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錫林郭勒盟安全控制系統(tǒng)的理論研究與應用

作者:小編 瀏覽量:5029 時間:2024-03-06 00:00:00

信息摘要:

安全控制系統(tǒng)的理論研究與應用,  一、引言   在石化、化工等相對危險性較大的行業(yè)中,隨著科學技術的發(fā)展,生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大,工藝流程越來越復雜,生產(chǎn)的安全性顯得尤為重要。其中,自動化控制系統(tǒng)的功能安全占了很大一部分的比重。以...

  一、引言
  在石化、化工等相對危險性較大的行業(yè)中,隨著科學技術的發(fā)展,生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大,工藝流程越來越復雜,生產(chǎn)的安全性顯得尤為重要。其中,自動化控制系統(tǒng)的功能安全占了很大一部分的比重。以往國內(nèi)一般會將過程控制中與安全相關的部分與一般的DCS或PLC系統(tǒng)整合在一起,但現(xiàn)在從安全至上的角度出發(fā),自動化供應商和最終用戶本身都意識到了采用相對獨立的、應用于安全相關的控制系統(tǒng)的必要性,基于此,安全控制系統(tǒng)應運而生。
  二、與安全控制系統(tǒng)相關的國際標準
  2000年5月,國際電工委員會(IEC)正式發(fā)布了IEC-61508標準,名為“電氣/電子/可編程電子安全系統(tǒng)的功能安全”。該標準共計七個部分,涉及到1000多個規(guī)范。該標準針對起安全作用的電氣/電子/可編程電子系統(tǒng)(E/E/PE)提出了一個基礎、合理的技術方案,并建立一個相應的評價方法,綜合考慮如傳感器、通信系統(tǒng)、控制裝置、執(zhí)行器等元器件與安全系統(tǒng)組合的問題。
  根據(jù)該標準規(guī)定,安全控制系統(tǒng)的最終設計目標可以概括為:在生產(chǎn)過程中發(fā)生危險事故或系統(tǒng)本身發(fā)生故障的情況下,系統(tǒng)能做出及時和正確的反應并輸出到現(xiàn)場,以防止危險的發(fā)生或減輕已發(fā)生危險所導致的后果。根據(jù)這一原則,IEC-61508規(guī)定了一項重要的可定量化要求:安全整體性要求等級SIL(SafetyIntegrityLevel),它是指在一定時間內(nèi)、所有條件不變的情況下安全控制系統(tǒng)達到所要求安全功能的一個指標。SIL共分為SIL1、SIL2、SIL3和SIL4四個等級,等級越高,相應的要求也越高。
  2003年1月,在IEC-61508的基礎上,IEC又發(fā)布了IEC-61511“過程土業(yè)部門儀表型安全系統(tǒng)的功能安全”。這是專門針對流程工業(yè)領域安全控制系統(tǒng)的安全功能標準。IEC-61511規(guī)定了控制器單元在設計和使用的過程中需采用的基本原則,構成安全控制系統(tǒng)的傳感器和最終執(zhí)行元件所應達到的最低標準,并提出達到最低標準的安全生命周期活動的方法。也就是對過程工業(yè)領域中安全控制系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試、運行和維護等一系列的要求進行標準化,并對應用和安全整體級別的確定方面提供指導。
  通俗點來說,兩者間的關系和區(qū)別可以這樣來理解:IEC-61508適用于設備制造商和供貨商,而IEC-61511提供了一個在流程工業(yè)可實際應用和便于理解的IEC-61508版本且較為適用于安全控制系統(tǒng)的設計者、集成商和最終用戶。
  除了以上兩大標準,其他主要的國際通用安全標準有:美國國家標準ANSI/ISA-S84.01,關于測量及控制設備安全的德國國家標準DIN-19250以及針對機械設備的IEC-62061。現(xiàn)今國際上權威的安全標準認證機構包括德國的TUV組織,歐洲的BGIA認證,美國的EXIDA組織和FactowMutual組織。
  三、安全控制系統(tǒng)定義及概述
  所謂安全控制系統(tǒng),指的是能提供一種高度可靠的安全保護手段,最大限度地避免相關設備的不安全狀態(tài),防止惡性事故的發(fā)生或在事故發(fā)生后盡可能地減少損失,以保護生產(chǎn)裝置及最重要的人身安全。
  安全控制系統(tǒng)能在生產(chǎn)裝置開車、停車、出現(xiàn)工藝擾動等狀況和正常維護操作期間對設備提供安全保護,一旦設備出現(xiàn)危險情況,安全控制系統(tǒng)能夠立即做出反應并輸出正確信號,使得設備處于安全狀態(tài)或停機。在化工行業(yè)中,安全控制系統(tǒng)一般被稱為ESD(緊急停車系統(tǒng))或SIS(安全儀表系統(tǒng))。從嚴格意義上來說,ESD指的是SIS中的邏輯運算器、即控制系統(tǒng)硬件和相應的軟件,而SIS還包括了外圍的儀表傳感器和最終執(zhí)行元件等。
  安全控制系統(tǒng)一般都采用了冗余及容錯的技術,兩者之間不盡相同。
  冗余(Redundant)指的是并行的使用多個系統(tǒng)部件如CPU、輸入模塊、通訊卡件等,以提供錯誤檢測和錯誤校正的功能,并可以自動地檢測故障,在不影響整個系統(tǒng)運行的很短時間內(nèi)切換到后備設備上繼續(xù)正常工作。
  而容錯技術(FaultTOlerant)指的是擁有內(nèi)部冗余的并行元件和集成邏輯,當硬件或軟件存在部分故障時,系統(tǒng)能夠自動識別故障并使故障旁路繼續(xù)執(zhí)行正確的指定功能的能力?;蛘咧赣布蛙浖l(fā)生故障的情況下,系統(tǒng)仍然具有繼續(xù)運行的能力。這一般包含了三方面的功能,一是故障約束,即限制過程或進程的動作,防止錯誤發(fā)生后在被檢測出之前的擴大;二是故障檢測,即對信息和過程進行不間斷地動態(tài)檢測,以及時發(fā)現(xiàn)錯誤;三是故障恢復,即修正或切換失效的部件。容錯技術包括了錯誤檢測和校正所需要的各種編碼、系統(tǒng)恢復、指令執(zhí)行、程序復算、備件切換、系統(tǒng)重組等技術。它是以冗余技術為基礎,尤其適用于安全控制系統(tǒng)的一種先進可靠的技術手段。
  四、安全控制系統(tǒng)的設計原則
  4.1獨立設置原則
  安全控制系統(tǒng)應獨立于過程控制系統(tǒng),以降低控制功能和安全功能同時失效的概率,使安全控制系統(tǒng)不依附于過程控制系統(tǒng)就能獨立完成自動保護和聯(lián)鎖的安全功能。
  設計時必須考慮配置相應的通訊接口,使得過程控制系統(tǒng)也能夠監(jiān)視安全控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)。
  原則上需要獨立設置的部件包括檢測元件、執(zhí)行元件、邏輯運算器、安全控制系統(tǒng),以及與過程控制系統(tǒng)之間或其他設備的通訊組件。
  對于較為復雜裝置的安全控制系統(tǒng)適合分解為若干子系統(tǒng),各子系統(tǒng)相對獨立且分別設置后備手動功能。
  4.2結(jié)構選用的原則
  安全控制系統(tǒng)應采用容錯系統(tǒng)。在一個或多個元件發(fā)生故障時,系統(tǒng)仍然具有繼續(xù)運行的能力。對于以邏輯運算器為基礎的容錯系統(tǒng)來說,一般都會采用冗余結(jié)構,并可參考采用以下方法:
  對于有相互關系的參數(shù)之間可以使用不同的測量方法(如壓力和溫度);
  對于同一變量采用不同的測量技術(如渦街流量計和電磁流量計);
  對于冗余結(jié)構的每一個通道采用不同類型的可編程電子系統(tǒng);
  對于冗余的通訊結(jié)構來說可以使用不同的地址。
  4.3技術選用的原則
  安全控制系統(tǒng)可以采用電氣、電子或可編程電子(E/E/PE)技術,也可以采用上述技術混合的方案。
  對于繼電器而言需要注意如存在以下情況時不可使用:高負荷周期性的頻繁改變狀態(tài);作為定時器或鎖定功能使用;復雜的邏輯應用場合。這時候可以考慮選用固態(tài)繼電器,但也需恰當處理好故障安全模式。
  另外要注意的是對于安全控制系統(tǒng)一般不推薦使用固態(tài)邏輯,即將內(nèi)部邏輯元件(與、或、非等)用直接連線的方式來獲得邏輯功能,而一般這些功能在故障安全方面是受限制的。
  4.4故障安全原則
  安全控制系統(tǒng)必須是故障安全型的。所謂故障安全是指檢測元件和最終執(zhí)行元件在系統(tǒng)正常時應該是勵磁的,即得電狀態(tài);在系統(tǒng)故障時應是非勵磁的。這也稱之為非勵磁停車設計。
  4.5中間環(huán)節(jié)最少原則
  作為一個高效的系統(tǒng),安全控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)越少越好,盡可能地采用最直接的測量和最可靠的執(zhí)行方式,避免繁瑣復雜和不必要的設計,以及過多的電一氣、氣一電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),另外在運行時也要考慮對人員干預和選擇環(huán)節(jié)的需求是最少的或者沒有。

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