安全仪表sis系统设计标准发展史

       安全仪表系统（SafetyInstrumented System, 简称SlS系统）是实现易燃、易爆、有毒、有害等流程工业安全运行的重要措施之一，sis系统能使生产过程中的控制系统在危险发生时正确地执行其安全功能。一套设置合理的安全仪表sis系统能有效降低整个生产过程的风险，提高系统装置的可用性和可靠性，是保障企业安全、可靠、 长周期运行的重要技术手段。同时考虑到工业生产的效益，SIS的设计还需要 考虑其经济效益，即其成本与收益之间的关系．为了使SlS系统既可以保证工业生 产的安全又可以不损害其经济效益，SIS的成本优化设计显得十分重要。

　　本论文使用多目标遗传优化算法完成SIS的优化设计，包括SIS系统可靠性、 安全性及其生命周期成本的优化。介绍了IEC61508中对系统安全完整性等级的定义和计算方法及模型。采用故障树计算SIS的要求时失效概率（PFDavg）和安全失效概率（PFS），分别用来表示SIS的安全完整性和可靠性。将SIS系统的 生命周期成本分为两个部分考虑：固定成本和运行成本。
　　工业化的推进，现代大工业的发展，在为人类生活提供丰富物质产品的同时，也屡屡造成了健康、安全、环保等诸多灾难和危害．特别是20世纪70年代 以来，引发一系列火灾、爆炸、毒气泄漏等重大灾难。究其原因，过程工业规模的扩大，控制系统的复杂化导致的系统设计、实施和操作过程的失误，都高可能给企业带来严重的后果，造成巨大的经济损失，更为甚者，将会给周围的环堤带来灾难性的后果。例如：1986年前苏联切尔诺贝利核电站爆炸。

　　1988年北海阿尔法油田爆炸事件等等，至今还让人们心有余悸，这些灾难性事 故不断地向我们昭示z安全生产是企业永恒的主题。而要保障生产过程的高可靠性和安全性，负责保护控制系统的安全相关系统的设计需要予以高度的重视。

　　安全仪表sis系统是实现易燃、易爆、有毒、有害等流程工业安全运行的重要措施之一，它能使生产过程中的控制系统在危险发生时正确地执行其安全功能。 一套设置合理的安全仪表系统能有效降低整个生产过程的风险，提高系统装置 的可用性和可靠性，是保障企业安全、可靠、长周期运行的重要技术手段．目 前，安全仪表系统已在我国部分石油化工企业生产中应用，运行效果表明，安 全仪表系统为预防重大事故的发生发挥了作用。由于安全仪表系统在国内的应 用还处于初级阶段，功能安全标准IEC6!511在国内也刚颁布不久，相关的科研人员及工程技术人员对安全仪表系统的组成、设计、开发等活动及其关键要求尚缺乏深入的认识和理解。以保护人员、设备和环境为主旨的安全仪表系统和 常见的基本过程控制系统不间，生命周期中的选型、设计、实施、运行、维护 和验证等活动有一系列特殊的要求，SIS能否成功执行其安全功能离不开其各阶 段要求的满足。同时，在满足这些要求后，设计出的SIS系统是否能在性能和成本之间达到还需进一步考虑。就目前国内大多数SIS来看，其设计都属于过度设计，即其花费的成本要高于其带来的收益．肉此，为了使SIS能够拥有性价比，以SIS的设计成本为优化目标进行SIS设备选型及结构的优化是非常必要的。安全仪表系统的优化设计可以实现花费最少的费用完成保护功能，对工业的安全经济生产有重要意义。

　　可靠性和安全性工程是一个较新的研究领域，一些重要的研究工作是在20世纪50年代中期由于军事上的需提而推动的。美国发展可靠性技术，在1943 年成立了电子管研究委员会专门研究电子管的可靠性问题。 1957 年发表的《电子设备可靠性》的研究报告， 指明了可靠性工程发展的方向，为可靠 性发展奠定了基础。 德国为了提高VI,Vll火箭的可靠性， 从系统的可靠性研究开始发展了定量、 用统计方法处理的基本原理。可靠性工程作为一门科学已经研究出了大量的定量分析技术，包括：失效模式和影响分析（FMEA ），定性故障树分析（FTA）及危险和可操作性分析（HAZOP）。
　　控制系统和保护系统也和军事系统－样，向着更复杂的方向发展。早期的控制系统，设备简单可靠，故障模式可以预知， 在失效状态下多半是安全的 今天控制系统采用了复杂的电子设备，分布式控制器，各种层次和各种规模的 计算机，人们对其依赖性也越来越大，其与可靠性与安全性评估己变得越来越重要。
　　随着安全意识的加强，近年来，一些国际组织相继公布了一系列有关控制系统安全性与可靠性的标准，例如：ISA 的 884.01 、IEC 的61508等，这些标准，提出了两个重要的概念：安全生命周期和安全完整性等级（safetyintegritylevel,简称SIL）。1996 年美国仪表协会完成了个关于安全仪表系统功能安全的美国标 准一一ISA, S84.0 《过程工业安全仪表系统的应用》提供了很多重要指南，描述了3基本过程控制系统（ BPCS）和安全仪表系统（SIS ）的分界， 为各种安全级别提供了定量指标，还提供了一些系统设计的实例。 2000 年 2 月，IEC 发布了功能安全基础标准 IEC61508，用7 个部分描述了安全仪表的一般概念， 标准相 当详细， 对于每个安全完整性等级部提出了与其相对同的设备的具体要求（8］。 它解决了网扰多年的对复杂安全系统功能安全保障的理论与实践问题， 在工业 界引起强烈反响。许多专家认为：IEC61508 实现了安全技术和管理理论的一大突破， 其提出的去全完整性等级（SIL）将成为各领域内合同的条款。
　　随后， 不同应用领域及子系统的功能安全标准陆续出台。 如过程工业的 IEC6151 l 、机械工业的 IEC62061 、核工业的 IEC61513 等。 这些标准的建立，标志着 IEC 功 能安全标准的形成。 IEC61508 发布后， 欧洲首先采用，美国于2003 年底开始 采用。 IEC 制定该系列标准的目的是规范领域内功能安全技术和管理， 以保证人身财产的安全， 因此正被欧洲与美国列为强制性标准，相关的认证已经开始。
　　对安全仪表系统功能安全的研究在我国还刚刚开始， 功能安全技术本身也 还在发展过程之中。2007年1月1日，与功能安全国际标准 IEC61508 等同的 我国功能安全标准 GB20438 《电气／电子／可编程电子安全相关系统的功能安全》开始正式实施了，与功能安全国际标准IEC61511等阔的我国功能安全标准还没有出台。由于我国的功能安全标准不是强制性实施，在定程度上也抑制了功 能安全评估的开展。另外，我国目前尚没有功能安全评估和认证机构进行功能 安全评估，但是在很多大的企业内部也开始应用功能安全评估的思想开展去全 工作，问题是大多数只局限于对过程进行危险和风险分析和硬件安全完整性水平计算等工作。 依据整体安全生命周期分阶段地对安全仪表系统进行系统的功能安全评估还很少，，安全控制系统的失效会导致公司财产损失，造成环境破坏，人员伤亡等严重后果。因此我们需要通过添加起安全保护作用的仪表或系统来帮助提高控制系统的安全性。
　　本文结合了多目标优化遗传算法与IEC61508对SIS的安全性能指标的定义与要求，将优化算法应用到SIS的结构设计上，在设计阶段将系统的安全性能及成本降到。这样不仅有助于提高系统实施阶段的安全性， 也可以用来说服管理者投资在安全仪表系统上。
　　因为从理论上讲，只要设计合理，SIS系统可以给工业界的安全带来巨大的利益。另外，本文的优化还涉及到检测周期的优化，这也对系统的维护工作提供了理论依据，避免了不必要的维护工作和维 护戚本， 因为对于不同的设备，其需要的维妒周期也是不同的， 有些差别非常大，这不仅与设备的失效率有关还与设备的自检能力有关。延长维护周期可以降低企业的维护成本，而失效率低且拥有自检能力的设备需要的维护周期都比较长，所以这也是为什么智能设备越来越受欢迎的原因。
　　除了系统的冗余度，设备的诊断覆盖率对系统的安全性有影响外，组成系统的设备的多样性也是影响系统安全性的一个重要因素，因为涉及到共因失效 问题， 设备的多样性问题就显得尤为重要。本文中未涉及多个不同技术的设备组成的子系统如差压变送器可以便智能的，也可以是普通的变送器，如果两个冗余的变送器都选用同类型的，必然会产生共因失效。但是若选择不同类型的变送器就可以大大降低共因失效概率。这也是工业界提高系统安全性的一个主 要措施。因此，接下来的工作可以将设备的多样性引入优化算法中，在优化冗余度的同时也可以优化系统的多样性，这样也许可以找到成本更低，安全性更高的系统设计方案。
　　总之，SIS系统的设计是一个集系统论、控制论、计算机技术、现代安全管理等学科的综合课题。安全生命周期的定义为其设计提供了基本概念但没有提供具体的设计方法，因此SIS系统的优化设计是个非常值得深入研究的课题。好的SIS系统设计方案不仅可以保证工业控制系统的安全性，从而保证人们的生命财产安全，同时也可以优化企业的管理及设备的维护工作。

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