在役安全仪表系统的ＳＩＬ验证方法与实例吴少国．等 在役安全仪表系统的ＳＩＬ验证方法与实例 ＳＩＬ Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｉｎｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｉｎ—ｓｅｒｖｉｃｅ Ｓａｆｅｔｙ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ 关步圈 绻 俞吏光 ３１００５３） （浙江中控技术股份有限公司，浙江杭州摘要：针对国内过程工业安全仪表系统（ＳＩＳ）应用中出现的不规范问题，提出要加强安全仪表系统评估和ＳＩＬ验证等工作的管理， 以确保ＳＩＳ系统满足所需要的风险降低要求。依据ＳＩＳ相关标准，介绍了ＳＩＬ验证的方法、程序、在役安全仪表系统ＳＩＬ验证时应具备 的条件及验证不满足时的建议和措施。对某化工装置中设备液位联锁回路的检验测试周期需要延长的变更要求进行了ＳＩＬ验证计 算，确保了ＳＩＳ系统的安全应用。 关键词：在役安全仪表系统中图分类号：ＴＨ一３９；ＴＰ２０６ 安全完整性等级验证可靠性失效概率ＩＥＣ ６１５０８执行器 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．１６０８６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ０００—０３８０．２０１６０１００２ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ Ｓ．Ｃｃｏ￣ｄｓ．Ｂ，ＣＣ，ｓｉｔｈ ｔｈｅ ｉｒｒｅｇｕｌａｒ ｉｓｓｕｅｓ ｉｎ印ｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ（ＳＩＳ）ｉｎ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ－ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ＳＩＳ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ＳＩＬ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｍｕｓｔ ｔｏ ｂｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ＳＩＳ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｒｉｓｋ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ｏｆ ＳＩＬ ｖｅｒｉｉｃａｔｆｉｏｎ，ｔｈｅ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｃｏｎｄｉｉｔｏｎｓ ｏｆ ＳＩＬ ｖｅｒｉｉｃａｔｉｆｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎ—ｓｅＥｖｉｃｅ ＳＩＳ－ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｍｅａｓｕ／￣ｓ ｆｏｒ ｖｅｒｉｉｃａｔｆｉｏｎ ｎｏｔ ｂｅｉｎｇ ｓａｔｉｓｆｉｅｄ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｅｌａｔｅｄ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ｏｆ ＳＩＳ．Ｔｈｅ ＳＩＬ ｖｅｒｉｉｃａｔｆｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃＩｌａＩｌｇｅ ｒｅｑｕｅｓｔｏｆ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｔｅｓｔ ｐｅｒｉｄｆｏｏｒｔｈｅｌｅｖｅｌｉｎｔｅｒｌｏｃｋｌｏｏｐｉｎ ｃｅｒｔａｉｎ ｃｈｅｍｉｃａｌｆａｃｉｌｉｔｙｉｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ－ｔｏ ｅｎｓｕｒｅｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＳＩＳ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｉｎ—ｓｅｒｖｉｃｅ ＳＩＳ ＳＩＬ Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｙｔ Ｆａｉｌｕｒｅ ｐｒｏｂａｂｉｌｙ ＩＥＣ ｔ６１５０８ Ａｃｔｕａｔｏｒ ０ 引言 随着社会对工业过程安全的日益重视，安全仪表 系统（ＳＩＳ）逐渐被社会认可，并被广泛使用在各类工业 过程生产装置。其对生产过程中的人员、设备及环境 ２５９号文件（即“中国石化安全仪表系统安全完整性等 级评估管理规定”的通知），指出将在役装置ＳＩＬ评估纳 入日常安全生产管理，同时强调在役生产装置进行安全 联锁变更时，应进行ＳＩＬ评估。监管总局的安 监总管三（２０１４）１１６号文件，印发了《监管总 局关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》，其中 明确要求要“积极推进在役安全仪表系统的评估工作”， ２０１９年底前完成安全仪表系统评估和完善工作。 对于在役安全仪表系统，当务之急是在装置全面 开展过程危险分析的基础上，对ＳＩＳ系统进行全面评 估和ＳＩＬ验证计算，以确保ＳＩＳ系统满足所需要的风 险降低要求，保证工业生产装置的运行安全。 起到了较好的保护作用。 最近几年，我们在参与安全仪表系统的新增、改造、 验证、审计等工作中，深感我全仪表系统及其相关 安全保护措施在设计、安装、操作和维护、管理等生命周 期各阶段，还存在危险与风险分析不足、设计选型不当、 冗余容错结构不合理、缺乏明确的检验测试周期、预防 性维护策略针对性不强等问题，安全仪表系统管理工作 的规范性亟待加强。随着我国化工装置、危险化学品储 存设施规模大型化、生产过程自动化水平逐步提高，同 步加强和规范安全仪表系统管理，十分紧迫和必要。 令人欣慰的是，在ＳＩＳ系统的功能明确、配置、安 装调试、评估和管理方面，无论是国家层面还是在大型 企业，都相继出台了一系列标准、意见和通知，要求对 ＳＩＳ的各个环节加强管理和规范。中国石化安（２０１３） 国家８６３计冀ｎ基金资助项目（编号：２０１２ＡＡ０４１１０５）。 修改稿收到日期：２０１５—０４—２８。 １ ＳＩＬ验证方法 ＳＩＬ验证的目的是通过可靠性建模来证实在役或 初步设计完成的安全仪表系统（ＳＩＳ）的每个回路安全 完整性等级（ＳＩＬ）是否满足在设计中提出的目标，若 未满足则提出相应的意见与建议，并加以改进，以此保 证生产装置和设备的安全运行。在ＩＥＣ ６１５１１中明确 规定，每个安全仪表功能（ＳＩＦ）的要求时的失效概率 ＰＦＤ应该等于或低于安全要求规格书中指定的失效目 标值，并且应该通过计算进行确认 。同时在ＳＩＳ系 统生命周期的各个阶段，标准也都规定了要进行有效 的评估和确认 。 ＰＲＯＣＥＳＳ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ ＶｏＬ ３７ Ｎ １ Ｊａｎｕｒａｒｙ ２０１６ 第一作者吴少国（１９６８一），男，１９９２年毕业于西安石油学院信息工 程专业，获学士学位，高级工程师；主要从事过程控制及安全方面的工程 技术与管理工作。 ６ 在役安全仪表系统的ＳＩＬ验证方法与实例吴少国，等 建模方法目前主要有可靠性框图、故障树和马尔 科夫模型等几种方法 ，在此不做详述。ＳＩＬ验证具 足ＳＩＬ要求；增加冗余并选用合理的结构；缩短ＳＩＳ的检 验测试周期＇１７；采用基于不同工作原理和测量技术的现 体方法如图１所示。 图１ ＳＩＬ验证方法 Ｆｉｇ．１ ＳＩＬ ｖｅｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ＳＩＬ验证的最终结果要满足三个方面的要求 ：低 要求操作模式下的平均故障失效概率ＰＦＤａｖｇ，通过计 算满足标准要求的等级；硬件故障裕度满足标准要求； 系统完整性要求，先前使用或ＩＥＣ ６１５０８认证产品。 ２ ＳｌＬ验证程序 ＳＩＬ验证程序，涉及流程、需要具备的条件以及不 合格时应采取的措施和建议、可靠性数据的采用等多 个方面的内容 。卜引。验证程序主要包括成立验证项目 组（专业人员）；准备资料（ＳＩＦ一览表，表格中应包含 安全仪表回路及其ＳＩＬ分级、所用仪表设备信息、设备 失效数据、正在执行的检验测试周期等）；可靠性建 模；软件计算（计算出安全失效分数（ＳＦＦ），结合硬件 故障裕度（ＨＦｒ），得出结构约束的安全完整性等级；根 据失效数据和可靠性模型，计算要求时的失效概率 ＰＦＤ，并符合ＳＩＬ要求时的检验测试周期），同时还可 根据企业需求，计算关键过程的误停车率；输出报告 （计算结果、符合性评价、符合ＳＩＬ要求的检验测试周 期及建议措施等内容）。 其中对出现不符合时的建议和措施是验证中非常 重要的一项工作：当计算出的ＳＩＬ不能达到前期评估时 所要求的等级时，在输出报告中会提出建议和改进措 施，来提高ＳＩＦ的安全等级。通常围绕影响ＳＩＬ的参数 并考虑实际情况提出改进建议和措施：如提高单个设备 的安全等级，即选用ＳＩＬ等级高的设备和仪表，使其满 《自动化仪表》第３７卷第１期２０１６年１月 场传感器和执行机构；同一类型的仪表采用不同制造商 的产品；采用隔爆仪表，减少安全栅等中间环节等。 对在役装置的安全仪表系统不仅需要有原始设计资 料，还应包含运行周期中所有详细的变更与故障资料 ， 通常应具备下列资料：ＨＡＺＯＰ分析报告；装置相关ＰＩＤ 图；ＳＩＦ／ＳＩＬ等级报告；ＳＩＦ详细技术规格；逻辑控制的详 细描述 ；生产周期间的所有变更和故障记录等。 ３ 实例 某化工装置，原设计检验测试周期为２４个月，随 着该企业管理水平的提高，工艺装置的检修周期计划 延长至３６个月，现在需验证此装置所配的ＳＩＳ能否满 足检验测试周期同步延长至３６个月。下面通过其中 一个设备的液位ＳＩＦ回路ＬＴ一０１—６５８（ＳＩＬｌ等级）来 进行验证计算（采用美国ｅｘｉｄａ公司ｅｘＳＩＬｅｎｔｉａ安全生 命周期软件来进行ＳＩＬ验证计算。该软件能自动生成 ＳＩＬ验证计算报告，报告遵循ＡＮＳＩ／ＩＳＡ ８４．００．０１：２００４、 ＩＥＣ ６１５０８、ＩＥＣ６１５１１等标准）。当设备液位高时联锁关 闭蒸汽阀组（ＦＣＶ一０１—６８１和ＥＶ一０１—６５６）和ＰＣＶ一 ０１—６１６，以避免设备内部高压导致事故发生，造成人员 伤亡和设备损坏。工艺简图如图２所示。 ＬＴ．－０１－６５８Ａ／Ｂ／Ｃ … Ｔ－２２０１ 日 ＨＳ Ｊ／１ ｌ，、ｌ Ｐ Ｖ．０Ｉ．６１６ 丫 图２液位连锁回路工艺简图 Ｆｉｇ．２ Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｌｅｖｅｌ ｉｎｔｅｒｌｏｃｋ ｌｏｏｐ ｐｒｏｃｅｓｓ 液位ＳＩＦ回路的输入输出结构见表１，回路可靠性 数据见表２，液位ＳＩＦ回路ＳＩＬ计算结果见表３。 表１液位联锁回路的输入输出 Ｔａｂ．１ Ｉｎｐｕｔｓ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔｓ ｏｆ ｌｅｖｅｌ ｉｎｔｅｒｌｏｃｋ ｌｏｏｐ 回路名称 液位联锁回路 表决形式 输入单元ＬＴ一０１—６５８Ａ／Ｂ／Ｃ ２ｏｏ３ 逻辑单元ＰＥＳ １ｏ０２Ｄ 输出单元ＦＣＶ一０１—６８１／ＥＶ—Ｏ１ ２ｏｏ２ —６５６ 注：整个大组为２ｏｏ２，其中 ＰＣＶ—Ｏ１—６１６ ＦＣＶ一０１—６８１／ＥＶ一０１— ６５６阀组为１ｏ０２ ７ 在役安全仪表系统的ＳＩＬ验证方法与实例 吴少国，等 及程序等内容能够对在役安全仪表系统的维护和变更 表３液位联锁回路的ＳｌＬ计算 Ｔａｂ．３ ＳＩＬ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｅｖｅｌ ｉｎｔｅｒｌｏｃｋ ｌ０ｏｐ 管理提供借鉴。 参考文献 ［１］ＩＥＣ．ＩＥＣ ６１５１ １ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｓａｆｅｔｙ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ 名称 ＰＦＤａｖｇ数据 ２．５２Ｅ一０４ １．９７Ｅ一０４ １．８９Ｅ一０２ 输入（包含液位计和安全栅） 逻辑控制器（含电源、处理器和卡件） 输出（ＦＣＶ—Ｏ１—６８１／ＥＶ一０１—６５６、 ＰＣＶ—Ｏ１—６１６ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｓｅｃｔｏｒ［Ｓ］．ＩＥＣ，２００３． ［２］ＩＥＣ．ＩＥＣ ６１５０８ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ／ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ／ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓａｆｅｔｙ—ｒｅｌａｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍ［Ｓ］．ＩＥＣ，２０１０． 『３］ＩＳＡ．ＡＮＳＩ／ＩＳＡ一８４．００．０１ Ｆｕｎｏｔｉｏｎａｌ ｓａｆｅｔｙ：ｓａｆｅｔｙ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ ＳＩＦ回路ＰＦＤａｖｇ ＳＩＬ等级 １．９３Ｅ—Ｏ２ ＳＩＬ１ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ￣ｓｔｒｙ ｓｃｔｅｏｒ［Ｓ］．ＩＳＡ，２００４． ［４］张建国．安全仪表系统在过程工业中的应用［Ｍ］．北京：中国电 力出版社，２０１０． 从ＳＩＦ回路ＰＦＤａｖｇ结果，并结合硬件结构约束和 系统完整性… ，可得出液位ＳＩＦ回路在检验测试周期 延长至３６个月，仍满足ＳＩＬｌ的安全等级要求。 ［５］Ｇｏｂｌｅ Ｗ Ｍ．控制系统的安全评估与可靠性【Ｍ］．白焰，董玲，杨 国田，译．北京：中国电力出版社，２００８． ［６］史学玲．功能安全标准的历史过程与发展趋势［Ｊ］．仪器仪表标 准化与计量，２００６（２）：６—８． ４结束语 ＳＩＳ设计的目标，首先是要满足装置的安全完整性 ［７］阳宪惠，郭海涛．安全仪表系统的功能安全［Ｍ］．北京：清华大学 出版社，２００７． 等级要求，衡量标准在于它能否达到要求的平均故障 概率ＰＦＤａｖ。为了达到装置要求的安全完整性等级， 系统必须按照功能安全标准进行设计、实施与维护。 ［８］姜巍巍．安全仪表系统安全完整性等级（ＳＩＬ）评估技术应 用［Ｊ］．中国仪器仪表，２００９（２）：４８—５１． ［９］姜荣怀．安全仪表功能的实现和验证［Ｊ］．世界仪表与自动化， ２００８，１２（１２）：２６—２９． 而如何保证在役ＳＩＳ系统正常运行并始终满足装置要 ［１Ｏ］刘瑶．功能安全评估的应用研究［Ｊ］．仪器仪表标准化与计量， 求的安全度等级，这就要求在工艺条件变化、检验测试 ２０１０（４）：１４～２１． 周期延长或联锁变更等各个重要阶段，应及时对在役 ［１１］沈学强，白焰．安全仪表系统的功能安全评估方法性能分 安全仪表系统开展评估与验证工作，本文介绍的方法 （上接第５页） ［４］Ｒｏｌａｎｄ Ｂｅｎｔ．Ｆｕｔｕｒｅ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｆｏｒ ｉｎｔｅｌｌｉｅｎｔｇ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ［Ｒ］． Ｎｉｎｔｈ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｆａｃｔｏｒｙ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ “Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ”，２０１２：８—１５． 析［Ｊ］．化工自动化及仪表，２０１２，３９（６）：７０３—７０６． 『６］Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ６１４ ｆｕｎｄｉｎｇ ｂｙ ｔｈｅ Ｇｅｒｍａｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｆｕｎｄｉｎｇ（ＤＦＧ）．Ｓｅｌｆ—Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ Ｃｏｎｃｅｐｔｓ ａｎｄ Ｓ￣ｅｔｕｒｅ ｉｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１４—１Ｏ—Ｏ１］．ｈｔｔｐ：／／ ｗｗｗ．ｓｆｂ６１４．ｄｅ／ ｅｎｇ／ｉｎｄｅｘ—ｅ．ｈｔｍ． ［７］Ｅｄｗａｒｄ Ａ．Ｌｅｅ．Ｃｙｂｅｒ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ：ｄｅｓｉｇｎ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ［Ｒ］． Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ：Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ ａｔ Ｂｅｒｋｅｌｅｙ，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ．ＵＣＢ／ＥＥＣＳ一２００８—８，２００８：１—３． ［５］Ｒ．Ｄｕｍｉｔｅｓｅｕ，Ｃ．Ｊｕｒｒｇｅｎｈａｋｅ ａｎｄ Ｊ．Ｇａｕｓｅｍｅｉｅｒ．Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｔｃｈｎｅｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ＯｓｔｗｅｓｔＦａｌｅｎＬｉｐｐｅ［Ｒ］．Ｆｉｒｓｔ Ｊｏｉｎｔ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ—Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ：Ｎｅｗ Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｆｏｒ Ｐｒｏｄｕｃｔ ａｎｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１２：２４—２７． ［８］Ｒｏｌａｎｄ Ｂｅｎｔ．Ａｄｖａｎｃｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ：ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ ｔｈｉｎｇｓ ａｎｄ ｃｙｂｅｒ— ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｒ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｇ Ｗｅｅｋ ＵＳＡ，２ｎ０１４：３３—３６． ８ ＰＲＯＣＥＳＳ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ ＶｏＬ ３７ Ｎｏ．１ Ｊａｎｕｒａｒｙ ２０１６
