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SIS(安全儀表)係統

SIS是Safety Instrumented System的簡稱,中文的意思是安全儀表係統, 它是根據美國儀表學會(ISA)對安全控製係統的定義而得名的。安全儀表係統(SIS)包括安全聯鎖係統、緊急停車係統和有毒有害、可燃氣體及火災檢測保護係統等。簡要的說,安全儀表係統(SIS)是指能實現一個或多個安全功能的係統。每個安全功能都能把事故發生的概率和風險降低到一個可以接受的水平。

配置示意圖

sis

安全儀表係統的分級

SIL分級 

SIL是Safety Integrity Level的簡稱,中文意思是綜合安全級別也稱為安全度等級。是美國儀表學會(ISA)在S84.01標準中對過程工業中安全儀表係統所作的分類等級,分為1、2、3三級:

SIL1級每年故障危險的平均概率為0.10~0.01之間;

SIL2級每年故障危險的平均概率為0.01~0.001之間;

SIL3級每年故障危險的平均概率為0.001~0.0001之間


SIL等級的確認 

1級:裝置可能很少發生事故。如發生事故,不會立即造成環境汙染和人員傷亡,經濟損失不大。用於本級別的安全儀表係統,需取得SIL1級和TüV2-3級認證,對裝置和產品起一般的保護。

2級:裝置可能偶爾發生事故。如發生事故,對裝置和產品有較大的影響,並有可能造成環境汙染和人員傷亡,經濟損失較大。用於本級別的安全儀表係統,需取得SIL2級和TüV4級認證,對裝置和產品提供保護。

3級:裝置可能經常發生事故。如發生事故,對裝置和產品將造成嚴重的影響,並造成嚴重的環境汙染和人員傷亡,經濟損失嚴重。用於本級別的安全儀表係統,需取得SIL3級和TüV5-6級認證,對裝置和產品提供保護。


安全儀表係統的組成

SIS係統的組成分為傳感器部分、邏輯運算部分和最終執行器單元三部分。

傳感器單元采用多台儀表或係統,將控製功能與安全聯鎖功能隔離,即傳感器分開獨立配置的原則,做到安全儀表係統與過程控製係統的實體分離。

最終執行元件(切斷閥、電磁閥)是安全儀表係統中危險性最高的設備。

邏輯運算單元由輸入模塊、控製模塊、診斷回路、輸出模塊4部分組成。

sis

sis

安全儀表係統的選型設計

設計的原則

SIS原則上應單獨設置,獨立與DCS和其他係統,並與DCS進行通信;

SIS應具有完善的診斷測試功能,SIS應采用經安全認證的控製器;

SIS關聯的檢測元件、執行機構原則上單獨設置;

SIS中間環節應保持最少;

SIS應采用冗餘或容錯結構;

SIS應設計成故障安全型,I/O模件應帶電磁隔離或光電隔離,每通道應相互隔離,可帶電插拔;

來自現場的三取二信號應分別接到三個不同的輸入卡;

當現場變送器信號同時用於SIS、DCS時,應先接到SIS係統後接到DCS係統;

采用SIS係統對變送器進行供電;

負荷不應超過50%;

電源應冗餘配置;

采用等電位接地。

傳感器及執行元件,正常工況應是帶電(勵磁);非正常工況應是失電(非勵磁);

電磁閥冗餘配置時,有兩種連接方式:

    並聯連接 -- 可用性好;

    串聯連接 -- 安全性好。


SIS傳感器設計選用

獨立設置原則:     

                   1級  SIS傳感器可與DCS共用;

                   2級  SIS傳感器宜與DCS分開;

                   3級  SIS傳感器應與DCS分開;

冗餘設置原則:     

                   1級  SIS傳感器可采用單一的傳感器;

                   2級  SIS傳感器宜采用冗餘的傳感器; 

                   3級  SIS傳感器應采用冗餘的傳感器;

冗餘選擇原則:   

保證係統的安全性時,采用“或”邏輯結構;保證係統的可用性時,采用“與”邏輯結構;當係統的安全性和可用性均需保證時,采用“三取二”邏輯結構;傳感器宜采用隔爆型的變送器(壓力、差壓、差壓流量、差壓液位、溫度),不宜采用開關型傳感器;傳感器由SIS係統供電。


SIS邏輯運算器設計選用

SIS邏輯運算器:繼電器係統,可編程序電子係統,混合係統三種;

繼電器用於I/O點較少,邏輯功能簡單的場合;

可編程電子係統用於I/O點較多,邏輯功能複雜,與DCS、MES通信等場合;

可編程電子係統可以是經TUV認證的PLC係統,也可是DCS和其他專用係統;

獨立設置原則:  1級SIS邏輯運算器宜與DCS分開;

2級SIS邏輯運算器應與DCS分開;  

3級SIS邏輯運算器必須與DCS分開;

冗餘設置原則:  

                1級SIS可采用單一的邏輯運算器;

                2級SIS宜采用冗餘或容錯邏輯運算器;

                3級SIS應采用冗餘容錯邏輯運算器;


SIS執行元件設計選用

執行元件:氣動切斷閥(帶電磁閥),氣動控製閥(帶電磁閥),電  動閥或液動閥等。 

獨立設置原則: 1級 SIS 閥門可與DCS共用,應確保SIS優先於DCS動作;

              2級SIS閥門宜於DCS分開;

              3級SIS閥門宜於DCS分開;

冗餘設置原則:1級 SIS 可采用單一閥門;

              2級宜采用冗餘閥門;如采用單一閥門,電磁閥宜冗餘配置;

              3級宜采用冗餘閥門;可采用一個控製閥和一個切斷閥;

電磁閥設置原則:電磁閥應采用長期帶電,低功耗,隔爆型;由SIS係統供電。


SIS與DCS的區別

SIS與DCS在石油、石化生產過程中分別起著不同的作用,如下圖所示:生產裝置從安全角度來講,可分為3個層次:第一層為生產過程層,第二層為過程控製層,第三層為安全儀表係統停車保護層。

 

DCS 

SIS 

DCS用與過程連續測量、常規控製(連續、順序、間歇等)、操作控製管理,保證生產裝置平穩運行

SIS用與監視生產裝置的運行狀況,對出現異常工況迅速進行處理,使故障發生的可能性降到最低,使人和裝置處於安全狀態

DCS是“動態”係統,它始終對過程變量連續進行檢測、運算和控製,對生產過程動態控製,確保產品質量和產量

SIS是靜態係統,在正常工況下,它始終監視裝置的運行,係統輸出不變,對生產過程不產生影響,在異常工況下,它將按著預先設計的策略進行邏輯運算,使生產裝置安全停車

DCS可進行故障自動顯示

SIS必須測試潛在故障

DCS對維修時間的長短的要求不算苛刻

SIS維修時間非常關鍵,弄不好造成裝置全線停車

DCS可進行自動/手動切換

SIS永遠不允許離線運行,否則生產裝置將失去安全保護屏障

DCS係統隻做一般聯鎖、泵的開停、順序等控製,安全級別要求不象SIS那麽高

SIS與DCS相比,在可靠性、可用性上要求更嚴格,IEC61508,ISA·S84.01強烈推薦SIS與DCS硬件獨立設置

 

SIS係統的配置方案


上位機:

工程師兼操作員站、工業組態軟件、報表打印機、UPS電源、聯網設備


安全控製器:

GE PAC8000、西門子S7-400FH


現場安全儀表:

壓力變送器、氣體檢測(有毒或可燃)、溫度變送器、閥門、泵、ESD按鈕


輔助操作盤:

指示燈、啟停按鈕、ESD按鈕、旁路開關

 

供電部分:

SIS係統的供電分係統供電、安全控製器供電、現場儀表供電。係統供電主要是220VAC,要求由兩路供電實現,一路是市電進入到UPS,由UPS供電(要求高的SIS係統,UPS係統要冗餘配置),另外一路是業主方提供的發電機供電,兩路供電經過冗餘電源開關,同時對內供電;

安全控製器供電主要是由安全控製器廠家提供的開關電源,開關電源要冗餘配置,兩路交流220VAC進,一路直流電輸出(一般有5VDC、12VDC等直流輸出);

現場儀表供電主要是由安全控製器廠家或其它廠家提供的開關電源,開關電源冗餘配置,兩路交流220VAC進,一路直流電輸出(一般24VDC等直流輸出);


上位機部分:

SIS係統的上位機部分主要作用是監控安全控製器的運行、現場安全儀表的運行、記錄安全儀表的曆史數據及開關輸入變化記錄(又叫SOE),具備報表打印及參數設置等功能,對SIS係統的作用是非決定性的,出現異常時,不由上位機發出指令,即使沒有上位機也不影響SIS係統安全控製。所以對計算機、工業組態軟件等配置要求不高。


安全控製器部分:

SIS係統的安全控製器配置必須要符合安全等級的設計要求,如果設計要求安全等級要達到SIL2,那麽安全控製器的所有設備必須取得SIL2的認證,否則就不能采用。目前國內的大部分SIS設計的安全等級要求都是SIL2以上,所以所配的安全控製器除了要取得認證,同時控製器的CPU、通訊模塊、電源模塊等要采取冗餘配置、I/O模塊要采用安全型的。


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SIS是Safety Instrumented System的簡稱,中文的意思是安全儀表係統, 它是根據美國儀表學會(ISA)對安全控製係統的定義而得名的。安全儀表係統(SIS)包括安全聯鎖係統、緊急停車係統和有毒有害、可燃氣體及火災檢測保護係統等。簡要的說,安全儀表係統(SIS)是指能實現一個或多個安全功能的係統。每個安全功能都能把事故發生的概率和風險降低到一個可以接受的水平。

配置示意圖

sis

安全儀表係統的分級

SIL分級 

SIL是Safety Integrity Level的簡稱,中文意思是綜合安全級別也稱為安全度等級。是美國儀表學會(ISA)在S84.01標準中對過程工業中安全儀表係統所作的分類等級,分為1、2、3三級:

SIL1級每年故障危險的平均概率為0.10~0.01之間;

SIL2級每年故障危險的平均概率為0.01~0.001之間;

SIL3級每年故障危險的平均概率為0.001~0.0001之間


SIL等級的確認 

1級:裝置可能很少發生事故。如發生事故,不會立即造成環境汙染和人員傷亡,經濟損失不大。用於本級別的安全儀表係統,需取得SIL1級和TüV2-3級認證,對裝置和產品起一般的保護。

2級:裝置可能偶爾發生事故。如發生事故,對裝置和產品有較大的影響,並有可能造成環境汙染和人員傷亡,經濟損失較大。用於本級別的安全儀表係統,需取得SIL2級和TüV4級認證,對裝置和產品提供保護。

3級:裝置可能經常發生事故。如發生事故,對裝置和產品將造成嚴重的影響,並造成嚴重的環境汙染和人員傷亡,經濟損失嚴重。用於本級別的安全儀表係統,需取得SIL3級和TüV5-6級認證,對裝置和產品提供保護。


安全儀表係統的組成

SIS係統的組成分為傳感器部分、邏輯運算部分和最終執行器單元三部分。

傳感器單元采用多台儀表或係統,將控製功能與安全聯鎖功能隔離,即傳感器分開獨立配置的原則,做到安全儀表係統與過程控製係統的實體分離。

最終執行元件(切斷閥、電磁閥)是安全儀表係統中危險性最高的設備。

邏輯運算單元由輸入模塊、控製模塊、診斷回路、輸出模塊4部分組成。

sis

sis

安全儀表係統的選型設計

設計的原則

SIS原則上應單獨設置,獨立與DCS和其他係統,並與DCS進行通信;

SIS應具有完善的診斷測試功能,SIS應采用經安全認證的控製器;

SIS關聯的檢測元件、執行機構原則上單獨設置;

SIS中間環節應保持最少;

SIS應采用冗餘或容錯結構;

SIS應設計成故障安全型,I/O模件應帶電磁隔離或光電隔離,每通道應相互隔離,可帶電插拔;

來自現場的三取二信號應分別接到三個不同的輸入卡;

當現場變送器信號同時用於SIS、DCS時,應先接到SIS係統後接到DCS係統;

采用SIS係統對變送器進行供電;

負荷不應超過50%;

電源應冗餘配置;

采用等電位接地。

傳感器及執行元件,正常工況應是帶電(勵磁);非正常工況應是失電(非勵磁);

電磁閥冗餘配置時,有兩種連接方式:

    並聯連接 -- 可用性好;

    串聯連接 -- 安全性好。


SIS傳感器設計選用

獨立設置原則:     

                   1級  SIS傳感器可與DCS共用;

                   2級  SIS傳感器宜與DCS分開;

                   3級  SIS傳感器應與DCS分開;

冗餘設置原則:     

                   1級  SIS傳感器可采用單一的傳感器;

                   2級  SIS傳感器宜采用冗餘的傳感器; 

                   3級  SIS傳感器應采用冗餘的傳感器;

冗餘選擇原則:   

保證係統的安全性時,采用“或”邏輯結構;保證係統的可用性時,采用“與”邏輯結構;當係統的安全性和可用性均需保證時,采用“三取二”邏輯結構;傳感器宜采用隔爆型的變送器(壓力、差壓、差壓流量、差壓液位、溫度),不宜采用開關型傳感器;傳感器由SIS係統供電。


SIS邏輯運算器設計選用

SIS邏輯運算器:繼電器係統,可編程序電子係統,混合係統三種;

繼電器用於I/O點較少,邏輯功能簡單的場合;

可編程電子係統用於I/O點較多,邏輯功能複雜,與DCS、MES通信等場合;

可編程電子係統可以是經TUV認證的PLC係統,也可是DCS和其他專用係統;

獨立設置原則:  1級SIS邏輯運算器宜與DCS分開;

2級SIS邏輯運算器應與DCS分開;  

3級SIS邏輯運算器必須與DCS分開;

冗餘設置原則:  

                1級SIS可采用單一的邏輯運算器;

                2級SIS宜采用冗餘或容錯邏輯運算器;

                3級SIS應采用冗餘容錯邏輯運算器;


SIS執行元件設計選用

執行元件:氣動切斷閥(帶電磁閥),氣動控製閥(帶電磁閥),電  動閥或液動閥等。 

獨立設置原則: 1級 SIS 閥門可與DCS共用,應確保SIS優先於DCS動作;

              2級SIS閥門宜於DCS分開;

              3級SIS閥門宜於DCS分開;

冗餘設置原則:1級 SIS 可采用單一閥門;

              2級宜采用冗餘閥門;如采用單一閥門,電磁閥宜冗餘配置;

              3級宜采用冗餘閥門;可采用一個控製閥和一個切斷閥;

電磁閥設置原則:電磁閥應采用長期帶電,低功耗,隔爆型;由SIS係統供電。


SIS與DCS的區別

SIS與DCS在石油、石化生產過程中分別起著不同的作用,如下圖所示:生產裝置從安全角度來講,可分為3個層次:第一層為生產過程層,第二層為過程控製層,第三層為安全儀表係統停車保護層。

 

DCS 

SIS 

DCS用與過程連續測量、常規控製(連續、順序、間歇等)、操作控製管理,保證生產裝置平穩運行

SIS用與監視生產裝置的運行狀況,對出現異常工況迅速進行處理,使故障發生的可能性降到最低,使人和裝置處於安全狀態

DCS是“動態”係統,它始終對過程變量連續進行檢測、運算和控製,對生產過程動態控製,確保產品質量和產量

SIS是靜態係統,在正常工況下,它始終監視裝置的運行,係統輸出不變,對生產過程不產生影響,在異常工況下,它將按著預先設計的策略進行邏輯運算,使生產裝置安全停車

DCS可進行故障自動顯示

SIS必須測試潛在故障

DCS對維修時間的長短的要求不算苛刻

SIS維修時間非常關鍵,弄不好造成裝置全線停車

DCS可進行自動/手動切換

SIS永遠不允許離線運行,否則生產裝置將失去安全保護屏障

DCS係統隻做一般聯鎖、泵的開停、順序等控製,安全級別要求不象SIS那麽高

SIS與DCS相比,在可靠性、可用性上要求更嚴格,IEC61508,ISA·S84.01強烈推薦SIS與DCS硬件獨立設置

 

SIS係統的配置方案


上位機:

工程師兼操作員站、工業組態軟件、報表打印機、UPS電源、聯網設備


安全控製器:

GE PAC8000、西門子S7-400FH


現場安全儀表:

壓力變送器、氣體檢測(有毒或可燃)、溫度變送器、閥門、泵、ESD按鈕


輔助操作盤:

指示燈、啟停按鈕、ESD按鈕、旁路開關

 

供電部分:

SIS係統的供電分係統供電、安全控製器供電、現場儀表供電。係統供電主要是220VAC,要求由兩路供電實現,一路是市電進入到UPS,由UPS供電(要求高的SIS係統,UPS係統要冗餘配置),另外一路是業主方提供的發電機供電,兩路供電經過冗餘電源開關,同時對內供電;

安全控製器供電主要是由安全控製器廠家提供的開關電源,開關電源要冗餘配置,兩路交流220VAC進,一路直流電輸出(一般有5VDC、12VDC等直流輸出);

現場儀表供電主要是由安全控製器廠家或其它廠家提供的開關電源,開關電源冗餘配置,兩路交流220VAC進,一路直流電輸出(一般24VDC等直流輸出);


上位機部分:

SIS係統的上位機部分主要作用是監控安全控製器的運行、現場安全儀表的運行、記錄安全儀表的曆史數據及開關輸入變化記錄(又叫SOE),具備報表打印及參數設置等功能,對SIS係統的作用是非決定性的,出現異常時,不由上位機發出指令,即使沒有上位機也不影響SIS係統安全控製。所以對計算機、工業組態軟件等配置要求不高。


安全控製器部分:

SIS係統的安全控製器配置必須要符合安全等級的設計要求,如果設計要求安全等級要達到SIL2,那麽安全控製器的所有設備必須取得SIL2的認證,否則就不能采用。目前國內的大部分SIS設計的安全等級要求都是SIL2以上,所以所配的安全控製器除了要取得認證,同時控製器的CPU、通訊模塊、電源模塊等要采取冗餘配置、I/O模塊要采用安全型的。


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