紧急停车系统ESD.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date紧急停车系统ESD紧急停车系统第一讲 ESD紧急停车系统1 名称、作用、构成紧急停车系统（Emergency ShutDown system ESD）亦称为安全仪表系统（Safety Instrument System SIS）、安全联锁系统（Safety Interlock System SIS）、安全关联系统（Safety Related System SRS）、

2、仪表保护系统（Instrument Protective System IPS）等。以下统称ESD。大多石油和化工生产过程具有高温、高压、易燃、易爆、有毒等危险。当某些工艺参数超出安全极限，未及时处理或处理不当时，便有可能造成人员伤亡、设备损坏、周边环境污染等恶性事故。这就是说，从安全的角度出发，石油和化工生产过程自身存在着固有的风险。ESD是一种经专门机构认证、具有一定安全度等级，用于降低生产过程风险的安全保护系统。它不仅能响应生产过程因超出安全极限而带来的危险，而且能检测和处理自身的故障，从而按预定的条件或程序使生产过程处于安全状态，以确保人员、设备及工厂周边环境的安全。ESD由检测单元（

3、如各类开关、变送器等）、控制单元和执行单元（如电磁阀、电动门等）组成，其核心部分是控制单元。从ESD 的发展过程看，其控制单元部分经历了电气继电器（Electrical）、电子固态电路（Electronic）和可编程电子系统（Programmable Electronic System），即E/E/PES三个阶段。图1为由PES构成的ESD。输出模块输入模块检测单元控制模块执行单元PES图1 ESD的构成2 ESD的相关标准及认证机构鉴于ESD涉及到人员、设备、环境的安全，因此各国均制定了相关的标准、规范，使得ESD的设计、制造、使用均有章可循。并有权威的认证机构对产品能达到的安全等级进行确认

4、。这些标准、规范及认证机构主要有： 我国石化集团制定的行业标准SHB-Z06-1999石油化工紧急停车及安全联锁系统设计导则。 国际电工委员会1997年制定的IEC 61508/61511标准，对用机电设备（继电器）、固态电子设备、可编程电子设备（PLC）构成的安全联锁系统的硬件、软件及应用作出了明确规定。 美国仪表学会制定的ISA-S84.01-1996安全仪表系统在过程工业中的应用。 美国化学工程学会制定的AICHE（ccps）-1993，化学过程的安全自动化导则。 英国健康与安全执行委员会制定的HSE PES-1987，可编程电子系统在安全领域的应用。 德国国家标准中有安全系统制造厂商标

5、准-DIN V VDE 0801、过程操作用户标准-DIN V 19250和DIN V 19251、燃烧管理系统标准-DIN VDE 0116等。 德国技术监督协会（TV）是一个独立的、权威的认证机构，它按照德国国家标准（DIN），将ESD所达到的安全等级分为AK1AK8，AK8安全级别最高。其中AK4、AK5、AK6为适用于石油和化学工业应用要求的等级。3 ESD和DCS的比较DCS与由PES构成的ESD的主要区别有：DCSESD构 成不含检测、执行含检测、执行单元作用（功能）使生产过程在正常工况乃至最佳工况下运行超限安全停车工 作动态、连续静态、间断安全级别低、不需认证高、需认证4 ESD

6、设计应遵循的原则 原则上应独立设置（含检测和执行单元）； 中间环节最少； 应为故障安全型； 采用冗余容错结构。5 故障安全原则组成ESD的各环节自身出现故障的概率不可能为零， 且供电、供气中断亦可能发生。当内部或外部原因使ESD失效时，被保护的对象（装置）应按预定的顺序安全停车，自动转入安全状态（Fault to Safety），这就是故障安全原则。具体体现： 现场开关仪表选用常闭接点，工艺正常时，触点闭合，达到安全极限时触点断开，触发联锁动作，必要时采用“二选一”、“二选二”或“三选二”配置。 电磁阀采用正常励磁，联锁未动作时，电磁阀线圈带电，联锁动作时断电。 送往电气配电室用以开/停电机的

7、接点用中间继电器隔离，其励磁电路应为故障安全型。 作为控制装置（如PLC）“故障安全”意味着当其自身出现故障而不是工艺或设备超过极限工作范围时，至少应该联锁动作，以便按预定的顺序安全停车（这对工艺和设备而言是安全的）；进而应通过硬件和软件的冗余和容错技术，在过程安全时间（PST-Process Safety Time）内检测到故障，自动执行纠错程序，排除故障。6 隐故障与显故障 隐故障（Covert Fault）：不对危险产生报警，允许危险发展的故障，是故障危险故障（SHB-Z06-1999）。Covert Fault：Fault that can be classified as hidde

8、n， concealed， undetected， unrevealed， latent， ect. （ISA-S84.01-1996） 显故障（Overt Fault）：能显示出故障自身存在的故障，是故障安全故障（SHB-Z06-1999）。Overt Fault：Fault that can be classified as announced， detected， revealed，ect.（ISA-S84.01-1996）7 安全性及响应失效率当工艺条件达到或超过安全极限值时，ESD本应引导工艺过程停车，但由于其自身存在隐故障（危险故障）而不能响应此要求，即该停车而拒停，降低了安全性。

9、衡量安全性的指标为响应失效率或称要求的故障率（PFD：Probability of Failure on Demand）。它是安全联锁系统按要求执行指定功能的故障概率。是度量安全联锁系统按要求模式工作故障率的目标值（SHB-Z06-1999）。不同的工业过程（如生产规模、原料和产品的种类、工艺和设备的复杂程度等）对安全的要求是不同的。上述的国际标准将其划分为若干安全度等级（SIL：Safety Integrity Level）。SIL和PFD的对应关系见表1：表1ISA-S84.01IEC 61508DIN V 19520（TV）PFDSIL.1SIL.1AK110-110-2AK2AK3SI

10、L.2SIL.2AK410-210-3SIL.3SIL.3AK510-310-4AK6SIL.4AK710-410-5AK88 可用性及可用度工艺条件并未达到安全极限值，ESD不应引导工艺过程停车，但由于其自身存在显故障（安全故障）而导致工艺过程停车，即不该停车而误停，降低了可用性。可用度（A：Availability）是指系统可使用工作时间的概率，用百分数计算： （SHB-Z06-1999）MTBF：平均故障间隔时间（Mean Time Between Failures）MDT：平均停车时间（Mean Downtime）9 冗余和容错冗余（Redundant）：具有指定的独立的N：1重元件，

11、并且可以自动地检测故障，切换到后备设备上。（SHB Z06 1999）冗余系统（Redundant System）：并行地使用多个系统部件，以提供错误检测和错误校正能力的系统。（SHB Z06 1999）。容错（Fault Tolerant）：具有内部冗余的并行元件和集成逻辑，当硬件或软件部分故障时，能够识别故障并使故障旁路，进而继续执行指定的功能。或在硬件和软件发生故障的情况下，系统仍具有继续运行的能力。它往往包括三方面的功能：第一是约束故障，即限制过程或进程的动作，以防止在错误被检测出来之前继续扩大；第二是检测故障，即对信息和过程或进程的动作进行动态检测；第三是故障恢复即更换或修正失效的部

12、件。（SHB Z06 1999）容错系统（Fault Tolerant System）：具有容错结构的硬件与软件系统。（SHB Z06 1999）总之，通过冗余和故障屏蔽的结合来实现容错。容错系统一定是冗余系统，冗余系统不一定是容错系统。容错系统的冗余形式有双重、三重、四重等。图2和图3A.B分别表示CPU冗余（双机热备）和三重化冗余容错系统。CPU 1CPU 2开关输入/输出现场设备图2 CPU冗余（双机热备）输入输入输入CPU CCPU B输出输出2oo3 表决器输出CPU A输入端子输出端子图3A 三重模块冗余容错系统图3B 三重信号冗余容错系统10 冗余逻辑的表决方法及其与安全性、可用

13、性的关系表决方法隐故障概率（拒动）显故障概率（误动）允许不允许安全性可用性一选一 1oo10.02（短路的概率）0.04（开路的概率）存在隐故障和显故障差差二选一 1oo20.0004（两个均短路的概率）0.08（只要有一个开路的概率）其中之一存在隐故障（仍可安全停车其中之一存在显故障（将误停车）最好最差二选二 2oo20.04（只要有一个短路的概率）0.0016（两个均开路的概率）其中之一存在显故障（不会误停车）其中之一存在隐故障（该停拒停）最差最好三选二 2oo30.0012（三个中两个均短路的概率）0.0048（三个中两个均开路的概率）其中之一存在隐故障或显故障其中两个存在隐故障或显故障

14、较好较好注：此表中故障概率数据摘自西门子公司资料以上可见： 隐故障（危险故障）使ESD该动而拒动，隐故障概率越高，安全性越差。 显故障（安全故障）使ESD不该动而误动，显故障概率越高，可用性越差。 1oo2（二选一）安全性最好，但可用性最差；2oo2（二选二）可用性最好，但安全性最差；2oo3（三选二）可兼顾安全性和可用性，但结构复杂，成本高。11 普通PLC和安全PLC的区别普通PLC和可以作为ESD控制部分的安全PLC的主要区别是：普通PLC不是按故障安全型设计的，当系统内部元件出现短路故障时，它并不能检测到，因此其输出状态不能保证系统回到预定的安全状态。这种PLC只能用于安全度等级要求低

15、的场合。现以输出电路为例予以说明。+24VDC来自CPU的控制信号接负载，如电磁阀0V DC12图4是普通PLC DO卡示意图。图4 普通PLC DO卡示意图当1、2两点短路时，来自PLC的控制信号将不起作用（失效），电磁阀将一直处于带电（励磁）状态，即需要联锁动作（电磁阀释电停车）时，由于此故障的存在而拒动，其输出不能保证处于安全停车状态。这就是违背了故障安全（Fault to Safety）的原则。当1、2两点开路时，将导致误动作而停车，同样会带来损失。可见，这种普通PLC的DO卡输出电路的安全性和可用性都是不高的。“与”看门狗中央处理器+24VDC状态信号控制信号状态信号接负载，如电磁阀

16、0V DC图5所示为一种带有安全性单容错的DO卡示意图（它是Honeywell SMS FSC-101型输出示意图）。图5 安全性单容错DO卡示意图这里，中央处理器不仅向串联的场效应管（FET）发出控制信号，而且还接受来自场效应管的状态反馈信号，以便对其输出进行全面测试。当测得某管输出发生短路时，中央处理器即启动纠错动作，隔离相关的故障。看门狗（Watch Dog）是个多通道的计时器电路。它由中央处理器和内存等周期性地触发，如果两个触发之间的时间小于某设定值或者大于某最大值，则看门狗的输出将失效。同时看门狗还能监视内部工作电压，使之在正常的电压范围内。以上仅是DO卡上的差别。作为安全PLC，至

17、少应具备以下几点： 满足相关安全标准规范要求，且经过权威机构认证，取得了相应安全等级证书； 在硬件和软件上采用冗余、容错措施，具有完善的测试手段，当检测到系统故障，特别是危险故障时能使系统回到安全状态； 能进行系统故障报警，指示故障原因、故障位置，便于在线维护； 能与DCS或其它设备进行通讯。12 取得TV认证的ESD产品 FSC（Fail Safe Control）由荷兰PF（Pepperl & Fuchs）公司开发，1994年被Honeywell公司收购。安全等级可达AK6。 Regent Trusted美国ICS利用宇航技术开发的安全系统。安全等级 AK4AK6。 Tricon、Trid

18、ent美国Triconex公司开发，用于压缩机综合控制（ITCC）和紧急停车系统。安全等级为AK6。 GE Fanuc 90-70美国GE公司开发。其中GMR（模块式冗余容错系统）的安全等级为Class 5（2oo3）、Class 4（1oo2）和Class 5（2oo2）。 QUADLOG 由Moore公司开发。日本横河公司收购后称Prosafe PLC，其1oo2D结构安全等级达AK6。 SIMATIC S7-400F/FH德国SIEMENS公司产品。400F和400F分别为1个CPU和2个CPU运行fail-safe（F）用户程序，均取得TUV认证，安全等级为AK1AK6。 SC300E

19、AUGUST System公司开发，1997年成为ABB集团成员之一。安全等级为Class 5和Class 6。13 工艺过程风险的评估及安全度等级的评定不同的工艺过程（生产规模、原料和产品的种类、工艺和设备的复杂程度等）对安全的要求是不同的。一个具体的工艺过程，是否需要配置ESD、配置何种等级的ESD，其前提应该是对此具体的工艺过程进行风险的评估及安全度等级（SIL）的评定。在确定了某个具体工艺过程的安全度等级（SIL）之后，再配置与之相适应的ESD。表1可以看出，若某工艺过程经评定后为SIL 2，则配置达到AK4的ESD即可，其响应失效率（PFD）为百分之一至千分之一之间。应该注意的是不同

20、安全级别的ESD，只能确保响应失效率（PFD）在一定的范围内，安全级别越高的ESD，其PFD越小，即发生事故的可能性越小，但它不能改变事故造成的后果。因此，工艺过程安全度等级的评定是一项十分重要的工作。但目前我国尚无如何评定安全度等级的标准和规范。2中列出的国际、国外标准中提供了某些评定方法。下面介绍的风险矩阵（RISK MATRIX）评估方法可供参考。这种方法以工艺过程事故出现的频率（可能性）及其危害程度（严重性）为风险评估的指标，并对频率和危害程度人为量化为若干级，作出矩阵表（见表2）。以此确定工艺过程度安全度等级。表2频率 危害程度很低（20年以上）低（420年）中（0.54年）高（00

21、.5年）轻微DCS报警DCS联锁DCS联锁轻DCS报警DCS联锁SIL1SIL2中DCS联锁SIL1SIL2SIL3大SIL1SIL2SIL3SIL4重大SIL2SIL3SIL4SIL4表2中频率分级的年限（多少年出现一次）考虑了采用DCS进行监视、控制以及正常操作规程等对于降低事故出现频率的贡献，但不考虑ESD的存在。表2中危害程度从经济损失、人身伤害和环境危害三个方面予以量化。如表3所示。表3危害程度经济损失（美元）人身伤害环境危害轻微150万造成多人伤残、死亡波及周边14 逻辑运算的基本规则 交换律 AB = BA A + B = B + A 结合律 ABC = A( BC ) A + B + C = A + ( B + C ) 分配律 A( B + C ) = AB + AC A + ( BC) = ( A+B )( A+C ) 重复律 AAAA = A A + A + A + A = A 自等律 A1 = A A + 0 = A 吸收律 A( B + A ) = A A + ( BA ) = A 互补律 AA = 0A + A = 1 01律 A0 = 0 A + 1 = 1 非非律 A = A 反演律 ABC = A + B + CA + B + C = ABC-