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摘要：为确保化工装置生产过程的安全，安全仪表系统已越来越多地得到重视和应用。国家安全监管总局也提出了关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见，更加重视化工安全仪表系统的设计、安装调试和操作维护管理等，如果安全仪表系统失效，往往会导致严重的安全事故。因此，设计合理的安全仪表系统至关重要。
关键词：安全仪表系统;安全生命周期;安全性等级
一、安全仪表系统基本概念
安全仪表系统，SafetyInstrumentedSystem，简称SIS。主要包括安全联锁系统、紧急停车系统、有毒有害、可燃气体检测保护系统等。安全仪表系统（SIS）独立于过程控制系统（DCS），主要包括传感器、逻辑运算器和最终执行元件，即检测单元、控制单元和执行单元三部分构成。安全仪表系统一般由多个SIF构成，每个SIF划分为不同的安全完整性等级（SIL1-4，化工应用应避免SIL4等级的出现）。不同等级安全仪表回路在设计、制造、安装调试和操作维护方面技术要求不同。
二、SIS设计步骤
2.1 HAZOP分析
危险和可操作性分析（HAZOP），主要目的是对装置的安全性和可操作性进行审查。首先，要组织生产管理、工艺、安全、设备、电气、仪表、环保等专业专家组成HAZOP分析团队。其次，获取准确的PFD图，并根据工艺流程或特点合理划分节点，随后以节点为单元进行HAZOP分析。第三，针对化工过程参数（流量、压力、液位、温度等）偏离引导词（无、高、低、多、少、伴随、异常等）后的后果进行汇总。最后，针对每种后果根据《后果定性分级表》进行后果定级。通过查阅风险矩阵确定每种后果的可接受发生概率（低风险不需要采取行动，中风险可选择性的采取行动，高风险择机采取行动，很高风险要立即采取行动）。
2.2 LOPA保护层分析
保护层分析（LOPA），化工企业典型的保护层主要包括过程控制、安全仪表系统、安全阀、爆破片、保护堤、紧急响应等。根据3.1HAZOP分析结果，对需要进一步提升安全保护的后果要结合当前已有保护层进行LOPA分析，并通过增设安全仪表系统SIS的方式将风险发生频率等级降低到风险矩阵中的低或中区域。期望的风险频率等级除去当前已有安全保护层的风险频率等级即为由SIF回路需要达到的风险频率等级。
2.3 SIF回路设计
依据3.2确定的风险失效概率合理确定每个SIF回路需要达到了的SIL等级。
每个SIF的失效概率由PFD监测、PFD控制、PFD执行三部分相累加构成。计算时，应包含回路涉及的安全栅、继电器等单元，诸如信号电缆、接线端子、保险等一般不予考虑。单个设备能够达到的SIL等级可以参考设备附带的SIL等级证书，并参考GB/T21109进行验算。针对未取得SIL证书的设备，可以参考ISA-TR84.00.02进行经验取值并验算。
2.4 STR的考虑
为了实现安全性和可靠性、可用性的兼顾，设计时必须考虑由安全仪表系统导致的关键过程误停车率（STR）的问题，即实现安全和运行的统一。安全仪表功能的误停车率由STR
检测、STR控制、STR执行、STR电源四部分构成。在保证安全的前提下，一般可通过采用冗余容错等方式提升可用性。通过GB/T50770及SIL等级确定测量仪表、控制单元、执行单元是否独立或冗余。另外，由于提升可用性会造成安全性的降低，因此，对通过采用冗余方式进行可用性改进的SIF回路需要对其安全失效概率重新验算或改进，以避免安全失效概率无法满足LOPA分析的要求。
2.5控制单元的设计
一套独立的SIS系统由多个SIF安全仪表功能构成。在SIS系统设计时控制单元一般采用故障安全性设计。一般采用正常带电、故障失电的运行方式，确保系统故障时能够安全动作。一般将控制单元整体设计为SIL3级，以避免对SIF回路的安全风险频率的影响。供电、接地、通讯、报警、数据历史记录、第一事故记录、诊断等功能依据相关国家规范设计即可。
三、安全仪表系统的实施提升化工装置安全
3.1 HAZOP分析在某些方面具有一些不确定性的因素
HAZOP分析的作用是用来分析温度的高低、流速的快慢和压力大小等相关的参数发生变化带来的影响，但是对于设备或管子的损坏、应力出现疲劳、人为因素等带来的坏处可能会无法完全分析或者分析得不彻底，因此这个分析不能分析出所有的安全风险类型。除此之外，不同的操作工人、工人们异常的经验和储备知识会导致HAZOP分析结果也有一定差别。
3.2 SIS系统仅是提升化工安全的手段之一
LOPA的分析可以发现，工人们是可以采取不同的方法来维持化工设备的安全工作的。这些方法既有来自于技术知识层面的，还有包含管理层面的方法;既包括事发之前的，也包括发生过程中的以及事情发生以后的。通过安全仪表系统来提升系统的安全只是保证安全的众多方法之一。
3.3仪表的SIL定级的基础是规范使用
具备SIL等级证书的仪表装置要根据具体的技术要求来安装与调试，还要正确的使用和维护它，这样失效概率才能有效地发挥作用。如果失效概率不正常的話其产生的后果可能最终会影响SIF回路出现错误的反应。错误动作的发生会导致的装置临时停止动作或者重新启动过程，在重启与停止的过程中会产生安全风险，这要引起操作人员的注意和采取对付措施，才不会发生由于安全仪表系统的问题反而增加了风险。
3.4规范的运行维护是SIS系统可靠运行的基础
SIS系统对于运行有严格的要求，要制定有效的管理与落实好相关规定，才可以保证SIS系统的可靠性能。第一，现场安装时，要确保仪表的正确安装、密封好、按时进行准确性检查，保证能够准确地进行输入。第二，安装逻辑单元的部分时要保证运行环境具备好的湿度与温度，要求接地，还要求各个单元的硬件部分、通讯功能、报警系统、自我诊断等功能要可以正常运行。
四、结束语
我国经济不断发展，相信未来我国化工相关行业也会蓬勃发展，其化工装置设备的发展方向也必然是大型的和智能的，化工生产过程中的安全问题就不容忽视，本文所探讨的安全仪表系统是会影响到化工过程设备的安全运行的，如今
过程工业蓬勃发展，过程工业复杂，使得SIS的设置特别重要。以后，化工行业和研究技术人员在设计和使用安全仪表系统过程中要综合考虑各方面影响，确保安全仪表系统的正确合理性，防止设计不当带来的后果。
参考文献：
[1]李伟敏，韩辉，姜珊.浅析SIS自动仪表控制系统的发展现状[J].中国科技纵横，2015（20）：52-52.
[2]孟芳园，董康.安全仪表系统在化工装置中的设计应用[J].天津化工，2019，33（01）：53-54.
[3]吴承刚.化工装置安全仪表系统功能安全评估体系的研究与应用[J].化工设计通讯，2017（1）.
[4]孙来宝，刘岩.浅析安全仪表系统实施过程中存在的问题及解决办法[J].石油化工自动化，2018，54（2）：63-65.
[5]许建.优化化工安全设计在预防化工事故发生中的重要性探讨[J].化工管理，2017（31）：104-104.
作者介绍：
傅菲菲（1982.10.25），性别：女;籍贯：山东省博兴县;民族：汉;学历：研究生、硕士;职称：工程师;职务：自控仪表设计;研究方向：控制理论与控制工程。
关键词：安全仪表系统;安全生命周期;安全性等级
一、安全仪表系统基本概念
安全仪表系统，SafetyInstrumentedSystem，简称SIS。主要包括安全联锁系统、紧急停车系统、有毒有害、可燃气体检测保护系统等。安全仪表系统（SIS）独立于过程控制系统（DCS），主要包括传感器、逻辑运算器和最终执行元件，即检测单元、控制单元和执行单元三部分构成。安全仪表系统一般由多个SIF构成，每个SIF划分为不同的安全完整性等级（SIL1-4，化工应用应避免SIL4等级的出现）。不同等级安全仪表回路在设计、制造、安装调试和操作维护方面技术要求不同。
二、SIS设计步骤
2.1 HAZOP分析
危险和可操作性分析（HAZOP），主要目的是对装置的安全性和可操作性进行审查。首先，要组织生产管理、工艺、安全、设备、电气、仪表、环保等专业专家组成HAZOP分析团队。其次，获取准确的PFD图，并根据工艺流程或特点合理划分节点，随后以节点为单元进行HAZOP分析。第三，针对化工过程参数（流量、压力、液位、温度等）偏离引导词（无、高、低、多、少、伴随、异常等）后的后果进行汇总。最后，针对每种后果根据《后果定性分级表》进行后果定级。通过查阅风险矩阵确定每种后果的可接受发生概率（低风险不需要采取行动，中风险可选择性的采取行动，高风险择机采取行动，很高风险要立即采取行动）。
2.2 LOPA保护层分析
保护层分析（LOPA），化工企业典型的保护层主要包括过程控制、安全仪表系统、安全阀、爆破片、保护堤、紧急响应等。根据3.1HAZOP分析结果，对需要进一步提升安全保护的后果要结合当前已有保护层进行LOPA分析，并通过增设安全仪表系统SIS的方式将风险发生频率等级降低到风险矩阵中的低或中区域。期望的风险频率等级除去当前已有安全保护层的风险频率等级即为由SIF回路需要达到的风险频率等级。
2.3 SIF回路设计
依据3.2确定的风险失效概率合理确定每个SIF回路需要达到了的SIL等级。
每个SIF的失效概率由PFD监测、PFD控制、PFD执行三部分相累加构成。计算时，应包含回路涉及的安全栅、继电器等单元，诸如信号电缆、接线端子、保险等一般不予考虑。单个设备能够达到的SIL等级可以参考设备附带的SIL等级证书，并参考GB/T21109进行验算。针对未取得SIL证书的设备，可以参考ISA-TR84.00.02进行经验取值并验算。
2.4 STR的考虑
为了实现安全性和可靠性、可用性的兼顾，设计时必须考虑由安全仪表系统导致的关键过程误停车率（STR）的问题，即实现安全和运行的统一。安全仪表功能的误停车率由STR
检测、STR控制、STR执行、STR电源四部分构成。在保证安全的前提下，一般可通过采用冗余容错等方式提升可用性。通过GB/T50770及SIL等级确定测量仪表、控制单元、执行单元是否独立或冗余。另外，由于提升可用性会造成安全性的降低，因此，对通过采用冗余方式进行可用性改进的SIF回路需要对其安全失效概率重新验算或改进，以避免安全失效概率无法满足LOPA分析的要求。
2.5控制单元的设计
一套独立的SIS系统由多个SIF安全仪表功能构成。在SIS系统设计时控制单元一般采用故障安全性设计。一般采用正常带电、故障失电的运行方式，确保系统故障时能够安全动作。一般将控制单元整体设计为SIL3级，以避免对SIF回路的安全风险频率的影响。供电、接地、通讯、报警、数据历史记录、第一事故记录、诊断等功能依据相关国家规范设计即可。
三、安全仪表系统的实施提升化工装置安全
3.1 HAZOP分析在某些方面具有一些不确定性的因素
HAZOP分析的作用是用来分析温度的高低、流速的快慢和压力大小等相关的参数发生变化带来的影响，但是对于设备或管子的损坏、应力出现疲劳、人为因素等带来的坏处可能会无法完全分析或者分析得不彻底，因此这个分析不能分析出所有的安全风险类型。除此之外，不同的操作工人、工人们异常的经验和储备知识会导致HAZOP分析结果也有一定差别。
3.2 SIS系统仅是提升化工安全的手段之一
LOPA的分析可以发现，工人们是可以采取不同的方法来维持化工设备的安全工作的。这些方法既有来自于技术知识层面的，还有包含管理层面的方法;既包括事发之前的，也包括发生过程中的以及事情发生以后的。通过安全仪表系统来提升系统的安全只是保证安全的众多方法之一。
3.3仪表的SIL定级的基础是规范使用
具备SIL等级证书的仪表装置要根据具体的技术要求来安装与调试，还要正确的使用和维护它，这样失效概率才能有效地发挥作用。如果失效概率不正常的話其产生的后果可能最终会影响SIF回路出现错误的反应。错误动作的发生会导致的装置临时停止动作或者重新启动过程，在重启与停止的过程中会产生安全风险，这要引起操作人员的注意和采取对付措施，才不会发生由于安全仪表系统的问题反而增加了风险。
3.4规范的运行维护是SIS系统可靠运行的基础
SIS系统对于运行有严格的要求，要制定有效的管理与落实好相关规定，才可以保证SIS系统的可靠性能。第一，现场安装时，要确保仪表的正确安装、密封好、按时进行准确性检查，保证能够准确地进行输入。第二，安装逻辑单元的部分时要保证运行环境具备好的湿度与温度，要求接地，还要求各个单元的硬件部分、通讯功能、报警系统、自我诊断等功能要可以正常运行。
四、结束语
我国经济不断发展，相信未来我国化工相关行业也会蓬勃发展，其化工装置设备的发展方向也必然是大型的和智能的，化工生产过程中的安全问题就不容忽视，本文所探讨的安全仪表系统是会影响到化工过程设备的安全运行的，如今
过程工业蓬勃发展，过程工业复杂，使得SIS的设置特别重要。以后，化工行业和研究技术人员在设计和使用安全仪表系统过程中要综合考虑各方面影响，确保安全仪表系统的正确合理性，防止设计不当带来的后果。
参考文献：
[1]李伟敏，韩辉，姜珊.浅析SIS自动仪表控制系统的发展现状[J].中国科技纵横，2015（20）：52-52.
[2]孟芳园，董康.安全仪表系统在化工装置中的设计应用[J].天津化工，2019，33（01）：53-54.
[3]吴承刚.化工装置安全仪表系统功能安全评估体系的研究与应用[J].化工设计通讯，2017（1）.
[4]孙来宝，刘岩.浅析安全仪表系统实施过程中存在的问题及解决办法[J].石油化工自动化，2018，54（2）：63-65.
[5]许建.优化化工安全设计在预防化工事故发生中的重要性探讨[J].化工管理，2017（31）：104-104.
作者介绍：
傅菲菲（1982.10.25），性别：女;籍贯：山东省博兴县;民族：汉;学历：研究生、硕士;职称：工程师;职务：自控仪表设计;研究方向：控制理论与控制工程。