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安全仪表系统的结构约束分析

文档作者：杨海兵王健文档来源：杭州电子科技大学		点击数：	更新时间： 2021年06月16日
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安全仪表系统的结构约束分析
Analysis of Architecture Constraint in Safety Instrument Systems
l 引言
在现代工业过程生产中，设备繁
杂，工艺复杂， 需检测的变量数量
多、种类多，所处的环境十分恶劣，
不允许过程控制系统存在任何的安全
薄弱环节。一旦控制系统中成套的设
备或者其他仪表不能正常工作，就有
可能造成控制系统故障或者误停车，
严重的诸如海上钻井平台发生原油泄
漏、爆炸、火灾；核电站核辐射超标
等危害事件，对人员、财产和环境造
成灾难性的后果。
上个世纪七十年代发生的多起工
杭州电子科技大学杨海兵王健
Yang Haibing W ang Jian
摘要：在对安全仪表系统进行功能安全分析时，系统的结构约束也是一项重要的指标。本
文从系统类型、硬件故障裕度和安全失效分数三个方面分析系统结构约束。针对标准分析结构
约束的不足，提出了一种改进的分析结构约束的方法。
关键字： 安全仪表系统 结构约束 功能安全
Abstract：Architecture constraint of system is also one of most important index，when the
functional safety of SIS is analyzed．The paper shows how analyze architecture constraint
of SIS in three aspects of system typei~hardware fault tolerance and safety failure fraction．
According to the inadequacy of the analysis of architecture constraint in standard~~the
paper puts forward a improved method to analyze architecture constraint．
Key word：Safety integrity system Structure constrain Functional safety
【中图分类号】TP23 【文献标识码】B 文章编号1 606-51 23(2011)11—0073—04
业安全事故均是由安全保护系统系统
失效引起的， 以致人们开始意识到安
全保护系统本身安全功能的重要性。
2000年国际电工委员会(I EC)发布
了IEC61508{电气／电子／可编程电子
安全相关系统的功能安全》标准，该
标准明确提出了安全相关系统的功能
安全。2 00 3年I EC发布了适用于石
油、化工等过程工业的功能安全标准
IEC615l 1《过程工业领域安全仪表系
统的功能安全》。随后，适用于其它
行业的功能安全标准也相继发布。规
定了安全相关系统达到相应的安全完
整性等级的各项要求。本文只从系统
结构约束方面来分析讨论安全仪表系
统如何才能满足规定的安全完整性等
级要求。
2 安全仪表系统
按照GB／T 21109的定义，安全仪
表系统(safety instrument system，
SIS)是用来实现一个或者几个安全功
能的仪表系统。SIS可以由传感器、逻
辑解算器和最终元件的任何组合构
成。安全仪表是一种可编程系统，它
对生产过程中可能出现的故障给出相

系统。其中，子系统的硬件安全完整
性等级由表1决定。
『1了兀⋯一．曩 ⋯⋯厂
! !! {
』 结构简化
图1单通道安全功能的硬件安全完整性限制
在图l中，安全功能通过子系统
1、2、3的单一通道完成，而子系统
满足表1中的结构约束要求，即：
① 子系统1达~I]SILI的硬件故障裕
度要求，并且有一个特定的安全失效
分数；
②子系统2达~'JSIL2的硬件故障裕
度要求，并且有一个特定的安全失效
分数；
③子系统3达~IJSIL1的硬件故障裕
度要求，并且有一个特定的安全失效
分数。
对于实现此安全功能的结构，子
系统1和子系统3能达~IJSIL1的硬件故
障裕度要求，子系统2能达~JSIL2的硬
件故障裕度要求，按照最低安全完整
性要求的导出方法，子系统1和3限制
了所要求的硬件安全完整性等级只能
为SILl。
4．2多通道硬件结构约束分析
在安全仪表系统中，若某个安全
功能是通过其子系统的多个通道实现
的，则系统能声明的最大安全完整性
等级取决于各个子系统安全完整性等
级以及各子系统的逻辑关系，如图2
所示。系统的安全功能可以通过子系
统1、2、3实现，也可以通过子系统
4、5、3完成。在这种情况下，子系
统1、2组合和子系统4、5组合实现相
同的功能。并且提供独立的通道输入
到子系统3。同时并联的子系统组合
部分执行安全功能相互之间互不依
赖，如果子系统1、2组合部分出现故
障，则由系统4、5、3完成安全功
能，如果子系统4、
5组合部分出现故
障，则由子系统1、
2、3完成安全功
能。在表1中，图2
中每个子系统的安
全完整性等级都有
一个与之对应的安
全失效分数。 一
确定图2系统的～
安全功能所能声明
的最高硬件安全完
整性等级，应按以
下步骤分析：
(1)组合子系
统l和子系统2。由
于子系统1和2分别
满足SIL3~SIL2的
安全完整性等级要
SIL2EEl ,>
图2多通道安全功能的硬件安全完整性限制
求，且其为串联结构，所以其能声明
的最高安全完整性等级取决于能满足
最低硬件安全完整性等级要求的子系
统(由子系统2决定)，即组合能达到
的硬件故障裕度有和安全失效分数满
足SIL2的要求。
(2)同理可得，子系统4和5组
合能达到的硬件故障裕度和安全失效
分数满足SILl的要求，即由子系统5决
定。到此为止，得到了图2中标识①
处的结构简化结果。
(3)组合子系统1、2的组合和
子系统4、5的组合。由以上分析，组
合子系统1、2和组合子系统4、5所能
声明的最高硬件安全完整性等级分别
为SIL2~ISIL1。考虑到当子系统1、2
组合出现故障时，安全功能可以由子
系统4、5组合完成。把这种影响考虑
在内，子系统1、2组合所能达到的硬
件故障裕度可以增加1，从表1中可以
看出，硬件故障裕度增加1级相应的
安全完整性等级也会增加1级。所以
子系统1、2、4、5所能声明的硬件故
障裕度和安全失效分数满足SIL3的要
求。到此为止，得到了图2中标识②
处的结构简化结果。
(4)从图2中标识② 处可以看
出，组合1、2、4、5与子系统3为串
联结构， 由于子系统3的安全完整性
等级最低，所以整个系统所能达到的
硬件故障裕度和安全失效分数满足
SIL2的要求。最终，得到了图2中标识
③处的结果。
5 结构约束分析不足与改进
从各个子系统之间的关系来看安
全仪表系统的拓扑结构，可以将安全
仪表系统看成是各子系统串联和并联
的组合。其中，传感器、控制器和执
行器之间是串联的，传感器与传感
器、执行器与执行器之间是并联的。
对于串联结构，组合后所能达到的硬
件故障裕度和安全失效分数满足串联
结构中最低子系统安全完整性等级的
要求。对于并联结构分析的过程要复
杂一些，一般按以下步骤可确定其硬
件故障裕度和安全失效分数满足的安
全完整性等级要求：
●确定并联结构中已声明的最高
安全完整性等级的子系统；
●分析其它子系统对并联结构组
成系统的硬件故障裕度的影响。
对于并联结构的分析可以参考3．2
节中的步骤3)，最终确定子系统l、
2的组合和子系统4、5的组合构成的
并联结构系统满足SIL3的要求。
标准中给出并联结构在结构简化
过程中，仅考虑了硬件故障裕度的影
响，没有把安全失效分数和子系统类
型考虑在内。对于安全失效分数分别
为6O％至90％$190％至99％的B类子系
统，硬件故障裕度均为0。见表1，则
两个子系统能够达到硬件故障裕度和
安全失效分数满足SIL1和SIL2的要
求。两子系统并联时，按照3．2节中步
骤3的方法，仅考虑硬件故障裕度，
组合后的子系统硬件故障裕度为1，
且满足SIL3的要求。但是这个过程中
并不能保证组合后的子系统安全失效
分数也在9O至99％这个范围内，若果
安全失效分数不在这个范围内，更不
可能高于这个范围，只可能低于这个
范围，则组合后的子系统不能满足
SIL3要求，可能只满足SIL2要求。对
于不同类型的子系统就更难保证安全
失效分数的准确性。这个时候就不能
将一个通道作为另一个通道的裕度，
好比铁制的护栏，当其有一根由于某
种原因需要更换时，为了达到相同的
防护强度，不可能采用木制的护栏来
替代，必须使用铁制的或者更高强度
的护栏。这个和硬件故障裕度是同一
个道理，不可能将一个安全失效分数
为60％至90％的子系统作为安全失效
分数为9 0％至9 9％子系统的“后
备”，只有满足相同指标要求的子系
统才能互为对方的“后备”。
为了更加完善、准确的评估组合
后子系统满足的安全完整性等级要
求。需要综合考虑子系统类型、安全
失效分数和硬件故障裕度等因素，改
进后的规则如下：
(1)无论是串联结构还是并联
结构，相同类型子系统组合后系统类
型不变，不同类型子系统组合后为B
类型系统。
(2)对于不同类型的子系统，A
类子系统的安全失效分数可降级处
理，如安全失效分数为60％至9O％的
A类子系统作为安全失效分数为90％
至9 9％B类子系统的“后备”。如果A
类子系统和B类子系统的安全失效分
数在同一水平上(见表1中的四个安
全失效分数范围)，或者比B类子系
统的安全失效分数水平高，则按照B
类子系统的安全失效分数水平来分析
硬件故障裕度的影响。
(3)对于相同类型子系统，如
果安全失效分数不在同一水平，则按
照低等级的安全失效分数水平来分析
硬件故障裕度的影响。
需要说明是，上述2)、3)是对
于并联结构分析时的改进规则。
6 结束语
安全仪表系统中的结构约束是除
了PFD之外重要的另一附加约束，无
论PFD的值有多低，如果不能满足结
构约束条件，安全仪表系统亦不能满
足规定的安全完整性等级要求。本文
介绍了IEC61508标准中的一种分析
结构约束的方法，指出该方法的不足
之处，并提出了一种改进的分析方
法，有利于更加准确的分析系统的结
构约束。
作者简介
杨海兵(1986-)男在读研究生，
现就读于杭州电子科技大学，研究方
向为系统集成。
参考文献
[1]阳宪惠，郭海涛．安全仪表系统的功
能安全[M]．北京：清华大学出版
社，200 7．
[2]刘太元，俞曼丽，郑利军等．安全仪
表系统的应用及发展[J]．中国安全科学
学报，2008．
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(上接第60页)
炉煤气支管快切阀。
锅炉点火不成功，或锅炉发生
MFT时，要对炉膛进行吹扫。吹扫完
毕后才能进行下一次点火。
6 结束语
该控制系统自2010年投运至今，
运行平稳，控制精准。提高了设备自
动化程度，较少了人员配备并有效的
保障了全燃气锅炉发电等相关设备的
76 《PLC＆FA》
r—————一
“安、稳、长、满、优”的运行。社
会效益和经济效益显著。
作者简介
贾俊杰(1 9 8 5一)男助理工程
师，现就职于邯郸钢铁集团，研究方
向为自动化控制。
参考文献
[1]王杰，郭建．横河CENTUM CS30O0
系统在准格尔大饭铺发电厂2 ×
300MW机组中的应用[J]．内蒙古科技
与经济，201 0 (7)：l 04—1 0 5．
[2]中国动力工程学会主编．火力发电设备
技术手册第三卷自动控制[M]．北京：
机械工业出版社，200 5．
[3]张德泉，张宏．基于CS3000的分程
控制系统的研究与应用[J]．兰州石化
职业技术学院学报，2 0 0 8 (4)：
38-41

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