安全仪表系统设计与SIL的计算方法左信朱春丽Word格式文档下载.docx
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2.1系统结构介绍....................................................................................................................7
2.1.11oo1结构.................................................................................................................7
2.1.21oo2结构.................................................................................................................7
2.1.32oo2结构.................................................................................................................8
2.1.42oo3结构.................................................................................................................8
2.1.51oo2D结构...............................................................................................................8
2.2SIL的可靠性框图计算方法...............................................................................................9
2.2.11oo1结构的可靠性框图.........................................................................................9
2.2.21oo2结构的可靠性框图.......................................................................................10
2.2.32oo2结构的可靠性框图.......................................................................................10
2.2.42oo3结构的可靠性框图.......................................................................................11
2.2.51oo2D结构的可靠性框图.....................................................................................11
2.2.6术语列表................................................................................................................12
2.3SIL的马尔可夫模型计算方法.........................................................................................13
2.3.11oo1结构的马尔可夫模型...................................................................................13
2.3.21oo2结构的马尔可夫模型...................................................................................14
2.3.32oo2结构的马尔可夫模型...................................................................................16
2.3.42oo3结构的马尔可夫模型...................................................................................18
2.3.51oo1D结构的马尔可夫模型.................................................................................20
2.3.61oo2D结构的马尔可夫模型.................................................................................20
2.3.7术语列表...............................................................................................................22
2.4SIL的故障树分析计算方法.............................................................................................24
2.4.11oo1结构的PFD故障树.......................................................................................24
2.4.21oo2结构的PFD故障树.......................................................................................24
2.4.32oo2结构的PFD故障树.......................................................................................25
2.4.42oo3结构的PFD故障树.......................................................................................25
2.4.52oo4结构的PFD故障树.......................................................................................26
2.4.61oo1D结构的PFD故障树......................................................................................26
2.4.71oo2D结构的PFD故障树......................................................................................27
2.4.82oo2D结构的PFD故障树......................................................................................27
2.4.92oo4D结构的PFD故障树......................................................................................28
2.4.10术语列表..............................................................................................................28
第3章计算实例...........................................................................................................................29
第1章安全仪表系统设计概述
1.1安全性与可用性
1.1.1安全仪表系统的安全性
安全仪表系统的安全性是指任何潜在危险发生时，安全仪表系统保证使过程处于安全状态的能力。
不同安全仪表系统的安全性是不一样的，安全仪表系统自身的故障无法使过程处于安全状态的概率越低，则其安全性越高。
安全仪表系统自身的故障有两种类型。
（1）安全故障
当此类故障发生时，不管过程有无危险，系统均使过程处于安全状态。
此类故障称为安全故障。
对于按故障安全原则（正常时励磁、闭合）设计的系统而言，回路上的任何断路故障是安全故障。
（2）危险故障
当此类故障存在时，系统即丧失使过程处于安全状态的能力。
此类故障称为危险故障。
对于按故障安全原则设计的系统而言，回路上任何可断开触点的短路故障均是危险故障。
换言之，一个系统内发生危险故障的概率越低，则其安全性越高。
1.1.2安全仪表系统的可用性
安全仪表系统的可用性是指系统在冗余配置的条件下，当某一个系统发生故障时，冗余系统在保证安全功能的条件下，仍能保证生产过程不中断的能力。
与可用性比较接近的一个概念是系统的容错能力。
一个系统具有高可用性或高容错能力不能以降低安全性作为代价，丧失安全性的可用性是没有意义的。
严格地讲，可用性应满足以下几个条件。
（1）系统是冗余的;
（2）系统产生故障时，不丧失其预先定义的功能;
（3）系统产生故障时，不影响正常的工艺过程。
1.1.3安全性与可用性之间的关系
从某种意义上说，安全性与可用性是矛盾的两个方面。
某些措施会提高安全性，但会导致可用性的下降，反之亦然。
例如，冗余系统采用二取二逻辑，则可用性提高，安全性下降;
若采用二取一逻辑，则相反。
采用故障安全原则设计的系统安全性高，采用非故障安全原则设计的系统可用性好。
安全性与可用性是衡量一个安全仪表系统的重要指标，无论是安全性低、还是可用性低，都会使损失的概率提高。
因此，在设计安全仪表系统时，要兼顾安全性和可用性。
安全性是前提，可用性必须服从安全性;
可用性是基础，没有高可用性的安全性是不现实的。
1.2安全仪表系统的设计目标
安全仪表系统设计的目标，首先是要满足装置的安全度等级要求，衡量标准在于它能否达到要求平均故障概率PFDaverage，即要求下的设备失效的可能性。
为了达到装置的安全度等级，系统必须具有高的安全性。
但是，系统的安全性越高，必然使设备停车次数越多，维修时间延长，降低了系统的可用性。
而在石化等行业的现实应用当中，设备停车可能造成重大的经济损失，这就要求系统既具有高安全性，又具有高可用性。
安全仪表系统的设计并不是安全性越高越好，要寻求的是一种最优配置，即在达到安全度等级的前提下，合理配置经济实用的系统。
因此，在设计安全仪表系统时，首先要进行风险分析，确定必要的风险降低指标;
然后确定SIL等级并进行风险分配，以确定安全仪表系统应承担的风险降低指标;
最后，综合考虑系统的安全性与可用性，对系统的结构进行合理配置。
1.3安全仪表系统的设计原则
1.3.1基本原则
SIL设计的基本原则之一，是应根据E/E/PES安全要求规范进行设计。
分析确定SIL的方法，确定的SIL就是E/E/PES设计时要求实现的安全完整性目标。
SIL设计的基本原则之二，是采取一切必要的技术与措施保证要求的安全完整性。
为了实现安全完整性，必须同时满足E/E/PES的随机安全完整性要求与系统安全完整性要求，因为随机失效主要是硬件的随机失效。
因此，分析时，随机安全完整性就简化为硬件安全完整性。
故障检测会影响系统的行为，因此，它与硬件以及系统的安全完整性都相关。
1.3.2逻辑设计原则
①可靠性原则
整个系统的可靠性R0（t）是由组成系统的各单元可靠性（R1（t）,R2（t）,R3（t）K）的乘积,即
R0（t）=R1（t）R2（t）R3（t）
任何一个环节可靠性的下降都会导致整个系统可靠性的下降。
人们通常对于逻辑控制系统的可靠性十分重视,往往忽视检测元件和执行元件的可靠性,使得整套安全仪表系统可靠性低,达不到降低受控设备风险的要求。
可靠性决定系统的安全性。
②可用性原则
可用性不影响系统的安全性,但系统的可用性低可能会导致装置或工厂无法进行正常的生产。
可用性常用下面公式表示。
A=MTBF/（MTBF+MTTR）
式中A———可用度;
MTBF———平均故障间隔时间;
MTTR———平均修复时间。
而对于安全仪表系统对工艺过程的认知过程,还应当重视系统的可用性，正确地判断过程事故,尽量减少装置的非正常停工,减少开、停工造成的经济损失。
③故障安全原则
当安全仪表系统的元件、设备、环节或能源发生故障或失效时,系统设计应当使工艺过程能够趋向安全运行或安全状态。
这就是系统设计的故障安全型原则。
能否实现“故障安全”取决于工艺过程及安全仪表系统的设置。
④过程适应原则
安全仪表系统的设置必须根据工艺过程的运行规律,为工艺过程在正常运行和非正常运行时服务。
正常时安全仪表系统不能影响过程运行,在工艺过程发生危险情况时安全仪表系统要发挥作用,保证工艺装置的安全。
这就是系统设计的过程适应原则。
1.3.3回路配置原则
为保证系统的安全性和可靠性，以下2个原则在回路配置时应当加以注意。
①独立设置原则
用于SIS和BPCS（基本过程控制系统）的信号检测应各自采用检测元件。
在SIL3级时，BPCS的控制阀不能用作SIS仅有的最终元件;
在SIL1级与2级时可以使用，但要做安全性检查。
②中间环节最少原则
一个回路中仪表越多可靠性越差，典型情况是本安回路的应用。
在石化装置中，防爆区域在0区的情况很少。
因此可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。
1.4完整的安全仪表回路设计
在系统设计选型时，很容易只要求控制器部分的安全性，忽略了现场仪表的安全要求，实际上安全仪表系统包括了传感单元、逻辑控制单元和最终执行单元，其故障失效率的计算方法如下：
PFDSYS=PFDS+PFDL+PFDFE
式中：
PFDSYS—E/E/PE安全相关系统的安全功能在要求时的平均失效概率
PFDS—传感器子系统要求的平均失效概率
PFDL—逻辑子系统要求的平均失效概率
PFDFE—最终元件子系统要求的平均失效概率
子系统结构图
1.5安全仪表系统的设计步骤
按照安全生命周期的内容，一套完整的SIS的设计主要包含以下步骤:
（1）过程系统初步设计,包括系统定义、系统描述和总体目标确认。
（2）执行过程系统危险分析和风险评价。
（3）论证采用非安全控制保护方案能否防止识别出的危险或降低风险。
（4）判断是否需要设计安全控制系统SIS,如果需要则转第（5）步,否则按常规控制系统设计。
（5）依据IEC61508确定对象的安全度等级SIL。
（6）确定安全要求技术规范SRS。
（7）完成SIS初步设计并检验是否符合SRS。
（8）完成SIS详细设计。
（9）SIS组装、授权、预开车及可行性试验。
（10）在建立操作和维护规程的基础上,完成预开车安全评价。
（11）SIS正式投用,操作、维护及定期进行功能测试。
（12）当原工艺流程被改造或在生产实践中发现安全控制系统不完善时,判断安全控制系统是否停用或改进。
（13）如果需要改进,则转至第
（2）步进入新的过程安全生命周期设计。
完整的SIS设计的步骤
第2章安全度等级SIL的计算方法
SIS系统设计完成之后，其可靠性和安全性的评价标准就是要求时失效概率PFD。
其SIL等级应该通过计算PFDavg来确定。
2.1系统结构介绍
2.1.11oo1结构
这种结构包括一个单通道。
在这种结构中当产生一次要求时，任何危险失效就会导致一个安全功能失效。
1oo1物理结构图
2.1.21oo2结构
此结构由两个并联的通道组成，无论哪一个通道都能处理安全功能。
因此如果两个通道都存在危险失效，则在要求时某个安全功能失效。
假设任何诊断测试仅报告发现故障，但并不改变任何输出状态或输出表决。
1oo2物理结构图
2.1.32oo2结构
此结构由并联的两个通道构成，因此，在发生安全功能之前两个通道都要求功能。
假设任何诊断测试仅报告发现故障，并不改变任何输出状态或输出表决。
2oo2物理结构图
2.1.42oo3结构
此结构由3个并联通道构成，其输出信号具有多数表决安排，这样，如果仅其中一个通道的输出与其他两个通道的输出状态不同时，输出状态不会因此而改变。
假设任何诊断测试只报告发现故障，不改变任何输出状态或者输出表决。
2oo3物理结构图
2.1.51oo2D结构
此结构中由并联的两个通道构成，正常工作期间，在发生安全功能前，两个通道都要求安全功能。
此外，如果任一通道中诊断测试检测到一个故障，则将采用输出表决，因此整个输出状态则按照另一通道给出的输出状态。
如果诊断测试在两个通道中同时检测到故障，或者检测到两个通道间存在的差异时，输出则转为安全状态。
为了检测两个通道间的差异，通过一种与另一通道无关的方法，无论其中哪个通道都能确定另一通道的状态。
1oo2D物理结构图
2.2SIL的可靠性框图计算方法
2.2.11oo1结构的可靠性框图
1oo1可靠性框图
通道的等效平均停止工作时间表示如下：
已被检测和未被检测到的危险失效率如下：
此结构在要求时的平均失效概率为：
2.2.21oo2结构的可靠性框图
1oo2可靠性框图
系统等效停止工作时间表示如下：
2.2.32oo2结构的可靠性框图
2oo2可靠性框图
2.2.42oo3结构的可靠性框图
2oo3可靠性框图
2.2.51oo2D结构的可靠性框图
每个通道中被检测的安全失效率如下：
1oo2D可靠性框图
2.2.6术语列表
缩略语及符号
术语（单位）
检验测试时间间隔（h）
要求之间的时间间隔
MTTR
平均恢复时间（h）
DC
诊断覆盖率（在公式中以一个分数或者百分比表示）
具有共同原因的、没有被检测到的失
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