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1、安全保护自动控制系统,提 纲,一、背景及引言二、安全、风险及安全技术三、安全保护自动控制系统四、功能安全及安全完整性等级五、安全生命周期管理与安全评估六、存在的问题及进一步工作,自动化能为安全做些什么？,一、背景及引言,自动化与安全重庆开县井喷 开始思考 自动化能为安全做点什么从自动化角度对事故案例进行分析事故原因：大多伴随着高温高压自动技术的应用可以避免很多事故的发生安全监测与控制系统早已有之自动化技术应用 重视不够，使用和管理不规范,事故原因分布,自动化与安全工业测控系统中仪表阀门控制器：本质安全 防爆 防辐射等工业测控系统中其他与安全有关的内容测量信号的报警 故障诊断与报警计算机控制系统
2、 集中/分散 结构冗余 快稳准调节阀的选择 风开/风关 阀位限制控制系统中的低选/高选控制，连锁逻辑控制安全相关测量控制系统（暂时记为 SrCS)很早就存在，使用得越来越多 渐渐地形成一个独立的专用的SrCS 如:ESD SIS随着对安全的重视，对 SrCS要求越来越高,一、背景及引言,自动控制系统的分类（按功能分类方法之一）生产运行控制系统：生产功能 基本过程控制系统 BPCS(Basic Process Control System)过程控制系统 PCS(Process Control System)生产运行控制系统 PCS(Production Control System)安全保护控制
3、系统：安全功能 安全仪表系统 SIS(Safety Instrumented System)安全控制系统 SCS(Safety Control System)安全保护控制系统 SGCS(Safeguard Control System)安全监测与控制系统 SrCS(Safety Related Control System)问题：如何命名？SIS 不够贴切 比较通用,一、背景及引言,SrCS 存在的问题对安全发挥作用认识和重视程度不够已经设计和使用的SIS系统 合理性 经济性 有效性新的标准GB/T 21109,GB/T20438 如何执行安全相关测量控制系统 有关标准1994年，德国标准 D
4、INV192501996年，美国标准 ISA 84.01 1998年，国际标准 IEC61508-1:1998 IEC61508-7:2000 2003年，国际标准 IEC61511-1:2003 IEC61511-3:20032006年前 中国标准 SH/T 3018:2003,SY/T 10045:2003 2006年，中国标准 GB/T 20438:2006,2007年1月1日实施2007年，中国标准 GB/T 21109:2007,2007年12月1日实施,一、背景及引言,IEC61508 1998年发布GB/T20438 2007-01-01实施,IEC61511 2003年发布GB
5、/T21109 2007-12-01实施,二、安全、风险及安全技术,安全的定义：定义:不存在不可接受的风险 GB/T21109-1:p13 绝对安全不存在 不可控，安全与风险并存风险的定义：定义：出现伤害的概率与该伤害严重性的组合 GB/T21109-1:p13 风险=发生概率*造成后果允许风险：根据当前社会水准，在给定的环境内能够接受风险 风险标准：装置 车间 分厂 公司 企业 国际过程风险:由于过程、BPCS系统和相关人员因素而存在的发生 特定危险事件的风险（GB/T21109-3:p3）残余风险：增加安全保护功能(如SIS)后 发生特定危险事件的风险,二、安全与风险及安全技术,GB/T
6、21109 20438 风险降低：通用概念,二、安全与风险及安全技术,如何降低风险？安全保护层,二、安全与风险及安全技术,安全保护层(自动化)ZX：,二、安全、风险及安全技术,风险降低与安全技术 按照专业领域从四个方面做工作ZX：（1）工艺 原料/产品等的毒性/爆性；生产工艺的安全性协调性等（2）设备 机械强度，耐压、磨损、腐蚀等（3）电控 BPCS系统的可靠性/专门的安全保护自动控制系统（4）管理 法规的制定与执行 人员的培训 等,三、安全保护自动控制系统,安全保护控制系统的内容ZX安全相关变量的测量显示与报警 生产运行状态的故障诊断与预警执行安全保护功能的自动控制系统 各级应急指挥调度中心
7、自动化相关系统SGCS系统 其功能的实现手段ZX：（1）DCS/SCADA/PLC 风险小，可靠性要求低时（2）SIS/ESD/F&G 风险大，可靠性要求高时（3）综合使用DCS/SIS 可降低总成本,三、安全保护自动控制系统,安全保护自动控制系统的特点ZX（1）目的是减少危险，而不是保证生产运行产品合格；（2）对测量环节要求更多功能、更智能、更实时，长期不停运行状态；（3）对控制器和执行单元要求更快、执行单元长期处在备用状态；（5）对控制器，更多的是逻辑控制，也有连续控制（少），理论性少；（4）对测量、控制、执行及辅助系统(通讯、供电等)可靠性要求更高。,SGCS和BPCS的区别ZX：（1）
8、目的功能不同 生产功能/安全功能（2）运行状态不同 实时运行/功能长期备用(部分实时运行)（3）可靠性要求不同 SrCS要求更高的可靠性（4）控制方法不同 连续控制为主/逻辑控制为主（5）使用和维护方法不同 SrCS更严格安全保护控制系统 的重要性：（1）和其他安全措施技术相比的重要性（2）在自动化专业领域中的重要性,三、安全保护自动控制系统,安全功能 Safety Function 针对特点的危险事件，为达到和保持过程的安全状态，由 SIS、其他技术安全相关系统或外部设施实现的功能(21109-1:p13)功能安全 Functional Safety SrCS本身的安全性（如仪表的本质安全，
9、无辐射等）SrCS的安全功能是完整的、可靠的（功能是安全的）(21109-1:p8)安全仪表系统 SIS(Safety Instrumented System)用于实现一个或多个安全功能的仪表及仪表系统 包括：传感器、逻辑解算器和最终单元。SIS 广义/狭义安全仪表功能 SIF(Safety Instrumented Function)SIS系统 所实现的 安全功能。21109译为“仪表安全功能”ZX:存在“非安全仪表的非安全功能”多种组合,四、功能安全及安全度等级,安全完整性 Safety Integrity 在规定的时间内、在所有规定的条件下,成功 实现所要求的安全功能的平均概率(2110
10、9-1:p14)安全完整性等级：SIL(Safety Integrity Level)简称：安全度等级定义：一种离散的等级，用于规定分配给SIS的安全仪表功能的 完整性要求(21109-4:p14)作为衡量安全功能重要因素，是安全系统的核心.ZX:可理解为整体可靠性代表着使过程风险降低的数量级SIS的操作模式：要求模式/连续模式 要求操作模式/连续操作模式要求时平均失效概率：PFDavg(average Probability of Failure on Demand)注意：Fault/Failure 故障/失效 用失效更好,故障了可能还可以用连续时危险失效概率：PDFperhour(Prob
11、ability of Dangerous Failure),四、功能安全及安全度等级,SIL等级与PFD、PDF的关系：,四、功能安全及安全度等级,安全生命周期 Safety Life Cycle 安全仪表功能实现过程中所发生的所有的必要活动(21190:1p15)安全生命周期图 GB/T20438：包括了系统的概念、范围定义、风险分析、安全分配要求、计划编制、设计与实现、安装试运行、操作维护修改、停用等。安全生命周期图 GB/T21109：过程危险与风险分析、安全功能分配、安全要求规格确定、工程设计、安装调试确认、运行维护、修改和停用等。安全生命周期是用系统的方式建立的一个框架，用以指导安全
12、仪表系统的需求分析、设计和评价等所有活动。,五、安全生命周期管理及安全评估,GB/T20438-1:p6 安全生命周期框图,五、安全生命周期管理及安全评估,GB/T21109-1:p20 安全生命周期框图,五、安全生命周期管理及安全评估,GB/T21109-1:p20 安全生命周期框图,五、安全生命周期管理及安全评估,安全生命周期各阶段及工作内容：1.过程危险与风险评估（按GB/T21109的要求至少进行一次）组织或参与进行PHA/HAZOP分析确定生产过程及BPCS基本控制系统的危险事件及相关联的风险确定达到必要风险降低所需要的安全功能确定每个安全功能是否需要安全仪表功能2.安全功能保护层分
13、析与功能分配进行LOPA保护层分析给保护层分配安全功能确定所需要的安全仪表功能(SIF)确定每个安全仪表功能所要求的安全度等级,五、安全生命周期管理及安全评估,安全生命周期各阶段及工作内容：3.确定SIS设计安全要求规格规定SIS设计应达到的安全要求及技术规格描述每个安全仪表功能及安全要求确定SIS运行模式、启用条件、停机复位、检验测试间隔等要求规格分析和识别失效模式、共因失效及相关要求 4.SIS系统的设计及安全度等级验算SIS系统的工程设计SIS系统的设计及安全度等级验算 5.SIS系统的安装运行和确认 6.SIS系统的操作和维护 7.SIS系统的修改或停用,五、安全生命周期管理及安全评估
14、,整体安全生命周期也可以分为三个大阶段ZX：需求分析阶段 21109规定的阶段1设计实现阶段 21109规定的阶段2+3运行维护阶段 21109规定的阶段4+5安全生命周期各阶段的风险分析与评估 按GB/T21109要求 至少进行一次安全生命周期各阶段的SIS功能安全评估 越早越好功能安全评估可能存在于安全生命周期的各阶段可以考虑5个阶段执行5次功能安全评估 GB/T 21109要求系统投用前至少进行1次评估组织机构 具有独立性,五、安全生命周期管理及安全评估,HAZOP分析 分析小组 组长 记录员 工艺 设备 仪表 安全 偏差 引导词 原因 后果 措施 辅助软件 很多 如 ISOgraph
15、SIL需求分析 LOPA分析 SIF确定 SIL定性分析 定量计算 SIS规格书确定 SIF SIL TI Ts SIL评估计算 SIF回路构成 系统结构(1oo1 1oo2 1oo2D 2oo3)定量计算方法及公司 GB20438/21109 仅是推荐 辅助软件 Excel 专用 自己开发的,五、安全生命周期管理及安全评估,与安全仪表系统相关的事故统计图,五、安全生命周期管理及安全评估,自动化技术在安全工程中的作用及重要性国内外标准GBT20438/21109 IEC61508/61511的执行行业实施细则的制定与执行BPCS的危险与可靠性分析待建SIS系统：需求分析 设计 安全评估 定性/定量在用SIS系统：运行 维护 修改 安全评估SIS安全相关仪表系统的认证问题 安全仪表相关人员的培训,六、存在的问题及进一步工作,安全监测与控制GB/T21109 GB/T20438等早一点更好一点执行 合理、经济、有效地使用自动化技术能为石油石化安全生产作出更大的应有的贡献任 重 道 远,
