[專題] 功能安全入門指南 6｜那麼什麼是安全儀表系統？

我們已經瞭解了為什麼提供標準和獨立的保護層，現在我們來瞭解什麼是安全儀表化系統(SIS)。

 

安全儀表化系統 (SIS) 的定義

形式定義：SIS - 「用於實現一個或多個安全儀表功能(SIF)的儀表化系統。SIS由感測器、邏輯解算器和最終元件」(IEC 61511 / ISA 84.01)的任意組合組成

非正式定義：「專門為安全應用設計的儀表化控制系統，可檢測「失控」製程條件，並自動將製程返回安全狀態」。

非正式定義更容易傳達意圖：「安全儀表系統是危險發生前的最後一道防線。它是設計用於在檢測到不可接受的製程條件時，實現或維持製程的安全狀態的保護層」。

同樣，安全儀表系統與控制工廠的基本製程控制系統不同，需要分別對待。

 

安全儀表系統的主要元素

安全儀表系統關注從管線到管線的安全迴路的完整性。它有三個主要元素：

1. 感測器
2. 邏輯解算器
3. 最終元素。

感測器會查詢可能造成此危險的觸發事件。邏輯解算器將決定如何處理危險，然後將訊號傳送到最後一個元素。觸發時，最終元素將製程置於安全狀態。在評估風險時，需要考慮每個要素及其相互關係。

安全儀表系統可以實施一項或多項安全儀表功能(SIF)，其設計和執行旨在解決特定製程危險或危險事件。

 

SIS與BPCS有何不同？

安全儀表系統與基本製程控制系統不同。但如何呢？ 我們來看看這個簡單的製程儀表圖(P&ID)。

基本製程控制系統連線到感測器和處理器，並使用設定值來控制原料流經製程。例如，由壓力傳送器、控制器和控制閥組成的設定值控制迴路。這個容器中的壓力必須控制。這可通過使用壓力傳送器(PT101)感測壓力來完成。壓力測量結果傳送到控制器(PIC101)。當壓力達到某一特定值時，控制器會指示閥(PV101)開啟或關閉，直到壓力達到所需的設定值。

如果有任何元件出現故障 - 壓力傳送器、控制器或控制閥，或者例如: 控制器被置於手動模式，或置於手動控制模式，則無法控制容器中的壓力。

安全儀表系統的獨立性

安全儀表系統應完全獨立於基本製程控制系統。應使用不同的儀表、不同的控制器和不同的終端裝置。它的唯一作用是安全和保護。

安全儀表系統使用獨立的壓力傳送器(PT102)、獨立的隔離閥(UV102)和獨立的控制器(USC102)來調節壓力。如果容器中的壓力超過設定值，獨立壓力傳送器將向控制器傳送消息。控制器進而將訊號傳送到隔離閥，隔離閥將停止物料流入容器。即使所有基本製程控制系統BPCS元件均發生故障，也不允許其它物料進入容器，從而可防止危險發生，這應可使容器中的壓力保持在允許的限值以下。

通常，會新增額外的保護層，如機械壓力降低值，以增加安全性，並降低發生不良事件或危險事件後果的可能性。

SIS必須完全獨立於BPCS。它必須使用不同的儀表、不同的控制器和不同的終端裝置，以使BPCS裝置故障，不會導致SIS需求和SIS的危險故障。SIS不執行製程控制 - 其唯一作用是安全和保護。

 

安全PLC和標準PLC之間有何區別？

一個常見的問題是：為什麼不能使用標準PLC來保護工廠？ 為什麼我需要為安全PLC支付更多費用？"

安全PLC專用於具有非常具體 ˴且可量化的已知故障模式的安全應用。

根本區別在於 : 標準PLC的故障方式無法預測，或者至少無法預測，並且無法設計可靠性。通常，在問題出現之前，沒有人知道有問題，而到那時可能為時已晚。

另一方面，安全可程式設計邏輯控制器PLC的工作模式，具有非常具體且可量化的已知故障模式。在設計時，應保證在故障發生時，具有一定的確定性，並且在與安全完整性等級SIL，相對應的特定概率內完成安裝。這可以通過多種方式實現，包括整合高級內部診斷和自動測試、硬體備份和冗餘。以及PLC內獨立訊號的表決。簡言之，它們的設計是為了讓您能夠預期裝置，在需要工作時能夠工作。

此外，安全PLC還由IEC61508等國際標準的第三方認證。IEC61511和ISA SP84採用嚴格的測試程式，旨在確認其設計和製造方式，能夠降低此製程中系統故障的影響。最受認可的3個^rd 安全PLC的當事方認證機構是德國的TÜV，但市場上有其他機構，也認證安全相關裝置。當您正在掌握員工、財產和環境的命運和健康狀況時，您一定希望確保您的裝置，通過銷售裝置的人或供應商之外的人員，進行測試和驗證！

 

安全儀表系統的應用？

安全系統應用到工廠的更廣闊區域，超出您的想像。

雖然大多數人都熟悉緊急停機系統(ESD)以及火氣探測和滅火系統FGS，但很多人並不瞭解燃燒器管理(BMS)、渦輪機保護(TMC)或高完整性壓力保護(HIPPS)系統被視為SIS系統。

• 緊急停機系統 - 檢測潛在危險狀況，關閉工廠，並幫助預防不安全事故
• 火災和氣體檢測 - 檢測異常情況，如火災或易燃/有毒氣體，並提供早期報警和緩解措施
• 燃燒器管理系統 - 確保燃燒器、鍋爐、熔爐和加熱器的安全運行和保護。
• 高完整性壓力保護 - 有助於防止裝置或管線發生超壓
• 渦輪機械控制與保護 - 讓您的旋轉機器安全高效率

 

在下一篇專題文章中，我們將探討安全儀表功能、安全完整性等級和按需故障率。

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關於作者

Kenny Chua是Triconex安全與關鍵業務的產品經理。

他擁有工商管理碩士(MBA)、電氣工程理學士學位(BSc)、專案管理專家(PMP)以及TÜV認證功能安全工程師(FS Eng)。

彼於製程安全行業擁有逾15年經驗，包括擔任專案工程、專案管理及產品管理等職務。