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主审论文
安全完整性等级 (SIL) 分析及应用
Safety Integrity Level (SIL) Analysis and Applications

【摘要】：过程工业涉及的领域广、危险性大，工厂除了在工艺设计阶段尽可能的考虑防止和减少各种潜在风险外，还必须附加额外的保护措施来控制危险的发生，如安全仪表系统(SIS)。本文结合实际例子介绍了SIS系统安全完整性等级(SIL)的应用，并对不同等级下SIS系统的硬件组成要求做了探讨。
Abstract: Process industry is involved a wide area of enterprises and hazardous, the factory shall try best to prevent and reduce potential risk at process design stage, besides other protective measures like safety instrument system (SIS) also shall be used to control occurrence of dangerous accidents. This paper has introduced basic theory of SIL level for SIS system, and also discussed SIS hardware requirement for different SIL levels.
关键词： SIL; SIS; 安全仪表系统
KEYWORD: SIL; SIS; Safety instrument system

一、 引言
在当前石油产业和化工产业是目前最为重要的能源产业之一，石油化工产业直接影响我国能源的使用和发展，但是，石油和化工行业自身也属于危险性较高的行业。石油行业和化工行业在装置和运输等流程方面的要求是十分的苛刻。
石油和化工大多数都是易燃易爆等危险品，同时自身的腐蚀性比价强，并且具有一定的危险性。在石油和操作的过程中，任何一个失误都会带来严重的危险，甚至是灾难性的的后果。
在最近几年的时间里，自动化仪表技术得到了快速的发展，特别是在半导体行业以及电子技术等行业的发展都是十分迅速的。控制系统以及控制仪表的超微型方向发展是非常迅速的，因此，为流程性石化装置以及自动化控制系统带来的革命性的变化和发展。工业自动化仪表性能的提高，显著的提高了产品的品质、减少了人为失误、为提高工作效率，实现人工操作无法完成的工作，逐渐为越来越多的业主及工程人员所接受。自动化控制系统的可靠性字未来的发展是十分重要的，同时也是需要不断进行探索。自动化自身作为工业控制领域的重要系统和分支，也就是安全仪表系统（Safety Instrument System - SIS）的产生，同时在大型的工业装置以及相关复杂的工业环境这得到了迅速的发展和推广。
在1998年，在国际电工技术委员会（IEC）主要针对自动异化产品的开发提出了IEC61508-1998 (GB20438-2006电子、电气、可编程电子安全相关系统的功能安全》标准；
2003年提出了IEC61511-2003 (GB21109-2007《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》标准，其中对框架、定义、系统的完全性等级进行划分（Safety Integrity Level - SIL)提出了更加明显的要求。
二、 安全完整性等级 (SIL)定义
根据IEC61511标准进行规定，SIL主要是分为4个等级，这4个等级分别是SIL1、SIL2、SIL3和SIL4。SIL主要是对安全仪表进行描述的，SIL自身的级别是F非常高的，安全仪表系统自身具有很高的效率，同时自身的投资数目也是比较高。

三、 安全完整性等级 (SIL)的应用及分析
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3.1 安全仪表系统
根据IEC61511的定义，安全仪表系统（SIS）是指：“从实际或者多个安全仪表功能仪表系统进行分析。SIS主要是由逻辑结算和最终原件共同组成”。SIS系统是自动化安全保护系统，是自动化的重要组成部分。如图3-1-1

图3-1-1（黄色部分：SIS系统；绿色部分：基本过程控制系统）
当违反特定的限定条件时自动将工业过程设置到安全的状态。当发生特定的容许条件时，容许过程安全的向前进行以及采取行动减轻工艺过程危险后果的发生。控制系统和安全仪表系统经常被人所混淆。基本过程控制系统是主动的去调节控制过程变量，动态的时时根据被测参数调过程变量，是正常生产过程控制系统所必须的，根据生产过程以及系统设定的状态下不断的进行跟踪。SIS系统主要是用来监视生产过程以及生产抓个图，同时根据安全仪表的显示状态来反馈是否出现过危险，主要的目的是为了防止风险的发生，减轻风险发生造成的严重后果。在就基本过程控制系统在运行的过程中也是十分正常，在被动的同时也是静默。

3-1-2 SIS系统的构成
安全仪表功能通过SIS来实施完成，SIS为有关特定危险事故的工艺获取或维持安全状态。控制系统的基本过程是一样的，主要是有安全传感系统以及逻辑解算最终执行原件共同组成。
3.2 安全周期
安全生命周期：“安全仪表系统主要是从诞生以来到退役的整个过程，主要的目的就是为了保证安全仪表系统能够完整和有效性的实现降低生产工艺的整个过程。

3-2-1安全周期表
如图3-2-1所示，安全仪表系统的安全周期从前期从前期概念设计阶段是开始的，自身经历了若干的中间阶段直至到安全系统停用，在此贯穿于实施、操作和分析等整个过程。
3.3 安全整体性等级的选择
在实际的生产过程中SIL等级不能随意确定。针对各个控制对象以及连锁保护方案主要是采用那一级的SIL是十分正确、合适的、主要是需要专业的人员来进行操作，在管理方面以及管理人员进行正确的评估。根据自身的工艺流程以及工况条件进行综合分析。这样可以对失效或者事后造成的损失情况进行分析性，这样可以更好的确定SIL等级，安全仪表或者系统构成繁琐或者简单成都，这样都是由自控工程师去完成和实现。运营SIL等级不能够偏低也不是十分偏高，做到投资物有所值。
SIL等级分配的方法主要是由两种，这两种是可以分为定量和定性两方面。运用定量和定性的风险方法自身是存在着可能性分类，并且针对分类进行描述，主要是运用风险矩阵以及风险图法进行分析。而保护层分析法作为计算SIL等级的半定量方法近年来也开始被广泛应用。
a，危险矩阵法，如下图所示

3-3-1危险矩阵示例
在风险控制领域中，控制定性的可能性是分类，根据量化的可能花是具有一定的可能性指标，在矩阵图选择SIL等级进行详细的分析和论述。
b，危险矩阵图法，如下图所示：

3-3-2危险矩阵图示例
风险矩阵图是一种有效的风险份详细和管理工具，自身应该对潜在的风险进行分析。同时，要根据事故的频率以及降低情况对SIL进行选择，这样做的主要目的是可以满足风险要求。
SIL主要的目的就是评定故障以及故障后果，在安全系统以及完整等级的需求进行风险分析，在进行系统话设计的过程中进行目标设计和目标分析，这也是评估系统是否安全的重要依据。

3.4 应用分析
许多化工物料都是有毒、有害、易燃易爆的，一旦发生危险事故，会对环境、人身和设备等造成各种危害。工厂应当针对这些危害，使用一些不同级别的、独立的保护层，来防止或减少每个潜在的危险事件有可能造成的伤害。
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3.4.1 保护层（Protection Layers）
降低风险应当从前从期的概念设计开始：选择先进的工艺过程，现场设备建筑的合理布局，识别潜在的风险。严格遵守设计标准和规范。这些都是从工艺设计的角度降低操作风险的办法。通过慎重选择基本的过程操作参数，从根源上消除或降低风险，对于设安全系统设计是重要的一步。但是，即使将这样的设计理念发挥到极致，也不能完全消除所有潜在危险，必须通过附加的保护措施来控制危险的发生。
多级保护层的概念如下图3.4.1所示。如图所示，化工装置有着很多不同级别的保护层，每个保护层都是由一系列的保护措施组成，并与其它保护层合作，使风险得到有效控制。
减轻危险影响的措施 例如，修筑堤坝
设备保护 例如，泄放装置（安全阀等）
安全仪表系统的预防措施（SIS）
重要的报警和操作员干预
基本过程控制系统
（BPCS）
（BPCS）

工艺过程设计
工厂和社会采取的紧急措施

图3.4.1 化工过程中的典型保护层模型
工艺过程的优化设计是装置的第一层保护。第二个保护层是基本过程控制系统，通过合适的工艺控制参数生产出合格的产品。第三个保护层通过所发出的紧急报警通知让操作人员根据要求做出的干预措施。安全连锁系统（SIS）来作为一个第四个保护层面，这对于风险过程中的发展以及可能存在的风险进行分析。
对于来不及采取的措施以及继续恶化的状态进行呵护，进一步将安全系统带会预定的状态下，这样可以有效宝恒人员、设备、生产的安全性。下一保护层为物理保护，由一些放空装置（如安全阀，爆破片等）组成，防止设备由于超压而损坏。
3.4.2 SIL/SIS评估步骤
第一步，识别危险事件并评估其严重性
我们通过HAZOP研究来选择潜在风险最高的事件，最常用的方法是评估过控制的危险程度。
第二步，确定初始原因并评估出现的频率。
起因事件用在HAZOP中用来分析事件的原因，每一个风险事事件可以通过风险矩阵来确它风险发生的频率，此值必须与文献中的可供验证的范围进行比较。
第三步，要对独立保护层进行确定，这样可以进行有效的评估。
独立保护层的设备，系统，或功能是阻止风险继续发生的，独立的保护层是独立于其它保护层的。
第四步，这对于危险事故发生的概率进行分析。
第五步，确定所需的额外保护层和必须的SIL等能。
可靠性：能够实现设计的保护功能。设计中应指明其随机性和系统失效模式。
确定性：能够保证保护功能实施起来便利且可靠。要对系统的安全性进行测试和维护。
只有当保护层满足了有效性、针对性、独立性、可靠性和确定性测试后，才能称之为“独立保护层”。
3.4.3 保护层分析方法确定安全完整性等级
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a) 独立保护层(IPL)的概念：
独立保护的主要作用技术为了防止不良后果的发展，这样可以建立独立的保护层。
当初始引发事件发生时，第一层独立保护层发挥作用，出现这样的结果主要由两方面因素，失效或者是成功发挥作用。咋保护层面失效情况下，失效情况具有初始事件发生频率，主要是以第一频率或者第一次安全系统要求的平均失效概率。以第一次独立保护层失效、第二次独立保护层也开始工作。这样的结果具有两方面的可能性，这样就会失效或者成功。累计失效概率事件发生是比较频繁，保护层安全系统的主要要求是以平均失效的概率乘积。
通过计算式可以看出，整个保护系统失效的概率是非常的小。也就是说，由于有了多级的独立保护层的保护，初始引发事件引起事故的概率相应降低，整个系统的安全性能得到了很大提高。
b) 用保护层分析（LOPA）方法计算SIL等级的一个例子
在某煤气化项目中，其高温、高压、流程长的操作特点，使装置的稳定运行和降低事故发生的机率成了当务之急，这就需要设计合适的控制系统，对整个系统做危险与可操作性分析，确定系统的SIS等级，并加以科学规范地应用。对气炉的可能性以及发生危险事故进行预测和分析，在初始引发事件的频率，相关独立保护层的安全系统要求平均失效概率如下：
初始引发事件的频率 10-2
IPL1（工艺过程设计） 10-1
IPL2（基本过程控制系统BPCS） 10-1
IPL3（报警+操作员干预） 10-2
安全联锁系统SIS的SIL事故发生的概率为：
f=10-2*10-1*10-1*10-2=10-6
为了确保已有的保护层是否已经足够，需要确定一个目标因子：如果对某一危险事故，工厂能够接受其发生的频率为10-n，那么n就称为LOPA的目标因子。
在本项目中，经过业主和设计院组成的安全小组确定的LOPA目标因子为9，只需用该因子减去初始事件频率的因子和保护层失效概率指数之和的绝对值，其差值为保护存在的缺口，即保护层是否能够满足系统安全要求，它的目标为0或者更少。
示 例 因 子 值
10-7 LOPA的目标因子 9
10-1 初始引发事件的频率 2
10-2 IPL1（工艺过程设计） 1
10-1 IPL2（基本过程控制系统BPCS） 1
10-1 IPL3（报警+操作员干预） 2
10-3 保护层缺口≤0 3
保护层分析显示考虑了所有保护层后，其缺口为3，说明需要使用安全仪表系统SIS或其它可行的独立保护层。保护层缺口=SIL=3，计算：10-9/(10-2*10-1*10-1*10-2) = 10-3。
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四、 结论与展望
石油。化工行业在巨大利益的环境下也带来了很大的安全隐患。在石油、化工产生相关复杂的工艺，自身的工艺条件也是十分复杂，在工业条件十分严格的情况下，介质自身是具有易燃、有毒、腐蚀等特殊性。在生产装置趋向大型化以及生产过程连续性的自动化程度是比较高。这样就直接导致在生产事故发生的危险性增大，直接倒成了经济损失以及较大的危险。因此，通过SIL分析，对SIS系统进行设计和论述，进行正确的评估、验证，这样可以降低系统项目设计的执行达到最优化，降低项目的安全成本。
SIL份详细的方法以及相关的研究和应用工作进行分析，SIL等级划分还没有唯一的标准，在国内SIL等级划分还处于起步和发展的阶段。因此，本文主要是根据以往的经验和项目经验进行分析，结合个人理解的总结进行整理，希望给功同行业一个参考依据。
【参考文献】：
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