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重油催化裝置安全儀表系統(tǒng)可靠性與安全性分析

文檔作者：高帥左信張惠良文檔來(lái)源： 1．中國(guó)石油大學(xué)(北京) 2．北京安穩(wěn)優(yōu)科技有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月07日
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第48卷第4期
2012年8月
石油化工自動(dòng)化
AUTOMAT10N IN PETR()_CHEM ICAL INDUSTRY
Vo1．48，No．4
August，2012
重油催化裝置安全儀表系統(tǒng)
可靠性與安全性分析
高帥 ，左信 ，張惠良
(1．中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京102249；2．北京安穩(wěn)優(yōu)科技有限公司，北京102200)
摘要：依照功能安全國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61508及IEC61511的指導(dǎo)，使用可靠性評(píng)估軟件Isograph和功能安全評(píng)估軟件
exSII entia，通過(guò)故障樹(shù)和對(duì)安全功能回路安全完整性等級(jí)(SIL)核算的方法，對(duì)重油催化兩套安全儀表系統(tǒng)(SIS)進(jìn)行可靠性
分析和功能安全評(píng)估，并討論SIS在實(shí)際運(yùn)行中如何提高運(yùn)行可靠性，最后從完善SIS運(yùn)行維護(hù)、SIS功能安全管理規(guī)范以及對(duì)
安全功能回路的整改三大方面提出確保其功能安全的措施。
關(guān)鍵詞：安全儀表系統(tǒng)exSILentia軟件安全完整性等級(jí)可靠性
中圖分類號(hào)：-rP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007—7324(2012)04—0049—04
Reliability and Safety Evaluation of FCCU SIS
Gao Shuai ，Zuo Xin ，Zhang Huiliang
(1．China University of Petroleum，Beijing，102249，China；
2．Beijing Anwenyou Technology Co．Ltd．，Beijing，102249，China)
Abstract：Following the guideline of international functiona1 safety standards of IEC6 1 508 and
IEC6 1 5 1 1，the reliability and functional safety of two SIS sets in FCCU are evaluated with
reliability evaluation software~ Isograph and SIL verification software- exSILentia through
incident tree and Safety Function Loop (SIL) evaluation method． How to improve SIS
operation reliability in actual operation is discussed．Three maj or measures of consummating
the operating maintenance of SIS，normalizing the functional safety management specification
of SIS and improving the SIL of SIF are proposed to ensure its functional safety．
Key words：SIS；exSILentia software；SIL；reliability
在石油／天然氣、化工、發(fā)電等為代表的過(guò)程工
業(yè)領(lǐng)域，安全儀表系統(tǒng)(SIS)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于不同
的工藝或設(shè)備防護(hù)場(chǎng)合，保護(hù)人員、生產(chǎn)設(shè)備及環(huán)
境。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件及軟件的復(fù)雜程度不同、
周圍環(huán)境氣候的影響及維護(hù)不當(dāng)?shù)仍?，SIS不可
避免地存在著一定的安全性問(wèn)題l1_2j。IEC61508
和IEC61511標(biāo)準(zhǔn)頒布后，以安全生命周期為框
架，SIS從概念、設(shè)計(jì)、實(shí)施、操作、維護(hù)到系統(tǒng)改造
等實(shí)踐活動(dòng)都有了可依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，從而保證其功能
安全。IEC61511。。 建議在SIS工程設(shè)計(jì)前、安裝
調(diào)試前、操作和維修過(guò)程中、修改前和停用前等五
處節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功能安全評(píng)估。筆者結(jié)合某公司重油
催化裝置壓縮機(jī)組和三機(jī)組2套獨(dú)立的SIS，使用
可靠性評(píng)估軟件Isograph和功能安全評(píng)估軟件
exSILentia，分別對(duì)SIS進(jìn)行可靠性分析和功能安
全評(píng)估，并討論SIS在實(shí)際運(yùn)行中如何提高運(yùn)行可
靠性及保證其功能安全的措施。
1 SIS的可靠性分析與功能安全評(píng)估
可靠性和安全性理論及工程研究是建立在
概率和統(tǒng)計(jì)理論基礎(chǔ)之上，但要成功評(píng)價(jià)一個(gè)系
統(tǒng)的可靠性，需要了解系統(tǒng)中所使用的元件、元
件的失效模式及其對(duì)系統(tǒng)的影響、系統(tǒng)失效模式
和系統(tǒng)環(huán)境中失效應(yīng)力的來(lái)源 j。通過(guò)對(duì)過(guò)程
控制系統(tǒng)失效的原因分析，根據(jù)IEC61 508及
IEC61511標(biāo)準(zhǔn)，筆者把對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的劃分和安
全功能回路的辨析兩部分相結(jié)合，既從系統(tǒng)結(jié)
構(gòu)人手，定性的討論其可靠性，又從功能安全回
路SIL核算人手，定量地討論其安全性，最后結(jié)
合兩方面的結(jié)果給出整改意見(jiàn)。具體流程如
圖1所示。
稿件收到日期：2012—03—13。
作者簡(jiǎn)介：高帥(1986 )，女，遼寧營(yíng)口人，中國(guó)石油大學(xué)(JB京)在
讀研究生，主要從事安全儀表系統(tǒng)功能安全研究。
50 石油化工自動(dòng)化 第48卷
I組織相關(guān)裝置維護(hù)、操作、工藝及管理人員組成可靠性分析小組
l
收集裝置的設(shè)計(jì)資料與維護(hù)資料，收集相關(guān)安全規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)
1
分析小組結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的檢查與考核，對(duì)裝置進(jìn)行全面分析
l
剖析SIS功能結(jié)構(gòu)，對(duì)SIS進(jìn)行層次劃分和SIF回路的辨識(shí)
I l
利用lsograph軟件，用 用exSILentia軟件對(duì)SIF
故障樹(shù)方法對(duì)裝置進(jìn)行 回路的SIL值進(jìn)行計(jì)算，并
定性可靠性分析 與目標(biāo)SIL值比較
I I
對(duì)軟件輸出結(jié)果進(jìn)行分析，找出SIS的薄弱環(huán)節(jié)并提出整改建議
圖1 SIS可靠性與安全性分析流程示意
1．1 SIS的故障樹(shù)分析
故障樹(shù)分析FTA(Fault Tree Analysis)是采
用邏輯符號(hào)，并用可靠性框圖(Reliability Block
Diagram)的方式將邏輯門按照發(fā)生的邏輯條件連
接起來(lái)，形成樹(shù)狀結(jié)構(gòu)L6J。筆者采用故障樹(shù)分析故
障傳遞的路徑，對(duì)SIS關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)分析。
1．8 Mt／a重油催化裝置是某石化分公司的關(guān)
鍵裝置之一，其運(yùn)行的平穩(wěn)性和可靠性不僅影響該
裝置的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還影響其他裝置的運(yùn)行平穩(wěn)
性(其為氣分裝置提供原料，而氣分裝置又為聚丙
烯提供原料)_5J，因而對(duì)裝置生產(chǎn)的可靠性和安全
性要求很高。
對(duì)重催裝置SIS現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研和從現(xiàn)場(chǎng)收集的
資料進(jìn)行分析，找出可能存在的故障事件，并根據(jù)
其故障事件所引起的故障表現(xiàn)，從系統(tǒng)級(jí)的角度，
分別對(duì)SIS主控系統(tǒng)、SIS工程師站、SIS操作員站
三大塊對(duì)其進(jìn)行定性的可靠性分析。
主控系統(tǒng)是SIS控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，該裝置
SIS主控系統(tǒng)均采用Tricon TS3000系統(tǒng)，主要由
控制器MP，I／O模塊，TCM模塊以及電源模塊構(gòu)
成。由I／O模件通過(guò)安全柵與現(xiàn)場(chǎng)儀表相連，采
集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并直接實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的聯(lián)鎖保護(hù)。
通過(guò)Isograph軟件對(duì)SIS進(jìn)行故障樹(shù)分析，首先
找出直接導(dǎo)致頂事件發(fā)生的各種可能因素或因素
組合，這些因素包括功能故障、部件不良、程序錯(cuò)
誤、人為錯(cuò)誤、環(huán)境影響等，而后再找出第一步中各
因素的直接原因。按此方法逐級(jí)向下演繹，直到找
出各個(gè)基本事件為止_7j。本文從系統(tǒng)級(jí)的角度，以
SIS故障作為頂事件，分別分成主控系統(tǒng)故障、工
程師站故障以及操作員站故障。主控系統(tǒng)故障又
分成系統(tǒng)硬件失效、系統(tǒng)軟件失效、通信運(yùn)行失效、
電源失效和接地失效。再將每個(gè)失效因素細(xì)分至
各故障基本事件。工程師站和操作員站按照同樣
的思路進(jìn)行分析，最終得到的某重油催化裝置SIS
的故障樹(shù)包含了一個(gè)頂事件、71個(gè)中間失效事件和
125個(gè)基本事件，該故障樹(shù)還表達(dá)了失效事件之間
的邏輯關(guān)系。經(jīng)過(guò)綜合分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致SIS主控系
統(tǒng)、工程師站和操作員站故障的主要原因見(jiàn)表1所
列，在日常運(yùn)行以及維護(hù)中應(yīng)著重考慮。
表1 導(dǎo)致SIS各系統(tǒng)故障的各部件失效原因
1．2 SIL核算與評(píng)估
筆者對(duì)某重油催化用SIS的功能安全進(jìn)行分
析，主要是對(duì)SIL等級(jí)進(jìn)行核算與評(píng)估，具體分析
步驟如下：
a)根據(jù)已有的聯(lián)鎖邏輯，識(shí)別出包括在聯(lián)鎖
邏輯中的各SIF回路。
第4期 高帥等．重油催化裝置安全儀表系統(tǒng)可靠性與安全性分析 5 1
b)針對(duì)每個(gè)SIF回路，確定其回路中的設(shè)備，
包括傳感器、邏輯控制器、最終執(zhí)行元件，還包括回
路中的輔助設(shè)備，如安全柵、繼電器等。
c)針對(duì)每個(gè)SIF回路中的設(shè)備，選擇數(shù)據(jù)源確
定失效率入。失效數(shù)據(jù)大部分來(lái)自exSILentia軟件
中嵌入的美國(guó)EXII=IA公司的《Safety Equipment
Reliability Handbook}失效數(shù)據(jù)庫(kù) j。exSILentia能
夠提供完整的SIL選擇、安全要求規(guī)范和SIL驗(yàn)證，
其結(jié)合了廠商設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)，包括了幾百個(gè)傳感器、
邏輯解算器和執(zhí)行器產(chǎn)品lgJ。其余數(shù)據(jù)來(lái)自儀表供
貨商提供的可靠性數(shù)據(jù)、英國(guó)ESC公司的Failure
Rate Database以及ORⅡ)A數(shù)據(jù)庫(kù)。
d)使用exSILentia軟件完成最終的SIL等級(jí)
的計(jì)算。
e)將計(jì)算結(jié)果與目標(biāo)值進(jìn)行比較，確定是否
滿足要求，若不滿足要求，則提出改進(jìn)措施。
以某氣壓機(jī)轉(zhuǎn)速保護(hù)控制回路為例，氣壓機(jī)轉(zhuǎn)
速(傳感器S1001，SIOO2，S1003“三取二”)大于
9 425 r／min時(shí)，SIS將執(zhí)行聯(lián)鎖動(dòng)作——?dú)鈮簷C(jī)組
停機(jī)：停汽輪機(jī)電磁閥cSCV2222，至放火炬DG300
閥cPC1201B，富氣入口調(diào)節(jié)閥回零vHC1501，富氣
出口調(diào)節(jié)閥回零vHC1502。按照上文提到的分析步
驟，通過(guò)exSILentia軟件的使用，得到該功能安全
回路的各單元功能安全參數(shù)表2以及SIF回路的
功能參數(shù)表3，各個(gè)元件對(duì)PFDavg和MTTFS的
貢獻(xiàn)率如圖2所示。
19．99％檢刪單元 控制器
f
— — 兀
圈
38．86％檢測(cè)單元
79·97％執(zhí)行單元 控 墓 元
a)PFDavg貢獻(xiàn)率 b)M71， 貢獻(xiàn)率
圖2 各個(gè)元件對(duì)PFDavg和MTTFS的
貢獻(xiàn)率(2009 exida．corn．L．L．C．)
表2 SIF回路各單元功能安全參數(shù)
達(dá)到的SIL
PFDavg
續(xù)表 1
SIL (PFDavg)
SII (IEC 61508約束條件下)
達(dá)到的RRF
M TTFS (years)
1
l
18
74．O5
從表2和表3可以看出，雖然傳感器和邏輯控
制器單元的SIL分別為2級(jí)和3級(jí)，但整體回路的
SIL僅為l級(jí)。該回路的風(fēng)險(xiǎn)降低因子RRF為
18，結(jié)構(gòu)約束條件下的SIL也為1級(jí)。從圖2可以
看出，SIS中的主控單元(Tricon系統(tǒng))安全度等級(jí)
較高，而檢測(cè)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)則相對(duì)較小。因此，
檢測(cè)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)是SIS中的薄弱環(huán)節(jié)。圖2
中傳感器對(duì)MTTFS的貢獻(xiàn)率較PFDavg而言有
所提升，這說(shuō)明該SIF回路中的傳感器對(duì)誤停車的
影響比對(duì)功能安全的影響更大。
該裝置的2套SIS在1998年投用之初，并沒(méi)
有按照IEC61508和IEC61511的規(guī)定進(jìn)行安全生
命周期中的評(píng)估和定級(jí)，即使是2005年和2009年
的SIS升級(jí)改造也并沒(méi)有涉及相關(guān)內(nèi)容。因此，在
該次評(píng)估過(guò)程中，需要根據(jù)現(xiàn)有實(shí)際裝置工藝配置
和安全設(shè)備配備情況，重新確定SIS及SIF安全功
能回路的SIL等級(jí)要求。筆者根據(jù)重油催化裝置
SIS聯(lián)鎖邏輯圖，分解出不同的SIF安全儀表功能
回路，綜合考慮危險(xiǎn)發(fā)生的可能性和危險(xiǎn)發(fā)生后的
危害程度，采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法_1 ，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工藝人員
和專家經(jīng)驗(yàn)，確定每一個(gè)SIF回路要求的SIL等
級(jí)。項(xiàng)目中2套SIS的SIF回路確定的初步SII
等級(jí)主要集中在SILl及SIL2級(jí)，一些關(guān)鍵的涉
及重大安全隱患的回路設(shè)為SIL3級(jí)。將使用
exSII entia軟件計(jì)算出來(lái)的SIL等級(jí)與設(shè)定級(jí)數(shù)
進(jìn)行比較，得到表4的結(jié)果，企業(yè)需對(duì)未達(dá)標(biāo)的
SIF回路進(jìn)行改進(jìn)之后再次進(jìn)行SIL核算直到完
全符合標(biāo)準(zhǔn)。
表4 SIL評(píng)估結(jié)果統(tǒng)計(jì)
2 提高在役SIS運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵措施
2．1 建立和完善SiS運(yùn)行維護(hù)管理制度
a)加強(qiáng)SIS的管理與維護(hù)是系統(tǒng)安全運(yùn)行的
保證。建議制訂檢修、運(yùn)行和調(diào)試規(guī)程，將需要修
52 石油化工自動(dòng)化 第48卷
改的內(nèi)容和措施形成文件，如量程修改、聯(lián)鎖修改
或增加測(cè)點(diǎn)等。
b)進(jìn)一步完善控制操作室的管理制度，制定
UPS電源定期試驗(yàn)制度、工程師站及操作員站程
序更改審批制度等，在細(xì)節(jié)方面應(yīng)做明確規(guī)定，如
顯示器、UPS電池等耗材的管理。
c)建立報(bào)警管理機(jī)制，各種硬件、軟件報(bào)警要
及時(shí)進(jìn)行分類整理、匯總，各種冗余的硬件切換要
能及時(shí)通知相關(guān)人員。
2．2 完善SIS功能安全管理規(guī)范
a)建議建立SIS定期檢驗(yàn)測(cè)試規(guī)程，結(jié)合企
業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況對(duì)測(cè)試時(shí)間間隔、測(cè)試范圍、測(cè)試
方法、測(cè)試用例、測(cè)試評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)以及測(cè)試存在問(wèn)題
的處理方法進(jìn)行規(guī)定。
b)建立SIS維護(hù)、修改的可追溯性文檔，包括：
申請(qǐng)?zhí)岢觯δ茉u(píng)估，批準(zhǔn)、實(shí)施、確認(rèn)等相關(guān)文檔。
c)建立SIS操作員和維護(hù)人員的技能和安全
知識(shí)的培訓(xùn)，并評(píng)估他們的培訓(xùn)是否充分，并建立
可追溯性記錄文檔。
d)完善檢驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的可追溯性文檔。
2．3 安全功能回路整改
通過(guò)exSILentia軟件對(duì)功能安全回路SIL等
級(jí)的核算，建議對(duì)重油催化2套SIS未達(dá)標(biāo)的11
個(gè)SIF回路進(jìn)行整改，具體方法如下：
a)在SIS聯(lián)鎖回路可靠性降到最低限以前，
應(yīng)及時(shí)維護(hù)或更換新儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
b)當(dāng)SIF回路的SIL等級(jí)不達(dá)標(biāo)時(shí)，由于執(zhí)
行單元是整個(gè)SIF回路的薄弱環(huán)節(jié)，可以嘗試調(diào)整
該回路中執(zhí)行單元的檢驗(yàn)周期，再進(jìn)行SIL核算。
c)增加安全儀表檢測(cè)手段，提高故障檢測(cè)覆
蓋率。
d)若系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)裕度不達(dá)標(biāo)，則需要通過(guò)功
能安全管理相關(guān)規(guī)定，調(diào)整該回路的冗余結(jié)構(gòu)或在影
響其SIL等級(jí)的部分，如檢測(cè)機(jī)構(gòu)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)更換
SIL等級(jí)更高的儀表來(lái)滿足SIL等級(jí)的需求。
e)重油催化裝置已經(jīng)運(yùn)行數(shù)年，積累了裝置
運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)與風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)，建議進(jìn)行一次裝置生產(chǎn)的過(guò)
程危險(xiǎn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，使得SIS的SIL符合當(dāng)前的安
全生產(chǎn)要求。
3 結(jié)束語(yǔ)
隨著工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，SIS的可靠性和安
全性對(duì)于化工企業(yè)的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。將
IEC615o,8及IEC61511運(yùn)用到實(shí)際的SIS工程實(shí)
踐中，并不是一蹴而就的事情，在SIS工程實(shí)踐中，
還有許多方面的工作要做。筆者一方面利用
Isograph故障樹(shù)軟件，通過(guò)對(duì)重油催化SIS進(jìn)行可
靠性分析，找到SIS失效的各種原因及邏輯關(guān)系，
得出SIS中應(yīng)維護(hù)的環(huán)節(jié)及元件內(nèi)容；另一方面，
使用exSILentia軟件對(duì)SIF回路進(jìn)行SIL評(píng)估。
最后綜合可靠性分析與SIL等級(jí)核算，對(duì)重油催
化在用SIS提出維護(hù)及整改建議，對(duì)提高SIS的可
靠性、充分發(fā)揮SIS的功能安全具有現(xiàn)實(shí)意義。
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(上接第48頁(yè))
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2012年8月
石油化工自動(dòng)化
AUTOMAT10N IN PETR()_CHEM ICAL INDUSTRY
Vo1．48，No．4
August，2012
重油催化裝置安全儀表系統(tǒng)
可靠性與安全性分析
高帥 ，左信 ，張惠良
(1．中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京102249；2．北京安穩(wěn)優(yōu)科技有限公司，北京102200)
摘要：依照功能安全國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61508及IEC61511的指導(dǎo)，使用可靠性評(píng)估軟件Isograph和功能安全評(píng)估軟件
exSII entia，通過(guò)故障樹(shù)和對(duì)安全功能回路安全完整性等級(jí)(SIL)核算的方法，對(duì)重油催化兩套安全儀表系統(tǒng)(SIS)進(jìn)行可靠性
分析和功能安全評(píng)估，并討論SIS在實(shí)際運(yùn)行中如何提高運(yùn)行可靠性，最后從完善SIS運(yùn)行維護(hù)、SIS功能安全管理規(guī)范以及對(duì)
安全功能回路的整改三大方面提出確保其功能安全的措施。
關(guān)鍵詞：安全儀表系統(tǒng)exSILentia軟件安全完整性等級(jí)可靠性
中圖分類號(hào)：-rP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007—7324(2012)04—0049—04
Reliability and Safety Evaluation of FCCU SIS
Gao Shuai ，Zuo Xin ，Zhang Huiliang
(1．China University of Petroleum，Beijing，102249，China；
2．Beijing Anwenyou Technology Co．Ltd．，Beijing，102249，China)
Abstract：Following the guideline of international functiona1 safety standards of IEC6 1 508 and
IEC6 1 5 1 1，the reliability and functional safety of two SIS sets in FCCU are evaluated with
reliability evaluation software~ Isograph and SIL verification software- exSILentia through
incident tree and Safety Function Loop (SIL) evaluation method． How to improve SIS
operation reliability in actual operation is discussed．Three maj or measures of consummating
the operating maintenance of SIS，normalizing the functional safety management specification
of SIS and improving the SIL of SIF are proposed to ensure its functional safety．
Key words：SIS；exSILentia software；SIL；reliability
在石油／天然氣、化工、發(fā)電等為代表的過(guò)程工
業(yè)領(lǐng)域，安全儀表系統(tǒng)(SIS)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于不同
的工藝或設(shè)備防護(hù)場(chǎng)合，保護(hù)人員、生產(chǎn)設(shè)備及環(huán)
境。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件及軟件的復(fù)雜程度不同、
周圍環(huán)境氣候的影響及維護(hù)不當(dāng)?shù)仍颍琒IS不可
避免地存在著一定的安全性問(wèn)題l1_2j。IEC61508
和IEC61511標(biāo)準(zhǔn)頒布后，以安全生命周期為框
架，SIS從概念、設(shè)計(jì)、實(shí)施、操作、維護(hù)到系統(tǒng)改造
等實(shí)踐活動(dòng)都有了可依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，從而保證其功能
安全。IEC61511。。 建議在SIS工程設(shè)計(jì)前、安裝
調(diào)試前、操作和維修過(guò)程中、修改前和停用前等五
處節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功能安全評(píng)估。筆者結(jié)合某公司重油
催化裝置壓縮機(jī)組和三機(jī)組2套獨(dú)立的SIS，使用
可靠性評(píng)估軟件Isograph和功能安全評(píng)估軟件
exSILentia，分別對(duì)SIS進(jìn)行可靠性分析和功能安
全評(píng)估，并討論SIS在實(shí)際運(yùn)行中如何提高運(yùn)行可
靠性及保證其功能安全的措施。
1 SIS的可靠性分析與功能安全評(píng)估
可靠性和安全性理論及工程研究是建立在
概率和統(tǒng)計(jì)理論基礎(chǔ)之上，但要成功評(píng)價(jià)一個(gè)系
統(tǒng)的可靠性，需要了解系統(tǒng)中所使用的元件、元
件的失效模式及其對(duì)系統(tǒng)的影響、系統(tǒng)失效模式
和系統(tǒng)環(huán)境中失效應(yīng)力的來(lái)源 j。通過(guò)對(duì)過(guò)程
控制系統(tǒng)失效的原因分析，根據(jù)IEC61 508及
IEC61511標(biāo)準(zhǔn)，筆者把對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的劃分和安
全功能回路的辨析兩部分相結(jié)合，既從系統(tǒng)結(jié)
構(gòu)人手，定性的討論其可靠性，又從功能安全回
路SIL核算人手，定量地討論其安全性，最后結(jié)
合兩方面的結(jié)果給出整改意見(jiàn)。具體流程如
圖1所示。
稿件收到日期：2012—03—13。
作者簡(jiǎn)介：高帥(1986 )，女，遼寧營(yíng)口人，中國(guó)石油大學(xué)(JB京)在
讀研究生，主要從事安全儀表系統(tǒng)功能安全研究。
50 石油化工自動(dòng)化 第48卷
I組織相關(guān)裝置維護(hù)、操作、工藝及管理人員組成可靠性分析小組
l
收集裝置的設(shè)計(jì)資料與維護(hù)資料，收集相關(guān)安全規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)
1
分析小組結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的檢查與考核，對(duì)裝置進(jìn)行全面分析
l
剖析SIS功能結(jié)構(gòu)，對(duì)SIS進(jìn)行層次劃分和SIF回路的辨識(shí)
I l
利用lsograph軟件，用 用exSILentia軟件對(duì)SIF
故障樹(shù)方法對(duì)裝置進(jìn)行 回路的SIL值進(jìn)行計(jì)算，并
定性可靠性分析 與目標(biāo)SIL值比較
I I
對(duì)軟件輸出結(jié)果進(jìn)行分析，找出SIS的薄弱環(huán)節(jié)并提出整改建議
圖1 SIS可靠性與安全性分析流程示意
1．1 SIS的故障樹(shù)分析
故障樹(shù)分析FTA(Fault Tree Analysis)是采
用邏輯符號(hào)，并用可靠性框圖(Reliability Block
Diagram)的方式將邏輯門按照發(fā)生的邏輯條件連
接起來(lái)，形成樹(shù)狀結(jié)構(gòu)L6J。筆者采用故障樹(shù)分析故
障傳遞的路徑，對(duì)SIS關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)分析。
1．8 Mt／a重油催化裝置是某石化分公司的關(guān)
鍵裝置之一，其運(yùn)行的平穩(wěn)性和可靠性不僅影響該
裝置的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還影響其他裝置的運(yùn)行平穩(wěn)
性(其為氣分裝置提供原料，而氣分裝置又為聚丙
烯提供原料)_5J，因而對(duì)裝置生產(chǎn)的可靠性和安全
性要求很高。
對(duì)重催裝置SIS現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研和從現(xiàn)場(chǎng)收集的
資料進(jìn)行分析，找出可能存在的故障事件，并根據(jù)
其故障事件所引起的故障表現(xiàn)，從系統(tǒng)級(jí)的角度，
分別對(duì)SIS主控系統(tǒng)、SIS工程師站、SIS操作員站
三大塊對(duì)其進(jìn)行定性的可靠性分析。
主控系統(tǒng)是SIS控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，該裝置
SIS主控系統(tǒng)均采用Tricon TS3000系統(tǒng)，主要由
控制器MP，I／O模塊，TCM模塊以及電源模塊構(gòu)
成。由I／O模件通過(guò)安全柵與現(xiàn)場(chǎng)儀表相連，采
集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并直接實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的聯(lián)鎖保護(hù)。
通過(guò)Isograph軟件對(duì)SIS進(jìn)行故障樹(shù)分析，首先
找出直接導(dǎo)致頂事件發(fā)生的各種可能因素或因素
組合，這些因素包括功能故障、部件不良、程序錯(cuò)
誤、人為錯(cuò)誤、環(huán)境影響等，而后再找出第一步中各
因素的直接原因。按此方法逐級(jí)向下演繹，直到找
出各個(gè)基本事件為止_7j。本文從系統(tǒng)級(jí)的角度，以
SIS故障作為頂事件，分別分成主控系統(tǒng)故障、工
程師站故障以及操作員站故障。主控系統(tǒng)故障又
分成系統(tǒng)硬件失效、系統(tǒng)軟件失效、通信運(yùn)行失效、
電源失效和接地失效。再將每個(gè)失效因素細(xì)分至
各故障基本事件。工程師站和操作員站按照同樣
的思路進(jìn)行分析，最終得到的某重油催化裝置SIS
的故障樹(shù)包含了一個(gè)頂事件、71個(gè)中間失效事件和
125個(gè)基本事件，該故障樹(shù)還表達(dá)了失效事件之間
的邏輯關(guān)系。經(jīng)過(guò)綜合分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致SIS主控系
統(tǒng)、工程師站和操作員站故障的主要原因見(jiàn)表1所
列，在日常運(yùn)行以及維護(hù)中應(yīng)著重考慮。
表1 導(dǎo)致SIS各系統(tǒng)故障的各部件失效原因
1．2 SIL核算與評(píng)估
筆者對(duì)某重油催化用SIS的功能安全進(jìn)行分
析，主要是對(duì)SIL等級(jí)進(jìn)行核算與評(píng)估，具體分析
步驟如下：
a)根據(jù)已有的聯(lián)鎖邏輯，識(shí)別出包括在聯(lián)鎖
邏輯中的各SIF回路。
第4期 高帥等．重油催化裝置安全儀表系統(tǒng)可靠性與安全性分析 5 1
b)針對(duì)每個(gè)SIF回路，確定其回路中的設(shè)備，
包括傳感器、邏輯控制器、最終執(zhí)行元件，還包括回
路中的輔助設(shè)備，如安全柵、繼電器等。
c)針對(duì)每個(gè)SIF回路中的設(shè)備，選擇數(shù)據(jù)源確
定失效率入。失效數(shù)據(jù)大部分來(lái)自exSILentia軟件
中嵌入的美國(guó)EXII=IA公司的《Safety Equipment
Reliability Handbook}失效數(shù)據(jù)庫(kù) j。exSILentia能
夠提供完整的SIL選擇、安全要求規(guī)范和SIL驗(yàn)證，
其結(jié)合了廠商設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)，包括了幾百個(gè)傳感器、
邏輯解算器和執(zhí)行器產(chǎn)品lgJ。其余數(shù)據(jù)來(lái)自儀表供
貨商提供的可靠性數(shù)據(jù)、英國(guó)ESC公司的Failure
Rate Database以及ORⅡ)A數(shù)據(jù)庫(kù)。
d)使用exSILentia軟件完成最終的SIL等級(jí)
的計(jì)算。
e)將計(jì)算結(jié)果與目標(biāo)值進(jìn)行比較，確定是否
滿足要求，若不滿足要求，則提出改進(jìn)措施。
以某氣壓機(jī)轉(zhuǎn)速保護(hù)控制回路為例，氣壓機(jī)轉(zhuǎn)
速(傳感器S1001，SIOO2，S1003“三取二”)大于
9 425 r／min時(shí)，SIS將執(zhí)行聯(lián)鎖動(dòng)作——?dú)鈮簷C(jī)組
停機(jī)：停汽輪機(jī)電磁閥cSCV2222，至放火炬DG300
閥cPC1201B，富氣入口調(diào)節(jié)閥回零vHC1501，富氣
出口調(diào)節(jié)閥回零vHC1502。按照上文提到的分析步
驟，通過(guò)exSILentia軟件的使用，得到該功能安全
回路的各單元功能安全參數(shù)表2以及SIF回路的
功能參數(shù)表3，各個(gè)元件對(duì)PFDavg和MTTFS的
貢獻(xiàn)率如圖2所示。
19．99％檢刪單元 控制器
f
— — 兀
圈
38．86％檢測(cè)單元
79·97％執(zhí)行單元 控 墓 元
a)PFDavg貢獻(xiàn)率 b)M71， 貢獻(xiàn)率
圖2 各個(gè)元件對(duì)PFDavg和MTTFS的
貢獻(xiàn)率(2009 exida．corn．L．L．C．)
表2 SIF回路各單元功能安全參數(shù)
達(dá)到的SIL
PFDavg
續(xù)表 1
SIL (PFDavg)
SII (IEC 61508約束條件下)
達(dá)到的RRF
M TTFS (years)
1
l
18
74．O5
從表2和表3可以看出，雖然傳感器和邏輯控
制器單元的SIL分別為2級(jí)和3級(jí)，但整體回路的
SIL僅為l級(jí)。該回路的風(fēng)險(xiǎn)降低因子RRF為
18，結(jié)構(gòu)約束條件下的SIL也為1級(jí)。從圖2可以
看出，SIS中的主控單元(Tricon系統(tǒng))安全度等級(jí)
較高，而檢測(cè)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)則相對(duì)較小。因此，
檢測(cè)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)是SIS中的薄弱環(huán)節(jié)。圖2
中傳感器對(duì)MTTFS的貢獻(xiàn)率較PFDavg而言有
所提升，這說(shuō)明該SIF回路中的傳感器對(duì)誤停車的
影響比對(duì)功能安全的影響更大。
該裝置的2套SIS在1998年投用之初，并沒(méi)
有按照IEC61508和IEC61511的規(guī)定進(jìn)行安全生
命周期中的評(píng)估和定級(jí)，即使是2005年和2009年
的SIS升級(jí)改造也并沒(méi)有涉及相關(guān)內(nèi)容。因此，在
該次評(píng)估過(guò)程中，需要根據(jù)現(xiàn)有實(shí)際裝置工藝配置
和安全設(shè)備配備情況，重新確定SIS及SIF安全功
能回路的SIL等級(jí)要求。筆者根據(jù)重油催化裝置
SIS聯(lián)鎖邏輯圖，分解出不同的SIF安全儀表功能
回路，綜合考慮危險(xiǎn)發(fā)生的可能性和危險(xiǎn)發(fā)生后的
危害程度，采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法_1 ，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工藝人員
和專家經(jīng)驗(yàn)，確定每一個(gè)SIF回路要求的SIL等
級(jí)。項(xiàng)目中2套SIS的SIF回路確定的初步SII
等級(jí)主要集中在SILl及SIL2級(jí)，一些關(guān)鍵的涉
及重大安全隱患的回路設(shè)為SIL3級(jí)。將使用
exSII entia軟件計(jì)算出來(lái)的SIL等級(jí)與設(shè)定級(jí)數(shù)
進(jìn)行比較，得到表4的結(jié)果，企業(yè)需對(duì)未達(dá)標(biāo)的
SIF回路進(jìn)行改進(jìn)之后再次進(jìn)行SIL核算直到完
全符合標(biāo)準(zhǔn)。
表4 SIL評(píng)估結(jié)果統(tǒng)計(jì)
2 提高在役SIS運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵措施
2．1 建立和完善SiS運(yùn)行維護(hù)管理制度
a)加強(qiáng)SIS的管理與維護(hù)是系統(tǒng)安全運(yùn)行的
保證。建議制訂檢修、運(yùn)行和調(diào)試規(guī)程，將需要修
52 石油化工自動(dòng)化 第48卷
改的內(nèi)容和措施形成文件，如量程修改、聯(lián)鎖修改
或增加測(cè)點(diǎn)等。
b)進(jìn)一步完善控制操作室的管理制度，制定
UPS電源定期試驗(yàn)制度、工程師站及操作員站程
序更改審批制度等，在細(xì)節(jié)方面應(yīng)做明確規(guī)定，如
顯示器、UPS電池等耗材的管理。
c)建立報(bào)警管理機(jī)制，各種硬件、軟件報(bào)警要
及時(shí)進(jìn)行分類整理、匯總，各種冗余的硬件切換要
能及時(shí)通知相關(guān)人員。
2．2 完善SIS功能安全管理規(guī)范
a)建議建立SIS定期檢驗(yàn)測(cè)試規(guī)程，結(jié)合企
業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況對(duì)測(cè)試時(shí)間間隔、測(cè)試范圍、測(cè)試
方法、測(cè)試用例、測(cè)試評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)以及測(cè)試存在問(wèn)題
的處理方法進(jìn)行規(guī)定。
b)建立SIS維護(hù)、修改的可追溯性文檔，包括：
申請(qǐng)?zhí)岢?，功能評(píng)估，批準(zhǔn)、實(shí)施、確認(rèn)等相關(guān)文檔。
c)建立SIS操作員和維護(hù)人員的技能和安全
知識(shí)的培訓(xùn)，并評(píng)估他們的培訓(xùn)是否充分，并建立
可追溯性記錄文檔。
d)完善檢驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的可追溯性文檔。
2．3 安全功能回路整改
通過(guò)exSILentia軟件對(duì)功能安全回路SIL等
級(jí)的核算，建議對(duì)重油催化2套SIS未達(dá)標(biāo)的11
個(gè)SIF回路進(jìn)行整改，具體方法如下：
a)在SIS聯(lián)鎖回路可靠性降到最低限以前，
應(yīng)及時(shí)維護(hù)或更換新儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
b)當(dāng)SIF回路的SIL等級(jí)不達(dá)標(biāo)時(shí)，由于執(zhí)
行單元是整個(gè)SIF回路的薄弱環(huán)節(jié)，可以嘗試調(diào)整
該回路中執(zhí)行單元的檢驗(yàn)周期，再進(jìn)行SIL核算。
c)增加安全儀表檢測(cè)手段，提高故障檢測(cè)覆
蓋率。
d)若系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)裕度不達(dá)標(biāo)，則需要通過(guò)功
能安全管理相關(guān)規(guī)定，調(diào)整該回路的冗余結(jié)構(gòu)或在影
響其SIL等級(jí)的部分，如檢測(cè)機(jī)構(gòu)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)更換
SIL等級(jí)更高的儀表來(lái)滿足SIL等級(jí)的需求。
e)重油催化裝置已經(jīng)運(yùn)行數(shù)年，積累了裝置
運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)與風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)，建議進(jìn)行一次裝置生產(chǎn)的過(guò)
程危險(xiǎn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，使得SIS的SIL符合當(dāng)前的安
全生產(chǎn)要求。
3 結(jié)束語(yǔ)
隨著工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，SIS的可靠性和安
全性對(duì)于化工企業(yè)的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。將
IEC615o,8及IEC61511運(yùn)用到實(shí)際的SIS工程實(shí)
踐中，并不是一蹴而就的事情，在SIS工程實(shí)踐中，
還有許多方面的工作要做。筆者一方面利用
Isograph故障樹(shù)軟件，通過(guò)對(duì)重油催化SIS進(jìn)行可
靠性分析，找到SIS失效的各種原因及邏輯關(guān)系，
得出SIS中應(yīng)維護(hù)的環(huán)節(jié)及元件內(nèi)容；另一方面，
使用exSILentia軟件對(duì)SIF回路進(jìn)行SIL評(píng)估。
最后綜合可靠性分析與SIL等級(jí)核算，對(duì)重油催
化在用SIS提出維護(hù)及整改建議，對(duì)提高SIS的可
靠性、充分發(fā)揮SIS的功能安全具有現(xiàn)實(shí)意義。
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2010，38(03)：15一l9．

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