紧急停车系统ESD.pdf

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1、全国化工仪表维修工技师、高级技师培训辅导讲义第一讲：ESD 紧急停车系统第一讲第一讲 ESD ESD 紧急停车系统紧急停车系统1 1名称、作用、构成名称、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 SystemSIS 、安全关联系统Safety Related System SRS 、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

2、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 Elec

3、trical 、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。PES检测单元输入模块控制模块输出模块执行单元图 1 ESD 的构成2 2ESDESD 的相关标准及认证机构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、标准，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到达的安全等级进行确认。这些标准、标准及认证机构主要有： 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

4、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AICHEccps-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准-DIN V VDE 0801、 过程操作用户标准-DIN V 19250和 DINV 1925

5、1、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所到达的安全等级分为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 3ESDESD 和和 DCSDCS 的比较的比较DCS 与由 PES 构成的 ESD 的主要区别有：- 1 -全国化工仪表维修工技师、高级技师培训辅导讲义第一讲：ESD 紧急停车系统构成作用功能工作安全级别DCSDCS不含检测、执行使生产过程在正常工况乃至最正确工况下运行动态、连续低、不需认证ESDESD含检测、执行单元超限安全停

6、车静态、间断高、需认证4 4ESDESD 设计应遵循的原则设计应遵循的原则 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 5故障安全原则故障安全原则组成 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。具体表达： 现场开关仪表选用常闭接点，工艺正常时，触点闭合，到达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

7、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 6隐故障与显故障隐故障与显故障 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 。Cove

8、rt Fault：Fault that can be classified as hidden ， 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-S84.01-19967 7安全性及响应失效率安全性及响应失效率当工艺条件到达或超过安全极限值时，ESD 本

9、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。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假设干安全度等级SIL：Safety Integrity Level 。SIL 和 PFD 的对应关系见表 1：- 2 -全国

10、化工仪表维修工技师、高级技师培训辅导讲义第一讲：ESD 紧急停车系统表 1ISA-S84.01SIL.1SIL.2SIL.3IEC 61508SIL.1SIL.2SIL.3SIL.4DIN V 19520TVAK1AK2AK3AK4AK5AK6AK7AK810-210-310-310-410-410-510-110-2PFD8 8可用性及可用度可用性及可用度工艺条件并未到达安全极限值，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：A MTBFSHB-Z

11、06-1999MTBF MDTMTBF：平均故障间隔时间Mean Time Between FailuresMDT：平均停车时间Mean Downtime9 9冗余和容错冗余和容错冗余 Redundant ： 具有指定的独立的 N： 1 重元件， 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

12、。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。CP

13、U 1开关输入/输出CPU 2现场设备图 2 CPU 冗余双机热备- 3 -全国化工仪表维修工技师、高级技师培训辅导讲义第一讲：ESD 紧急停车系统输入CPU A输出输入端子输入CPU B输出输入CPU C2oo3表决器输出端子输出图 3A三重模块冗余容错系统看门狗输入输出看门狗输入端子输入输出23表决器输出端子看门狗输入输出图3三重位号冗余容错系统图 3B三重信号冗余容错系统1010 冗余逻辑的表决方法及其与安全性、可用性的关系冗余逻辑的表决方法及其与安全性、可用性的关系表决方法一选一1oo10.020.04短路的概率开路的概率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存在隐故障和显

14、故障差差二选一1oo20.0004两个均短路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二2oo2的概率0.04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0.0048三个中两个其中之一存在隐故障或显故其中两个存在隐故障或显故障较好较好均短路的概率均开路的概率障注：此表中故障概率数据摘自西门子公司资料- 4 -全国化工仪表维修工技师、高级技师培训辅导讲义第一讲：ESD 紧急停车系统以上可见： 隐故障危险故障使ESD 该动而拒动，隐故障概率越高

15、，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。1111 普通普通 PLCPLC 和安全和安全 PLCPLC 的区别的区别普通 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的场合。现以输出电路为例予以说明。图 4 是普通 PLC DO 卡示

16、意图。0V DC来自 CPU 的控制信号+24VDC12接负载，如电磁阀图 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。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 。0V DC

17、中央处理器看门狗“与”状态信号控制信号状态信号+24VDC接负载，如电磁阀图 5安全性单容错 DO 卡示意图- 5 -全国化工仪表维修工技师、高级技师培训辅导讲义第一讲：ESD 紧急停车系统这里，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

18、仅是 DO 卡上的差异。作为安全PLC，至少应具备以下几点： 满足相关安全标准标准要求，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。1212 取得取得 T T V V 认证的认证的 ESDESD 产品产品FSCFail Safe Control由荷兰 PFPepperl & Fuchs公司开发，1994 年被 Honeywell 公司收购。安全等级可达 AK6。RegentTrusted美

19、国 ICS 利用宇航技术开发的安全系统。安全等级 AK4AK6。 Tricon、Trident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 52oo3 、Class 41oo2和 Class 52oo2 。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。 SIMATICS7-400F/FH德国 SIEMENS 公司产品。400F 和 400F 分别为 1 个 CPU 和

20、 2 个 CPU 运行 fail-safeF用户程序，均取得 TUV 认证，安全等级为 AK1AK6。SC300EAUGUST 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。1313 工艺过程风险的评估及安全度等级的评定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

21、的 ESD。表1 可以看出，假设某工艺过程经评定后为SIL 2，则配置到达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标准。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

22、程度人为量化为假设干级，作出矩阵表见表2 。以此确定工艺过程度安全度等级。- 6 -全国化工仪表维修工技师、高级技师培训辅导讲义第一讲：ESD 紧急停车系统表 2频率危害程度轻微轻中大重大很低20 年以上DCS 报警DCS 联锁SIL1SIL2低420 年DCS 报警DCS 联锁SIL1SIL2SIL3中0.54 年DCS 联锁SIL1SIL2SIL3SIL4高00.5 年DCS 联锁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奉献，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

23、环境危害三个方面予以量化。如表3 所示。表 3危害程度轻微轻中大重大经济损失美元150 万人身伤害无轻伤，仅需就地急救治疗多人重伤，需医学治疗，一人死亡造成伤残、死亡造成多人伤残、死亡环境危害无可立即控制无法立即控制仅限于事故现场涉及周边1414 逻辑运算的基本规则逻辑运算的基本规则 交换律AB = BAA + B = B + A 结合律ABC = A( BC )A + B + C = A + ( B + C ) 分配律A( B + C ) = AB + ACA + ( BC) = ( A+B )( A+C ) 重复律AAAA = AA + A + A + A = A 自等律A1 = AA + 0 = A 吸收律A( B + A ) = AA + ( BA ) = A 互补律AA = 0A + A = 1 01 律A0 = 0A + 1 = 1 非非律A = A 反演律ABC=A + B + CA + B + C=ABC- 7 -