安全仪表系统的设计与应用

李斌，俞泽科，姚玉田

（杭州中泰深冷技术股份有限公司，浙江 杭州 311402）

安全仪表系统的设计与应用

李斌，俞泽科，姚玉田

（杭州中泰深冷技术股份有限公司，浙江 杭州 311402）

安全仪表系统（SIS）是重要的石油及深海工程辅助装备，其设计和应用应当遵守严格的规范，本文对各领域SIS系统的设计和应用进行了总结，给未来该设备设计应用提供了有效思路。

SIS；设计；应用

1 概述

安全仪表系统（SIS），也称为安全连锁系统，是作为工程项目中存在的失效和错误应用而生的质量控制系统，在石油、海洋工程等重大机械领域有着极其重要的应用。安全仪表系统都存在报警阀值，一旦达到事故发生的阀值点，系统就会出现报警，工作人员就会采取相应补救措施，又或者系统本身会自动转入安全模式。目前，工业水平的进步所带来的风险性设计也相对增多，安全隐患就会相应增多，因此在未来，无论是SIS的设计还是应用过程，都会向高精密、高精度、高集成化方向发展，测试系数也会随之增高，向着高度智能化、自动化方向发展。

安全仪表系统主要由传感器、逻辑运算单元和最终执行元件组成，分别起到检测、控制和执行的作用。所谓安全联锁，是SIS最基本的执行要求，可以起到预报警、联锁延时、区别事故原因、刹车复位等功能。

2 设计原则

安全仪表系统的各个组成部分都必须要满足《石油化工安全仪表系统设计原则》，尤其是在信号报警器和联锁点的设置方面，在进行动作设计以及阀值量值调整方面，必须要做到符合相关生产工艺的严格要求。做好安全生产是大前提，在进行线路设计和各类元器件安排之后，应该尽量做到简单。为了避免振动及灰尘和腐蚀液体的作用，信号报警和相应的安全连锁设备应该安置在合理的场所内，同时还要避免电磁辐射影响。如果把继电器线路应用在信号报警和安全联锁系统中也非常受用，当然也可采用无触点式晶体管电路，还有DCS和PLC系统性设计信号报警的SIS。

从安装角度来说，其要求也是相当严格的，任何在建造和施工现场的检出装置和执行器，都应当满足所在工作场合的防爆和相应的防火要求。从供电等级上来说，信号报警方面的供电要求与一般仪表供电等级相同。普遍来说，SIS系统在石油化工行业应用较多，其所遵循的规则是IEC-61508标准。从安全仪表设计角度来说，要满足可靠性、可用性、独立性三大原则，而且每个原则的设计都要付诸于传感器、逻辑单元和控制单元中。可靠性主要包括工艺、结构和使用年限上的可靠性，还有工作过程、连锁保护的可靠性。为了加强SIS的系统可用性，安全仪表系统所具备的外部硬件和装备软件，都应该具备自诊和测试功能。针对SIS系统的可用性，可以提高系统的材料品质，采用高强度和高硬度的材料，还可以延长系统初始周期，或者采用非全局的测试方法，在可能发生事故的状态下及时关闭阀门，对截止阀采用紧急状态手动关闭，可以允许在线初始状态下，安全仪表系统阀门的正常使用。这些措施安全仪表系统的可用性都可以起到很大的帮助。对于安全仪表系统来说，应该和基本过程控制系统分开，从而独立完成相应的安全保护。

3 智能化设计

未来的安全仪表的设计制造研究，会向三个方面发展，分别是功能多样化、设计信息化发展、系统化。在工艺质量达到标准的前提下，向人工智能化发展。因为安全方面的原因，之前的设计是以保守为主。但智能化研究是未来机械设计发展的方向，利用计算机仿真和大数据系统对先验设计进行评估研究，例如利用有限元分析，利用数据库观察哪类设计方案出现问题的时候最多等等。

通讯接口与通讯网络标准的统一为安全仪表控制系统与基本过程控制系统的集成带来极大的便利，对于一些要求较低、规模较小的生产过程可以采用集成的方法来减少投资，同时减少由基本过程控制系统和安全仪表系统不同的实现方式带来的问题。安全仪表系统同基本过程控制系统的集成目前主要有三种方式：Interfaces、Integrated和com-mon。

安全仪表系统采用智能型传感器和数字阀门定位器，传感器、数字阀门同逻辑控制器之间采用数字通讯。智能型终端设备不仅可以检测过程变量、接受控制信号，同时还可以提供包括关于设备自身、相关设备甚至周围过程的信息，供逻辑控制器的安全决策使用。数字通讯网络使信息可以进行双向流动，在传递控制信号的同时，也可以传递逻辑控制器对终端设备的组态或标定数据。智能型的逻辑控制器能够对现场设备的数据进行备份、归档和分析，也可以对设备和诊断数据进行分析，以鉴别出现的问题，并提供一些更正建议。自诊断系统也是未来仪表研发需要着重攻坚的方向。

4 SIS在深冷装置中的应用研究

深冷装置指的是可以在超低温环境下工作的装置设备，由于有很多工业产品需要在低温环境下运行，由此，深冷装置应用而生，深冷装置包括LNG装置，合成氨液氮洗装置，空气分离装置，一氧化碳氢气分离装置，丙烷脱氢制丙烯装置等。深冷装置的应用范围非常广泛，主要应用于特种材料研发制造、构造低温工作及试验环境等方面。

图1 典型的深冷设备

图1就是一种典型的深冷设备，其主要组成部分为深冷箱、冷装配箱、阀门试验台和冷却塔（压缩机或液氮罐），如图2。

图2 深冷设备构造图

随着深冷技术在20世纪的出现，很快引起了科学研究领域和工业制造领域的高度重视，目前在国外，深冷技术已经广泛应用于量具、刀具、模具以及各类精密零件中，比如各类油泵的喷油嘴、船舶、汽车发动机的涡轮轴、轧辊、管路阀门、各种传动齿轮、弹簧等工件的改性。在企业的战略决策中，深冷改性技术所占据的比重也越来越大，应用发展非常迅速。

深冷技术装置设备也可以划分为深冷液化装置、深冷净化装置和深冷分离装置等，从工艺角度来说，包括天然气液化工艺、焦炉气、工业尾气液化工艺，天然气液化工艺，甲醇液净化工艺、天然气液化工艺、烯烃分离工艺等等。深冷液化指的是气态转变成液态的过程，气体液化后体积会大幅减小，能够解决气体的运输问题。净化则是利用混合物各组成部分的物理特性差异，通过传热、传介对有效组分进行提纯的技术方法。深冷分离的介质通常为混合物，提纯之后会有不同的利用价值，利用沸点的差异对各组分进行分离。

我国深冷研究起步不算太早，相对扎实的理论性研究也不多，因此结构复杂、焊接技术高的深冷装备在出现问题之后，全国都很难找到相应的维修场点，所以利用安全仪表系统及早发现安全隐患是相当重要的，其未来的发展方向，应该着眼于方便、快捷、低廉和可靠，而可靠是最为重要的因素。将安全仪表系统的各个逻辑控制单元和深冷设备进行接口设计，通过逻辑控制和阀值控制对深冷设备可能出现故障之前进行报警，是未来智能化安全设计最重要的研究发展方向。

5 结语

未来的安全仪表系统将不再局限于石油行业，本文给出了一种新的应用思路，包括深冷机械，未来的工业设计将向复杂化发展，但在发展之余，落实安全才是基本，相信在理论基础进一步夯实的前提下，安全仪表系统理论成果转化覆盖的范围会越来越广，而其在深海领域的发展也将会越来越得到设计方的重视。

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