SIS安全仪表系统解析

1、什么是安全仪表系统

在IEC61508 中，SIS被称为安全相关系统（Safety Related System）,将被控对象称为被控设备（EUC）。

IEC61511将安全仪表系统SIS定义为用于执行一个或多个安全仪表功能（Safety Instrumented Function,SIF）的仪表系统。SIS是由传感器（如各类开关、变

送器等）、逻辑控制器、以及最终元件（如电磁阀、电动门等）的组合组成,如图

1所示。

IEC61511又进一步指出，SIS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SIS的有机组成部分时，必须在安全规格书（Safety Requirement Specification,SRS)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SIS的绩效计算中。

从SIS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（Electronic）和可编程电子系统（Programmable Electronic System），即E/E/PES三个阶段。

安监总局116号文件

国家安全监管总局于2014年11月13日下发《国家安全监管总局关于加强化工安全仪表系统管理指导意见（安监总管三〔2014〕116号）》

该意见涉及到了生产，设计，管理等多个方面。HAZOP分析，SIL等级评估，安全系统验证，老装置安全系统安全等级评估，安全系统改造等，这些工作将在今后几年中越来越多，越来越重要！

下图为由PES构成的SIS

图1 SIS的构成

SIS安全仪表系统

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(1) SIF安全仪表功能可以是安全仪表保护功能，也可以是安全仪表控制功能，或包含这两者。

(2) 需要说明的是，这里所说的安全仪表控制功能，是指以连续模式（Continuous Mode）操作并具有特定的SIL,用于防止危险状态发生或者减轻其发生的后果，

与常规的PID控制功能是完全不同的概念。

(3) SIS可以包括或不包括软件

(4) SIS的一部分也可能是人的动作

如图2所示，这是一个气液分离容器A液位控制的安全仪表功能回路图。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3）使电磁阀2断电，则切断进调节阀膜头信号，使调节阀切断容器A进料，这个动作要在3秒内完成，安全等级必须达到SIL2。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这样的安全仪表功能的集合。

图2 安全仪表回路图

图2 说明：

L液面超高-L1接点闭合-Z带电。

Z1常闭接点打开，S线圈断电。

S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。

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K起：按钮开关：起动联锁保护回路兼有复位作用。

K停：起人工强制起动联锁保护作用。

K旁：旁路联锁保护作用，用于开车或检修联锁信号仪表。

图3 SIS逻辑图

大多石油和化工生产过程具有高温、高压、易燃、易爆、有毒等危险。当某些工艺参数超出安全极限，未及时处理或处理不当时，便有可能造成人员伤亡、设备损坏、周边环境污染等恶性事故。这就是说，从安全的角度出发，石油和化工生产过程自身存在着固有的风险。

总之，SIS是一种经专门机构认证，具有一定安全完整性水平，用于降低生产过程风险的仪表安全保护系统。它不仅能响应生产过程因超过安全极限而带来的风险，而且能检测和处理自身的故障，从而按预定条件或程序使生产过程处于安全状态，以确保人员、设备及工厂周边环境的安全。

按照SIS的定义，下述系统均属于安全仪表系统：

安全联锁系统（Safety Interlock System—SIS）；

安全关联系统（Safety Related System—SRS）；

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仪表保护系统（Instrument Protective System—IPS）；

透平压缩机集成控制系统（Integrated Turbo & Compressor Control System—ITCC）；

火灾及气体检测系统（Fire and gas systems—F&G）；

紧急停车系统（Emergency Shutdown Device—ESD）；

燃烧管理系统（Burner Management System）；

列车自动防护系统（ATP）

2、SIS的相关标准及认证机构

鉴于SIS涉及到人员、设备、环境的安全，因此各国均制定了相关的标准、规范，使得SIS的设计、制造、使用均有章可循。并有权威的认证机构对产品能达到的安全等级进行确认。这些标准、规范及认证机构主要有：

(1)我国石化集团制定的行业标准SHB-Z06-1999《石油化工紧急停车及安全联锁系统设计导则》。

(2)2006年、2007年等同采用IEC61508、IEC61511的中国国家标准GB/T20438、GB/T21109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。

(3)国际电工委员会1997年制定的IEC 61508/61511标准，对用机电设备（继电器）、固态电子设备、可编程电子设备（PLC）构成的安全联锁系统的硬件、软件及应用作出了明确规定。

(4)美国仪表学会制定的ISA-S84.01-1996《安全仪表系统在过程工业中的应用》。

(5)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》。

(6)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》。

(7)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-DIN V 19250和DIN V 19251、燃烧管理系统标准-DIN VDE 0116等。

(8)德国技术监督协会（TüV）是一个独立的、权威的认证机构，它按照德国国家标准（DIN），将ESD所达到的安全等级分为AK1～AK8，AK8安全级别最高。其中AK4、AK5、AK6为适用于石油和化学工业取得TüV认证的SIS产品。

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在国内石化行业中应用的SIS产品中，经过TüV认证的主要有：

(1) Tricon、Triden，美国Triconex公司开发用于压缩机综合控制（ITCC）和紧急停车系统。安全等级为AK6（SIL3）。

(2) FSC（Fail safe control），由荷兰P&F（Pepper&Fuchs）公司开发，1994

年被Honeywell公司收购。安全等级AK6（SIL3）

(3) 和利时集团HiaGuard（SIS），我国首套获TüV SIL3认证的安全仪表系统。

(4) HIMA PES，HIMA是德国一家专业生产安全控制设备的公司，PES (Programmable Electronic System)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系统。主要由H41q和H51q系统组成。H41q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H41q—M，冗余系统又分为高可靠系统H41q—H和高性能系统H41q—HR。H51q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H51q—H和高性能系统H51q—HR。各种型号的PES都具有TüV AK1~6级认证。（仪控工程网在线学习频道，有关于HIMA公司及产品的介绍）

(5) Prosafe—RS，是横河电机安全仪表系统，其特点是与CENTUMCS.3000 R3

的技术融合，即实现了与DSC的无缝集成。非冗余取量即可实现SIL3，通过冗

余取量实现更高的可用性。

(6) QUADLOG，由MOORE公司开发，日本横河电机公司收购后称prosafe plc，

其1oo2D结构安全等级达AK6 (SIL3)；

(7) SIMATICS7—400F/FH，德国SIEMENS公司产品。400F和400FH分别为1个CPU和2个CPU运行fail-safe（F）用户程序，均取得TUV认证，安全等级为

AK1~AK6（SIL1~SIL3）；

(8) Regent Trusted，美国ICS利用宇航技术开发的安全系统。安全等级AK4~AK6（SIL2~SIL3）；

(9) GMR90-70，美国GE Fanuc公司开发。其中GMR90-70(模块式冗余容错)的安