唐靖伟，施金波，王志鑫
（盘锦北方沥青股份有限公司，盘锦 124022）
石化行业作为国民经济的重要支柱产业，其安全生产问题一直备受关注，保障人员的生命安全和设备的正常运行是石化企业持续发展的基础。而SIS 安全仪表系统作为一种先进的安全控制系统，已经广泛应用于石化行业中。本文旨在通过对SIS安全仪表系统的研究和分析，探讨其在石化行业中的重要性。
SIS 系统能够监测和控制关键过程参数，提供紧急停机功能，并进行故障诊断和维护管理。使用SIS 系统，石化企业能够提高生产设备的安全性能，减少事故发生的风险，保护员工的生命安全和环境的健康。
1.1 SIS 的基本原理及设计原则
对化工行业而言，其物料易氧化、腐蚀，设备环境恶劣，压力容器易燃、易爆，为了避免人工误操作，大都采用DCS 控制过程生产，并由SIS 负责操作安全。在超出安全限值的范围时，SIS 可发指令紧急停车，避免异常导致的火灾、设备损坏、财产损失、甚至是人身健康损害。
SIS 系统硬件部分由现场传感器、逻辑控制器和执行机构三部分组成，如图1 所示。
图1 SIS 系统组成Fig.1 rchitecture of SIS system
目前市场上符合规范的SIS 供应商很多，生产企业上SIS 项目时，供应商可根据客户的生产工艺而配置相应的IO 卡件数量、控制对象等因素来设计、配置仪表、逻辑控制器等，设计的依据是《SIS 安全要求规范》。
1.2 SIS 设计的原则[1]
1.2.1 独立的原则
（1）检测单元独立设置
（2）执行原件独立设置
（3）逻辑单元独立设置
通过以上3 个独立设置原则确保了SIS 系统不直接参与过程控制，而是专注于实现安全功能，如自动保护和安全联锁，增加系统的可靠性和安全性。
1.2.2 中间环节最少原则
接线盒、信号转换单元尽可能少。
中间环节越多，接触不良的风险越大，传输时间也越长，响应速度降低。
1.2.3 故障安全型原则
在判断异常发生时，SIS 为保证系统转入安全状态，逻辑控制单元将被保护的装置按顺序安全停车，所以对检测单元及执行单元的连接方式有以下3 点要求：
（1）DI 类型的检测单元选用常闭触点。检测到异常时，触点断开，触发联锁机制。
（2）现场速断电磁阀采用正常励磁，连锁时断电，当联锁动作来临时迅速断电。
（3）配电柜控制内，中间继电器需要采用安全型继电器。故障安全型中间继电器具有熔点相对较高、衔铁较重、衔铁与极靴之间具备一定厚度的磁极间隔止片等特点。
1.2.4 冗余容错结构原则
（1）检测冗余
重要检测参数的单元采用双变送器甚至三变送器，逻辑控制时要采用“二选一”、“二选二”或“三选二”配置，这样提高安全性，防止误动作。
（2）控制系统冗余
它一般包括机架冗余、CPU 冗余、IO 冗余。虽然系统一个CPU 也能完成安全性，而冗余CPU 里，至少含有2 个独立的芯片和2 种算法来完成表决，所以冗余CPU 的安全性更高。当主CPU 和从CPU 同时运行时，若主CPU 发生故障，系统会自动切换到从CPU 继续运行程序，从而有效的保证了自动化控制系统的持续运行。
I/O 冗余是将2 个成对的IO 模块共同工作的方式使用，当某个I/O 模块发生故障，形成冗余的另一个I/O 模块可以继续工作，提高采样、控制的可靠性。
（3）电源冗余
电源冗余包括UPS 供电冗余和24 V 电源冗余。前者是防止市电掉电，后者是由2 个或多个单机24 V 电源组成的冗余电源，使得输出容量扩大的同时还可以预防某个电源故障而影响控制器运行。
（4）通讯冗余
双套网络（双网卡、双网线、双交换机）。这些冗余方式可降低网络掉线的机率，保证了数据的实时监控，从而大大提高了运行的安全性。
容错一般是针对软件来说的，软件在过程检测时间内，通过对冗余的检测通道数据对比、分析，判断出数据异常的来源，如果是检测单元本身故障，工艺运行正常，系统自动执行纠错程序，避免误停机情况发生。
1.3 SIS 系统的功能和特点
1.3.1 功能
安全仪表系统包含了紧急停车系统（ESD）、火检报警系统（F&GS）、尾纤场合燃烧管理系统（BMS）、火灾和气体保护系统（FGS）等子系统。
这些子系统分别位于防护层和减灾层，用于降低工艺流程的事故风险和减轻或者抑制危险事件后果。安全仪表系统特指紧急停车系统或者其他位于保护层的可编程电子电气装置，其作用是降低危险事件发生概率，保持或者达到安全状态。
SIS 系统是独立的自控系统，当生产过程中有异常征兆时，SIS 会实时报警、自动干预，为安全生产提供了过程监控，避免事故的发生。
SIS 系统是以安全型控制系统为基础，配置先进、适用、有效的软件计算方法，为过程生产运行提高了可靠性。
SIS 系统具有事故追忆功能，为管理者提供真实的实时运行数据，为管理者发现问题的原因提供有力的证据。
1.3.2 特点
（1）SIS 具有与现场要求一致的安全完整性等级，为生产提供足够的安全保证
SIS 系统充分考虑了系统的整体安全生命周期，并提出了评估安全完整性等级（SIL）的方法。安全完整性等级的评估是根据潜在危险、发生频率和后果严重性等因素进行的，以确定系统所需的功能安全水平。
（2）SIS 可维护性好
SIS 系统构成的每一部分都是独立的，而且是安全型仪表，作为停机条件的检测通道都是冗余的，所以单一故障是不会造成系统的误停车，所以维护系统时，逐个检测、维修、更换都不会影响整个系统的正常运行，对故障卡件在线维护，实现了告别停系统维护的时代。
（3）SIS 是多重冗余的系统
SIS 系统的冗余设计，让系统的硬件故障裕度得以提高，SIS 系统不会因某个单一故障就导致系统停机。SIS 系统更多的使用2 取2、3 取3 的选择法来判断故障信号的真伪，减少错误停机率，增加可靠性。
（4）强大的故障自诊能力
SIS 系统的各个组件，尤其是逻辑控制器部分，硬件都具有自诊断能力，如IO 卡件可以诊断接口外部是短路还是断路、AI 信号是否超量程为无效信号等等，逻辑控制器根据卡件状态及信息判断生产中是否已背离正常工况。
（5）快速响应
随着芯片技术的迅猛发展，SIS 系统的IO 扫描采样响应时，逻辑判断时间都飞速提高，从信号输入到输出的响应时间一般在毫秒级。
（6）具有事故追忆功能
在系统生产运行过程中突发停机，可以通过SIS系统来查找报警记录、历史趋势，根据数据分析事故产生原因，通常其要求的记录的分辨率是≤1 ms。
（7）安全的设计
设计人员会为不同的工艺设计不同SIS 组成元件，从传感器到执行元件都有不同的安全性设计要求。SIS 是静态的，不需要人为干预，SIS 起到一个安全联锁的作用，避免人为误动作。SIS 宁可牺牲可用性也不降低失效性，宁可误动，不可拒动。
石油化工生产的特点是易燃、易爆、高温、深冷、高压、有毒、腐蚀性强，这些特点决定了化工生产所固有的危险性，近几十年，随着新设备、新工艺、新材料的出现，自动化程度越来越高，安全仪表系统应运而生，使生产过程中发生事故的可能性大大降低。SIS 有以下的重要意义。
2.1 事故预防
石化行业存在许多危险的工艺环境，如高温、高压、易燃易爆等，一旦控制失效就可能导致严重的事故，SIS 系统通过实时监测生产参数，当参数超过区间值时将自动采取应急措施，如切断电源，关闭阀门等，以预防事故的发生。
2.2 人员安全
SIS 检测到工作环境存在危险（如有毒气体泄漏、管道或容器压力超高、反应釜温度超高、局部有火苗出现等），SIS 系统可以通过声光报警、打开紧急泄压阀、停机等方式警报、采取措施，保障工作人员的安全。
2.3 环境保护
石化行业对环境的影响较大，如污染排放、化学品泄漏等。SIS 系统可以监测和控制污染物排放、检测化学品泄漏等情况，减少对环境的损害。
2.4 资产保护
石化行业的设备和设施通常价值巨大，如反应器、储罐等。SIS 系统能够检测到潜在的危险情况，并快速做出反应，防止事态进一步扩大和蔓延。例如，当温度、压力或液位超出安全范围时，SIS 系统可以自动触发紧急停机，避免爆炸、飞车等事故发生，从而节省了可能大量流失的物料和设备维修维修成本，减少了对资产造成的损害。
2.5 符合法律法规和行业标准
世界各国都有与SIS 相关的标准和规范，使得设计有章有据。我国的认证标准、规范主要有：
（1）《化工建设项目安全设计管理导则》（AQ/T3033-2010）。
（2）《石油化工紧急停车及安全联锁系统设计导则》。
（3）《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》（GB/T20438）。
（4）《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》（GB/T21109），逐步建立相关人员、产品以及组织机构功能安全认证服务体系。
石化行业涉及安全的法规有：
（1）《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》（安监总局令（2011）第40 号）“一级或者二级重大危险源，装备紧急停车系统。涉及毒性气体、液化气体、剧毒液体的一级或者二级重大危险源，配备独立的安全仪表系统（SIS）。”
（2）《关于进一步加强危险化学品建设项目安全设计管理的通知》（安监总管三〔2013〕76 号）中，明确了“所有新建涉及“两重点一重大”的化工装置和危险化学品储存设施要设计符合要求的安全仪表系统。”
（3）《国家安全监管总局关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》（安监总管三〔2014〕116号）“大型和外商独资合资等具备条件的化工企业新建涉及“两重点一重大”的化工装置和危险化学品储存设施，要按照本指导意见的要求设计符合相关标准规定的安全仪表系统。”[2]
通过SIS 系统的使用，石化企业能够提高自身的安全管理水平，降低事故和风险的发生概率，避免可能的法律风险和罚款，保护企业的声誉和利益。
从最早的安全连锁保护系统演绎到如今的SIS系统，用时几十年。无论是硬件技术、软件诊断技术还是设计理念都取得了巨大的进步，工业领域尤其是石化领域，自然就有了SIS 系统的需求。随着技术自身由简单到复杂的发展规律，SIS 系统的功能会日益强大。随着计算机技术、通讯技术、人工智能技术、云计算技术、大数据技术的进步，SIS 技术也在不断地升级和更新，未来的SIS 系统也更加智能化、多样化地满足不同用户的个性化需求，定制化和集成化的工作也将成为SIS 系统开发和应用的重要环节。
SIS 系统的重要性在于保护人员生命安全和环境的健康、提高生产设备的安全性能，预防和减少事故发生的风险，保护企业资产，是石化企业安全管理和风险控制的重要组成部分。因此，石化企业应该高度重视SIS 系统的建设和运行，不断提升安全意识和技术水平，确保石化生产的安全可持续发展。
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