安全儀表系統(tǒng)（SIS）

發(fā)布時間：

2025-09-18 13:47

一、SIS的基本原則

SIS被定義為實現一個或多個安全儀表功能的儀表系統(tǒng)。SIS包括測量儀表、邏輯運算器和最終元件、關聯(lián)軟件及部件。目前，儀表保護系統(tǒng)IPS、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)SIS（Safety Interlocking System）、緊急停車系統(tǒng)ESD、壓力保護系統(tǒng)HIPPS和火氣保護系統(tǒng)F&GS等都屬于安全儀表系統(tǒng)的范疇。

SIS在生產裝置的開車、停車、運行以及維護期間，對人員健康、裝置設備及環(huán)境提供安全保護。無論是生產裝置本身出現的故障危險，還是人為因素導致的危險以及一些不可抗拒因素引發(fā)的危險，SIS都應立即做出正確反應并給出相應的邏輯信號，使生產裝置安全聯(lián)鎖或停車，阻止危險的發(fā)生和事故的擴散，使危害減少到最小。

安全儀表系統(tǒng)應具備高的可靠性、可用性和可維護性。當安全儀表系統(tǒng)本身出現故障時仍能提供安全保護功能。

二、SIS的主要特點

1.一定的安全完整性等級

SIS充分考慮了系統(tǒng)的整體安全生命周期，提出了評估安全完整性等級（SIL）的方法，規(guī)范了為實現必要的功能安全所使用的工具與措施。SIS系統(tǒng)的設計與開發(fā)過程必須遵循IEC61508，并應通過獨立機構（如德國TüV）的功能安全評估和認證，取得認證證書，才能在工業(yè)現場中應用。

2.較高的可用性和可維護性

SIS系統(tǒng)的構成部分應充分考慮到構成單元所能達到的安全儀表功能，其采用的邏輯冗余結構構成形式，以及系統(tǒng)本身的單一故障是否會造成系統(tǒng)的誤停車等。同時，還要考慮系統(tǒng)帶故障運行時，是否可對故障卡件在線維護，而不需要停整個系統(tǒng)。

3.容錯性的多重冗余系統(tǒng)

SIS系統(tǒng)一般采用多重冗余結構以提高系統(tǒng)的硬件故障裕度，單一故障不會導致SIS系統(tǒng)安全功能喪失。如SIS系統(tǒng)主流的三重化結構（TMR）：它將三路隔離、并行的控制系統(tǒng)（每路稱為一個分電路）和廣泛的診斷集成在一個系統(tǒng)中，用三取二表決提供高度完善、無差錯，不會中斷控制。

4.全面的故障自診斷能力

SIS系統(tǒng)的安全完整性要求還包括避免失效的要求和系統(tǒng)故障控制的要求，同時，構成系統(tǒng)的各個部件均需明確故障診斷措施和失效后的行為。系統(tǒng)整體診斷覆蓋率一般高達90%以上。SIS系統(tǒng)的硬件具有高度可靠性，能承受大多數環(huán)境應力，如現場電磁干擾等，從而可以較好地應用于各種工業(yè)環(huán)境。

5.響應速度快

SIS系統(tǒng)的實時性很好，從輸入變化到輸出變化的響應時間一般在50～100ms，一些小型SIS系統(tǒng)的響應時間更短。

6.具備順序事件記錄功能

為了更好地進行事故分析與事后追憶，SIS一般具有事件順序記錄（SOE）功能，即可按時間順序記錄各個指定輸入和輸出及狀態(tài)變量的變化時間，記錄精度一般精確到毫秒級。

7.產品的功能安全設計

實現從傳感器到執(zhí)行元件所組成的整個回路的安全性設計，具有輸入/輸出（I/O）短路、斷線等監(jiān)測功能。

三、SIS與DCS等過程控制系統(tǒng)的區(qū)別

1.DCS用于生產過程的連續(xù)測量、常規(guī)控制（連續(xù)、順序、間歇等）、操作控制管理，保證生產裝置的平穩(wěn)運行；SIS用于監(jiān)視生產裝置的運行狀況，對出現異常工況迅速處理，使危害降到最低，使人員和生產裝置處于安全狀態(tài)。

2.DCS是“動態(tài)”系統(tǒng)，始終對過程變量連續(xù)進行檢測、運算和控制，對生產過程進行動態(tài)控制，確保產品的質量和產量；SIS是“靜態(tài)”系統(tǒng)，正常工況時，始終監(jiān)視生產裝置的運行，系統(tǒng)輸出不變，對生產過程不產生影響；非正常工況時，按照預先的設計進行邏輯運算，使生產裝置安全聯(lián)鎖或停車。

3.SIS比DCS安全性、可靠性、可用性要求更嚴格，因此SIS與DCS硬件理論上應獨立設置。

四、SIS的設計原則

當對儀表的安全系統(tǒng)進行設計時，必須遵循以下幾條基本原則：

可靠性原則

系統(tǒng)的可靠性是指在一定的時間間隔內，發(fā)生故障的概率。整個系統(tǒng)的可靠性是由組成系統(tǒng)的各單元可靠性的乘積，任何一個環(huán)節(jié)可靠性的下降都會導致整個系統(tǒng)可靠性的下降。人們通常對于邏輯控制系統(tǒng)的可靠性十分重視，往往忽視檢測元件和執(zhí)行元件的可靠性，使得整套安全儀表系統(tǒng)可靠性低，達不到降低受控設備風險的要求?？煽啃詻Q定系統(tǒng)的安全性。

可用性原則

可用性(可用度)是指可維修的產品在規(guī)定的條件下使用時，在某時刻正常工作的概率?？捎眯圆挥绊懴到y(tǒng)的安全性，但系統(tǒng)的可用性低可能會導致裝置或工廠無法進行正常的生產。

而對于安全儀表系統(tǒng)對工藝過程的認知過程，還應當重視系統(tǒng)的可用性，正確地判斷過程事故，盡量減少裝置的非正常停工，減少開、停工造成的經濟損失。

故障安全原則

故障安全原則是指，當內部或外部原因使SIS失效時，被保護的對象(裝置)應按預定的順序安全停車，自動轉入安全狀態(tài)。具體體現為：

(1)現場開關儀表選用常閉接點，工藝正常時，觸點閉合，達到安全極限時觸點斷開，觸發(fā)聯(lián)鎖動作；

(2)電磁閥采用正常勵磁，聯(lián)鎖未動作時，電磁閥線圈帶電，聯(lián)鎖動作時斷電；

(3)送往電氣配電室用來開/停電機的接點用中間繼電器隔離，其勵磁電路應為故障安全型；

(4)作為控制裝置，“故障安全”意味著當其自身出現故障而不是工藝或設備超過極限工作范圍時，至少應該聯(lián)鎖動作。以便按預定的順序安全停車(這對工藝和設備而言是安全的)，進而通過硬件和軟件的冗余和容錯技術，在過程安全時間內檢測到故障，自動執(zhí)行糾錯程序，排除故障。

過程適應原則

安全儀表系統(tǒng)的設置必須根據工藝過程的運行規(guī)律，為工藝過程在正常運行和非正常運行時服務。正常時安全儀表系統(tǒng)不能影響過程運行，在工藝過程發(fā)生危險情況時安全儀表系統(tǒng)要發(fā)揮作用，保證工藝裝置的安全。這就是系統(tǒng)設計的過程適應原則。

獨立設置原則

所謂獨立設置原則，是指整個SIS系統(tǒng)應獨立于過程控制系統(tǒng)(如DCS)，以降低控制功能和安全功能同時失效的概率，使其不依附于過程控制系統(tǒng)就能獨立完成自動保護聯(lián)鎖的安全功能。要求獨立設置的單元應當有檢測元件、執(zhí)行元件、邏輯運算元件、通訊設備。復雜的SIS應該合理分解為多個子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)應該相對獨立，且分組設置后備手動功能。

中間環(huán)節(jié)最少原則

SIS的中間環(huán)節(jié)應該是最少的。一個回路中儀表越多可靠性越差，典型情況是本安回路的應用。因此可盡量采用隔爆型儀表，減少由于安全柵而產生的故障源，減少誤停車。

冗余原則

針對測量儀表，SIL1級安全儀表功能，可采用單一測量儀表；SIL2級安全儀表功能，宜采用冗余測量儀表；SIL3級安全儀表功能，應采用冗余測量儀表；當要求高安全性時，應采用“或”邏輯結構；當要求高可用性時，應采用“與”邏輯結構；當安全性和可用性均需保障時，應宜采用“三取二”邏輯結構。

針對最終元件，SIL1級安全儀表功能，可采用單一控制閥；SIL2級安全儀表功能，宜采用冗余控制閥；SIL3級安全儀表功能，應采用冗余控制閥；可采用1臺調節(jié)閥和1臺切斷閥，也可采用2臺切斷閥。控制閥的冗余設置并不表示冗余設置就對應安全完整性等級。不能冗余配置控制閥的場合，采用單一控制閥，但配套的電磁閥宜冗余配置。安全儀表系統(tǒng)的電磁閥應優(yōu)先選用耐高溫絕緣線圈，長期帶電型，隔爆型。在工藝過程正常運行時，電磁閥應勵磁（帶電）；在工藝過程非正常運行時，電磁閥非勵磁（失電）。

針對邏輯控制器，SIL1級安全儀表功能，宜采用冗余邏輯控制器；SIL2級安全儀表功能，應采用冗余邏輯控制器；SIL3級安全儀表功能，必須采用冗余邏輯控制器。

安全儀表系統(tǒng)與基本過程控制系統(tǒng)通信接口應冗余配置，冗余通信接口應有診斷功能。