仪器仪表设计应用中常见安全问题分析

仪器仪表设计应用中常见安全问题分析

吴鹏

徐州科融环境资源股份有限公司江苏徐州221004

摘要：伴随近些年来安全事故的频繁发生，安全生产越来越得到广泛关注重视，越加突显出安全保障在社会生产中的重要作用，导致安全事故的产生很多情况与仪器设备操作不规范有着很大关系。基于此对于安全性能可靠的机器设备应用成为工业生产运行中的重要要求，为此需要设备制造商与用户共同合作、监督，加强对安全仪表系统开发的认识，加强开发过程的规范化管理。

关键词：

我国工业产业发展速度较快，已取得令人瞩目的成绩，在这种背景下，安全生产的重要性受关注的程度越来越高，上至中央领导下至普通百姓，全社会对安全问题极为重视。在现代工业发展中，安全性已成为最重要的衡量指标。为了实现和保障安全性，安全仪表的作用越来越重要，对于工业产业来说，当务之急是研究和开发属于自己的安全仪表系统。

1安全仪表概述

安全仪表在生产过程中的应用，能够实现对生产状态的监控，通过执行安全仪表功能，能够防止在生产过程中出现潜在危险事件给工业生产带来的安全隐患，减轻危险事件造成的影响，导致风险降低。安全仪表具有安全完整性等级、容错能力、实时性好、信息记录功能和故障诊断能力等特征。安全仪表主要是由逻辑控制器和传感器构成的，在实际的运用过程中主要使用冗余结构，能够确保安全仪表正常执行安全功能，对降低系统的安全失效率具有重要作用。安全仪表在实际的应用过程中，分为多种类型，主要包括可燃、有毒气体监测系统、紧急停车系统、高完整性压力保护系统和移动危化品源跟踪监测系统等。

2安全仪表系统的发展过程

2.1继电器型系统

早期具有安全功能的安全连锁系统由继电器组成，其结构以单元化为主，执行逻辑由继电器完成。其具有的优点是具有较高的可靠性，电压适用范围宽广，受到干扰影响的几率小，缺点是系统体积大，灵活性差，不适用于大规模系统的构建，对功能进行添加修改较困难，缺乏串行通信功能，没有文档、报告功能。

2.2硬接线固态电路型系统

这种结构以模块化的形式存在，通过硬接线连接构成系统，使逻辑功能能够实现。系统结构紧凑，在线测试对运行通道没有特殊要求，测试过程可在输入/输出在内的所有运行通道中进行，易于更换与故障识别、维修，可以串行通信，配置冗余系统。但是其系统的缺点主要有灵活性不高，对逻辑功能的处理过程复杂，需要改变连线，需要花费大量的操作成本，可靠性没有继电器型系统高。

2.3可编程电子型系统

微处理器技术是其系统构成基础，其中一个典型代表是安全可编程逻辑控制器。逻辑任务由系统的基础微处理器与软件执行，软件、固件这些专门化的软件与固件共同为编程逻辑发挥了重要作用，增强了编程能力，系统在设计时增加了自行诊断与内部自测试的功能，可以连接多种通讯接口。

3产品的功能安全设计

对此要形成正确的认识，SIS产品的设计和开发是复杂的过程，以国家所颁布的IEC61508为标准，在设计时从产品的生命安全周期入手，必须要满足硬件、软件等方面的要求，本论文以产品开发设计过程中的安全设计为研究目标展开探讨。

3.1整体安全生命周期

在IEC61508中对整体安全生命周期进行了划分，认为按其特点不同可以划分为十六个阶段，在不同的阶段中，功能安全活动和要求各不相同，在安全系统中有各种不安全因素的存在，在结构化生命周期模型的作用下，可以使这些处于隐藏状态的非安全因素被调整到高低水平，对安全仪表系统产品的研发过程进行研究，认为第9阶段是非常关键的环节，E/E/PE安全相关系统实现是非常重要的，可以从两方面进行，可以最大限度的满足安全功能的需求：构建功能安全管理体系，人员组织结构要确定下来：

（1）建立功能安全管理体系要有明确的目的性，确定为整体的E/E/PES的和软件的安全生命周期，不同阶段的管理和技术活动都在范畴之中，尤其是注意的是责任明确到人，不论是人员还是部门，以及不同的组织，在活动中所承担的角色不同，所需要承担的责任也是不同的，但必须要明确落实，在经过管理体系的作用下，使安全仪表系统的安全性得以保障，并实现其完整性。

（2）在对生命周期不同阶段的资料进行编写时，要以IEC61508生命周期为模型的基础上进行，对于不同的阶段不同的活动都需要有文档资料进行记录，能够把不同生命周期的信息集中起来，按照规定能够执行功能安全管理、验证、功能安全评估等所有活动信息都要详细的记录下来，编制相关报告和记录资料，可以长期保存下来。

3.2硬件

在IEC61508中，对硬件安全的完整性有详细的要求，具体包括结构约束的内容，除此之外还有危险随机硬件失效率的要求。表格体现了硬件安全的完整性，并进行结构约束；B类安全则主要针对子系统的结构进行约束。安全完整性等级：低要求模式和高要求模式SIL的目标失效量系统结构设计所示为安全相关予系统的结构约束。举例来说，一款新开发的逻辑运算器产品（由于未在现场使用过，缺乏现场使用数据支撑，只能定义为B类子系统），从其结构特征看，为单通道（H兀邵），对其安全失效分数进行研究，SFF达到90%。结合相关表发现，这种产品的最高安全完整性等级能够达到SIL2，如果为提升等级，达到SIL3，可以采取两种方法，其一，提高安全失效分数，其二，使硬件故障裕度提升。在实践活动中，很多安全仪表系统产品之所以采取多重冗余结构，根本原因则在于此。对于电子产品来说，SFF达到99%的可能性较低，在这种情况下进行SIS产品设计，必须要确定这种产品的系统结构，同时冗余方式也要确定下来。FMEDA评估FMEDA所代表的含义是失效模式产生的影响，以及诊断分析，这种模式属于FMEA的扩展。在进行安全仪表系统研发工作时，需要运用大量的电子元件，为了达到安全标准的要求，必须进行FMEDA分析操作，这是不可缺少的环节，通过这种操作可以明确每种失效模式，并对失效影响形成正确的认识，对故障要采取有效的诊断措施，在操作时要充分考虑到返修部件统计数据，还可以结合元器件失效率手册进行详细的计算，得出显性、隐性、安全失效率的数值，要注意的是在者数据计算时，要充分考虑到安全失效分数SFF，同时还要结合故障诊断覆盖率DC，运用平均失效概率PFD，以这些环节的安全完整性等级的参数为基础做出正确判定。

4结束语

随着工业技术的不断发展，安全仪表系统也处于不断的完善之中。近年来，安全仪表系统在工业流程中的应用日益增多，但是其功能失效形式也不断增加，相关研究学者正在研究系统运行的测试等级与系统功能安全因素，为安全仪表系统的实施与运行提供了参考。现阶段，相关学者对系统运行前后不同阶段的测试方法和测试流程进行系统的研究，不断地推动了安全仪表系统的功能和性能的进步，为安全仪表系统未来的发展奠定了基础。

参考文献

[1]冯晓升.仪器仪表在安全系统中的作用[J].电气时代，2007.

[2]朱明露.功能安全标准在电厂安全系统中的应用研究[J].中国仪器仪表，2015.

[3]侯新建，张翼.火电厂安全相关系统设计[J].电力勘测设计，2015.

[4]丁兰蓉.聚乙烯项目安全仪表系统的设计和应用[J].石油化工自动化,2006.

[5]关键.SIS在聚丙烯装置改造工程中的应用[J].石油化工自动化,2005.