安全仪表控制系统课件

安全仪表控制系统（）基础SIS课件第一章安全仪表系统概述系统定义核心目的标准体系SIS安全仪表系统（防止或减轻危险事故的发生，保障现场人Safety Instrumented）是专门设计用于实现安全联锁员生命安全，保护关键设备设施免受损System功能的自动化控制系统，通过持续监测工坏，最大限度降低环境污染风险，实现本艺过程参数，在检测到危险状态时自动采质安全取保护措施的重要性与应用领域SIS关键应用行业安全生命周期理念安全仪表系统在高危行业中扮演着不可替代的角色，是企业安全生产的最后一道防现代管理采用全生命周期方法，涵盖从概念设计、SIS线化工行业用于反应器温度和压力保护，石油天然气领域保障管道和储罐安全，核风险评估、系统实施到运行维护的完整过程，确保系统电站实现反应堆紧急停堆功能，制药行业确保生产过程安全合规在整个使用期间持续满足安全要求事故案例启示历史上多起重大事故如美国德克萨斯炼油厂爆炸、英国油库火灾等，均暴Buncefield露出系统缺失或失效的严重后果这些惨痛教训推动了功能安全标准的不断完SIS善典型系统架构展示了传感器层、逻辑运算层和执行器层的三层结构，各部件协同工作实现完整的安全保护功能传感器持续监测工艺参数，逻SIS辑运算器分析判断危险状态，执行器快速响应实施保护动作第二章系统结构设计SIS必要部件构成非必要部件支持必要部件直接参与安全功能的实现，任何一个环节的失效都可能导致非必要部件用于系统配置、监控和维护，虽不直接执行安全功能，但保护失败这些部件必须满足相应的等级要求对系统正常运行至关重要SIL传感器检测工艺参数如压力、温度、液位、流量等工程工作站用于系统组态、编程和调试逻辑运算器处理输入信号并执行安全逻辑运算多路转换器实现智能设备通信HART终端控制元件执行保护动作如关闭阀门、切断电源维护设备便携式测试工具和诊断设备电源与模块提供可靠电力供应和信号接口人机界面显示系统状态和报警信息I/O系统设计时需明确区分部件类别，合理配置冗余策略，确保满足目标等级要求SIL必要部件与非必要部件的区别必要部件特征非必要部件特征判定流程要点直接执行安全仪表功能，位于安全回路支持系统运行但不影响安全功能的实时判断部件类别需要分析其在安全功能中的关键路径上失效会直接导致安全功执行失效不会直接导致保护失败，可的作用关键问题该部件失效是否直能丧失或降级，必须进行认证或验使用常规工业级设备，不强制要求认接影响系统响应危险工况的能力？SIL SIL证证绘制安全功能框图•纳入系统计算不参与计算•PFD•PFD识别关键路径部件•需定期验证测试按常规维护即可••进行失效模式分析•故障影响安全功能故障影响运维效率••第三章安全整合水平（）介绍SIL安全整合水平（）是衡量安全仪表功能可靠性的核心指标，定义了系统降低风险的能力等级越高，要求系统失效概率越Safety IntegrityLevel SIL低，设计和验证要求越严格级级SIL1SIL3基础安全等级，适用于低风险场景，要求年均失效概高安全等级，适用于高危工艺过程，要求年均失效概率至之间，可将风险降低到倍率至之间，可将风险降低到

0.

10.

01101000.

0010.00011000倍100001234级级SIL2SIL4中等安全等级，适用于一般危险工艺，要求年均失效极高安全等级，主要用于核电等特殊领域，要求年均概率至之间，可将风险降低到失效概率低于，在过程工业中较少应用

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00110010000.0001倍标准采用连续运行模式定义，标准侧重需求模式，两者在应用场景和计算方法上存在差异等级直接影响系统架构设计、部件IEC61508ISA-S84SIL选型、冗余配置和测试频率等关键参数等级与失效概率关系SIL第四章部件选择认证与在用验证——认证部件路径在用验证路径通过第三方权威机构（如、、等）的独立评估和认证，基于设备的历史使用数据、故障记录和现场经验，通过统计分析证明TÜV ExidaFM获得明确的等级证书和安全手册认证过程包括设计审查、其满足特定等级要求适用于已有大量应用案例的成熟设备SIL SIL分析、测试验证等严格程序FMEDA应用考虑因素认证部件优势需要足够的统计样本量和运行时间•可靠性数据准确，设计风险显著降低•故障数据必须完整、准确、可追溯•安全手册提供详细的安装维护指导•工况条件应与现场应用一致•第三方背书增强审计可信度•需建立持续的数据收集机制•简化系统集成和验证工作量•选择建议复杂的电子设备和逻辑运算器优先选择认证部件，简单的机械设备如阀门可考虑在用验证方式认证部件优势与挑战高可靠性保障完善技术支持经过严格的设计审查和测试验证，失效率数据准确可靠，系统设计配套安全手册提供详细的技术参数、安装规范、诊断覆盖率、测试风险大幅降低，减少后期变更和返工成本周期等关键信息，指导正确使用和维护采购成本考量供应链管理认证部件通常价格较高，需要权衡初期投资与长期运维成本但考需关注供应商变更、产品升级、认证延续等问题建立备件库存策虑到风险降低和审计便利性，整体经济性往往更优略，确保长期可维护性和可获得性第五章失效可能性与风险评估平均失效可能性（）是系统最核心的定量指标，表示系统在需要执行安全功能时无法PFDavg-Probability ofFailure onDemand averageSIS正确响应的概率综合考虑了部件失效率、测试间隔、诊断覆盖率等多个因素PFDavg危险失效安全失效导致安全功能失效的故障模式，是设计导致系统误动作但不影响保护能力的故障，SIS重点关注的对象包括可检测和不可检测两会造成虚警或非计划停车，影响生产效率类可检测失效失效率计算通过自动诊断功能可以及时发现的故障，诊基于部件失效率、测试间隔、诊断覆盖λT断覆盖率越高，未检测危险失效概率越低率等参数，计算系统总体值DC PFDavg典型案例某压力保护系统的压力变送器失效，若属于未检测危险失效，且恰逢超压事件发生，将导致保护失败造成严重后果失效概率对系统设计的影响降低失效概率成本效益平衡测试周期优化通过提高部件质量、增过度设计会导致系统复与测试间隔近PFDavg T加冗余配置、缩短测试杂性和成本大幅上升，似成正比关系，缩短测周期等手段，可有效降需在安全目标和经济性试周期可降低失效概低值，提升系之间寻找最优平衡点率，但增加维护成本和PFDavg统等级生产干扰SIL风险评估确定目标••选用高可靠性部件SIL•基于PFDavg计算最优周期采用冗余架构多方案技术经济比较••考虑生产运行节奏增强诊断功能生命周期成本分析•••采用在线诊断技术•第六章验证测试与维护定期验证测试是确保系统持续满足安全要求的关键措施通过系统化的测试程序，可以及时发现潜在故障，验证安全功能完整性，保持系统在SIS整个使用周期内的高可靠性制定测试计划诊断覆盖测试根据计算结果和等级要求，确定测试项目、测试方法和验证自动诊断功能的有效性，确认系统能够检测到设计范围内的故PFDavg SIL测试周期，建立详细的测试程序文件障模式，测试诊断报警的正确性功能完整性测试记录与分析对未被诊断覆盖的危险失效进行人工测试，验证传感器、逻辑运算详细记录测试过程、发现问题和处理措施，分析故障趋势，为系统器、执行器的完整功能链路改进和测试周期优化提供依据测试方法与挑战完整系统停机测试在工艺装置停车期间进行全面测试，可以彻底验证所有功能，但受生产计划限制，测试频次受限1优势测试最全面彻底，无安全风险劣势测试机会少，影响生产连续性适用关键安全回路的年度全面检验局部旁路在线测试在装置运行期间，采用旁路方式对部分回路进行测试，可提高测试频次，但需严格的风险控制措施2优势不影响生产，测试周期灵活劣势旁路期间保护能力降低适用具备冗余配置的高SIL系统自动化测试技术采用智能设备的自诊断功能和部分行程测试技术，可在不影响工艺的情况下持续监测设备健康状态3优势实时监测，减少人工干预劣势初期投资较高，技术复杂适用新建装置和大型系统改造测试期间的风险管理至关重要，需要建立旁路管理制度、风险评估程序和应急预案，确保测试活动本身不引入新的风险第七章安全生命周期管理SIS安全生命周期管理是和标准的核心理念，要求从项目概念阶段开始，系统性地管理系统的全过程，确保安全功能在整个IEC61508IEC61511SIS使用期间持续有效生命周期方法强调风险驱动、系统工程和文档管理三大支柱0102概念与定义阶段设计与工程阶段识别危险、评估风险、分配安全功能、确定等级目标制定安全要求规格书、选择部件、设计系统架构、编制应用程序SIL0304制造与安装阶段调试与验收阶段部件采购、工厂验收测试、现场安装、施工质量控制功能测试、安全验证、性能确认、文档移交0506运行与维护阶段停用与改造阶段日常监控、定期测试、故障处理、变更管理系统报废或升级改造、经验总结、数据归档安全生命周期管理流程验证阶段设计阶段设计审查、分析、与测FMEDA FATSAT试、安全完整性验证、文档审核风险评估、定级、功能规格书编制、系SIL统架构设计、部件选型、应用程序开发操作阶段系统投运、日常运行监控、报警响应处理、性能数据收集、操作员培训改进阶段维护阶段故障数据分析、可靠性评估、变更评估实施、性能优化、经验反馈定期验证测试、预防性维护、故障诊断维修、备件管理、测试记录文档要求每个阶段需建立完整的技术文档和记录，包括安全要求规格书（）、设计说明、测试报告、维护记录等，支持审计和持SRS续改进第八章系统设计原则与工程实践SIS冗余设计策略共因失效防范通过增加冗余配置提高系统可用性和可靠性，常见架构包括、共因失效（）指单一原因导致多个通道同时1oo1Common CauseFailure、等，其中表示个通道中至少个通道动作失效，削弱冗余保护效果设计必须采取措施降低风险1oo22oo3m outof nn mCCF才触发保护防范措施架构选择考虑因素物理隔离分开安装、独立电源•单通道，成本低但可用性低1oo1功能多样性不同原理的传感器•双通道表决，高可用性但低安全性1oo2软件多样性不同逻辑运算器•三选二，平衡安全性和可用性2oo3环境防护防震、防潮、防电磁干扰•四选二，适用于高可靠场合2oo4SIL3维护程序避免同时操作多个通道•设备选型需综合考虑等级、工况条件、维护便利性和成本因素系统集成应注意接口兼容性、通信协议、电气隔离等技术细节，确保各部件协SIL同工作达到设计性能典型系统架构示意SIS冗余传感器配置双冗余逻辑运算器串联执行器布置采用三重或四重压力、温度、液位传感器，通两套独立的安全系统相互监督，采用热备关键回路采用两个阀门串联配置，任一阀门关PLC过中值选择或表决逻辑消除单点故障影响，提或表决方式，确保逻辑处理环节的高可靠性和闭即可实现保护功能，显著降低执行环节失效高测量可靠性高可用性概率现代系统还配备诊断功能模块，通过、等通信协议实时监测设备健康状态，实现预测性维护，进一步提升系统可靠性SIS HARTProfibus第九章国内外标准与规范解读系列系列基础GB/T21109IEC61511IEC61508国家标准等同采用，分为三部过程工业领域功能安全国际标准，详细规定功能安全通用标准，定义安全生命周期、IEC61511分框架、应用指南、硬件要求全生命周期各阶段的技术要求和管理要等级、系统能力等基本概念，适用于所GB/T SISSIL和是最新版求，是设计和验证的技术基础有电气电子可编程电子安全系统

21109.1-

202221109.2-2023//本标准体系强调风险驱动、系统工程方法和能力验证三大核心理念设计必须基于定量风险评估确定等级，采用系统工程方法确保各阶段技术质SIL量，通过能力验证证明满足安全完整性要求标准主要内容国内法规要求安全生命周期各阶段要求危险化学品重大危险源安全监控要求••功能安全评估和审核石油化工自动化仪表设计规范••硬件和软件安全完整性功能安全管理体系建设指南••系统架构约束和限制第三方评估与检测认证要求••验证测试和文档要求•标准对检验测试的要求IEC61511和GB/T21109标准对SIS系统的检验测试提出了明确的技术要求和管理要求，旨在确保系统在整个使用期间持续满足安全完整性目标诊断能力测试危险失效测试完整功能链测试验证自动诊断功能的有效性，测试诊断覆盖率是针对未被自动诊断覆盖的危险失效模式进行人工从传感器输入到执行器输出的端到端功能验证，否达到设计值通过故障注入方式检查系统能否测试测试频率根据PFDavg计算结果确定，确模拟真实危险工况触发条件，检查整个保护回路正确检测和报告各类故障模式，确认诊断响应时保系统在测试间隔内的失效概率不超过目标SIL等的响应正确性和响应时间是否满足工艺安全要间满足要求级要求求90%12100%诊断覆盖率目标测试周期（月）功能测试覆盖率SIL3系统典型诊断覆盖率要求SIL2系统典型测试间隔验证测试必须覆盖所有安全功能测试记录是功能安全管理的重要组成部分，需详细记录测试日期、测试人员、测试结果、发现问题和处理措施，为失效数据分析和系统性能评估提供依据第十章典型设备介绍与案例罗斯蒙特压力变送器3051S获得认证的智能压力变送器，配备先进的诊断功能采用硅谐SIL2/SIL3振传感器技术，精度高达，稳定性优异支持和基金会现±

0.04%HART场总线通信，可实时报告设备健康状态艾默生阀门控制器DVC6000认证的数字阀门定位器，具备部分行程测试（）功能可在不影SIL3PST响工艺的情况下定期测试阀门性能，及时发现潜在问题诊断覆盖率超过，显著降低未检测危险失效概率90%横河温度变送器EJA认证的智能温度变送器系列，采用单晶硅谐振技术具有优异的长期SIL2稳定性和抗振性能，适用于恶劣工况自诊断功能可检测传感器断线、超量程等多种故障模式案例氨水罐防爆系统设计SIS项目背景定级与配置SIL某化工厂氨水储罐容积500m³，储存浓度25%氨水，温度25℃，压力常基于风险矩阵法确定SIL2等级，设计目标PFDavg

0.01压氨水具有腐蚀性和毒性，泄漏可能造成人员伤亡和环境污染01风险分析传感器配置采用HAZOP方法识别危险场景高液位溢出、温度异常升高、管道泄漏后液位2台雷达液位计（1oo2）；温度3台PT100（2oo3）果严重度分析可能导致3人以上死亡或重伤，定为高风险02逻辑运算器安全PLC双冗余配置，独立电源和I/O模块03执行器配置进料阀采用两阀串联，排放阀采用单阀设计04测试计划每6个月进行一次完整功能测试PFDavg计算结果为

0.0085，满足SIL2要求系统已运行3年，期间触发保护动作2次，均正确响应，未发生安全事故案例石油炼厂系统故障诊断SIS故障现象1催化裂化装置再生器压力高报警频繁，但工艺参数正常，未触发联锁动作，操作人员怀疑仪表故障2初步诊断仪表工检查压力变送器零点和量程正常，通信信号正常，现场压力指示与DCS显示一致，排除变送器本体故障深入分析3调阅历史趋势发现压力测量值存在高频波动，怀疑取压导压管存在问题现场检查发现导压管路存在部分堵塞4处理措施在装置小修期间更换导压管路，冲洗疏通取压点，并在变送器前增加隔离阀和排污阀，便于日常维护预防改进5建立定期巡检制度，每季度检查导压管路状态；增加诊断软件分析功能，识别测量信号异常波动模式；更新维护程序文件经验总结SIS系统故障不仅限于仪表本体，现场安装和工艺介质特性同样重要全面的诊断策略应包括设备本体、安装质量、环境影响等多方面因素第十一章系统的未来发展趋势SIS物联网集成智能诊断技术SIS系统与工业物联网平台深度融合，实现设备互联互通和数据共享边缘计算技基于机器学习算法的故障预测和健康管理，通过分析历史数据和实时参数，提前识术使诊断分析在现场层面实时完成，降低云端传输延迟和网络依赖别设备性能退化趋势，实现从被动维护到主动预防的转变自主维护系统数字孪生应用配合机器人和无人机技术，实现危险区域的自动巡检和维护减少人员暴露风险，构建SIS系统的虚拟镜像模型，在数字空间进行仿真测试和优化可验证变更方案提高维护效率，积累更完整准确的设备运行数据的有效性，培训操作人员，降低现场试错成本和风险与工业自动化集成SIS现代工业控制系统呈现多层次架构，作为独立的安全保护层，需要与、等基本过程控制系统协同工作，实现安全与生产的有机结合SIS DCSPLC系统协同工作网络安全防护与通过通信接口交换关键信息，但保持功能独立性负工业控制系统网络安全日益重要，系统作为关键基础设施，必须采SIS DCSDCS SIS责正常生产控制，专注于安全保护，两者互为补充但不相互依赖取多层次防护措施抵御网络攻击SIS安全措施集成关键点物理隔离网络与办公网络完全隔离SIS信息共享工艺参数、设备状态、报警信号防火墙工业防火墙过滤非法访问功能独立不依赖实现安全功能SIS DCS访问控制严格的身份认证和权限管理接口隔离防止故障影响可靠性DCS SIS安全审计记录所有操作和配置变更协同优化减少虚警和非计划停车漏洞管理定期安全评估和补丁更新远程监控和数据采集技术使专家支持和集中维护成为可能，但必须在便利性和安全性之间找到平衡，确保远程访问不会成为系统的薄弱环节第十二章培训与考核操作人员培训掌握SIS系统基本原理、操作界面使用、报警响应程序、紧急停车操作理解安全联锁的设计意图，避免随意旁路或强制操作•SIS系统功能和保护逻辑•正常运行监控要点•报警分类和响应程序•紧急情况处置预案维护人员培训深入理解系统架构、部件选型依据、测试程序、故障诊断方法具备独立完成定期测试、故障处理、变更管理的能力•系统硬件和软件架构•验证测试程序和记录要求•故障诊断和维修技能•变更管理流程和工具使用工程师培训掌握功能安全标准要求、风险评估方法、SIL验证计算、系统设计优化能够独立完成SIS项目的设计、实施和验证全过程•IEC61508/61511标准解读•风险评估和SIL定级方法•系统设计和PFD计算•功能安全管理体系建设培训应结合理论学习和实操演练，使用模拟系统进行故障场景演练建立考核制度，定期评估人员能力，持续教育确保知识更新课程总结功能安全理念系统设计要点系统是实现工业过程本质安全的关键手段，正确的部件选择、合理的冗余配置、有效的诊SIS通过系统化方法降低风险断功能是高可靠性的基础技术发展趋势标准符合性智能诊断、数字孪生等新技术将进一步提遵循和标准要求，IEC61511GB/T21109升系统的性能和可靠性确保系统满足安全完整性目标SIS生命周期管理持续验证维护从设计到停用的全过程管理，确保每个阶段质定期测试和维护保障系统在全生命周期内持续量和安全要求得到落实有效发挥保护作用安全不是成本，而是投资正确设计和维护的系统不仅保护生命和环境，也创造长期经济价值SIS先进的系统监控界面实时显示关键参数、设备健康状态和诊断信息，使操作人员SIS能够及时发现异常并采取措施通过颜色编码、趋势图表和报警管理功能，大幅提升人机交互效率和安全监控水平参考资料与推荐阅读国际标准文献国家标准规范系列电气电子可编程电子安全相关系统的功能安全过程工业领域安全仪表系统的功能安全第•IEC61508//•GB/T

21109.1-2022部分框架、定义、系统、硬件和应用编程要求系列过程工业领域安全仪表系统的功能安全1•IEC61511过程工业领域安全仪表系统的功能安全过程工业安全仪表系统应用•GB/T

21109.2-2023•ISA-

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00.01第部分应用指南2GB/T

21109.1核电厂仪控系统安全功能重要分类•IEC61513过程工业领域安全仪表系统的功能安全•GB/T

21109.3-2024第部分确定所要求的安全完整性等级的指南3石油化工安全仪表系统设计规范•GB/T50770专业技术书籍厂商技术手册《》艾默生系统技术手册及安全手册•Safety InstrumentedSystems PaulGruhnHarry•DeltaV SIS著Cheddie罗斯蒙特认证设备产品目录•SIL《功能安全与认证》张乃禄等编著•SIL横河安全系统应用指南•CENTUM VP《过程工业安全仪表系统工程设计》化工出版社•西门子功能安全系统文档•PCS7Safety《标准解读与应用》中国石化出版社•IEC61511谢谢聆听！欢迎提问与交流联系方式持续学习如有任何关于安全仪表系统设计、实施功能安全是一个不断发展的领域，建议或维护方面的问题，欢迎随时交流探关注最新标准更新、技术发展动态和行讨业最佳实践。