1、石化装置安全联锁系统_SIS_常用评估方法探讨.txt 如果青春的时光在闲散中度过，那么回忆岁月将是一场凄凉的悲剧。杂草多的地方庄稼少，空话多的地方智慧少。即使路上没有花朵，我仍可以欣赏荒芜。 本文由 whyerbruce 贡献pdf 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。2010 年 38 卷第 1 期广州化工191生产技术石化装置安全联锁系统 ( SIS)常用评估方法探讨方向荣 ,庄力健 ,袁文彬(合肥通用机械研究院压力容器与管道国家工程技术中心 , 安徽 合肥 230031 )L 摘 : 介绍了石化装置安全联锁系统评估中分析其安全完整性水平
2、( Safety Integrity Level,简称 SI )的一些常用方法 ,并对其 要进行了分析比较 ,给出了不同方法的适用范围及其优缺点 ,对实际分析工作具有一定的指导意义 。L 关键词 : 安全联锁系统 ( SIS) ; 安全完整性水平 ( SI ) ;故障树 ( FTA ) ;可靠性块图 ; M arkov 模型Study on Comm on ly Used M ethods in the Eva lua tion of Safety In strum en ted System ( S IS) in Petrochem ica l Plan tsFAN G X iang - r
3、ong, ZHUAN G L i - jian, YUAN W en - bin( State Pressure Vessel and Pipe Research Center, Hefei General M achinery Institute, Anhui Hefei 230031, China ) Abstract: Some commonly used m ethods in the evaluation of SIS ( Safety Instrumented System ) and its SI ( Safety L Instrum ented Level ) were int
4、roduced. Through the analogy and comparison of three different m ethods, the app lying scopes, advantages and disadvantages of the various of those methods were pointed out A ll these made it constructive for . our p ractical work. Key words: safety instrum ented system; safety integrity level; FTA;
5、 reliability block diagram; M arkov model1 概述石化装置的生产工艺通常存在高温高压环境 ,且介质多为易 燃易爆 ,因此在重要部位配置安全联锁系统以实现生产安全与工 艺稳定是十分必要的 。安全联锁评估的相关国际标准 IEC61511 通过图示简明扼要的说明了过程工业中典型的降低风险方法 1 (见图 1 ) 。安全联锁系统 ( Safety Instrumented System, 以下简称SIS)作为过程安全的最后屏障 ,当控制系统出现异常时 ,为避免危目前石化装置应用的成套安全联锁系统主要有 Triconex 的 紧急停车系统 ( Emergency
6、Shut Down,简称 ESD ) 、 Honeywell 的失 效安全控制系统 ( Fail Safe Controller, 简称 FSC) 以及 H I A 的 MSIS 产品等等 。尽管上述系统的可靠性很高 ,但由于一个完整的安全联锁系统是由传感器 、 逻辑运算 、 执行元件三部分组成 , 而 且传感器和执行元件形式多种多样 ,供货商也各不相同 , 因此必 须针对具体的联锁回路进行安全完整性分析才能较为准确地确 定联锁回路的 SI 等级 。 L 通过对 SIS 进行分析评估 ,能够发现其安全完整性等级能否 达到保障安全生产的需求 ,并能对安全联锁系统的设计 、 优化和 改造提出指导
7、。通常安全分析技术分为定性和定量两种 (见图2)5 险情况的发生 ,或减缓由于过程安全事故造成的后果 ,联锁系统 应立即执行动作2 - 3 。统计资料表明 ,在过程工业中 ,由联锁系统所造成的安全事故在全部事故中所占的比重最大 4 。,本文主要讨论 SIS 评估中常用的故障树分析 、 可靠性块图和马尔科夫模型三种定量分析方法 。图 1 过程工业中典型的降低风险方式图 2 分析技术概览1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.http:/192广州化工2010 年 38 卷第
8、 1 期圈表示状态 ,圆圈之间的弧线表示状态的转移 ,并在弧线上标明 各种转移的概率 。通过马尔科夫模型可以对未来各种状态的出 现可能进行概率上的分析计算 。2. 3. 1 优点 ( 1 )非常详细 ; (2)一个模型可以描述整个系统 ; (3)可以对不同的维修行为进行建模 ; ( 4 )可以对序列事件间的依赖性进行建模 。 2. 3. 2 缺点 : ( 1 )分析起来复杂 ; (2)对于非专业人员模型难以建立和验证 (不过软件等相关2 常用定量分析方法2. 1 故障树分析故障树分析是由贝尔实验室的 H. A. W atson 在 1961 1962 年开发的用于识别系统存在问题的由上而下的分
9、析技术2. 1. 1 优点 ( 1 )可对复杂系统进行分解 ,生成的部分可以进行自己的故6 ,通过对顶部事件进行追根溯源的层次分析从而得到系统的故障概率 。障树分析 ; (2)除了能够考虑硬件 、 软件失效的因素外 ,还能对其它影响 失效的条件和因素如人为因素进行处理 (通常为定性的方式 ) ; ( 3 )有工具可进行评估 、 量化甚至自动生成故障树 ;( 4 )模型能够被一般人所理解 ; (5)利于对存在冗余的系统进行分析 。 2. 1. 2 缺点 ( 1 )每个故障树只针对具体的某一个事件 ,对于不同的顶部 事件 (如安全 /危险系统失效 )需进行不同的模型分析 ; ( 2 )计算结果通常
10、是某一时间的顶部事件的概率 (常为稳定 状态 ) ; ( 3 )序列事件无法利用传统的故障树建模 ,但新开发的诸如技术正在开发 ) ; ( 3 )模型可能会很庞大 ;( 4 )通常每一个系统的改变会需要重新创建新模型 ; ( 5 )马尔科夫模型通常采用固定失效概率 ,这意味着磨损 、 疲 劳之类的影响需要运用不同的方式进行建模 (半马尔科夫过程 ) 。3 三种常用方法具体运用的比较为便于对照分析 ,现引用 IEC61508 - 6 附录 B 例子 (图 3 ) , 其中检验周期为 1 年 。“ 动态故障树 ” 可以实现安全事件中有关序列的部分 ; ( 4 )不能充分体现维修的因素 ;(5)无法
11、对事件间的交互作用进行建模 (例如某基础事件的发生对其它的基础事件也会有影响 ) 。2. 2 可靠性块图可靠性块图是系统可靠性特征的图形展现 , 它将系统用若 干个功能块来表示 。各功能块的失效机制相互独立 , 连接线从 可靠性的角度表示块之间的依赖关系 , 连接线并不一定代表物 理连接 。通过对各块运用概率上的一般法则得到系统的可靠 性。2. 2. 1 优点 ( 1 )分析相对简单 ; ( 2 )用块图表示易于理解系统的可靠性行为 ; ( 3 )有工具可以利用 。 2. 2. 2 缺点 (1)块只能有一种失效模式 ; ( 2 )未考虑测试和维修 ; ( 3 )共因失效只能通过引入额外的块加以
12、解决 ; ( 4 )无法对系统退化状态进行建模 ; (5)失效事件的时间和序列无法进行建模 ; (6)系统层面的安全失效和危险失效需要不同的模型进行图 3 IEC61508 例子运用故障树分析过程见图 4 示例 ; 运用可靠性块图法采用IEC61508 提供的公式计算 ; 运用马尔科夫模型见图 5 示例 。不同方法的计算结果综合如表 1。评估 ; ( 7 )通常以计算可靠性为目的 。2. 3 马尔科夫模型马尔科夫模型用一组互相排斥的状态及其相互间的转移来 描述一个系统 。系统在某个时间点只能处于某一个状态 , 随着 时间的推移从某一状态转移到另一状态 。马尔科夫模型的一个 重要特性是它的“ 无
13、记忆性 ” 从某一状态转移出去完全独立 于系统在此状态之前的行为 , 即无论系统通过怎样的方式进入 此状态 ,此状态的下一步转移完全独立 。马尔科夫模型常用圆图 4 故障树法计算传感器单元失效概率1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.http:/2010 年 38 卷第 1 期广州化工表 1 常用方法计算结果对比193传感器 单元检修周期为 1 年的故障率 逻辑运 终端执 系统综合 算单元 行单元 故障率传感器 单元检修周期为 2 年的故障率 逻辑运 终端执 系统综合
14、算单元 行单元 故障率传感器 单元检修周期为 3 年的故障率 逻辑运 终端执 系统综合 算单元 行单元 故障率故 障 树 6. 85 - 4 4. 57 - 6 2 63 - 2 10 10 . 10 分 析 可 靠 性 2. 3 - 4 4. 8 - 6 10 10 块 图2 70 - 2 . 101 38 - 3 9 51 - 6 5 26 - 2 . 10 . 10 . 105. 40 - 2 102 10 - 3 1 48 - 5 7 89 - 2 . 10 . 10 . 108. 10 - 2 101. 3 - 2 101 3 -2 . 104 6 -4 . 109. 2 - 6 2
15、 64 - 2 10 . 102. 69 - 2 106 94 - 4 1 35 - 5 3 95 - 2 . 10 . 10 . 104. 02 - 2 10马 尔 科 10 - 4 5 2 - 6 2 61 - 2 . 10 . 10 夫 6. 71 模 型2 68 - 2 . 101 35 - 3 2 92 - 6 5 16 - 2 . 10 . 10 . 105. 30 - 2 102 05 - 3 3 14 - 6 7 67 - 2 . 10 . 10 . 107. 88 - 2 104 结 论通过对上述三种安全联锁评估工作中常用方法的论述及具 体案例的分析对比 ,可发现在通常情况下
16、三者的差别并不大 ,但 考虑三者在实际应用中建模方式的差别 , 马尔科夫模型更能贴 近实际情况 。建模时也更为详尽 ,例如 : 实际过程工业中经常有 在线维修行为存在 ,这对系统的运行是有影响的 (往往能起到延 长运行周期的作用 ) ,马尔科夫模型利用修复率的概念考虑了这 一因素 ,但故障树和可靠性块图却没有 。当然 ,面对十分复杂的 系统时 ,运用马尔科夫建模是很复杂的而且工作量大 ,此时若能图 5 马尔科夫模型计算传感器单元失效概率结合故障树方法进行快速有效的分析必能提高分析效率 , 另外 对于可靠性块图法 , IEC61508 - 6 给出了对照表 , 对常见的一些SIS 系统结构能够快
17、速的查到对应的故障率 。故对石化装置进行 SIS 分析的过程中 ,方法并不是唯一的 , 而要根据具体情况灵 活运用 ,这也正是 IEC61508 和 IEC61511 标准的精神之一 。 安全联锁系统 ( SIS) 作为石化企业资产整体管理体系的一 个重要组成部分 ,直接影响到企业生产能否安全稳定地进行 ,合 理有效的利用以上三种方法对其开展分析评估 , 确定其安全完 整性水平 ( SI ) ,可以更加清晰地了解企业内各生产装置安全联 L 锁系统的状况 , 从而做出更加科学的改进和管理 , 排除安全隐 患 ,减少误跳车 ,使装置更加安全高效地运行 。 参考文献图 6 不同方法及不同维修周期下的
18、系统故障率 1 IEC61511 - 1. Functional safety safety instrumented system s for the p rocess industry sector 2003. . 2 W illiam (B ill) L. Mostia, J r P. E, Safety Instrumented System s ( PPT) . OL . controlsweekly com , 2006. . 3 邵建设 . 安全联锁系统的可靠性及可用性分析 J . 化工自动化及通过对整个系统故障率的计算结果的对比 (图 6 ) , 可知故 障树分析法 、 可靠性
19、块图法和马尔科夫模型三者的计算结果虽 不完全一致 ,但都处于同一水平 , 即对应于 IEC61511 的安全完 整性水平 ( SI )是相同的 ,见表 2。 L 表 2 IEC 标准规定的 SI 等级 L安全完整性水平( SI ) L 4 3 2 1仪表 , 2003, 30 ( 2) : 34 - 37. 4 Out of Control: “W hy Control System s go W rong and How to Prevent Failure” U. K, Sheffield, Health and Safety Executive, 1995. , 5 Enhanced M
20、arkov Analysis as a method to assess safety in the p rocess industry, Johannes L. Rouvroye. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven, 2001. 6 W illiam M. Goble. Control System s Safety Evaluation & Reliability, 2nd Edition, 1998: 101 - 115.平均失效概率(响应模式 ) 10 - 5 to 10000 to100000 1000 to10000 100 to1000 10 to1001994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.http:/1
