功能安全基础知识问答

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什么是安全仪表系统？
安全仪表系统（Safety Instrumented System）是用于过程工业的安全相关系统的统称。指用来实现一个或几个仪表安全功能的仪表系统。SIS可以由传感器、逻辑解算器和最终执行元件的任何组合组成。

SIS包含仪表安全控制功能，也可包含仪表安全保护功能，或包含这两者。

SIS可以包括或不包括软件

SIS的一部分也可能是人的动作

按照SIS的定义，下述系统均属于安全仪表系统：

安全联锁系统（Safety Interlock System—SIS）

安全关联系统（Safety Related System—SRS）

仪表保护系统（Instrument Protective System—IPS）

透平压缩机集成控制系统（Integrated Turbo &Compressor Control System—ITCC）

火灾及气体检测系统（Fire and gas systems—F&G）

紧急停车系统（Emergency Shutdown Device—ESD）

燃烧管理系统（Burner Management System）

列车自动防护系统（ATP）

总之，SIS是一种经专门机构认证，具有一定安全完整性水平，用于降低生产过程风险的仪表安全保护系统。它不仅能响应生产过程因超过安全极限而带来的风险，而且能检测和处理自身的故障，从而按预定条件或程序使生产过程处于安全状态，以确保人员、设备及工厂周边环境的安全。

什么是MTTF、MTTR、MTBF ?它们与SIL有何关系？

MTBF：平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure）

MTTR：平均恢复时间（Mean Time to Repair）

MTTF：平均无故障时间（Mean Time to Failure）

例如：

MTTF=MTTR+MTBF PFD=MTTR/（MTBF+MTTR）

已知 MTTR=24H MTBF=2000H

什么是故障安全原则

组成SIS的各环节自身出现故障的概率不可能为零，且供电、供气中断亦可能发生。当内部或外部原因使SIS失效时，被保护的对象（装置）应按预定的顺序达到安全状态（Fail to Safety），这就是故障安全原则。具体体现：

l 现场开关仪表选用常闭接点，工艺正常时，触电闭合，达到安全极限时触电断开，触发联锁动作，必要时采用“二选一”、“二选二”或“三选二”配置。

l 电磁阀采用正常励磁，联锁未动作时，电磁阀线圈带电，联锁动作时断电。

l 送往电器配电室用于开/停点击的接点，用中间继电器隔离，其励磁电路应为故障安全型。

l 作为控制装置（如PLC），“故障安全”意味着当其自身出现故障而不是工艺或设备超过极限工作范围时，至少应该联锁动作，以便按预定的顺序达到安全状态（这对工艺和设备而言是安全的），进而应该通过硬件和软件的冗余和容错技术，自动执行纠错程序排除故障。

DCS与SIS的主要区别是什么？

系统的组成：DCS一般是由人机界面操作站、通信总线及现场控制站组成；而SIS系统是由传感器、逻辑解算器和最终元件三部分组成。及DCS不含检测执行部分。

实现功能：DCS用于过程连续测量、常规控制（连续、顺序、间歇等）操作控制管理使生产过程在正常情况下运行至最佳工况；而SIS是超越极限安全即将工艺、设备转至安全状态。

工作状态：DCS是主动的、动态的，它始终对过程变量连续进行检测、运算和控制，对生产过程动态控制确保产品质量和产量。而SIS系统是被动的、休眠的。

安全级别：DCS安全级别低，不需要安全认证；而SIS系统级别高，需要安全认证。

应对失效方式：DCS系统大部分失效都是显而易见的，其失效会在生产的动态过程中自行显现，很少存在隐性失效；SIS失效就没那么明显了，因此确定这种休眠系统是否还能正常工作的唯一方法，就是对该系统进行周期性的诊断或测试。因此安全仪表系统需要人为的进行周期性的离线或在线检验测试，而有些安全系统则带有内部自诊断。

SIS相关标准及认证机构

鉴于SIS涉及到人员、设备、环境的安全，因此各国均制定了相关的标准、规范，使得SIS的设计制造使用均有章可循。并有权威的认证机构对产品能达到的安全等级进行确认。这些标准、规范及认证评估机构主要有：

一、国内：

中华人民共和国国家标准GB/T 20438.1~7，GB/T 21109；
机械应用功能安全标准GB/T16855, GB28526；
机械工业仪器仪表综合技术经济研究所——功能安全中心，作为国家安全标准IEC61508/61511的主要转化单位，承担了功能安全在中国的研究及推广工作。

二、国外：

国际电工委员会1999年制定的IEC61508/61511标准，对用机电设备（继电器）、电子设备、可编程电子设备（PLC）构成的安全联锁系统的硬件、软件及应用作出了明确的规定；
美国仪表学会制定的ISA-S84系列《安全仪表系统在过程工业中的应用》；
美国化学工程学会制定的AICHE（ccps）-1993，《化学过程的安全自动化导则》
英国健康与安全执行委员会制定的HSE PES-1987，《可编程电子系统在安全领域的应用》
德国国家标准中的安全系统制造厂商标准——DIN V VDE0801,过程操作用户标准——DIN V 19250和DIN V 19251及燃烧管理系统——DIN VDE 0116等；
IEC61131，可编程控制器Programmable Controllers

取得TUV认证的SIS产品

在国内石化行业中应用SIS产品中，主要有：

TCS-900, 浙江中控技术股份有限公司, SIL3

HiaGuard,和利时系统工程股份有限公司，SIL3

UW500s, 杭州优稳自动化系统有限公司，SIL3

Tricon、Triden，美国Triconex公司开发用于压缩机综合控制（ITCC）和紧急停车系统。安全等级为AK6（SIL3）。

FSC（Fail safe control），由荷兰P&F（Pepper&Fuchs）公司开发，1994年被Honeywell公司收购。安全等级可达AK6（SIL3）

HIMA PES，HIMA是德国一家专业生产安全控制设备的公司，PES (Programmable Electronic System)是可编程电子系统的简称，是近几年来国内引进较多的一种安全仪表系统。主要由H41q和H51q系统组成。H41q也叫小系统，它分为不冗余的系统和冗余的系统，不冗余系统型号为H41q—M，冗余系统又分为高可靠系统H41q—H和高性能系统H41q—HR。H51q称为模块化的系统，它也分为不冗余的系统和冗余的系统，不冗余的系统型号为H51q—H和高性能系统H51q—HR。各种型号的PES都具有TUV AK1~6级认证。

Prosafe—RS，是横河电机安全仪表系统，其特点是与CENTUMCS.3000 R3的技术融合，即实现了与DSC得无缝集成。非冗余取量即可实现SIL3，通过冗余取量实现更高的可用性。

QUADLOG，有MOORE公司开发，日本横河电机公司收购后称prosafe plc，其1oo2D结构安全等级达AK6 (SIL3)；

SIMATICS7—400F/FH，德国SIEMENS公司产品。400F和400FH分别为1个CPU和2个CPU运行fail-safe（F）用户程序，均取得TUV认证，安全等级为AK1_AK6（SIL1SIL3）；

Regent Trusted，美国ICS利用宇航技术开发的安全系统。安全等级AK4_AK6（SIL2SIL3）；

GMR90-70，美国GE Fanuc公司开发。其中GMR90-70(模块式冗余容错)的安全等级为class 5（2oo3），class 4（1oo2）和class 5（2oo2）；

TRIGUARD SC300E， AUGUST公司开发，1999年成为ABB集团成员之一，安全等级为class 5和class 6，系统结构为2oo3；

Safeguard 400&300，ABB Industry公司开发，系统结构1oo2D。

什么是表决？

表决（Voting）是指冗余系统中用多数的原则，将每个支路的数据进行比较和修正的一种机理。

具体的说，一套SIS系统或者其中的某一部分，有M个独立的通道，以这样的方式连接：至少需要其中的N个通道完好，才能执行正确的安全功能。

换句话说1oo2投票意味着：2个独立的设备，只需要其中一个装置正常就能正确的执行安全功能。因此，只有当这2个设备都出现危险性故障时，安全功能才会失效。

由于采用1oo2表决方式，系统被设计成运行已安全的特性，这个特性是指当系统发生一个故障时，这一故障将会导致系统停车并进入失效—安全状态。

普通PLC和安全PLC有什么区别？

SIS逻辑解算器是一个PLC，它是专门为安全应用而设计的，它的形式认证符合IEC61508，并达到最高SIL3等级。对于一个特殊的安全应用而言，传感器和终端执行机构分别被连接到SIS逻辑解算器的I/O端，并且应用程序被实现。

普通PLC和可以作为SIS控制部分的安全PLC的主要区别是：普通PLC不是按故障安全型设计的，当系统内部元件出现短路故障时，它并不能检测到，因此其输出状态不能保证系统回到预定的安全状态。这种PLC只能用于安全度等级要求低的场合。现以输出电路为例予以说明。

下图是普通PLC DO卡示意图。

当1、2两点短路时，来自PLC得控制信号将不起作用（失效），电磁阀将一直处于带电（励磁）状态，即需要联锁动作（电磁阀释电停车）时，由于此故障的存在而拒动，其输出不能保证处于安全停车状态。这就是违背了故障安全（Fault to Safety）的原则。

当1、2两点开路时，将导致误动作而停车，同样会带来损失。可见，这种普通PLC的DO卡输出电路的安全性和可用性都是不高的。

这里，中央处理器不仅向串联的场效应管（FET）发出控制信号，而且还接受来自场效应管的状态反馈信号，以便对其输出进行全面测试。当测得某管输出发生短路时，中央处理器即启动纠错动作，隔离相关的故障。看门狗（Watch Dog）是个多通道的计时器电路。它由中央处理器和内存等周期性地触发，如果两个触发之间的时间小于某设定值或者大于某最大值，则看门狗的输出将失效。同时看门狗还能监视内部工作电压，使之在正常的电压范围内。

以上仅是DO卡上的差别。作为安全PLC，至少应具备以下几点：

  满足相关安全标准规范要求，且经过权威机构认证，取得了相应安全等级证书；

  在硬件和软件上采用了冗余、容错措施，具有完善的测试手段，当检查到系统故障，特别是危险故障时能使系统回到安全状态；

  能进行系统故障报警，指示故障原因、故障位置，便于在线维护；

  能与DCS或其他设备进行通讯。

怎样通过冗余来改善系统的整体SIL水平？

当一个SIS系统的安全完整性等级要求为SIL3，而实际配置为传感器为2.210-3(SIL2)，逻辑解算器为1.310-4(SIL3)（包括I/O接口），终端执行器为2.41*10-3（SIL2）,所以整个系统为SIL2不满足要求。

于是我们改变传感器的配置结构，选择1oo2冗余，其中共因时效=10%，诊断覆盖率（DC）=90%，可以算出1oo2传感器的结构的PFD=2.3*10-4，达到SIL3的水平，同理可以配置执行器为1oo2冗余结构，也可达到SIL3的要求，于是最终整体SIS系统的SIL可以达到SIL3的要求。

这个问题的解决给我们以启示，当装置引进一个SIS系统时，整体安全完整性等级不仅取决于逻辑解算器部分，而且传感器、终端执行器部分也非常关键。配置系统时，除了引进一个SIL3的安全仪表系统，譬如FSC等，还要将传感器、终端执行器一并讨论。算出SIS整体的SIL数据，定量的安全仪表系统配置任务才算完成。

10．冗余表决方法及其安全性、可用性的关系

可用性（A：Availability）是指系统可使用工作时间（连续运行时间）的概率，用百分数计算A值越大，可用性越好：

A =MTBF/(MTBF+MTTR)

而PFD= MTTR /(MTBF+MTTR)，PFD越小则安全性越好。

冗余逻辑表决方法及安全性-可用性的关系例子如下表所示：

表决方式

隐故障概率

（拒动）

显故障概率

（误动）

允许

不允许

安全性

可用性

1oo1 一选一

0.02
(短路的概率)

0.04

（开路的概率）

存在隐故障和显故障

差

1oo2 二选一

0.0004
（两个均短路的概率）

0.08

（只要有一个开路的概率）

其中之一存在隐故障（仍可安全停车）

其中一只存在显故障（将误停车）

最好

最差

2oo2 二选二

0.04

（只要有一个短路的概率）

0.0016

（两个均开路的概率）

其中之一存在显故障时（不会误停车）

其中之一存在隐故障（该停拒停）

最差

最好

3oo2 三选二

0.0012
（三个中两个均短路的概率）

0.0048

（三个中两个均开路的概率）

其中之一存在隐故障或显故障

其中两个存在隐故障或显故障

较好

11．什么是安全完整性等级Safety Integraty Level（SIL）

安全完整性等级（SIL）是一种离散的等级，用来规定分配给E/E/PE安全相关系统安全功能的安全完整性要求。

安全完整性等级可分为4个等级，SIL4是安全完整性最高的等级（平均概率最高），SIL1是最低等级；

安全完整性等级越高，应执行所要求的安全功能的概率也越高；

根据安全相关系统使用方式，要求发生的频率可分为低要求操作模式（<=1次/年）和高要求或连续操作模式（>1次/年）。

根据GB/T 20438标准，在不同的操作模式下，安全完整性的目标失效概率和目标风险降低见下表1-1和1-2。

采用不同的操作模式结构有可能使用几个安全完整性等级较低的系统来满足一个较高安全完整性等级功能的需要（例如：使用一个SIL2和一个SIL1的系统共同来满足一个SIL3功能的需要）。

表 1-1 安全完整性等级：要求时的失效概率

低要求操作模式（平均失效概率）

安全完整性等级（SIL）

要求时的目标平均失效概率

目标风险降低

=10-5 ~ <10-4

10000 ~ <=100000

=10-4 ~ <10-3

1000 ~ <=10000

=10-3 ~ <10-2

100 ~ <=1000

=10-2 ~ <10-1

10 ~ <=100

表1-2 安全完整性等级：仪表安全功能的危险失效概率

高要求或连续操作模式（每小时危险失效概率）

安全完整性等级（SIL）

执行仪表安全功能的目标危险失效概率

=10-9 ~ <10-8

=10-8 ~ <10-7

=10-7 ~ <10-6

=10-6 ~ <10-5

表1-3 SIL与PFD得对应关系

ISA-S84.01

IEC 61508

DIN V 19520(TUV)

PFD

SIL 1

AK1

10-1~10-2

AK2

AK3

SIL 2

AK4

10-2~10-3

SIL 3

AK5

10-3~10-4

AK6

SIL 4

AK7

10-4~10-5

AK8

12．什么是失效率？

失效率是指瞬时失效概率，通常也称作“危险率”，是衡量可靠性的一种常用指标，工程上它是单位时间内的失效次数与设备总数的比值。即：

 λ（t）= 单位时间失效数/设备总数

失效率的单位是时间的倒数，实际中通常使用“次失效每十亿小时”这个失效单位，也称之为FIT。FIT= 10-9（1/hr），100万个同类部件，使用1000个小时，有一个故障则为1FIT。

例如，一个积分电路在25℃时失效率为7次失效每10亿小时，因此它的失效率为7 FIT。下面举一个更详细的例子说明：

例：一个工厂中的300个工业I/O模块已经运行了7年。共发生了5次失效。这组模块的平均失效率是多少？

利用上面的公式，平均失效率为

λ（t）= 5/（30078760）=0.000000271798=272FIT

13．安全完整性等级（SIL）的意义

安全完整性等级是指在一定时间，一定条件下，安全系统能够执行所规定的安全功能的概率。即在要求安全系统动作时其功能失效概率的倒数。

安全完整性等级代表着安全系统使用过程风险降低的数量级。一个安全仪表系统的安全完整性等级为2，就意味着它能使一个意外事故发生的频率降低至少两个数量级。

由于风险是事故后果与事故发生概率的乘积，因此它也代表着风险从整体上降低了两个数量级。

安全完整性就是安全功能能够被执行的能力。安全完整性等级就是对这种能力大小的一种衡量。

IEC61508要求在安全系统设计之前必须选择安全完整性水平，但是并没有对选择安全完整性的方法作出任何要求。安全系统更应该具有的安全完整性等级是通过对受控系统进行风险和危险分析得到的（风险图，HAZOP等），这样可能结果就是由不恰当的风险分析技术得到，使得安全系统的安全完整性等级过高或过低。安全完整性等级过高的安全系统会造成过高的成本投入、管理投入和误停车；安全完整性等级过低的安全系统不能满足安全要求，可能造成严重的危险后果。

14．如何确定一个系统的安全完整性等级？

工艺过程控制系统如下图所示：

这个系统是由一个压力容器和相应的仪表控制系统组成，压力容器中装有易燃的有毒液体。过程控制系统根据液位信号来控制流入压力容器的液体流量：当压力超过设定值时，压力变送器的信号会发出一个压力高限报警，提示操作员做适当处理，切断流入压力容器中液体；如果操作员没有对报警立即做出响应，压力容器顶部的泄压阀就会动作，通过泄压放空来降低容器中的压力，避免容器破裂。

以安全为目的系统包括一个过程报警，一位操作员和一个放空阀。首先对系统进行危险分析。假设压力容器过程危险，分析结果如下表所示：

危险分析结果

危险因素

起因

后果

安全措施

安全动作

过压

1.高液位

2.容器外部起火

蒸汽释放到大气中

警报、操作员、减压阀

根据情况释放容器内气体

在对此工艺过程进行风险分析前，需要建立某些假设:

  目标安全水平：假设考虑了国际和国家标准，工程实际经验、社会道德和环境等因素后，确定一年内压力容器泄压放空发生率<10-4(容器内蒸汽释放到大气中概率小于<10-4次/年)；

  超压情况的可能性：一年内<10-1(0.1次/年)；

  压力高限报警故障率：<10-2；

  操作人员对压力高限高限报警处理失效率（无动作概率）10-1；

  放空阀故障率：10-1（放空阀故障失效概率）；

这样得到事故树如下图1所示：

图1 现有安全系统下的事故情况

（系统超压危险的事故树）

l 从图中可以看到：由于超压引起的各种潜在的泄压放空，以及①情况的概率和后果。只有①满足所设计工艺过程的目标安全水平，其他四种情况都无法满足目标安全水平。

l 增加安全措施来降低工艺过程的风险。在现有的安全保护系统下，增加一台放空阀（其压力设定值比原来的高）。从而新的事故图2如下：

图片

图2 冗余压力放空阀系统下的事故情况

l 增加一台放空阀是否能使工艺过程满足其目标安全水平？从图2中可以看到②~⑤种情况仍然达不到目标安全水平。

l 为了使工艺过程满足其目标安全水平，必须增加一套安全仪表系统SIS，来避免容器超压而引起可燃有毒物质的放空。

在原来的工艺过程中可在操作员动作与减压阀之间引入一个安全功能的SIS（E/E/PE）系统后，工艺过程因此安全系统将事故2发生的可能性降低到10-4次/年以下。选择安全系统的安全完整性等级为2（SIL2），对应风险降低为10-2，图14中事故2发生的可能性降低到8.91*10-5次/年，系统安全水平可达到安全目标，具体如下图3所示：

图3 SIS安全功能为SIL2下的事故情况

（增加E/E/PE安全系统后的系统过压危险的事故树）

什么是故障性能递减？

故障性能递减指的是在SIS系统CPU发生故障时，安全等级降低的一种控制方式。故障性能递减可以根据使用的要求通过程序来设定。如下图4为一1oo2D系统，即带自诊断的二取一方式，系统故障时性能递减方式为2-1-0.表示当第一个CPU被诊断出故障时，该CPU被切除，另一个CPU继续工作，当第二个CPU再被诊断出故障时，系统停车。

图4 二取一带自诊断

又如采取三取二表决方式时，即三个CPU中若有一个逻辑结果与其他两个不同，即表示该CPU故障，然后切除，其他两个CPU则继续工作，当其他两个CPU运算结果不同时，则无法表决出那一个正确，系统停车。如下图5

图片

图5 三取二方式

在双重化二取一带自诊断2oo4D，系统故障时递减方式为4-2-0，系统中两个控制模块各有两个CPU，同时工作又相对独立。当一个控制模块中CPU被检测出故障时，该CPU被切除，切换到2-0工作方式；其余一个控制模块中两个CPU以1oo2D方式投入运行，若这一控制模块中再有一个CPU被检测出故障时，系统停车。

总之，在出现CPU故障时，安全等级大降，但仍能保持一段时间的正常工作逻辑，此时必须在允许的故障修复时间内修复，否则系统必须停车。如3-2-0方式允许的最大修复时间一般为1500h。对于不同的系统，不同的安全等级故障修复时间不同。

检测SIS系统故障的三种方式：

Ø 通过正常的过程操作，人为使SIS系统某一局部发生S/D，来检测系统；

Ø 通过定期测试（Test），例如 Stuckon/Stuck off功能；

Ø 通过SIS系统内部自诊断（Diagnostics），通过内置诊断软件实现。

PFDavg与可用性关系

采用故障分析和风险评估可以确定一个工艺装置是否需要独立设置SIS系统。SIS的需求是由装置的安全完整性等级SIL来确定的。SIL安全完整性等级又与SIS系统的可用性及其发生故障的概率PFD相关，如下图所示：

SIL

PFDavg

A 可用性

10-1~10-2

0.90-0.99

10-2~10-3

0.99-0.999

10-3~10-4

0.999-0.9999

10-4~10-5

0.9999

安全完整性等级所对应的可用性及风险降低因子

根据IEC61508标准，安全仪表系统的可用性、风险降低因子与安全完整性等级及相应的德国TUV认证等级如下所示：

SIL

A 可用性

PFD

(发生故障的概率)

RRF

（风险降低的因子）

TUV AK1-6 GERMAN APPL. CLASS(AK)

典型应用领域

（Typical Application）

99.99%

<0.0001

10000

Nuclear Power

(核电站工业)

99.9%-99.99%

0.001-0.0001

1000-10000

5-6

Utility

Boilers

Chemical Processes

（石化装置）

99%-99.9%

0.01-0.001

100-1000

Industrial

Boilers

90%-99%

0.1-0.01

10-100

2-3

（一般工业应用）

怎样确定安全完整性等级（SIL）

对于传感器和执行机构，如果不能满足安全功能的SIL等级要求，可以通过马尔科夫模型（Markov Model）计算，确定选取1oo2D、2oo3、2oo4D灯配置方案。

    SIS的安全完整性等级是由构成SIS系统的三个单元的SIL来初步确定的：例如传感器为SIL2级，而SIL2每年故障概率平均值为0.01~0.001，取中间值为0.005；逻辑单元为SIL3级，取中间值0.0005；执行机构为SIL1级，取中间值0.05，则

PFDavg =0.005+0.0005+0.05=0.0555，

  初步确定为SIL1级。即装置的安全完整性等级由其构成的三个单元中最低的SIL等级确定。为使一个工艺装置达到安全目标需在IEC61508与61511安全标准的基础上，对工艺过程进行故障分析，采用风险评估的方法，来确定装置及SIS系统的SIL等级要求。

20.什么是危险与可操作性分析（HAZOP分析）

HAZOP（Hazard and Operability Study）——危险与可操作性分析是指目前有些装置在设计SIS系统时，采用HAZOP方法，来确定装置所需的SIL等级。下面简介一下采用HAZOP的确定SIL等级的步骤。

SIL评级前应先进行HAZOP分析，对工艺流程进行全面的评估并提出需要报警和仪表安全连锁的部分，作为SIL评级的设计输入。所有的报警和联锁都要进行相应的SIL评级。经过SIL评级后，某些报警可能需要提高等级到安全联锁，某些安全联锁也有可能降级到报警，某些报警也有可能取消。

不同工程公司的SIL评级方法不尽相同，对于安全的要求也有所不同。评定SIL等级时，一般而言都是先假设没有SIS功能，在只考虑DCS、预报警、机械设备等对危险减低的情况下，根据危险发生的概率和危险发生时带来危害程度，对应于一定SIL等级评定矩阵，最后得出相应的SIL级别。

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