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安全仪表系统

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安全仪表系统(Safety instrumented system)简称SIS,是指专门用在关键过程系统(Critical process systems)的仪表系统,其中包括了软件及硬件。

例子

安全仪表系统常用在过程(例如石化、化工、核能)设备的防备机制,例如:

  • 燃料气压太高,需关闭主燃料气体阀
  • 反应器温度太高,需要开启冷却阀
  • 蒸馏塔压力太高,需开关泄压阀。

关键过程系统

关键过程系统(critical process system)是指一个系统若开始运作后,若有发生运作上的问题,需要进入“安全状态”以避免安全、健康和环境(SH&E)的不良后果。而“安全状态”(Safe State)是指过程中的一种特殊条件,只要在此条件下,不论系统正在运作,或是已经关闭,都不会发生有危害的安全、健康和环境事件。

在工业时期之后,开始出现许多的关键过程系统,其中一个广为人知的就是锅炉。此过程的关键部分包括点燃燃烧器、控制锅炉鼓中的水量高度,以及控制蒸气的压力。

需求规格

安全仪表系统要达成的(功能需求)以及其实现的程度(安全完整性需求)可以透过危害与可操作性分析 (HAZOP)、防护层分析(LOPA)、风险图等方式来达成。在IEC 61511及IEC 61508中有提到这些相关的技术。在安全仪表系统设计、建构、安装及运作时,需要验证有符合这些需求。机能需求可以用设计审查来验证,例如失效模式效应与关键性分析法(FMECA),也可以用其他的测试来验证,例如出厂允收测试、现场允收测试以及定期的机能测试。

安全完整性需求可以用可靠度分析来确认。对于依需求运行的安全仪表系统,多半会以所计算的要求失效概率(probability of failure on demand,简称PFD)为准。若在设计阶段,要求失效概率可以用通用的可靠度资料来计算(例如OREDA数据库)。之后可以用现场的实际数据来更新一开始估计的要求失效概率。

透过可靠度计算,其实无法考虑到所有影响SIS可靠度的因素。因此需要采取适当的措施(例如对应的程序及处理能力)来预防、发现并且修正安全仪表系统相关的故障。

危害识别

正式的危害识别程序是由专案团队的工程师及其他专家进行,在制程各部分(一般称为操作单元)的工程设计阶段完成时进行。团队会针对已完成的工程设计中每一个可能有危害的部分(或称为“节点”)进行系统性、严谨、程序式的审核。这个审核以及其产生的文件即为危害与可操作性分析(HAZOP)研究。HAZOP研究一般会发现一些系统的危害情况,有需要透过SIF进行进一步的风险缓解措施。借由防护层分析(LOPA)或是其他被认可的方式,可以定义安全仪表功能(SIF)在对应情况下的完整性等级(Integrity Level,简称IL)。完整性等级可以分类为安全完整性等级(SIL)或环境完整性等级(Environmental Integrity Level、简称EIL)。根据HAZOP研究的建议以及SIF对应的IL程度,即可完成每一个操作单元的工程相关机能,包括基本过程控制系统(BPCS)以及安全仪表功能(SIF)的设计。

系统设计

安全仪表系统的设计目的是在有危险情形或是无法接受的情形下,进行特定的控制机能,使制程安全运作,或是维持在失效安全的条件下。安全仪表系统需和控制同一设备的其他控制系统独立运作,以免安全仪表系统的机能受到影响。安全仪表系统的组成元件(像是传感器、逻辑求解器、执行器及其他控制元件)和其他基础过程控制系统(BPCS)相同。不过这些元件的目的都是为了让安全仪表系统正常运作。

安全仪表系统要进行的特定控制机能称为“安全仪表机能”(Safety Instrumented Functions、SIF),是整个风险管理策略的一部分,其目的是消除以前识别到SH&E事件的可能性,SH&E事件可能小到设备的小幅损坏,大到不受控制的灾难性能量及(或)物质释放。

安全状态需要有对应的时间规格,或是有“制程安全时间”(process safety time)的资讯。

装置

若要安全仪表系统正确运作,需要一连串的设备都正常运作。其中一定会有感测异常运作条件的感测器,例如高流量、低水位或是不正确的阀门位置。需要逻辑求解器(logil solver)接收感测器的讯号,依讯号的特性进行适当的决策,以及依使用者定义的逻辑改变输出状态。逻辑求解器可以是电机型、电子型、或是可编程电子设备,像是继电器、跳脱放大器(trip amplifier)或是可编程逻辑控制器(PLC)等。之后,逻辑求解器输出的变化会驱动最终控制元件,作用在制程上(例如关闭阀门),将其带到安全的状态。安全仪表系统会需要支援系统(例如动力、设备气体及通讯等),其支援系统的设计需要满足完整性及可靠度的要求。

国际标准

国际标准IEC 61511英语IEC 61511已在2003年发行,此标准是过程产业的终端用户应用安全仪表系统的指南。此标准是以有关电子/电机/可编程电子系统的设计,架构及运行的通用标准IEC 61508为基础。其他产业也有以IEC 6150为基础的标准,例如机械业的IEC 62061英语IEC 62061、铁路信号的IEC 62425、核能系统的IEC 61513以及车辆用的ISO 26262

相关概念

以下词语常和安全仪表系统一起出现,或是用来描述系统要求的安全程度:

  • 关键控制系统(Critical control system)
  • 安全关断系统(Safety shutdown system)
  • 保护性仪表系统(Protective instrumented system)
  • 设备保护系统(Equipment protection system)
  • 紧急关断系统(Emergency shutdown system)
  • 生命攸关系统(Safety critical system)
  • 互锁(Interlock)
  • 联锁(Interlocking)
  • 环绕保护(Wrap around protection)
  • 过程关断系统(Process shutdown systems)

相关条目

参考资料

外部链接