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安全儀表系統(tǒng)的功能安全測(cè)試研究

文檔作者：方來(lái)華1 昊宗之1 魏利軍1 康榮學(xué)1 陳杰2 文檔來(lái)源： 1．中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 2．北京科技大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年07月13日
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綜述與評(píng)論
化工自動(dòng)化及儀表，2010，37(3)：1—6
Control and Instruments in Chemical Industry
安全儀表系統(tǒng)的功能安全測(cè)試研究
方來(lái)華1，昊宗之1，魏利軍1，康榮學(xué)1，陳杰2
(1．中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京100029；2．北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083)
摘要： 闡述了安全儀表系統(tǒng)投入運(yùn)行前與運(yùn)行后進(jìn)行的測(cè)試內(nèi)容和要求，給出安全儀表功能(SIF)各組成
部分的離線測(cè)試和在線測(cè)試的內(nèi)容和指導(dǎo)原則，對(duì)實(shí)施離線測(cè)試和在線測(cè)試的流程、測(cè)試要求及方法等方面進(jìn)行
了詳細(xì)的分析和討論。所提出的系統(tǒng)和各部件的測(cè)試內(nèi)容、測(cè)試要求以及測(cè)試流程和技術(shù)方法等為規(guī)劃和管理
安全儀表系統(tǒng)SIF整體安全生命周期的功能安全測(cè)試與驗(yàn)證提供有力的指導(dǎo)，也為安全儀表系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、
開(kāi)發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)等各階段活動(dòng)提供參考。
關(guān)鍵詞： 安全儀表功能；工廠驗(yàn)收測(cè)試；離線測(cè)試；在線測(cè)試；測(cè)試流程
中圖分類號(hào)：TQ086文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000—3932(2010)03-0001-06
1引言
安全儀表系統(tǒng)(SIS)在石油、化工等流程工業(yè)領(lǐng)
域中的應(yīng)用越來(lái)越多?。人們對(duì)SIS的依賴性逐漸
增強(qiáng)，同時(shí)，系統(tǒng)安全功能失效導(dǎo)致的危險(xiǎn)也在增
加。安全儀表系統(tǒng)作為保障生產(chǎn)安全的重要措施，
需要在危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)正確地執(zhí)行其安全功能．z-，系統(tǒng)
投入運(yùn)行前和運(yùn)行后嚴(yán)格而有效的測(cè)試驗(yàn)證是維持
所需安全完整性等級(jí)(SIL)和保證系統(tǒng)功能安全的
關(guān)鍵。雖然1EC61511對(duì)安全儀表系統(tǒng)的分析、設(shè)
計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行和維護(hù)給出了相關(guān)的指導(dǎo)原則，但對(duì)
于安傘儀表系統(tǒng)如何進(jìn)行合理、有效的測(cè)試，尤其對(duì)
安全儀表功能(SIF)器件及系統(tǒng)測(cè)試的要求、測(cè)試
方法和測(cè)試流程等各方面并沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)闡述。
目前，我國(guó)在安全儀表系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證的要求、技
術(shù)方法與測(cè)試流程等方面的專項(xiàng)研究剛開(kāi)始，現(xiàn)有工
程卜的安全儀表系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證基本上采取常規(guī)過(guò)
程控制系統(tǒng)的測(cè)試方法進(jìn)行，缺乏針對(duì)SIS的具體測(cè)
試技術(shù)方法、流程和規(guī)范的指導(dǎo)，測(cè)試的要求也不明
確，無(wú)法滿足SIS的測(cè)試要求和整體安全牛命周期的
功能安全管理要求。因此，研究安全儀表系統(tǒng)投入運(yùn)
行前和運(yùn)行后各階段SIF的各部件及系統(tǒng)的具體測(cè)
試要求、測(cè)試技術(shù)方法和測(cè)試流程來(lái)保證SIS的功能
和性能具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。
筆者闡述了安全儀表系統(tǒng)投入運(yùn)行前與運(yùn)行后
進(jìn)行的測(cè)試內(nèi)容和要求，給出SIF各組成部分的離
線測(cè)試和在線測(cè)試的內(nèi)容和指導(dǎo)原則，對(duì)實(shí)施離線
測(cè)試和在線測(cè)試的流程、測(cè)試要求及方法等方面進(jìn)
行了詳細(xì)的分析和討論。所提出的系統(tǒng)和部件的測(cè)
試方法、流程和測(cè)試要求等內(nèi)容可為規(guī)劃和管理安
全儀表系統(tǒng)SIF整體生命周期的測(cè)試驗(yàn)證提供有力
的指導(dǎo)，也為安全儀表系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、運(yùn)行
和維護(hù)等各階段活動(dòng)提供參考。
2 SIS投入運(yùn)行前的測(cè)試及要求
在SIS安裝到企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)前需要對(duì)邏輯演算器和
相關(guān)軟件一起進(jìn)行測(cè)試，這種測(cè)試稱為工廠驗(yàn)收測(cè)試
(FAT)，有時(shí)也稱為集成測(cè)試，目的是確保邏輯演算
器及相關(guān)軟件滿足安傘要求規(guī)范中定義的要求。?，
FAT測(cè)試叮以較容易地將錯(cuò)誤盡早地辨識(shí)出來(lái)進(jìn)行
校正。進(jìn)行FAT測(cè)試前，需要編制計(jì)劃確定實(shí)施測(cè)試
的類型、測(cè)試用例、測(cè)試描述和測(cè)試數(shù)據(jù)、與其他系統(tǒng)
或接口的獨(dú)立性、測(cè)試環(huán)境和工具、邏輯演算器配置、
判斷測(cè)試完成的測(cè)試準(zhǔn)則、測(cè)試失敗時(shí)的校正流程、
測(cè)試人員的資格、測(cè)試的地點(diǎn)這幾部分。其中，測(cè)試
的類型包括黑盒系統(tǒng)功能性測(cè)試(把系統(tǒng)視為一個(gè)
“黑盒”的測(cè)試設(shè)計(jì)方法，從而無(wú)需使用系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)
知識(shí)，有時(shí)又稱為行為測(cè)試、功能性測(cè)試、密封盒測(cè)
試)、性能測(cè)試(定時(shí)、町靠性、可卅眭、完整性、安全目
標(biāo)和約束)、環(huán)境測(cè)試(EMC、壽命和應(yīng)力測(cè)試)、接口
測(cè)試、在各種降級(jí)和／或故障模式下的測(cè)試、異常狀態(tài)
下的測(cè)試、SIS維護(hù)和操作手冊(cè)的應(yīng)用。對(duì)于每一個(gè)
測(cè)試，應(yīng)包含所使用測(cè)試計(jì)劃的版本、項(xiàng)目測(cè)試的說(shuō)
明、測(cè)試活動(dòng)的R志、使用的工具、設(shè)備和接口等內(nèi)
容。工廠驗(yàn)收測(cè)試應(yīng)該進(jìn)行建檔，它是整個(gè)安全系統(tǒng)
文檔的一部分，根據(jù)IEC61511．1要求，應(yīng)包含測(cè)試?yán)?
子、測(cè)試結(jié)果、目標(biāo)和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是否滿足等內(nèi)容。如
果測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)失敗，則應(yīng)把失敗原因?qū)懭胛臋n，
并進(jìn)行分析，采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。
收稿日期：2009-10-26
基金項(xiàng)目：“十一五”國(guó)家科技支撐項(xiàng)日(2007BAl(22∞204。
2008BAK40802)；國(guó)際科技合作項(xiàng)日(2009DFA71840)
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
·2- 化工自動(dòng)化及儀表第37卷
在安全儀表系統(tǒng)的SIF正式投入使用前，需要
對(duì)SIF的部件進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試和性能確認(rèn)。校準(zhǔn)測(cè)試
設(shè)備應(yīng)出于認(rèn)叮的標(biāo)準(zhǔn)性能組織，用于對(duì)傳感器、控
制器劍終端輸出設(shè)備整個(gè)回路進(jìn)行滿量程的至少三
點(diǎn)校準(zhǔn)(5％、50％和95％)，以防止標(biāo)定錯(cuò)誤。對(duì)閥
門也應(yīng)該進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試，以校驗(yàn)其行程的全開(kāi)和全
閉位置。
SIF中每種類型的部件都應(yīng)有校準(zhǔn)程序。一般
來(lái)說(shuō)，應(yīng)該使用部件制造商推薦的校準(zhǔn)程序。在有
額外要求(如傳感器或閥門的響應(yīng)時(shí)間)以滿足SIF
的特殊功能時(shí)，在校準(zhǔn)過(guò)程中這些都應(yīng)該進(jìn)行測(cè)試。
SIF元件校核的程序應(yīng)驗(yàn)證新近校驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)傳感器
與過(guò)程的實(shí)際讀數(shù)是合理一致的。表1給出了校驗(yàn)
任務(wù)的指導(dǎo)方針及校驗(yàn)SIF部件的資源。
表1 SIF部件的校驗(yàn)工作過(guò)程
校驗(yàn)的沒(méi)備校驗(yàn)任務(wù)及資源
大部分的
SIF部件
受過(guò)訓(xùn)練的人員利用對(duì)象流程或必要
的綮礎(chǔ)技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性的元件校
驗(yàn)；
校驗(yàn)流程和／或適用于每個(gè)SIF器件的
逐步校驗(yàn)指南供應(yīng)商技術(shù)數(shù)據(jù)。
在特定維護(hù)人熟練人員使用制造商逐步校驗(yàn)指南來(lái)
員¨|l練l|l未涉枚驗(yàn)小屬于常規(guī)維護(hù)人員所能勝任的
及的安全測(cè)量設(shè)備。
過(guò)程分析器葬揣燃慧耄嫠筍指南
3 SlS投入運(yùn)行后的測(cè)試
是否應(yīng)將SIF作為一個(gè)集成系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試或?qū)?
SIF的不同部分在不同的時(shí)間進(jìn)行測(cè)試有不同意
見(jiàn)。很多標(biāo)準(zhǔn)中并未要求SIF所有測(cè)試必須同時(shí)進(jìn)
行。在引入危險(xiǎn)物質(zhì)前，作為預(yù)啟動(dòng)驗(yàn)收測(cè)試的集
成測(cè)試必須進(jìn)行以確保SIF可實(shí)現(xiàn)安全要求規(guī)范中
所規(guī)定的功能。這些朱檢測(cè)到失效的測(cè)試是逐步進(jìn)
行還是整體集成進(jìn)行功能測(cè)試并不鶯要，霞要的是
失效能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行了校正Hj。通常，根據(jù)
SIF的完整件要求安排測(cè)試。SIS的不同部分可能
要求不同的測(cè)試頻率，校驗(yàn)測(cè)試的頻率與平均失效
概率(PFDavg)計(jì)算時(shí)所使用的測(cè)試頻率一樣。
用于發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致SIF失效最主要的手段是離
線功能測(cè)試，它是在被保護(hù)的過(guò)程不處于：【作狀態(tài)
下進(jìn)行的，可以驗(yàn)證所有的SIF性能。由于有很多
過(guò)程的作業(yè)周期大于為保障安全完整性要求所進(jìn)行
的測(cè)試周期，而離線測(cè)試必須停產(chǎn)，流程工業(yè)中系統(tǒng)
停車的成本較高，啟動(dòng)生產(chǎn)和停產(chǎn)的過(guò)程通常又是
過(guò)程生命周期中危險(xiǎn)性最高的階段。因此，能在過(guò)
程運(yùn)行的情況下，具備執(zhí)行在線測(cè)試的能力是必需
的。無(wú)論測(cè)試是離線還是在線進(jìn)行，都需有一定的
方法，在一定的要求下來(lái)實(shí)施以確保能以較高的概
率檢測(cè)出可能發(fā)生的故障。
每個(gè)SIF都應(yīng)該有具體的書面測(cè)試流程，內(nèi)容
包括：SIF包含的安全功能列表；每個(gè)安全功能的設(shè)
備描述及位置；每個(gè)安全功能的功能邏輯；檢查程
序；校核和測(cè)試方法；校核、測(cè)試、檢查及維護(hù)活動(dòng)的
頻率；指定可接受的性能限值(若無(wú)指定限值，為量
程±2％偏差)；若需要的話，指定測(cè)試順序；指定應(yīng)
該進(jìn)行測(cè)試的人員；指出進(jìn)行測(cè)試時(shí)的過(guò)程狀態(tài)；如
果SIF邏輯映射在BPCS中，測(cè)試應(yīng)該顯示SIF驅(qū)動(dòng)
的終端控制設(shè)備；在測(cè)試完成后驗(yàn)證S1F的操作狀
態(tài)；內(nèi)部和外部診斷測(cè)試；核對(duì)附屬服務(wù)元件是工作
狀態(tài)的；定義一種方法，保證測(cè)試能夠進(jìn)行并有記
錄。所有的測(cè)試程序都應(yīng)包含測(cè)試的系統(tǒng)，在流程
中每一頁(yè)中都有頁(yè)碼及修改的日期。在測(cè)試流程中
應(yīng)制定維護(hù)每一個(gè)流程的負(fù)責(zé)人。
4安全儀表系統(tǒng)的離線測(cè)試
離線測(cè)試町對(duì)SIS中的每個(gè)SIF(包括應(yīng)用軟
件、硬件設(shè)備及用于在線測(cè)試的相關(guān)邏輯設(shè)備)進(jìn)
行完整的測(cè)試。要將每個(gè)SIF及其相關(guān)輸入、輸出
及邏輯都辨識(shí)出來(lái)進(jìn)行校驗(yàn)，制定的測(cè)試程序要明
確每個(gè)SIF是如何進(jìn)行驗(yàn)證的。實(shí)現(xiàn)測(cè)試所必需的
所有裝備(包括具備追蹤功能的校準(zhǔn)設(shè)備等)都應(yīng)
進(jìn)行標(biāo)識(shí)和校驗(yàn)。SIS的全面功能測(cè)試包含所有的
SIF各部分及其動(dòng)態(tài)性能，如熱電偶、變送器、輸入
周期時(shí)間、邏輯周期時(shí)間、輸出信號(hào)周期時(shí)間以及所
有必需的終端控制單元，以確保滿足性能指標(biāo)一1。
確定離線測(cè)試如何進(jìn)行是非常關(guān)鍵的，下面給
出SIF部件進(jìn)行離線測(cè)試的測(cè)試內(nèi)容、方法和流程。
4．1 SIF部件離線測(cè)試內(nèi)容
驗(yàn)證對(duì)象為傳感器，測(cè)試內(nèi)容包括檢測(cè)部分、開(kāi)
關(guān)或變送器、布線和邏輯演算器輸入模塊等；驗(yàn)證對(duì)
象為邏輯演算器，測(cè)試內(nèi)容包括與每個(gè)輸入設(shè)備相關(guān)
的軟件和硬件、集成輸入、跳變(trip)設(shè)定點(diǎn)、運(yùn)行順
序、診斷和計(jì)算等；驗(yàn)證對(duì)象為最終控制單元，測(cè)試內(nèi)
容包括邏輯演算器輸出模塊、布線、執(zhí)行設(shè)備(如繼電
器)和影響過(guò)程運(yùn)行的最終控制部分；驗(yàn)證對(duì)象為單
個(gè)SIF和整體系統(tǒng)的功能，測(cè)試內(nèi)容包括安全參數(shù)在
某個(gè)指定時(shí)間內(nèi)必須動(dòng)作的響應(yīng)速度、將SIF輸出帶
入安全狀態(tài)的手動(dòng)停止功能、用戶實(shí)施的診斷、測(cè)試
后的SIF可操作性。如果SIF元件經(jīng)過(guò)維修或被替
換、替代過(guò)，那么校驗(yàn)和測(cè)試有所不同。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)
備(如變送器、繼電器、開(kāi)關(guān)、閥門等)要進(jìn)行校準(zhǔn)，驗(yàn)
證開(kāi)關(guān)設(shè)定和閥門行程，同時(shí)，驗(yàn)證SIF修改或替代
器件能正確運(yùn)作，如所有修復(fù)或替代器件輸A／輸出
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第3期方來(lái)華等．安全儀表系統(tǒng)的功能安全測(cè)試研究·3·
的功能測(cè)試；對(duì)從替代傳感器到SIF中其他器件信號(hào)
流的功能性校驗(yàn)；從邏輯演算器到替換閥門的信號(hào)流
的功能性校驗(yàn)。對(duì)于邏輯演算器及I／O模塊，如果邏
輯演算器系統(tǒng)包含有內(nèi)部診斷和報(bào)告可以驗(yàn)證器件
的町操作性，那么所替代的邏輯演算器器件其輸入至
輸出的功能測(cè)試就不必要。
4．2各部件的離線測(cè)試方法與流程
4．2．1傳感器離線測(cè)試方法與流程
利用測(cè)量源來(lái)模擬傳感器的輸入和毫安模擬工
具模擬傳感器的輸出來(lái)測(cè)試傳感器。使用模擬測(cè)鼉
輸入給傳感器是最可靠和常用的技術(shù)，可用于測(cè)試
傳感器、連線及接收設(shè)備。在輸出端使用電流模擬
儀器來(lái)測(cè)試連線與接收設(shè)備。
每一個(gè)部件離線狀態(tài)都應(yīng)進(jìn)行檢查并基于與過(guò)
程離線狀態(tài)相應(yīng)的預(yù)期值進(jìn)行驗(yàn)證。下面給出驗(yàn)證
SIF中傳感器運(yùn)行的測(cè)試方法和流程，以測(cè)試毫安
壓力傳感器(傳感與變送一體)為例。利用4～20 mA
的信號(hào)模擬器通過(guò)下面步驟來(lái)驗(yàn)證傳感器的故障情
況，測(cè)試流程如圖1所示。
傳感囂測(cè)試開(kāi)始
連接列校-聆壓力滁前．
關(guān)閉土閥．系統(tǒng)出口安
傘升啟
將模擬器連接到
需蘭監(jiān)測(cè)回路
輸}}{I乜流凋至22 mA
(或其他超過(guò)iI}程一¨馭
的值)，驗(yàn)證輸}H}殳備
的顯示鍺誤測(cè)量
將輸I葉JIU流調(diào)至3．2m^
(或其他小于缸程卜．限的
值)．驗(yàn)證輸出}殳備指示
為錯(cuò)誤測(cè)踣
將模擬器從測(cè)
試回路中斷開(kāi)
將校驗(yàn)的壓力源連接
到過(guò)程主閥f J卜．游傳
感器端
調(diào)竹校驗(yàn)K力豫使得
輸入檀力的模擬值大
于f々感囂酎程
增加橫擬膳力至高壓
勁f{K警和跳變發(fā)小．騎
證并i己求靜f報(bào)警和l足jE
變?cè)谡_沒(méi)定點(diǎn)發(fā)，l
降低模擬K力至高慷預(yù)
跳變和預(yù)報(bào)警解除．聆證
并記錄壩撤管在正確沒(méi)
定點(diǎn)發(fā)，li．驗(yàn)證sIF住跳
變狀態(tài)清除后不會(huì)自動(dòng)
復(fù)位
降低模擬慷力至低JF預(yù)
報(bào)警和跳變發(fā)佳．驗(yàn)證并
ir2求預(yù)報(bào)警和跳變?cè)谡?
確的沒(méi)定點(diǎn)發(fā)乍
增加模擬勝力罕低旭跳
變和預(yù)報(bào)警清除。驗(yàn)證確
認(rèn)預(yù)報(bào)瞀干¨跳變住正確
沒(méi)定點(diǎn)清除．驗(yàn)證SIF住
跳塵狀態(tài)清除后小會(huì)f-I動(dòng)
復(fù)位
在測(cè)試程戽的適當(dāng)ft骨
記錄I-報(bào)警和跳變沒(méi)置
圖1傳感器測(cè)試流程
結(jié)束
4．2．2邏輯演算器離線測(cè)試方法和流程
當(dāng)測(cè)試邏輯演算器時(shí)，利用SIF特定的功能測(cè)
試程序，包括書廄流程、邏輯框圖、控制線路圖、電氣
控制圖表和檢查表。通過(guò)人為創(chuàng)造故障條件并利用
HMI來(lái)測(cè)試每個(gè)SIF以驗(yàn)證其在HMI上的響應(yīng)，觀
察最終控制單元。
利用被測(cè)試邏輯設(shè)備的PLC編程器及HMI對(duì)
所編程的邏輯功能進(jìn)行逐項(xiàng)測(cè)試。徹底檢查和核對(duì)
內(nèi)部的校驗(yàn)用換算系數(shù)。通過(guò)人工改變輸入和輸出
值來(lái)測(cè)試量程范圍。利用認(rèn)證的檢測(cè)儀和PLC來(lái)
測(cè)試每個(gè)傳感器，驗(yàn)證PLC獲得的測(cè)量值經(jīng)換算是
否與檢測(cè)儀的測(cè)量值一致。若兩者的差值超過(guò)測(cè)量
范圍2％，則其性能是不可接受的。下面給出復(fù)雜
邏輯系統(tǒng)的功能測(cè)試的流程和要求。
(1)測(cè)試人員要求：只有具備SIS維修資格的人
員才可進(jìn)行該SIS測(cè)試工作。
(2)書面測(cè)試流程：如果相關(guān)的過(guò)程單元沒(méi)有
完傘停止工作，且強(qiáng)制輸入和輸出用于功能測(cè)試工
作的一部分，那么在批準(zhǔn)進(jìn)行邏輯演算器測(cè)試工作
之前需制定詳細(xì)步驟的功能測(cè)試流程。
(3)重新激活緊急停車點(diǎn)：所有的SIS點(diǎn)都必須
在完成測(cè)試任務(wù)后恢復(fù)。在完成功能測(cè)試后，激活
的VO必須根據(jù)主單進(jìn)行檢查，并將此檢杏進(jìn)行記
錄作為變更管理的依據(jù)，此記錄應(yīng)該與對(duì)象的SIS
記錄一起存檔。
(4)SIS系統(tǒng)功能測(cè)試依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變化和維修。
要拿到記錄有SIS系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)變化或修改信息的參考
文檔，包含控制流程圖、SIS邏輯框圖、梯形列表和
數(shù)據(jù)映射字典、SIS示意圖。
(5)當(dāng)對(duì)邏輯演算器軟件進(jìn)行變更時(shí)，所使用
的流程應(yīng)遵循公司指南或以往慣例。
(6)與主機(jī)程序比較：通過(guò)使用安全PLC配置
站的卜傳一比較工具功能將邏輯演算器SIS中邏輯
程序跟主機(jī)內(nèi)程序進(jìn)行比較。如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)程序上
的變化而只有計(jì)劃性的修改，那么不需要對(duì)現(xiàn)有未
變的SIS邏輯進(jìn)行輸入一輸出功能檢查。
(7)程序比較列表：打印出程序比較列表并將其
與傳感器和過(guò)程執(zhí)行器的功能檢查的文檔一起備案。
(8)功能檢查：SIS邏輯的任何改動(dòng)都需要進(jìn)行
功能惟檢查，檢查流程為：通過(guò)通訊模塊將邏輯器中
的數(shù)字量和模擬值輸入讀取到BPCS，在BPCS操作
工作站上進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在PLC邏輯中的信號(hào)以及由
邏輯演算器接收到的任何輸入信號(hào)并不能直接輸入
到BPCS時(shí)，將安全PI．c配置計(jì)算機(jī)連接到邏輯器。
當(dāng)模擬輸人現(xiàn)場(chǎng)值范圍改變時(shí)，安全PLC配置計(jì)算
機(jī)用于校驗(yàn)正確的SIS程序值。為功能性檢查與
SIS變化相關(guān)的模擬和數(shù)字輸入，確認(rèn)PLC邏輯能
正確讀取數(shù)字輸入狀態(tài)和O％、50％及100％的模擬
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
·4· 化工自動(dòng)化及儀表第37卷
輸入信號(hào)值；任何一個(gè)輸入點(diǎn)都不禁止，除非需要禁
止一個(gè)不需要的停車功能。為功能性檢查SIS變更
相關(guān)的數(shù)字或模擬輸出需激勵(lì)一個(gè)邏輯輸入信號(hào)使
得其輸出值發(fā)生狀態(tài)變化或產(chǎn)生一個(gè)已知模擬值，
或者是禁止相關(guān)的輸出寄存器并輸入一個(gè)強(qiáng)迫值，
輸出設(shè)備響應(yīng)必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)。
(9)SIS所有的停車操作和預(yù)警以及與變化邏
輯相關(guān)的優(yōu)先跳變指示應(yīng)該進(jìn)行驗(yàn)證。
(10)在測(cè)試任務(wù)完成后，所有的功能測(cè)試檢查
期問(wèn)所禁止的點(diǎn)都應(yīng)該同到允許狀態(tài)。
(11)存在任何邏輯變更等情況必須記錄建檔。
(12)周期性功能測(cè)試包括制定測(cè)試計(jì)劃、明確
測(cè)試要求、批準(zhǔn)計(jì)劃、記錄功能測(cè)試、進(jìn)行缺陷校正
和填寫缺陷報(bào)告。
4．2．3終端控制單元的離線測(cè)試
SIF閥門的測(cè)試應(yīng)確定閥門是否能滿足安傘要
求規(guī)范中提供的功能要求。通過(guò)人工打開(kāi)(或關(guān)
閉)閥門或單獨(dú)啟動(dòng)(或停止)電機(jī)的測(cè)試需葦復(fù)
兩、三次，以保證閥門能正確動(dòng)作。通過(guò)人工改變線
性控制裝置如控制閥的輸出值，觀測(cè)HMI的反饋值
和設(shè)備本身來(lái)觀察設(shè)備的響應(yīng)。記錄HMI每個(gè)閥
門現(xiàn)場(chǎng)的反應(yīng)和在HMI的顯示值。除了滿行程測(cè)
試之外，有些情況下，閥門測(cè)試涉及到ffIf漏測(cè)試，這
時(shí)對(duì)閥門的最大泄漏速率有規(guī)定。如果閥門行程速
度很重要，則需測(cè)試確定并記錄行程所需時(shí)間。行
程時(shí)間應(yīng)包括從輸出信號(hào)變化到閥門位置變化的時(shí)
間，而不僅僅是閥門行程動(dòng)作的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間。
4．2．4人機(jī)交互界面(HMI)離線測(cè)試
所有人機(jī)交互界面上的SIF變量的顯示，無(wú)論
是操作員站的顯示還是面板上的燈，都應(yīng)按變量逐
個(gè)進(jìn)行核實(shí)。測(cè)試過(guò)程中應(yīng)對(duì)過(guò)程變量的正常范
圍、預(yù)報(bào)警及跳變點(diǎn)的設(shè)置以及其他變量信息進(jìn)行
驗(yàn)證和存檔。應(yīng)分別記錄測(cè)試前(as found)值和測(cè)
試后(as left)值。只要提供SIF的信息，應(yīng)對(duì)所有顯
示界面的標(biāo)識(shí)和訪問(wèn)控制進(jìn)行驗(yàn)證。如果HMI用
于SIF的啟動(dòng)輸出功能或者人工停車功能，則該功
能也應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。
4．2．5通信的離線測(cè)試
對(duì)所有與其他系統(tǒng)(如基本過(guò)程控制系統(tǒng))的通
信均應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證來(lái)自S1F的數(shù)據(jù)和信息能正
確傳輸?shù)狡渌到y(tǒng)。所有傳輸?shù)男畔⒊齬與SIF上
的信息相比外，還都應(yīng)將所發(fā)送的信息與接收到的及
系統(tǒng)中顯示的信息進(jìn)行比較。應(yīng)該對(duì)阻止BPCS操
作員站的信息傳輸給SIF邏輯演算器的安傘措施，尤
其是用于防止對(duì)SIF應(yīng)用軟件進(jìn)行非法更改的措施
進(jìn)行驗(yàn)證。在BPCS操作員站對(duì)SIF中的邏輯進(jìn)行更
改測(cè)試，以驗(yàn)證其不可更改性。防止來(lái)自配置站對(duì)邏
輯的改變的安全措施也需進(jìn)行測(cè)試，如果必須通過(guò)配
置站對(duì)邏輯進(jìn)行更改，則需驗(yàn)證其他町編程電子系統(tǒng)
(PES)不可以執(zhí)行該功能。如果使用了密碼保護(hù)技
術(shù)，測(cè)試確保其不能輕易的被一般黑客軟件所破解。
4．3 SIF離線測(cè)試的最后流程
在測(cè)試完后應(yīng)確認(rèn)所有的輸入、輸出及邏輯均處
在正確狀態(tài)，如去掉所有的旁路和跨接等，將所有的
終端控制單元恢復(fù)到預(yù)肩動(dòng)的位置，準(zhǔn)備好系統(tǒng)的啟
動(dòng)。通過(guò)比較每個(gè)SIF的檢查表單，驗(yàn)證任何用作旁
路的臨時(shí)跨接都處于正常狀態(tài)。對(duì)邏輯演算器和SIF
部件進(jìn)行最后的檢驗(yàn)，目的是保證所有的SIF工作均
已完成，系統(tǒng)能安全恢復(fù)到正常運(yùn)行。檢驗(yàn)應(yīng)該包
括：核實(shí)所有的警報(bào)都被清除；核實(shí)所有被識(shí)別的問(wèn)
題和故障已經(jīng)被標(biāo)明；檢查任何被代替的元件和設(shè)
備，以確保處于合適的工作狀態(tài)；核實(shí)所有的開(kāi)關(guān)和
手動(dòng)開(kāi)關(guān)都處在合適的位置上；查看所有SIF的壓力
和設(shè)備測(cè)量計(jì)，確保處于合適的工作狀態(tài)；查看配管、
管線終端和連線以保證其是安全的。這可能包括用
力拉來(lái)測(cè)試接線端狀況；在過(guò)程處于非作業(yè)狀態(tài)時(shí)，
核實(shí)所有的終端控制嗨元均處在正確的位置；核實(shí)所
有的儀表氣源提供調(diào)節(jié)器均處在其合適的設(shè)置狀態(tài)
下；核實(shí)現(xiàn)場(chǎng)功能箱和外殼是牢固的，能抵擋天氣造
成的影響；核實(shí)所有的導(dǎo)線管和導(dǎo)線管進(jìn)出板是牢固
不受天氣影響的；核實(shí)所有的從過(guò)程主閥門到傳感器
和開(kāi)關(guān)是打開(kāi)狀態(tài)，所有泄壓閥是關(guān)閉的。
5 SⅡ的在線測(cè)試
在線測(cè)試若不能正確實(shí)施，很町能造成過(guò)程擾
動(dòng)或無(wú)意問(wèn)關(guān)閉系統(tǒng)。因此，為保證在線測(cè)試能順
利進(jìn)行，在線測(cè)試必須有詳細(xì)周密的計(jì)劃、設(shè)計(jì)和程
序。SIF的在線測(cè)試對(duì)過(guò)程和測(cè)試人員都會(huì)造成壓
力，有必要在嚴(yán)密控制的條件下，運(yùn)用已驗(yàn)證的方法
來(lái)實(shí)施在線測(cè)試，務(wù)必在不影響過(guò)程安全的情況下
完成。任何用于在線測(cè)試而安裝的設(shè)備如旁路或測(cè)
量?jī)x器都應(yīng)在其測(cè)試過(guò)程中與相關(guān)的邏輯一起進(jìn)行
徹底的測(cè)試。一旦輸入或輸出被旁路，專門負(fù)責(zé)控
制系統(tǒng)的操作者應(yīng)該運(yùn)J}j與SIF獨(dú)立的方法持續(xù)監(jiān)
控該過(guò)程。倘若測(cè)試中，過(guò)程要求遇到過(guò)程響應(yīng)，操
作者應(yīng)該能夠人工執(zhí)行SIF或者其他所安裝系統(tǒng)的
停車。一旦手動(dòng)控制閥打開(kāi)或關(guān)閉，專門的現(xiàn)場(chǎng)操
作員應(yīng)能夠在過(guò)程要求響應(yīng)時(shí)迅速打開(kāi)或關(guān)閉隔斷
閥門。所有在線測(cè)試之前，操作者必須完全理解并
在測(cè)試過(guò)程中發(fā)生停車要求時(shí)，能夠采取正確的處
理措施。測(cè)試過(guò)程中遇到意外時(shí)，涉及SIF在線測(cè)
試的所有人員都應(yīng)該知道如何處理。
5．1 SIS在線測(cè)試準(zhǔn)備
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第3期方來(lái)華等．安傘儀表系統(tǒng)的功能安全測(cè)試研究·5·
在線測(cè)試之前，需對(duì)將要進(jìn)行的測(cè)試進(jìn)行評(píng)估。
由對(duì)過(guò)程和SIF熟悉的儀表人員、電氣工、操作工以
及相關(guān)技術(shù)人員組成的測(cè)試組來(lái)實(shí)施測(cè)試，測(cè)試前
至少做好以下幾項(xiàng)準(zhǔn)備工作”J：
(1)告知接班的操作員，SIF系統(tǒng)是要進(jìn)行測(cè)試
還是正常工作；
(2)審查SIF系統(tǒng)的描述；
(3)審查安傘儀表系統(tǒng)的測(cè)試程序；
(4)討論在線測(cè)試是否影響其他系統(tǒng)如BPCS、
報(bào)警或其他的SIF；
(5)討論工作范圍，究竟檢查什么?是流量、壓
力、溫度還是液位等；
(6)討論當(dāng)激活報(bào)警時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)該如何通
知操作者；
(7)討論當(dāng)系統(tǒng)旁路時(shí)，哪些設(shè)備將不再起作用；
(8)審查測(cè)試過(guò)程中需要特殊預(yù)防措施的操作；
(9)討論在進(jìn)行測(cè)試的輸入處于旁路時(shí)，如果未
經(jīng)計(jì)劃的SIF發(fā)生，應(yīng)采取怎樣的操作及維護(hù)措施；
(10)討論在旁路存在的情況下，如果操作者必
須啟動(dòng)SIF，應(yīng)采取什么樣的操作及維護(hù)措施；
(1 1)討論應(yīng)采取什么程序以保證一旦SIF測(cè)試
完成，SIF將恢復(fù)到工作狀態(tài)，如自動(dòng)校核、各自審
查等。
5．2 SIS各部件的在線測(cè)試
5．2．1傳感器的在線測(cè)試
需要在線測(cè)試的過(guò)程傳感器在安裝時(shí)，應(yīng)該有一
定程度的冗余使得在測(cè)試一個(gè)傳感器時(shí)，另一個(gè)仍然
能夠進(jìn)行必要的測(cè)量。如果過(guò)程生產(chǎn)的可靠性要求
高，應(yīng)使用2002或2003表決型傳感器。然后，設(shè)計(jì)者
再確定是否使用旁路以便于測(cè)試。對(duì)于2002或2003
表決型傳感器，測(cè)試時(shí)可不必旁路。當(dāng)使用在線診斷
來(lái)檢測(cè)傳感器失效時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)確定閣值邏輯是否會(huì)
發(fā)生改變。例如，如果失效傳感器表決結(jié)果是進(jìn)行停
車，SIF的邏輯町能從2003表決降低到l002表決。相
反的，如果失效傳感器表決脫離停車狀態(tài)，它將從
2003表決降低到2002表決。如果傳感器是l002結(jié)
構(gòu)，則必須有旁路，使得每個(gè)傳感器能在線測(cè)試，同時(shí)
保持其他傳感器的測(cè)量性能。在這種測(cè)試中，邏輯將
降低到1001，這是比l002更低的SIF。在測(cè)試中應(yīng)采
取合適的預(yù)防措施，以保證不影響安全。
傳感器的測(cè)試頻率町以高于或低于SIF部件的
測(cè)試頻率，這取決于部件的M r兀'F(Mean Time To
Failure，平均失效前時(shí)間)及表決配置。模擬傳感器
是以冗余配置方式安裝的，模擬信號(hào)的比較和信號(hào)
偏離的報(bào)警可提供診斷使得單個(gè)傳感器的測(cè)試問(wèn)隔
可適當(dāng)延長(zhǎng)。當(dāng)產(chǎn)生偏離報(bào)警時(shí)，應(yīng)進(jìn)行傳感器的
測(cè)試和核對(duì)。
5．2．2邏輯演算器的測(cè)試
不建議在過(guò)程處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)進(jìn)行邏輯演算器
的在線測(cè)試。邏輯演算器是SIF中典型的最町靠部
分，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)投入運(yùn)行前的FAT測(cè)試或離線測(cè)試后，
一般沒(méi)必要對(duì)邏輯演算器進(jìn)行在線測(cè)試，除非邏輯演
算器中的邏輯發(fā)生更改。當(dāng)邏輯發(fā)生改變時(shí)，邏輯演
算器也應(yīng)該在SIF投入運(yùn)行之前，重新進(jìn)行測(cè)試。
5．2．3終端控制單元的在線測(cè)試
終端控制單元的在線測(cè)試是SIF相關(guān)測(cè)試中最
為困難的。如果測(cè)試進(jìn)行的不合理，任何閥門的在線
測(cè)試均可導(dǎo)致過(guò)程中斷。閥門測(cè)試可利用過(guò)程旁路，
實(shí)施傘部行程或部分行程測(cè)試以檢查閥門的動(dòng)作情
況。無(wú)論是使J}J單一還是冗余的閥門，在線測(cè)試需要
附加的設(shè)計(jì)要求，如全流量旁路、部分行程測(cè)試設(shè)備、
測(cè)試裝置等。任何閥門測(cè)試均應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，以確定在
測(cè)試中檢測(cè)什么故障模式。對(duì)于部分行程測(cè)試閥門，
其不能確定閥門是否能完成全開(kāi)或全閉功能，這只能
通過(guò)全部行程測(cè)試來(lái)確定。
5．2．4人機(jī)接口的在線測(cè)試
HMI的在線測(cè)試只有在對(duì)操作者提供的信息
發(fā)生改變的情況下才需要進(jìn)行。任何顯示給操作者
關(guān)于SIF狀態(tài)的信息發(fā)生改變時(shí)，都應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，以
驗(yàn)證其合適性。在過(guò)程正常運(yùn)行情況下，只要HMI
顯示屏幕自身故障，就應(yīng)該進(jìn)行測(cè)試，這種故障常常
是由于輸入或足’顯示器器件本身引起。當(dāng)修理完后
替換為新HMI，原有的SIF中所指定的HMI的所有
特性均應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。
5．2．5通信測(cè)試
SIF及其他系統(tǒng)的通信應(yīng)與邏輯演算器同時(shí)進(jìn)
行測(cè)試。在有任何通信故障指示的時(shí)候，也要進(jìn)行
通信測(cè)試。如果與其他系統(tǒng)的聯(lián)系對(duì)SIF的安全完
整性有影響，應(yīng)使用包括在完整性評(píng)價(jià)中的測(cè)試間
隔。任何通信連線的在線測(cè)試都不應(yīng)降低SIF執(zhí)行
其功能的能力。
從SIF到其他任何系統(tǒng)的通訊發(fā)生改變時(shí)，都
應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。不建議當(dāng)SIF還在給過(guò)程提供保護(hù)時(shí)
對(duì)通訊進(jìn)行變動(dòng)，因?yàn)檫@些變動(dòng)會(huì)導(dǎo)致SIF的細(xì)微
故障或造成程序錯(cuò)誤，而這些故障可能使得SIF無(wú)
法執(zhí)行其功能。61。
6結(jié)論
(1)安全儀表系統(tǒng)是工業(yè)安全防護(hù)層中非常關(guān)
鍵的一環(huán)，是減少生產(chǎn)事故、降低風(fēng)險(xiǎn)的有效措施。
在SIS投入運(yùn)行前和投入運(yùn)行后，科學(xué)、合理地做好
測(cè)試驗(yàn)證工作是保證安全儀表系統(tǒng)滿足安全要求規(guī)
格，維持所需安全完整性等級(jí)，實(shí)現(xiàn)其功能安全的重
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
·6· 化工自動(dòng)化及儀表第37卷
要組成部分c川。研究安全儀表系統(tǒng)的測(cè)試要求、流
程與相關(guān)的技術(shù)方法是科學(xué)實(shí)施SIS整體生命周期
功能安全管理廄待解決的問(wèn)題，對(duì)于提高我國(guó)安全
生產(chǎn)檢測(cè)和安全監(jiān)控水平至關(guān)重要。
(2)確定安全儀表系統(tǒng)在正式投入使用前進(jìn)行工
廠驗(yàn)收測(cè)試的內(nèi)容和要求，并依據(jù)所編制計(jì)劃執(zhí)行集
成測(cè)試，對(duì)SIF的部件進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試和性能確認(rèn)，是
SIS投入運(yùn)行前一項(xiàng)重要測(cè)試工作。采用何種測(cè)試技
術(shù)方法，明確離線測(cè)試的內(nèi)容、在線測(cè)試的準(zhǔn)備和要
求，以及SIS系統(tǒng)的傳感器、邏輯演算器、終端控制單
元、人機(jī)接口和安全總線通信等各組成部分在線測(cè)試
和離線測(cè)試的流程和技術(shù)方法，對(duì)于指導(dǎo)安全儀表系
統(tǒng)的SIF測(cè)試具有重要的指導(dǎo)意義。
(3)如何衡量功能測(cè)試的價(jià)值與實(shí)施測(cè)試所需
的花費(fèi)往往是影響是否進(jìn)行測(cè)試的決策主因。有效
的安全測(cè)試受本地條件的影響很大，危險(xiǎn)、資源其至
現(xiàn)場(chǎng)的情況都會(huì)相蔗很大。但不管測(cè)試方案如何使
用，都必須非常的實(shí)際，要求測(cè)試在保障SIF的安全
等級(jí)的同時(shí)，盡量地的減少維修和運(yùn)行成本。
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mented system[C]／／Proceedings of the IEEE International
Conference on Automation and Logistics．2008：2685—2690．
Research on Functional Safety Testing for Safety Instrumented System
FANG Lai-hua‘，WU Zong—zhil，WEI Li-junl，KANG Rong—xuel，CHEN Jie2
(1．China Academy of Safety Science&amp;amp;Technology，Be彬ng 1 00029，China，
2．University of Science and Technology Be彬ng，Be班ng 100083，China)
Abstract：Contents and requirements of testing for Safety Instrumented System(SIS)prior to or after SIS’S bringing
into service were expounded，main parts and guidance principles for off-line and on—line testing of safety instrumented
function components were given．Procedures，requirements and techniques of performing off-line and on—line testing
were analyzed and discussed in devil．The proposed testing contents，requirements，procedures and approaches for
safety instrumented function(sir)components provided significant instructions to functional safety testing and vali—
dation for SIS during its overall safety lifecycle，and offered help in the different phase activities of the analysis，de—
sign，development，operation and maintenance of SIS．
Key words：SIF；off-line testing；on-line testing；testing procedure
產(chǎn)等
樂(lè)清市儀表九廠????????????????封面
橫河川儀有限公司．．．．．．．o g?????????封二
蘇州蘭煉富士?jī)x表有限公司???????????封三
深圳市業(yè)?？萍及l(fā)展有限公司??????????封四
陜西創(chuàng)威科技有限公司????????????前插1
四川科華閥業(yè)有限公司????????????前插2
上海ABB工程有限公司????????????前插3
福斯流體技術(shù)(上海)有限公司?????????前插4
浙江永盛儀表有限公司????????????前插5
天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院???????前插6
珠海市長(zhǎng)陸工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)有限公司?????前插7
北京大陸力達(dá)儀表科技有限公司????????前插8
ABB(中國(guó))有限公司?????????????中插l
四川華林自控科技有限公司??????????中插2
索引
北京西姆宏儀器儀表有限公司?????????中插3
上海辰竹儀表有限公司????????????中插4
天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院測(cè)量控制所??內(nèi)插l
天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院檢測(cè)儀表所
??????????????????????內(nèi)插2
蓬萊市自控設(shè)備成套廠????????????內(nèi)插3
自貢市華科儀表制造有限公司?????????內(nèi)插4
啟東宏達(dá)防爆電氣有限公司??????????內(nèi)插5
無(wú)錫市胡埭儀表廠??????????????內(nèi)插6
珠海賽思特儀表設(shè)備有限公司?????????內(nèi)插7
上海望源測(cè)控儀表設(shè)備有限公司????????內(nèi)插8
無(wú)錫市惠華特種儀表有限公司?????????內(nèi)插9
東莞市雅德儀表有限公司???????????內(nèi)插9
眉山麥克在線設(shè)備有限公司??????????內(nèi)插10
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