关于安全仪表系统（SIS）在煤化工生产中的应用研究

赵 霞

（晋能控股煤业集团广发化学工业有限公司，山西 大同 037000）

引言

在生产作业中，一旦出现危险问题，安全仪表系统（SIS）能自动结合最初设定的安全功能实施保护，从而避免危险事件发生或最大限度地降低其影响。如今安全仪表系统（SIS）已运用到了我国的航空航天、化工等领域中，从工业自动化角度来看，SIS 安全仪表系统已成为一种高端类科学技术，再加上社会科技在飞速发展，人们在安全保护方面也形成了良好意识，所以安全仪表系统（SIS）也深受人们的重视和关注。

1 SIS 安全仪表系统概述

1.1 系统定义

安全仪表系统，即可实现一个甚至多个安全功能的系统，人们常将其称为SIS。该系统是依据美国仪表学会对安全控制系统的定义而得名的。

1.2 系统特点

SIS 是以IEC61508 为标准，在很大程度上都符合国际仪表安全标准规定；而且SIS 的覆盖面积广泛，具有很强的安全性，在实际运用中也能自主诊断并预防工作存在的潜在风险；而且SIS 还是一个具有容错能力的多冗余操作系统，它主要是通过多个冗余结构使系统中硬件设备的故障裕度提高，即便在该操作系统中发生了一个故障，也不会造成对SIS 系统安全功能的损害；而且SIS 系统的应用程式也易于调整，技术人员可结合实际需求合理地调整系统功能；在实际工作中SIS 的自诊断覆盖率较大，维护技术人员在维修作业中可无需对过多的点数进行检测；并且SIS 系统的反应速度极快，通常由输入变化至输出变化间的响应时间仅在50 s 之内，最快时能达到10 s，而且很多小型的SIS 系统的响应时间更加短暂。

1.3 系统的必要性

在煤化工工业中存在很多易燃、易爆的物料，而且操作都是在高温、高压条件下进行的，这在很大程度上都易发生安全事故。随着煤化工装置规模的不断壮大，设计操作指标也更接近于安全临界点，引发事故的概率大幅增加，所以对于安全系统也有了新的要求。优良的SIS 系统不仅能降低系统风险，还能将系统装置的可靠性、安全性提升，在煤化工产业，SIS 系统已成为保障企业安全生产的一种重要手段。

2 SIS 系统组成与结构

2.1 系统组成

SIS 系统是由传感器、逻辑运算器与最终执行器构成，同时对应的是检测单元、控制单元以及执行单元，如图1 所示。

图1 SIS 系统构成图

2.2 系统结构

如今，应用最为广泛的便是三取二、双重化二取一两种系统结构，简称为2oo3D、2oo4D。其中2oo3D结构中有三个CPU，如果一个CPU 的运算结果不同于其他，则证明此CPU 故障，而剩余CPU 可正常工作。但若剩余CPU 运算结果不同，则无法判断二者的正确性，系统会自动停车，如图2 所示。

图2 三重化冗余控制器结构图

至于2oo4D 结构，其中包含了两个控制模块，共有4 个CPU，它们虽同时运行但相对独立。在工作期间，如果其一控制模块出现了CPU 故障，故障CPU 会被消除，之后会采用2-0 工作形式，至于另外一模块的CPU 会采用1oo2D 形式作业，但此模块若同样检测出故障，系统会自动停车，如图3 所示。

图3 2oo4D 结构示意图

3 SIS 系统设计原则与存在的问题

3.1 系统设计原则

针对DCS 这类过程管控系统，SIS 系统较为独立，该系统可单独完成安全保障功能，生产运行期间如果其过程满足设定要求，则SIS 动作会保证整个控制流程处于安全状态；该系统设计应以故障安全型为导向[1]；依据过程的可操作性和危险性分析，按照过程、设备等要求，依据安全度等级来明确SIS 系统的功能等级；系统要具备良好的测试功能与软硬件诊断功能；针对系统构成，应尽可能缩减中间流程；SIS 需使用经由认证的PLC 系统，且该系统能与MES 系统等有效通信。

3.2 SIS 系统和DCS 间存在的差异

首先SIS 系统通常运用到生产装置运行的监测工作中，一旦运行期间出现问题会即刻处理，从而防止危险事件发生，并尽可能降低事故发生后对人员、设备等造成的影响。而DCS 主要应用在生产过程的控制管理环节，从而保证装置能安全、稳定地运行。其次，SIS 系统属于静态系统，在实际运行中只是对装置的运行环节进行监测，期间系统输出没有任何变化，也不会对装置的生产过程造成影响。若在非正常工作状态，系统会结合最先设计情况，通过逻辑运算来确定装置是否安全联锁和停车。而DCS 系统属于动态系统，该系统需要对生产过程中的变量不断检测与控制，通过对生产过程的动态控制，产品的质量、产量都能得到有效的保证。最后相较于DCS 系统，SIS 系统在实用性、可行性上有着更严格的要求。

3.3 设计期间要注意的相关问题

在SIS 设计期间，I/O 必须带光或电，也要将电磁隔离，同时还要具备诊断功能。针对三取二信号，工作人员需将其依次连接到输入卡上，而且关联的变送器等元器件还要由SIS 系统提供电力，因此如果现场变送器信号同时作用于SIS 与DCS 两个系统，工作人员需先接入SIS，之后再接入DCS。同时设计人员需将I/O 模件连接的传感器、最终执行元件设计成故障安全型，SIS 系统不得使用现场总线仪表，而该系统的负荷应控制在60%以内，其电源、控制器以及网络等都应进行冗余配置，并且该系统应使用等电位接地。

4 煤化工安全生产智能管理现状

据了解，我国大部分企业都配置了集散控制系统，即DCS 系统，同时也建设了安全环保能源管控中心，通过这一中心企业便可对煤化工作业的安全、环保等进行合理管控，而且系统还具备高低报警功能，这样调度工作人员可及时发现施工现场存在的问题，也能对生产流程进行及时的调整，从而防止事故发生。不过DCS 系统不具备检测执行部分，相较于SIS系统，其安全性较低。在2014 年后，随着国家相关政策的颁布，SIS 系统受到了很多煤化工企业的重视，但最初很多企业只是安装简单的安全联锁系统，其他功能并未完善。随着煤化工作业的开展，企业也意识到SIS 系统的重要性，随之也全面安装了SIS 系统辅助生产作业。

5 SIS 系统的应用实例

5.1 SIS 系统和DCS 系统的打包设计

如今，随着石油化工的MAV 项目的日益丰富，大多数DCS 公司均运用市场优势促进了SIS 系统的发展，同时SIS 系统和DCS 系统的打包现象越发频发，下面便介绍SIS 系统在中国煤制烯烃示范项目中的运用情况[2]。HONEYWELL 公司专门设计了SIS 系统，同时还借助最先进的SM控制器来帮助维护与管理人员监测控制系统的工作状况。在设计的过程中，公司是以MAV 框架协议内容为主，其中涵盖了软硬件的配置以及系统生成、组态等内容。

5.2 设计方案

该系统使用了SM 控制器，HSMS 使用了SM-2oo4D 配置，即冗余中央控制器，公司所采用的平行运行且完全冗余的系统都能实现对单系统的容错。而且该项目使用了现场机柜室与联合控制室相结合的配置形式，在正常工作中操作人员会在联合控制室，公司也要将系统操作台安置在此处，至于系统控制器可放置在机柜室中。在实际工作期间，各个生产装置所用的SIS 系统都是相对独立且完整的，针对那些包含多系列的生产装置，例如气化炉较多的气化装置，就可在各装置中都装有一个控制器。而且SIS 系统会通过冗余性通信卡再结合FTE 网络和DCS 系统进行集成。SIS 系统的操作接口会通过DCS 操作站，而此站的人机界面软件均具备SOE 采集功能。不仅如此，相较于联合控制室较远的生产设备，则无法直接使用硬接线进行操作台到系统控制台的信号传输，在此背景下，公司要将远程控制器安置在联合控制室内，这样操作台信号可通过硬线连接到远程控制器的输入、输出点，再利用远程控制器与冗余安全网来控制装置控制器，便可进行信号输送，如图4 所示。

图4 SIS 系统远程控制示意图

除此之外，公司系统还可通过仪表连接母排实现直流电源负端与信号屏蔽线间的有效联系，而相应于SM系列的仪表接待母排也可通过星型接法连接在仪表接地汇流排上，而且不论是安全接地还是仪表接地汇流排都要与接地桩连接，再通过将其和公司系统电气连接线的邻近接地点有效连接，就可实现公司系统的统一等电位接地。并且在实际工作中，系统会和HART 信号分离，通过信号分离器，MTL4842 会融入到另一模块中，再通过串行通信接口，也可与AMS 系统有效衔接，在此背景下，公司便能对智能设备进行高效、统一监管。不过因SIS 安全仪表系统具有一定的特殊性，对于安全验收的质量有着较为严格的要求，如果SIS 安全验收的质量未达到规定要求，必然会影响公司对该系统的运用。在项目实践中，康森吉工程负责对系统的验收、检查，验收环节也涉及了对产品证书的核查、对硬件系统的检测以及更多功能的测试环节，在结束验收工作后，工程也会为公司提供详细、精准的检测报告，这也为公司的项目操作带来了很大的保障[3]。

6 结语

随着社会的发展与进步，对于煤化工生产作业有了更严格的要求，为了提高煤化工生产的安全性与稳定性，企业需要将SIS 安全仪表系统合理运用到生产环节，这样便可实现对生产过程的全面监控，针对生产期间存在的安全隐患也能及时发现并报警，随之工作人员便可结合实际情况进行处理解决。