深圳市奧圖威爾科技有限公司
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安全儀表系統(tǒng)的發(fā)展趨勢及設(shè)計規(guī)范
隨著中國石油化工行業(yè)新建石化工廠生產(chǎn)裝置經(jīng)濟規(guī)模大型化、千萬噸級煉油和百萬噸級乙烯一體化,規(guī)模生產(chǎn)裝置密集程度越來越高,對生產(chǎn)操作、控制、管理、安全、環(huán)保及節(jié)能要求越來越嚴格,石油化工生產(chǎn)過程具有高溫、高壓、易燃、易爆等特點,國家安全監(jiān)管總局于2014年11月13日提出了加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導意見(安監(jiān)總管三〔2014〕116號文件),對加強化工安全儀表系統(tǒng)管理,防止和減少危險化學品事故發(fā)生提出了新的要求,并于2013年制定的石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范(GB/T 50770-2013),許多屬于重大化工(危險化學品)的企業(yè)開始重視安全儀表系統(tǒng)的建設(shè),必將在未來的幾年帶動安全儀表系統(tǒng)的發(fā)展。
配置示意圖
安全儀表系統(tǒng)的分級
SIL分級
◆ SIL是Safety Integrity Level的簡稱,中文意思是綜合安全級別也稱為安全度等級。是美國儀表學會(ISA)在S84.01標準中對過程工業(yè)中安全儀表系統(tǒng)所作的分類等級,分為1、2、3三級:
◆ SIL1級每年故障危險的平均概率為0.10~0.01之間;
◆ SIL2級每年故障危險的平均概率為0.01~0.001之間;
◆ SIL3級每年故障危險的平均概率為0.001~0.0001之間
SIL等級的確認
◆ 1級:裝置可能很少發(fā)生事故。如發(fā)生事故,不會立即造成環(huán)境污染和人員傷亡,經(jīng)濟損失不大。用于本級別的安全儀表系統(tǒng),需取得SIL1級和TüV2-3級認證,對裝置和產(chǎn)品起一般的保護。
◆ 2級:裝置可能偶爾發(fā)生事故。如發(fā)生事故,對裝置和產(chǎn)品有較大的影響,并有可能造成環(huán)境污染和人員傷亡,經(jīng)濟損失較大。用于本級別的安全儀表系統(tǒng),需取得SIL2級和TüV4級認證,對裝置和產(chǎn)品提供保護。
◆ 3級:裝置可能經(jīng)常發(fā)生事故。如發(fā)生事故,對裝置和產(chǎn)品將造成嚴重的影響,并造成嚴重的環(huán)境污染和人員傷亡,經(jīng)濟損失嚴重。用于本級別的安全儀表系統(tǒng),需取得SIL3級和TüV5-6級認證,對裝置和產(chǎn)品提供保護。
安全儀表系統(tǒng)的組成
◆ SIS系統(tǒng)的組成分為傳感器部分、邏輯運算部分和最終執(zhí)行器單元三部分。
◆ 傳感器單元采用多臺儀表或系統(tǒng),將控制功能與安全聯(lián)鎖功能隔離,即傳感器分開獨立配置的原則,做到安全儀表系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)的實體分離。
◆ 最終執(zhí)行元件(切斷閥、電磁閥)是安全儀表系統(tǒng)中危險性的設(shè)備。
◆ 邏輯運算單元由輸入模塊、控制模塊、診斷回路、輸出模塊4部分組成。
A.控制器、傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備要取得IEC61508 安全認證;
B.控制器應(yīng)由冗余電源、控制器、通訊卡及I/O卡件組成,采用冗余容錯技術(shù),為故障安全型;
C.采用工業(yè)組態(tài)軟件;
SIS系統(tǒng)的配置方案
上位機
工程師兼操作員站、工業(yè)組態(tài)軟件、報表打印機、UPS電源、聯(lián)網(wǎng)設(shè)備
安全控制器
GE PAC8000、西門子S7-400FH、貝加萊、艾默生
現(xiàn)場安全儀表
壓力變送器、氣體檢測(有毒或可燃)、溫度變送器、閥門、泵、ESD按鈕
輔助操作盤
指示燈、啟停按鈕、ESD按鈕、旁路開關(guān)
供電部分
SIS系統(tǒng)的供電分系統(tǒng)供電、安全控制器供電、現(xiàn)場儀表供電。系統(tǒng)供電主要是220VAC,要求由兩路供電實現(xiàn),一路是市電進入到UPS,由UPS供電(要求高的SIS系統(tǒng),UPS系統(tǒng)要冗余配置),另外一路是業(yè)主方提供的發(fā)電機供電,兩路供電經(jīng)過冗余電源開關(guān),同時對內(nèi)供電;
安全控制器供電主要是由安全控制器廠家提供的開關(guān)電源,開關(guān)電源要冗余配置,兩路交流220VAC進,一路直流電輸出(一般有5VDC、12VDC等直流輸出);
現(xiàn)場儀表供電主要是由安全控制器廠家或其它廠家提供的開關(guān)電源,開關(guān)電源冗余配置,兩路交流220VAC進,一路直流電輸出(一般24VDC等直流輸出);
上位機部分
SIS系統(tǒng)的上位機部分主要作用是監(jiān)控安全控制器的運行、現(xiàn)場安全儀表的運行、記錄安全儀表的歷史數(shù)據(jù)及開關(guān)輸入變化記錄(又叫SOE),具備報表打印及參數(shù)設(shè)置等功能,對SIS系統(tǒng)的作用是非決定性的,出現(xiàn)異常時,不由上位機發(fā)出指令,即使沒有上位機也不影響SIS系統(tǒng)安全控制。所以對計算機、工業(yè)組態(tài)軟件等配置要求不高。
安全控制器部分
SIS系統(tǒng)的安全控制器配置必須要符合安全等級的設(shè)計要求,如果設(shè)計要求安全等級要達到SIL2,那么安全控制器的所有設(shè)備必須取得SIL2的認證,否則就不能采用。目前國內(nèi)的大部分SIS設(shè)計的安全等級要求都是SIL2以上,所以所配的安全控制器除了要取得認證,同時控制器的CPU、通訊模塊、電源模塊等要采取冗余配置、I/O模塊要采用安全型的。
序號 | 名稱 | 型號或規(guī)格 | 參數(shù)說明 | 數(shù)量 | 單位 | 廠家 |
一、SIS計算機系統(tǒng) | ||||||
1 | 工業(yè)操作臺 | AW-OP-VS1.1 | 普通式操作臺,防火板臺面,冷軋鋼板,600*760*1000(寬*高*深) mm | 2 | 臺 | 深奧圖 |
2 | 工控機 | Intel酷睿雙核3.3GHZ/2G/500G/DVDRW/22″寬/鍵鼠 | 1 | 臺 | ||
3 | 工業(yè)組態(tài)軟件 | IFIX、INTOUCH、WINCC等 | 1 | 套 | ||
4 | 不間斷電源 | 3KVA,需外帶電池,在線式,延時60分鐘 | 1 | 臺 | ||
5 | 報表打印機 | 黑白激光打印機,A4幅面;速度:14ppm;分辨率:600*600dpi;標配USB2.0接口,用于控制室 | 1 | 臺 | ||
6 | 以太網(wǎng)交換機 | IES318 | 8口工業(yè)以太網(wǎng)交換機,工作溫度:-10 ~ 60°C,隔離型冗余電源輸入 | 1 | 臺 | |
二、SIS控制器系統(tǒng) | ||||||
1 | 可編程控制器 | SafetyNet符合IEC61508標準,通過安全認證,具有冗余控制器、冗余電源和網(wǎng)絡(luò),IO支持熱插拔 | 1 | 套 | ||
(1) | 供電電源 | 冗余電源,220VAC輸入,5A,12VDC/24VDC輸出,控制器供電 | 2 | 塊 | ||
(2) | 供電電源 | 冗余電源,220VAC輸入,10A,24VDC輸出,儀表供電 | 2 | 塊 | ||
(3) | 控制器 | 冗余高速容錯型CPU,帶1個RJ45接口和2個串口 | 2 | 塊 | ||
(4) | AI模塊 | 8通道/塊,4-20mA輸入,帶HART功能 | 1 | 塊 | ||
(5) | DI/DO模塊 | 8點DI/DO,24VDC,隔離型,模塊即可以做DI模塊,也可以做DO模塊 | 1 | 塊 | ||
(6) | 編程軟件 | 安全控制器開發(fā)工具 | 1 | 套 | ||
2 | 安全儀表系統(tǒng)柜 | 2100mmX800mmX800mm | 高X寬X厚,柜體前后開門,材料為冷軋鋼板,厚度為2.5mm,顏色RAL 7035;機柜配散熱通風、照明等;含底座及連接件,要單獨配280mm高的底座,指示燈,按鈕等,設(shè)置在防爆區(qū),需要做成正壓柜 | 1 | 臺 | 深奧圖 |
3 | 以太網(wǎng)交換機 | 8口工業(yè)以太網(wǎng)交換機,工作溫度:-10 ~ 60°C,隔離型冗余電源輸入 | 1 | 臺 | ||
4 | 端子式繼電器 | 線圈電壓:24VDC,干接點輸出,2NO/2NC | 只 | |||
5 | 空氣開關(guān) | C65N 2P C10A | 個 | 施耐德 | ||
6 | 柜內(nèi)接線端子 | 用于柜內(nèi)電源或信號進線和出線端子 | 個 | SAK | ||
7 | 室內(nèi)聲光報警器 | 旋轉(zhuǎn)LED閃光燈,24VDC | 1 | 臺 | 深奧圖 | |
8 | 室內(nèi)緊急停車按鈕 | 紅色蘑菇頭按鈕(帶防護罩)(常閉、自鎖型),24VDC | 1 | 臺 | 深奧圖 | |
9 | 安全柵 | 一進二出,4~20mA輸入,4~20mA輸出,支持二線制、三線制變送器, 安全等級SIL2以上 | 個 | |||
10 | 220VAC電源防雷柵 | 標稱工作電壓:220V;持續(xù)工作電壓:275V;標稱放電電流:10kA;響應(yīng)時間:≤25ns | 1 | 個 | ||
11 | 24VDC信號防雷柵 | 標稱電壓:24VDC;持續(xù)電壓:28VDC;標稱放電電流:2.5kA;放電電流:5kA;響應(yīng)時間:≤1ns,用于DI及AI通道 | 個 | |||
12 | 柜內(nèi)安裝輔材及集成 | 包括DIN導軌、走線槽、柜內(nèi)接線等 | 1 | 項 | 深奧圖 | |
三、儀表系統(tǒng) | ||||||
1 | 防爆區(qū)緊急停車按鈕 | 紅色蘑菇頭按鈕(帶防護罩)(常閉、自鎖型),24VDC,防爆等級:ExdIIBT6,帶立柱 | 臺 | |||
2 | 帶熱電阻一體化溫度變送器 | PT100,兩線制4-20mA,*傳感器,DN25 PN25 法蘭套管,316襯氟/316,¢16,防爆認證:ExdⅡBT4 | 臺 | |||
3 | 壓力變送器 | 量程:0.03-3MPA,電氣接口:1/2"NPT,兩線制4-20mA,防爆認證:ExdⅡBT4 | 臺 | |||
4 | O型氣動切斷閥 | DN65,其它參數(shù)與設(shè)計院的儀表規(guī)格書為準 | 臺 | |||
5 | 氣體報警探測器 | 帶顯示、帶聲光、固定式有毒氣體報警器供電:24VDC,精度:±3%FS,防爆認證:ExdⅡCT6 Gb,防護等級:IP66,溫度范圍:-40℃~70℃,兩線制/三線制4-20mA繼電器輸出 | 臺 |
發(fā)電、煤氣廠、化工、石化工業(yè)、管道以及石油、天然氣行業(yè)
安全儀表系統(tǒng)的選型設(shè)計
1、設(shè)計的原則
SIS原則上應(yīng)單獨設(shè)置,獨立與DCS和其他系統(tǒng),并與DCS進行通信;
SIS應(yīng)具有完善的診斷測試功能,SIS應(yīng)采用經(jīng)安全認證的控制器;
SIS關(guān)聯(lián)的檢測元件、執(zhí)行機構(gòu)原則上單獨設(shè)置;
SIS中間環(huán)節(jié)應(yīng)保持最少;
SIS應(yīng)采用冗余或容錯結(jié)構(gòu);
SIS應(yīng)設(shè)計成故障安全型,I/O模件應(yīng)帶電磁隔離或光電隔離,每通道應(yīng)相互隔離,可帶電插拔;
來自現(xiàn)場的三取二信號應(yīng)分別接到三個不同的輸入卡;
當現(xiàn)場變送器信號同時用于SIS、DCS時,應(yīng)先接到SIS系統(tǒng)后接到DCS系統(tǒng);
采用SIS系統(tǒng)對變送器進行供電;
負荷不應(yīng)超過50%;
電源應(yīng)冗余配置;
采用等電位接地。
傳感器及執(zhí)行元件,正常工況應(yīng)是帶電(勵磁);非正常工況應(yīng)是失電(非勵磁);
電磁閥冗余配置時,有兩種連接方式:
并聯(lián)連接 -- 可用性好;
串聯(lián)連接 -- 安全性好。
2、SIS傳感器設(shè)計選用
獨立設(shè)置原則: 1級 SIS傳感器可與DCS共用;
2級 SIS傳感器宜與DCS分開;
3級 SIS傳感器應(yīng)與DCS分開;
冗余設(shè)置原則: 1級 SIS傳感器可采用單一的傳感器;
2級 SIS傳感器宜采用冗余的傳感器;
3級 SIS傳感器應(yīng)采用冗余的傳感器;
冗余選擇原則: 保證系統(tǒng)的安全性時,采用“或"邏輯結(jié)構(gòu);保證系統(tǒng)的可用性時,采用“與"邏輯結(jié)構(gòu);當系統(tǒng)的安全性和可用性均需保證時,采用“三取二"邏輯結(jié)構(gòu);
傳感器宜采用隔爆型的變送器(壓力、差壓、差壓流量、差壓液位、溫度),不宜采用開關(guān)型傳感器;傳感器由SIS系統(tǒng)供電。
3、SIS邏輯運算器設(shè)計選用
SIS邏輯運算器:繼電器系統(tǒng),可編程序電子系統(tǒng),混合系統(tǒng)三種;
繼電器用于I/O點較少,邏輯功能簡單的場合;
可編程電子系統(tǒng)用于I/O點較多,邏輯功能復雜,與DCS、MES通信等場合;
可編程電子系統(tǒng)可以是經(jīng)TUV認證的PLC系統(tǒng),也可是DCS和其他專用系統(tǒng);
獨立設(shè)置原則: 1級SIS邏輯運算器宜與DCS分開;
2級SIS邏輯運算器應(yīng)與DCS分開;
3級SIS邏輯運算器必須與DCS分開;
冗余設(shè)置原則: 1級SIS可采用單一的邏輯運算器;
2級SIS宜采用冗余或容錯邏輯運算器;
3級SIS應(yīng)采用冗余容錯邏輯運算器;
4、SIS執(zhí)行元件設(shè)計選用
執(zhí)行元件:氣動切斷閥(帶電磁閥),氣動控制閥(帶電磁閥),電動閥或液動閥等。
獨立設(shè)置原則: 1級 SIS 閥門可與DCS共用,應(yīng)確保SIS優(yōu)先于DCS動作;
2級SIS閥門宜于DCS分開;
3級SIS閥門宜于DCS分開;
冗余設(shè)置原則:1級 SIS 可采用單一閥門;
2級宜采用冗余閥門;如采用單一閥門,電磁閥宜冗余配置;
3級宜采用冗余閥門;可采用一個控制閥和一個切斷閥;
電磁閥設(shè)置原則:電磁閥應(yīng)采用長期帶電,低功耗,隔爆型;由SIS系統(tǒng)供電。
SIS與DCS的區(qū)別
SIS與DCS在石油、石化生產(chǎn)過程中分別起著不同的作用,如下圖所示:生產(chǎn)裝置從安全角度來講,可分為3個層次:層為生產(chǎn)過程層,第二層為過程控制層,第三層為安全儀表系統(tǒng)停車保護層。