1、2.1 系统结构介绍.7 2.1.1 1oo1结构.7 2.1.2 1oo2结构.7 2.1.3 2oo2结构.8 2.1.4 2oo3结构.8 2.1.5 1oo2D结构.8 2.2 SIL的可靠性框图计算方法.9 2.2.1 1oo1结构的可靠性框图.9 2.2.2 1oo2结构的可靠性框图.10 2.2.3 2oo2结构的可靠性框图.10 2.2.4 2oo3结构的可靠性框图.11 2.2.5 1oo2D结构的可靠性框图.11 2.2.6术语列表.12 2.3 SIL的马尔可夫模型计算方法.13 2.3.1 1oo1结构的马尔可夫模型.13 2.3.2 1oo2结构的马尔可夫模型.14
2、2.3.3 2oo2结构的马尔可夫模型.16 2.3.4 2oo3结构的马尔可夫模型.18 2.3.5 1oo1D结构的马尔可夫模型.20 2.3.6 1oo2D结构的马尔可夫模型.20 2.3.7 术语列表.22 2.4 SIL的故障树分析计算方法.24 2.4.1 1oo1结构的PFD故障树.24 2.4.2 1oo2结构的PFD故障树.24 2.4.3 2oo2结构的PFD故障树.25 2.4.4 2oo3结构的PFD故障树.25 2.4.5 2oo4结构的PFD故障树.26 2.4.6 1oo1D结构的PFD故障树.26 2.4.7 1oo2D结构的PFD故障树.27 2.4.8 2o
3、o2D结构的PFD故障树.27 2.4.9 2oo4D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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、,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 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。可用性原则 可用性不影响系统的安全性
9、,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 = M TB F/ ( M TB F + M T TR) 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。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。过程适应原则 安全仪表系统的设置必须根据
10、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。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。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
11、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
12、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
13、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 2.1.1 1oo1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 2.1.2 1oo2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
14、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 2.1.3 2oo2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 2.1.4 2oo3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 2.1.5
15、1oo2D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 2.2 SIL的可靠性框图计算方法 2.2.1 1oo1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:2.2.2 1oo2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:2.2.3 2oo2结构的可靠性框图 2oo2可靠性框图 2.2.4 2oo3结构的可靠性框图 2oo3可靠性框图 2.2.5 1oo2D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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