趙 霞

（晉能控股煤業(yè)集團廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

引言

在生產(chǎn)作業(yè)中，一旦出現(xiàn)危險問題，安全儀表系統(tǒng)（SIS）能自動結(jié)合最初設(shè)定的安全功能實施保護，從而避免危險事件發(fā)生或最大限度地降低其影響。如今安全儀表系統(tǒng)（SIS）已運用到了我國的航空航天、化工等領(lǐng)域中，從工業(yè)自動化角度來看，SIS 安全儀表系統(tǒng)已成為一種高端類科學(xué)技術(shù)，再加上社會科技在飛速發(fā)展，人們在安全保護方面也形成了良好意識，所以安全儀表系統(tǒng)（SIS）也深受人們的重視和關(guān)注。

1 SIS 安全儀表系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)定義

安全儀表系統(tǒng)，即可實現(xiàn)一個甚至多個安全功能的系統(tǒng)，人們常將其稱為SIS。該系統(tǒng)是依據(jù)美國儀表學(xué)會對安全控制系統(tǒng)的定義而得名的。

1.2 系統(tǒng)特點

SIS 是以IEC61508 為標準，在很大程度上都符合國際儀表安全標準規(guī)定；而且SIS 的覆蓋面積廣泛，具有很強的安全性，在實際運用中也能自主診斷并預(yù)防工作存在的潛在風(fēng)險；而且SIS 還是一個具有容錯能力的多冗余操作系統(tǒng)，它主要是通過多個冗余結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)中硬件設(shè)備的故障裕度提高，即便在該操作系統(tǒng)中發(fā)生了一個故障，也不會造成對SIS 系統(tǒng)安全功能的損害；而且SIS 系統(tǒng)的應(yīng)用程式也易于調(diào)整，技術(shù)人員可結(jié)合實際需求合理地調(diào)整系統(tǒng)功能；在實際工作中SIS 的自診斷覆蓋率較大，維護技術(shù)人員在維修作業(yè)中可無需對過多的點數(shù)進行檢測；并且SIS 系統(tǒng)的反應(yīng)速度極快，通常由輸入變化至輸出變化間的響應(yīng)時間僅在50 s 之內(nèi)，最快時能達到10 s，而且很多小型的SIS 系統(tǒng)的響應(yīng)時間更加短暫。

1.3 系統(tǒng)的必要性

在煤化工工業(yè)中存在很多易燃、易爆的物料，而且操作都是在高溫、高壓條件下進行的，這在很大程度上都易發(fā)生安全事故。隨著煤化工裝置規(guī)模的不斷壯大，設(shè)計操作指標也更接近于安全臨界點，引發(fā)事故的概率大幅增加，所以對于安全系統(tǒng)也有了新的要求。優(yōu)良的SIS 系統(tǒng)不僅能降低系統(tǒng)風(fēng)險，還能將系統(tǒng)裝置的可靠性、安全性提升，在煤化工產(chǎn)業(yè)，SIS 系統(tǒng)已成為保障企業(yè)安全生產(chǎn)的一種重要手段。

2 SIS 系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)組成

SIS 系統(tǒng)是由傳感器、邏輯運算器與最終執(zhí)行器構(gòu)成，同時對應(yīng)的是檢測單元、控制單元以及執(zhí)行單元，如圖1 所示。

圖1 SIS 系統(tǒng)構(gòu)成圖

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如今，應(yīng)用最為廣泛的便是三取二、雙重化二取一兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，簡稱為2oo3D、2oo4D。其中2oo3D結(jié)構(gòu)中有三個CPU，如果一個CPU 的運算結(jié)果不同于其他，則證明此CPU 故障，而剩余CPU 可正常工作。但若剩余CPU 運算結(jié)果不同，則無法判斷二者的正確性，系統(tǒng)會自動停車，如圖2 所示。

圖2 三重化冗余控制器結(jié)構(gòu)圖

至于2oo4D 結(jié)構(gòu)，其中包含了兩個控制模塊，共有4 個CPU，它們雖同時運行但相對獨立。在工作期間，如果其一控制模塊出現(xiàn)了CPU 故障，故障CPU 會被消除，之后會采用2-0 工作形式，至于另外一模塊的CPU 會采用1oo2D 形式作業(yè)，但此模塊若同樣檢測出故障，系統(tǒng)會自動停車，如圖3 所示。

圖3 2oo4D 結(jié)構(gòu)示意圖

3 SIS 系統(tǒng)設(shè)計原則與存在的問題

3.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

針對DCS 這類過程管控系統(tǒng)，SIS 系統(tǒng)較為獨立，該系統(tǒng)可單獨完成安全保障功能，生產(chǎn)運行期間如果其過程滿足設(shè)定要求，則SIS 動作會保證整個控制流程處于安全狀態(tài)；該系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)以故障安全型為導(dǎo)向[1]；依據(jù)過程的可操作性和危險性分析，按照過程、設(shè)備等要求，依據(jù)安全度等級來明確SIS 系統(tǒng)的功能等級；系統(tǒng)要具備良好的測試功能與軟硬件診斷功能；針對系統(tǒng)構(gòu)成，應(yīng)盡可能縮減中間流程；SIS 需使用經(jīng)由認證的PLC 系統(tǒng)，且該系統(tǒng)能與MES 系統(tǒng)等有效通信。

3.2 SIS 系統(tǒng)和DCS 間存在的差異

首先SIS 系統(tǒng)通常運用到生產(chǎn)裝置運行的監(jiān)測工作中，一旦運行期間出現(xiàn)問題會即刻處理，從而防止危險事件發(fā)生，并盡可能降低事故發(fā)生后對人員、設(shè)備等造成的影響。而DCS 主要應(yīng)用在生產(chǎn)過程的控制管理環(huán)節(jié)，從而保證裝置能安全、穩(wěn)定地運行。其次，SIS 系統(tǒng)屬于靜態(tài)系統(tǒng)，在實際運行中只是對裝置的運行環(huán)節(jié)進行監(jiān)測，期間系統(tǒng)輸出沒有任何變化，也不會對裝置的生產(chǎn)過程造成影響。若在非正常工作狀態(tài)，系統(tǒng)會結(jié)合最先設(shè)計情況，通過邏輯運算來確定裝置是否安全聯(lián)鎖和停車。而DCS 系統(tǒng)屬于動態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要對生產(chǎn)過程中的變量不斷檢測與控制，通過對生產(chǎn)過程的動態(tài)控制，產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量都能得到有效的保證。最后相較于DCS 系統(tǒng)，SIS 系統(tǒng)在實用性、可行性上有著更嚴格的要求。

3.3 設(shè)計期間要注意的相關(guān)問題

在SIS 設(shè)計期間，I/O 必須帶光或電，也要將電磁隔離，同時還要具備診斷功能。針對三取二信號，工作人員需將其依次連接到輸入卡上，而且關(guān)聯(lián)的變送器等元器件還要由SIS 系統(tǒng)提供電力，因此如果現(xiàn)場變送器信號同時作用于SIS 與DCS 兩個系統(tǒng)，工作人員需先接入SIS，之后再接入DCS。同時設(shè)計人員需將I/O 模件連接的傳感器、最終執(zhí)行元件設(shè)計成故障安全型，SIS 系統(tǒng)不得使用現(xiàn)場總線儀表，而該系統(tǒng)的負荷應(yīng)控制在60%以內(nèi)，其電源、控制器以及網(wǎng)絡(luò)等都應(yīng)進行冗余配置，并且該系統(tǒng)應(yīng)使用等電位接地。

4 煤化工安全生產(chǎn)智能管理現(xiàn)狀

據(jù)了解，我國大部分企業(yè)都配置了集散控制系統(tǒng)，即DCS 系統(tǒng)，同時也建設(shè)了安全環(huán)保能源管控中心，通過這一中心企業(yè)便可對煤化工作業(yè)的安全、環(huán)保等進行合理管控，而且系統(tǒng)還具備高低報警功能，這樣調(diào)度工作人員可及時發(fā)現(xiàn)施工現(xiàn)場存在的問題，也能對生產(chǎn)流程進行及時的調(diào)整，從而防止事故發(fā)生。不過DCS 系統(tǒng)不具備檢測執(zhí)行部分，相較于SIS系統(tǒng)，其安全性較低。在2014 年后，隨著國家相關(guān)政策的頒布，SIS 系統(tǒng)受到了很多煤化工企業(yè)的重視，但最初很多企業(yè)只是安裝簡單的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，其他功能并未完善。隨著煤化工作業(yè)的開展，企業(yè)也意識到SIS 系統(tǒng)的重要性，隨之也全面安裝了SIS 系統(tǒng)輔助生產(chǎn)作業(yè)。

5 SIS 系統(tǒng)的應(yīng)用實例

5.1 SIS 系統(tǒng)和DCS 系統(tǒng)的打包設(shè)計

如今，隨著石油化工的MAV 項目的日益豐富，大多數(shù)DCS 公司均運用市場優(yōu)勢促進了SIS 系統(tǒng)的發(fā)展，同時SIS 系統(tǒng)和DCS 系統(tǒng)的打包現(xiàn)象越發(fā)頻發(fā)，下面便介紹SIS 系統(tǒng)在中國煤制烯烴示范項目中的運用情況[2]。HONEYWELL 公司專門設(shè)計了SIS 系統(tǒng)，同時還借助最先進的SM控制器來幫助維護與管理人員監(jiān)測控制系統(tǒng)的工作狀況。在設(shè)計的過程中，公司是以MAV 框架協(xié)議內(nèi)容為主，其中涵蓋了軟硬件的配置以及系統(tǒng)生成、組態(tài)等內(nèi)容。

5.2 設(shè)計方案

該系統(tǒng)使用了SM 控制器，HSMS 使用了SM-2oo4D 配置，即冗余中央控制器，公司所采用的平行運行且完全冗余的系統(tǒng)都能實現(xiàn)對單系統(tǒng)的容錯。而且該項目使用了現(xiàn)場機柜室與聯(lián)合控制室相結(jié)合的配置形式，在正常工作中操作人員會在聯(lián)合控制室，公司也要將系統(tǒng)操作臺安置在此處，至于系統(tǒng)控制器可放置在機柜室中。在實際工作期間，各個生產(chǎn)裝置所用的SIS 系統(tǒng)都是相對獨立且完整的，針對那些包含多系列的生產(chǎn)裝置，例如氣化爐較多的氣化裝置，就可在各裝置中都裝有一個控制器。而且SIS 系統(tǒng)會通過冗余性通信卡再結(jié)合FTE 網(wǎng)絡(luò)和DCS 系統(tǒng)進行集成。SIS 系統(tǒng)的操作接口會通過DCS 操作站，而此站的人機界面軟件均具備SOE 采集功能。不僅如此，相較于聯(lián)合控制室較遠的生產(chǎn)設(shè)備，則無法直接使用硬接線進行操作臺到系統(tǒng)控制臺的信號傳輸，在此背景下，公司要將遠程控制器安置在聯(lián)合控制室內(nèi)，這樣操作臺信號可通過硬線連接到遠程控制器的輸入、輸出點，再利用遠程控制器與冗余安全網(wǎng)來控制裝置控制器，便可進行信號輸送，如圖4 所示。

圖4 SIS 系統(tǒng)遠程控制示意圖

除此之外，公司系統(tǒng)還可通過儀表連接母排實現(xiàn)直流電源負端與信號屏蔽線間的有效聯(lián)系，而相應(yīng)于SM系列的儀表接待母排也可通過星型接法連接在儀表接地匯流排上，而且不論是安全接地還是儀表接地匯流排都要與接地樁連接，再通過將其和公司系統(tǒng)電氣連接線的鄰近接地點有效連接，就可實現(xiàn)公司系統(tǒng)的統(tǒng)一等電位接地。并且在實際工作中，系統(tǒng)會和HART 信號分離，通過信號分離器，MTL4842 會融入到另一模塊中，再通過串行通信接口，也可與AMS 系統(tǒng)有效銜接，在此背景下，公司便能對智能設(shè)備進行高效、統(tǒng)一監(jiān)管。不過因SIS 安全儀表系統(tǒng)具有一定的特殊性，對于安全驗收的質(zhì)量有著較為嚴格的要求，如果SIS 安全驗收的質(zhì)量未達到規(guī)定要求，必然會影響公司對該系統(tǒng)的運用。在項目實踐中，康森吉工程負責(zé)對系統(tǒng)的驗收、檢查，驗收環(huán)節(jié)也涉及了對產(chǎn)品證書的核查、對硬件系統(tǒng)的檢測以及更多功能的測試環(huán)節(jié)，在結(jié)束驗收工作后，工程也會為公司提供詳細、精準的檢測報告，這也為公司的項目操作帶來了很大的保障[3]。

6 結(jié)語

隨著社會的發(fā)展與進步，對于煤化工生產(chǎn)作業(yè)有了更嚴格的要求，為了提高煤化工生產(chǎn)的安全性與穩(wěn)定性，企業(yè)需要將SIS 安全儀表系統(tǒng)合理運用到生產(chǎn)環(huán)節(jié)，這樣便可實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的全面監(jiān)控，針對生產(chǎn)期間存在的安全隱患也能及時發(fā)現(xiàn)并報警，隨之工作人員便可結(jié)合實際情況進行處理解決。