A

1003-6490（2017）01-0121-02

2017-01-06

吴承刚（1968—），男，辽宁盘锦人，助理工程师，主要从事工控网网络维护及过程控制程序组态工作。