浅谈化工安全仪表系统设计及发展趋势

浅谈化工安全仪表系统设计及发展趋势

王蓉

江苏南京中核华纬工程设计研究有限公司210019

摘要：本文介绍和分析了一般化工安全仪表系统基本概念及设计原则，明确了安全仪表系统在化工企业生产中的重要性，对在化工安全仪表系统中如何设计和设置传感器、最终执行元件、逻辑运算器、通讯接口、人机接口、过程接口、软件

组态等进行了分析。

关键词：安全仪表系统；控制系统；逻辑运算器

Abstract:this paper introduces and analyzes the general chemical safety instrumentation systems basic concepts and design principles,made clear the safety instrumentation systems in the chemical enterprise production,the importance in chemical safety instrumentation systems to how to design and setting up the sensor,final actuators,logic unit,communication interface, man-machine interface,process interface,software configuration were analyzed.

Key words:safety instrumentation systems;Control system;Logic unit

中图分类号：N945.23文献标识码：A文章编号：

引言

现代化工企业生产工艺流程复杂，大多涉及高温高压、易燃易爆和有毒有害，蕴含着巨大的能量。一旦生产过程出现异常且控制不当，将会给人身和财产安全造成严重后果。化工安全仪表系统能对化工生产装置和设备可能发生的危险或措施不当行为致使继续恶化的状态进行及时响应和保护，使生产装置和设备进人一个预定义的安全停车工况，从而使风险降低到可以接受的最低程度，保障人员、设备和生产装置的安全。

1安全仪表系统的基本概念

1．1安全度等级(SIL)

安全度等级(SIL)是指在一定的时间和条件下，安全系统能成功执行其安全功能的概率，是对系统可靠程度的一种衡量。国际电工委员会IEC61508将过程安全度等级定义为4级(SILl一SIL4，其中SIL4用于核工业)。SILl级：装置可能很少发生事故。如发生事故，对装置和产品有轻微的影响，不会立即造成环境

污染和人员伤亡，经济损失不大。SIL2级：装置可能偶尔发生事故。如发生事故，对装置和产品有较大的影响，并有可能造成环境污染和人员伤亡，经济损失较大。SIL3级：装置可能经常发生事故。如发生事故，对装置和产品将造成严重的影响，并造成严重的环境污染和人员伤亡，经济损失严重。石油和化工生产装置的安全度等级一般都低于SIL3级，采用SIL2级安全仪表系统基本上都能满足大多数生产装置的安全需求。

1．2安全仪表系统(SIS)

安全仪表系统(SIS)是用仪表构成的实现安全功能的系统，主要由传感器、逻辑运算器、最终执行元件及相应软件组成。当生产过程出现变量越限、机械设备故障、SIS系统本身故障或能源中断时，安全仪表系统必须能自动(必要时可手动)完成预先设定的动作，保证操作人员、生产装置转入安全状态。安全仪表系统(SIS)也称为紧急停车系统。安全仪表系统的SIL等级是由传感器、逻辑运算器、最终执行元件等各组成部件的SIL等级共同决定的。在工程设计中，逻辑运算器的SIL等级一般选的都比较高，可达到SIL3级，但传感器和最终执行元件的SIL等级通常都在SIL2级以下，因此，整个系统的SIL等级一般都不会高于SIL2级。

2、安全仪表系统设计基本原则

2．1独立性原则

安全仪表系统原则上应与过程控制系统(DCS)分离而独立设置。在正常情况下安全仪表系统是“静止的”，不采取任何动作，但是当参数发生异常波动或故障时，它会按照已定的程序采取相应的联锁动作，使装置停在安全水平线上。安全仪表系统的安全等级要高于过程控制系统(DCS)。特别是复杂装置和重要机组的安全仪表系统更应独立于DCS之外，使之不依赖于DCS就能独立完成紧急停车及安全联锁功能。

2．2故障安全型原则

故障安全型(Fail To Safe)是当系统发生故障时，被控制系统或设备自动转入预定安全状态。开关类检测仪表在正常工况和供电条件下其接点应是闭合的或导通状态的，联锁执行机构应是带弹簧复位的单作用方式(FC或FO)，电磁阀或中间

继电器正常状态是励磁的。根据具体的工艺过程，系统发生故障时，这些仪表或设备应处在安全状态。

2．3采用冗余容错结构

容错是指系统在元部件出现故障时，仍能继续运行的能力。容错系统应具有检测和报告故障的能力，同时在局部故障状态下依然能持续正常运行。安全仪表系统，需要在硬件结构上采用冗余结构实现容错，通常采用三重化冗余结构。2．4中间环节最少

从联锁信号检测到联锁逻辑计算再到联锁动作执行，应尽可能减少中间环节，减少由中间环节带来的出错的可能。在防爆等级许可的情况下，尽量采用隔爆型仪表，减少由于安全栅而产生的故障源，减少误停车。

3、仪表系统的设计和设置

3．1传感器的设计和设置

传感器的独立设置原则：一级安全仪表系统，其传感器可与过程控制系统共用；二级安全仪表系统，其传感器宜与过程控制系统分开；三级安全仪表系统，其传感器应与过程控制系统分开。传感器的冗余设置原则：一级安全仪表系统，可采用单一的传感器；二级安全仪表系统，宜采用冗余的传感器；三级安全仪表系统，应采用冗余的传感器。传感器的冗余方式选用：当重点考虑系统的安全性时，应采用“或”逻辑结构；当重点考虑系统的可用性时，应采用“与”逻辑结构；当系统的安全性和可用性均需保障时，宜采用三取二逻辑结构；安全仪表系统的传感器宜采用隔爆型。

3．2最终执行元件的设计和设置

最终执行元件可以是独立设置的开关阀，也可以是与过程控制系统共用的调节阀。阀门的独立设置原则：一级安全仪表系统，可与过程控制系统共用，应确保安全仪表系统优先于过程控制系统的动作；二级安全仪表系统，宜与过程控制系统分开；三级安全仪表系统，应与过程控制系统分开。阀门的冗余设置原则：一级安全仪表系统，可采用单一的阀门；二级安全仪表系统，宜采用冗余的阀门；