化工安全儀表系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用

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摘要：我國(guó)石油化工企業(yè)和自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備經(jīng)歷了不斷地更新和發(fā)展，企業(yè)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，解決石油化工安全問(wèn)題是當(dāng)務(wù)之急?；て髽I(yè)一般具有較大的安全隱患，因此不得不對(duì)石油化工安全問(wèn)題做出全方位的考慮。化工安全儀表盤系統(tǒng)軟件是保證化工企業(yè)安全性的系統(tǒng)工程，按照化工安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及要求，分析了儀表性能的可靠性；根據(jù)傳感器、邏輯器和生命周期提出了合理設(shè)計(jì)；最后，提出化工安全儀表系統(tǒng)供電方案和實(shí)際應(yīng)用的評(píng)價(jià)和分析。

關(guān)鍵詞：石油化工企業(yè)；自動(dòng)化生產(chǎn)；安全儀表系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；可靠性

1化工安全儀表系統(tǒng)的作用

安全性儀表系統(tǒng)，SafetyinstrumentedSystem，通稱SIS，又稱作安全性互鎖系統(tǒng)（SafetyinterlockingSystem）。關(guān)鍵為工廠操縱系統(tǒng)中警報(bào)和互鎖一部分，對(duì)操縱系統(tǒng)中檢查的結(jié)果執(zhí)行警報(bào)姿勢(shì)或調(diào)整或關(guān)機(jī)操縱，是工廠公司自動(dòng)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵構(gòu)成部分。它的關(guān)鍵構(gòu)成部分包含傳感器、程序控制器及其模塊等部件，這些組件經(jīng)過(guò)相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)安全保障功能，其主要作用包括以下幾個(gè)方面：1）提高化工生產(chǎn)的效率，在保證高效率的同時(shí)降低成本。2）自動(dòng)化控制減少人力成本，降低工作難度，改善工作環(huán)境。3）安全聯(lián)鎖報(bào)警，保證生產(chǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)、事故安全聯(lián)鎖，提升化工生產(chǎn)過(guò)程的安全性，降低事故發(fā)生的概率，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，保障工作人員的安全。4）聯(lián)鎖動(dòng)作和投運(yùn)顯示，符合信息時(shí)代發(fā)展的需求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

2化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原則

2.1穩(wěn)定性

為了使儀表系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，首先應(yīng)該遵循系統(tǒng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性原則，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)合乎邏輯。日常需對(duì)儀表裝置的元器件進(jìn)行安全檢測(cè)和定期維護(hù)，保障整個(gè)儀器各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到相應(yīng)的要求。同時(shí)，定期對(duì)工作人員的技術(shù)知識(shí)進(jìn)行培訓(xùn)，達(dá)到降低儀表系統(tǒng)安全隱患發(fā)生率的目的，切實(shí)維護(hù)相對(duì)應(yīng)工作人員的人身安全，進(jìn)而促使各類原油生產(chǎn)制造主題活動(dòng)可以高效進(jìn)行。

2.2科學(xué)性

儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循科學(xué)性原則，有了科學(xué)理論的支撐可以提升系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率，從元器件的選擇到各個(gè)系統(tǒng)中組件的銜接都不可違背科學(xué)的設(shè)計(jì)原則，以提高全部安全性儀表機(jī)器設(shè)備的市場(chǎng)份額和公司的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

2.3安全性

滿足系統(tǒng)的安全性是貫徹我國(guó)以人為本的基本理念，在設(shè)計(jì)石油化工安全儀表系統(tǒng)時(shí)，始終應(yīng)考慮到系統(tǒng)的安全性能，在實(shí)際運(yùn)行中保證工作人員的人身安全，使得該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)更為人性化。

3化工安全儀表系統(tǒng)的保障要求

3.1儀表系統(tǒng)可靠穩(wěn)定性的保障措施

對(duì)系統(tǒng)所使用的表盤、控制器等元器件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，依托于石油化工安全儀表的功能展開統(tǒng)計(jì)測(cè)試，可以快速定位到系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)，并采用合理的解決方法。通常，可使用風(fēng)險(xiǎn)控制思路對(duì)系統(tǒng)的功能點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)信息化技術(shù)監(jiān)控出SIF的估算模型，從而降低風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率，提升容錯(cuò)率。通過(guò)估算模型進(jìn)行分析和測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的不安全、穩(wěn)定問(wèn)題，然后不斷改進(jìn)優(yōu)化方案，最終落實(shí)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型中，提升整體控制裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

3.2保證儀表性能穩(wěn)定可靠

在開發(fā)設(shè)計(jì)安全儀表系統(tǒng)的過(guò)程中，技術(shù)人員使用合理的功能裝置和控制邏輯完成功能設(shè)計(jì)，結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，遵循系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則。為了更好地驗(yàn)證系統(tǒng)的功能性和穩(wěn)定性，必須估算實(shí)體模型檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)測(cè)試得出儀表的控制指標(biāo)，分析可能影響儀表系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素，嚴(yán)格根據(jù)控制指標(biāo)進(jìn)行可控評(píng)估測(cè)試，驗(yàn)證安全儀表系統(tǒng)的功能穩(wěn)定性。在測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)分析控制單元和執(zhí)行單元的數(shù)據(jù)，調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和邏輯，以匹配系統(tǒng)的需求和進(jìn)行功能的穩(wěn)定性驗(yàn)證。

3.3要求儀表日常維護(hù)和升級(jí)擴(kuò)展

為了滿足儀表使用的安全穩(wěn)定性能，通常要對(duì)儀表進(jìn)行日常的維護(hù)工作，在長(zhǎng)時(shí)間的使用后還要對(duì)系統(tǒng)部件進(jìn)行定期的維護(hù)和升級(jí)。首先在儀表選擇方面，應(yīng)盡量滿足安裝、拆卸簡(jiǎn)單，使用方便，維護(hù)成本低的要求。同時(shí)，應(yīng)對(duì)儀表等元器件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如果出現(xiàn)異常警報(bào)提示，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)留有升級(jí)改造空間，在系統(tǒng)設(shè)備中保留放置儀表的空間，便于日后系統(tǒng)的升級(jí)改造。

3.4保證儀表系統(tǒng)不受損壞

系統(tǒng)部件具有一定的使用壽命，長(zhǎng)期使用會(huì)造成磨損，加上石油化工行業(yè)的特殊性，讓儀表系統(tǒng)一直處在高壓、高溫的密閉環(huán)境，且存在易燃易爆風(fēng)險(xiǎn)，所以對(duì)于儀表系統(tǒng)的硬件性能有著十分苛刻的要求。在儀表系統(tǒng)的選材時(shí)，應(yīng)注意其性能滿足儀表系統(tǒng)安全性需求，從而保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4化工安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1傳感器的設(shè)計(jì)

安全儀表根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)程度可以劃分為四個(gè)等級(jí)，可以根據(jù)等級(jí)劃分確定系統(tǒng)的安全狀態(tài)。為了更好地提高傳感器的品質(zhì)，傳感器設(shè)計(jì)方案一般選用獨(dú)立設(shè)計(jì)原理、冗余設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。獨(dú)立設(shè)計(jì)原理就是指安全性儀表系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立于基本上操縱過(guò)程控制系統(tǒng)，獨(dú)立進(jìn)行安全性維護(hù)作用；冗余設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)就是指為提升安全性儀表系統(tǒng)的SIL級(jí)別，對(duì)系統(tǒng)每個(gè)模塊完成冗余。

4.2邏輯運(yùn)算器的設(shè)計(jì)

在SIS可編程邏輯控制板中，系統(tǒng)軟件程序編寫組態(tài)軟件遵循的最重要標(biāo)準(zhǔn)，是達(dá)到安全性完整性規(guī)定。程序控制器的總體功能主要表現(xiàn)，在較大水平上受限于手機(jī)軟件的品質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的安全性完整性包含硬件配置的安全性完整性和系統(tǒng)的安全完整性，在其中手機(jī)軟件不正確或缺點(diǎn)是危害系統(tǒng)安全性完整性的主要要素之一。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案和組態(tài)軟件應(yīng)遵循模塊化設(shè)計(jì)、低多元性的具體指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。依照加工工藝流程特性和安全防護(hù)邏輯性，區(qū)劃為相對(duì)性獨(dú)立、簡(jiǎn)易的模塊或?qū)蛹?jí)，這將給軟件性能測(cè)試和合并產(chǎn)生巨大的便捷，有益于提高手機(jī)軟件的完整性。邏輯性運(yùn)算器的設(shè)計(jì)方案一樣選用獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)，安全儀表系統(tǒng)一般與過(guò)程控制系統(tǒng)分離，其中三級(jí)安全儀表控制系統(tǒng)必須和過(guò)程控制系統(tǒng)分開，一級(jí)安全儀表系統(tǒng)可采用簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算器，二、三級(jí)配備冗余配置。

4.3生命周期要點(diǎn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)生命周期的設(shè)計(jì)講究靈活多變，符合實(shí)際需求。在化工安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，生命周期會(huì)隨著一些設(shè)置的變化而變化，所以在進(jìn)行生命周期的設(shè)計(jì)時(shí)，要注意設(shè)計(jì)的靈活性，一般進(jìn)行可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，并針對(duì)不同循環(huán)周期進(jìn)行自適應(yīng)變化?；ぐ踩珒x表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最重要的是安全穩(wěn)定性，所以針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)和危害問(wèn)題，在生命周期中需要對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性和可靠性進(jìn)行平衡。在安全穩(wěn)定的前提下，再?gòu)暮侠硇?、性價(jià)比等其他角度考慮，進(jìn)行細(xì)節(jié)上的設(shè)計(jì)。圖1為儀表安全系統(tǒng)生命周期模型?；ぐ踩珒x表系統(tǒng)需要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮多方面的影響因素，在安全儀表運(yùn)行時(shí)進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，以保障化工安全生產(chǎn)高效、穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)有效控制風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)合理構(gòu)建系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，不斷地對(duì)安全系統(tǒng)進(jìn)行功能上的補(bǔ)充和完善。

4.4化工安全儀表系統(tǒng)供電方案

化工安全儀表系統(tǒng)在供電時(shí)通常采用220VAC的交流電源或24VDC的直流電源進(jìn)行供電。供電方式對(duì)于化工安全儀表系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著很大的影響，如果沒(méi)有采用正確的供電方式，很容易發(fā)生一些安全事故。本文總結(jié)了3種供電方式便于化工安全儀表系統(tǒng)作為參考。（1）雙UPS組成的雙回路并聯(lián)供電系統(tǒng)為保障安全儀表系統(tǒng)的穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行，化工生產(chǎn)企業(yè)都會(huì)采取雙UPS組成的雙回路并聯(lián)供電系統(tǒng)來(lái)給安全儀表系統(tǒng)供電，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。雙UPS組成的雙回路并聯(lián)供電系統(tǒng)可以保證安全儀表系統(tǒng)正常運(yùn)行，對(duì)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制功能起到重要作用。（2）冗余配置在直流供電中起到提高安全性和降低成本的作用，在直流24VDC的供電系統(tǒng)中并聯(lián)且相互隔離，通過(guò)二極管實(shí)現(xiàn)解耦，以提高處理故障的效率，圖3為24VDC冗余并聯(lián)供電方案。（3）化工安全儀表系統(tǒng)中有部分現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控儀表需要220VAC供電，可采用一路UPS電和一路市電冗余切換的安全儀表的供電方案，利用STS靜態(tài)開關(guān)對(duì)兩路電源進(jìn)行切換，以提升整個(gè)系統(tǒng)的靈活性和可靠性，滿足化工安全儀表系統(tǒng)的基本需求。

5實(shí)際應(yīng)用與評(píng)價(jià)

5.1安全識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用

化工安全儀表系統(tǒng)關(guān)鍵運(yùn)用于化工廠的生產(chǎn)過(guò)程中，是保障生產(chǎn)系統(tǒng)安全運(yùn)行的化工裝置。在化工生產(chǎn)過(guò)程中，人工操作容易出現(xiàn)失誤從而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)異常，給整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作帶來(lái)安全隱患，對(duì)企業(yè)和國(guó)家造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)化工安全儀表系統(tǒng)中的安全識(shí)別功能，可以針對(duì)裝置的運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)預(yù)估模型對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)做出評(píng)估，一旦數(shù)據(jù)超出評(píng)估范圍標(biāo)準(zhǔn)，為了避免出現(xiàn)重大事故，對(duì)工作人員的安全產(chǎn)生威脅，該系統(tǒng)會(huì)立刻進(jìn)行故障診斷，切斷危險(xiǎn)源，或發(fā)出警報(bào)提示工作人員進(jìn)行處理。另外，安全識(shí)別系統(tǒng)不僅可以診斷和排查故障，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)也能夠?qū)\(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析和判斷，對(duì)可能發(fā)生故障的地方進(jìn)行重點(diǎn)排查，提前預(yù)報(bào)危險(xiǎn)。

5.2安全儀表系統(tǒng)冗余配置

安全儀表系統(tǒng)的冗余配置是在系統(tǒng)任意一點(diǎn)發(fā)生異常時(shí)，可以切斷異常點(diǎn)和系統(tǒng)之間的聯(lián)系，但又不危害系統(tǒng)的總體作用。冗余配備是反復(fù)配備系統(tǒng)的部位構(gòu)件，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生問(wèn)題時(shí)，冗余配備的構(gòu)件干預(yù)并擔(dān)負(fù)常見(jiàn)故障構(gòu)件的工作中，從而降低系統(tǒng)的常見(jiàn)故障時(shí)間。安全性儀表系統(tǒng)中的冗余配備可以在系統(tǒng)某一節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，切換到備用的模塊。化工企業(yè)如果在生產(chǎn)中停止運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)造成重大損失，所以冗余配置在系統(tǒng)異常時(shí)會(huì)起到關(guān)鍵作用。例如化工合成裝置在運(yùn)行時(shí)不可以隨意停止運(yùn)行，此時(shí)冗余配置可以保障系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，不會(huì)發(fā)生重大事故?？傊?，冗余配置極大提升了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，為化工企業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的便利。

6結(jié)論

石油化工行業(yè)是支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)，在未來(lái)有著新的機(jī)遇和發(fā)展前景。安全儀表系統(tǒng)是保證化工生產(chǎn)穩(wěn)定、高效的重要一環(huán)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)遵循以人為本的理念，滿足穩(wěn)定性、科學(xué)性、安全性等設(shè)計(jì)原則。同時(shí)，化工企業(yè)應(yīng)注重加強(qiáng)員工的知識(shí)技能和素質(zhì)培養(yǎng)，以推動(dòng)我國(guó)石油化工行業(yè)的穩(wěn)健發(fā)展。

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作者:田文娜 單位:兗礦魯南化工有限公司