安全监测与控制系统培训

1、左左 信信中国石油大学（北京）自动化系中国石油大学（北京）自动化系提提 纲纲一、一、背景及引言背景及引言二、二、安全、风险及安全技术安全、风险及安全技术三、三、安全监测与控制系统安全监测与控制系统四、功能安全及四、功能安全及安全完整性等级安全完整性等级五、五、安全生命周期管理与安全评估安全生命周期管理与安全评估六、存在的问题及进一步工作六、存在的问题及进一步工作仪表、自动化仪表、自动化能为安全做些什么？能为安全做些什么？一、背景及引言一、背景及引言自动化与安全自动化与安全重庆开县井喷重庆开县井喷 开始思考开始思考 自动化能为安全做点什么自动化能为安全做点什么从自动化角度对事故案例进行分析从自动

2、化角度对事故案例进行分析事故原因：事故原因： 大多伴随着高温高压大多伴随着高温高压自动化技术的应用可以避免很多事故的发生自动化技术的应用可以避免很多事故的发生安全监测与控制系统早已有之安全监测与控制系统早已有之自动化技术应用自动化技术应用 重视不够，使用和管理不规范重视不够，使用和管理不规范重庆开县井喷事故重庆开县井喷事故 2003年年12月月23日日22时时04分，中石油在四川开县分，中石油在四川开县的罗家的罗家16井，在起钻过程中发生井，在起钻过程中发生天然气井喷失天然气井喷失控控，从井内喷出的大量含有高浓度硫化氢的天然，从井内喷出的大量含有高浓度硫化氢的天然气四处弥漫、扩散，导致气四处弥

3、漫、扩散，导致243人人因硫化氢中毒死因硫化氢中毒死亡、亡、2142人人因硫化氢中毒住院治疗、因硫化氢中毒住院治疗、65000人被人被紧急疏散安置、直接经济损失达紧急疏散安置、直接经济损失达6432.31万万元的元的严重后果。严重后果。重庆开县井喷事故重庆开县井喷事故重庆开县井喷事故重庆开县井喷事故 由两位院士、五位教授级高级工程师组成的专家组经过由两位院士、五位教授级高级工程师组成的专家组经过5天天的紧张工作，得出了事故原因的初步结论的紧张工作，得出了事故原因的初步结论 国家安全生产监督管理局副局长孙华山指出:有关人员对这口高产出的气井预测不足，对水平井钻井工艺还不够成熟，现场作业人员违章违

4、规，在起钻过程中，泥浆的循环时间严重不足，又不按规定进行灌注，没有及时发现溢流的征兆，采取有效的措施，这些是产生井涌、井喷的直接原因。 孙华山说，有关人员违反有关规定拆除了在钻具中安装的回压阀，也就是防井喷的装置，导致了井喷的严重失控。井喷失控以后，没有及时对放喷管线实施点火，以致大量含有高浓度硫化氢的有害气体喷出，造成了这次事故的扩大和恶化。事故原因公开报道事故原因公开报道当时井内的压力高达40兆帕，即正常大气压的400倍。地层压力大于井内液柱压力时，地层中的液体就像摇晃的香槟酒冲开瓶塞一样，把泥浆顶出来。其过程为泥浆溢流井涌井喷。即使井喷了，也是可以控制的防喷器防喷器自动封住井口，同样也可

5、以控制井喷防喷装置一般有3种，一种是手动的，一种是油压的，还有是气压的。从发现溢流1.1立方到关井需要6分钟，但是有专家问:“关闭防喷器6分钟时间还不够吗？”发生事故的川东钻井公司无论技术还是设备，都是一流的。为什么罗家16号井在6分钟内没有封井。多位专家提示，这里是调查井喷失控的核心问题。一点火星或许就能挽救200多条性命为什么不在井喷后立即点燃？吉林石化双苯厂爆炸事故吉林石化双苯厂爆炸事故 2005年年11月月13日下午日下午1时时45分，中石油吉林石化分，中石油吉林石化公司双苯厂发生爆炸，在随后的公司双苯厂发生爆炸，在随后的2个小时内，厂个小时内，厂内内又又接连发生接连发生5次爆炸。共次

6、爆炸。共造成造成8 8人死亡，人死亡，6060人受人受伤，直接经济损失伤，直接经济损失69086908万元万元。事故导致该厂四套。事故导致该厂四套装置停产，松花江严重污染，哈尔滨停止供水四装置停产，松花江严重污染，哈尔滨停止供水四天。天。吉林石化双苯厂爆炸事故吉林石化双苯厂爆炸事故吉林石化双苯厂爆炸事故吉林石化双苯厂爆炸事故20052005年年1111月月1313日深夜，日深夜，吉林石化公司吉林石化公司召开了新闻发布会称，吉林石化召开了新闻发布会称，吉林石化公司双苯厂爆炸原因初步查明，是由于该厂苯胺装置硝化单元发生着公司双苯厂爆炸原因初步查明，是由于该厂苯胺装置硝化单元发生着火爆炸，火爆炸，1

7、02102塔发生堵塞，循环不畅，因处理不当造成塔发生堵塞，循环不畅，因处理不当造成。吉林省安全生产监督管理局吉林省安全生产监督管理局牵头的事故调查组经分析一致认为：该事牵头的事故调查组经分析一致认为：该事故直接原因是由于当班操作工停车时，疏忽大意，故直接原因是由于当班操作工停车时，疏忽大意，未将应关闭的阀门未将应关闭的阀门及时关闭及时关闭，误操作导致，误操作导致进料系统进料系统温度超高温度超高，长时间长时间后引起爆裂，随后后引起爆裂，随后引发爆炸引发爆炸。 质疑：质疑： 报警？报警？ 自动关闭系统自动关闭系统 ？河北沧州硝化装置爆炸河北沧州硝化装置爆炸 2007年5月11日，河北沧州大化公司硝

8、化装置发生爆炸，造成5人死亡，80人受伤，几千名群众疏散转移。调节阀内漏是导致此事故发生的直接原因，也是技术原因；管理原因是生产技术管理混乱，工艺参数控制不严，人员技术培训不够等；另外工厂布局不合理、消防泵设计不合理、硝化装置防护措施不合理、选用调节阀的质量较差、紧急停车系统不到位等都是这次事故发生和造成较大损失的重要原因。印度博帕尔印度博帕尔(Bhopal)剧毒气体泄漏剧毒气体泄漏 1984年年12月月3日凌晨，美国联合碳化物有限公司印度博帕尔日凌晨，美国联合碳化物有限公司印度博帕尔农药厂，装有液态剧毒气体异氰酸甲酯的储罐内农药厂，装有液态剧毒气体异氰酸甲酯的储罐内温度上升，温度上升，压力过

9、大压力过大，导致储罐泄漏，中和毒气的净化器失灵，导致储罐泄漏，中和毒气的净化器失灵，点点火装置失效火装置失效，浓雾状毒气游移于博帕尔市内外，直至，浓雾状毒气游移于博帕尔市内外，直至 45吨剧吨剧毒气体泄漏殆尽。毒气体泄漏殆尽。 事故导致事故导致2万万5千多人死亡千多人死亡，万多人失明万多人失明，万多人受到严，万多人受到严重毒害，近重毒害，近万人终身残疾万人终身残疾，0多万人接受治疗，多达多万人接受治疗，多达余万余万受影响，约占博帕尔市总人口的一半。受影响，约占博帕尔市总人口的一半。 是是有史以来最残酷的工业污染事故，有史以来最残酷的工业污染事故，是一起震惊世界震惊世界的惨案。 自动化与安全自动

10、化与安全 工业测控系统中仪表阀门控制器：工业测控系统中仪表阀门控制器： 本质安全本质安全 防爆防爆 防辐射等防辐射等 工业测控系统中其他与安全有关的内容工业测控系统中其他与安全有关的内容 测量信号的报警测量信号的报警 故障诊断与报警故障诊断与报警 计算机控制系统计算机控制系统 集中集中/分散分散 结构冗余结构冗余 快稳准快稳准 调节阀的选择调节阀的选择 风开风开/风关风关 阀位限制阀位限制 控制系统中的低选控制系统中的低选/高选控制，连锁逻辑控制高选控制，连锁逻辑控制 安全相关测量控制系统安全相关测量控制系统（暂时记为（暂时记为 SrCSSrCS) ) 很早就存在，使用得越来越多很早就存在，使

11、用得越来越多 渐渐地形成一个独立的专用的渐渐地形成一个独立的专用的SrCS SrCS 如如: ESD SIS 随着对安全的重视，对随着对安全的重视，对 SrCSSrCS要求越来越高要求越来越高 一、背景及引言一、背景及引言 自动控制系统的分类自动控制系统的分类（按功能分类方法之一）（按功能分类方法之一） 生产运行控制系统：生产运行控制系统：生产功能生产功能 基本过程控制系统基本过程控制系统 BPCS(Basic Process Control System) 过程控制系统过程控制系统 PCS (Process Control System) 生产控制系统生产控制系统 Production Co

12、ntrol System 安全保护控制系统：安全保护控制系统：安全功能安全功能 安全仪表系统安全仪表系统 SIS(Safety Instrumented System) 安全控制系统安全控制系统 SCS(Safety Control System) 安全保护控制系统安全保护控制系统 SGCS (Safeguard Control System) 安全监测与控制系统安全监测与控制系统 SrCS (Safety Related Control System) 目前：目前：命名不统一不规范命名不统一不规范 ， SIS 不够贴切不够贴切 比较通用比较通用 一、背景及引言一、背景及引言 仪表控制与安全的

13、关系仪表控制与安全的关系 生产运行控制系统：生产运行控制系统：BPCS PCS 提高可靠性，减少事故隐患提高可靠性，减少事故隐患 安全保护测控系统：安全保护测控系统：SrCS SIS 安全监测安全监测 故障诊断与报警故障诊断与报警 安全控制（人工安全控制（人工/自动）自动） 应急调度指挥中心应急调度指挥中心 问题：问题： 如何合理设置如何合理设置SrCS? 一、背景及引言一、背景及引言IEC61508 1998年发布年发布GB/T20438 2007-01-01实施实施IEC61511 2003年发布年发布GB/T21109 2007-12-01实施实施 SrCS SrCS 存在的问题存在的问

14、题 对安全发挥作用认识和重视程度不够对安全发挥作用认识和重视程度不够 已经设计和使用的已经设计和使用的SIS系统系统 合理性合理性 经济性经济性 有效性有效性 新的标准新的标准GB/T 21109, GB/T20438 如何执行如何执行 安全相关测量控制系统安全相关测量控制系统 有关标准有关标准 1994年，德国标准年，德国标准 DINV19250 1996年，美国标准年，美国标准 ISA 84.01 1998年年，国际标准国际标准 IEC61508-1:1998 IEC61508-7:2000 2003年年，国际标准国际标准 IEC61511-1:2003 IEC61511-3:2003 2

15、006年年前前 中国标准中国标准 SH/T 3018:2003 , SY/T 10045:2003 2006年，中国标准年，中国标准 GB/T 20438:2006, 2007年年1月月1日实施日实施 2007年，中国标准年，中国标准 GB/T 21109:2007, 2007年年12月月1日实施日实施一、背景及引言一、背景及引言二、安全、风险及安全技术二、安全、风险及安全技术 安全的定义：安全的定义：定义定义: 不存在不可接受的风险不存在不可接受的风险 GB/T21109-1:p13GB/T21109-1:p13 绝对安全不存在绝对安全不存在 不可控，安全与风险并存不可控，安全与风险并存风险

16、的定义：风险的定义：定义定义：出现伤害的概率与该伤害严重性的组合出现伤害的概率与该伤害严重性的组合 GB/T21109-1:p13GB/T21109-1:p13 风险风险=发生概率发生概率*造成后果造成后果允许风险：允许风险：根据当前社会水准，在给定的环境内能够接受风险 风险标准：风险标准：装置车间分厂公司企业国际过程风险过程风险: 由于过程、BPCSBPCS系统系统和相关人员因素而存在的发生特定危险事件的风险（GB/T21109-3:p3GB/T21109-3:p3） 残余风险：残余风险：增加安全保护功能(如SIS)后发生特定危险事件的风险二、安全与风险及安全技术二、安全与风险及安全技术所有

17、安全系统和外部风险降低设施所获得的风险降低被其他技术安全系统覆盖的部分风险被E/E/PE安全相关系统覆盖的部分风险被外部风险降低设施覆盖的部分风险实际的风险降低必要的风险降低风险增加残余风险允许风险受控设备风险GB/T2110920438风险降低：通用概念二、安全与风险及安全技术二、安全与风险及安全技术如何降低风险？如何降低风险？ 安全保护层安全保护层 社区紧急响应 全厂紧急响应 减灾 机械减灾系统 安全仪表控制系统 安全仪表减灾系统 防护 机械保护系统 过程报警 操作员操作管理 安全仪表控制系统 安全仪表防护系统 基本过程控制系统监控系统（过程参数报警） 操作员操作管理 工业流程 安全层次减

18、灾：即 火灾和可燃气体 （F&G）安全系统防护：即 ESD安全系统二、安全与风险及安全技术二、安全与风险及安全技术安全保护层安全保护层 (自动化自动化)ZX ：社区紧急响应 全厂紧急响应（消防等）消防自动控制系统 SGCS （Safeguarding Control System) 安全保护控制系统BPCS（Basic Process Control System )基本过程控制系统工业流程设备第一级第一级：本质安全设计第二级：可靠控制系统第三级：多重隔离措施第五级：安全管理体系第四级：监测处理手段第六级：沟通联动机制第二级第三级第四级第五级第六级中国化工集团公司六级安全管理防护体系0

19、.76%0.76%38.17%38.17%0.00%0.00%6.11%6.11%30.53%30.53%24.43%24.43%第一级：本质安全设计第一级：本质安全设计第二级：可靠控制系统第二级：可靠控制系统第三级：多重隔离措施第三级：多重隔离措施第四级：监测处理手段第四级：监测处理手段第五级：安全管理体系第五级：安全管理体系第六级：沟通联动机制第六级：沟通联动机制中国化工集团公司六级安全管理防护体系二、安全、风险及安全技术二、安全、风险及安全技术风险降低与安全技术风险降低与安全技术 按照专业领域从四个方面做工作按照专业领域从四个方面做工作ZX：（1）工艺工艺 原料原料/产品等的毒性产品等的

20、毒性/爆性；生产工艺的安全性协调性等爆性；生产工艺的安全性协调性等（2）设备设备 机械强度，耐压、磨损、腐蚀等机械强度，耐压、磨损、腐蚀等（3）电控电控 BPCS系统的可靠性系统的可靠性 / 专门的专门的安全保护自动控制系统安全保护自动控制系统 （4）管理管理 法规的制定与执行法规的制定与执行 人员的培训人员的培训 等等三、安全监测与控制系统三、安全监测与控制系统安全监测与控制系统的内容安全监测与控制系统的内容ZX安全相关变量的测量显示与报警安全相关变量的测量显示与报警 生产运行状态的故障诊断与预警生产运行状态的故障诊断与预警 监测的含义监测的含义执行安全保护功能的自动控制系统执行安全保护功能

21、的自动控制系统 各级应急指挥调度中心自动化相关系统各级应急指挥调度中心自动化相关系统SrCS系统系统 其功能的实现手段其功能的实现手段ZX ：（1）DCS/SCADA/PLC 风险小，可靠性要求低时风险小，可靠性要求低时（2）SIS/ESD/F&G 风险大，可靠性要求高时风险大，可靠性要求高时（3）综合使用）综合使用DCS/SIS 可降低总成本可降低总成本三、安全监测与控制系统三、安全监测与控制系统安全监测与控制系统的特点安全监测与控制系统的特点ZX（1）目的是减少危险，而不是保证生产运行产品合格；）目的是减少危险，而不是保证生产运行产品合格；（2）对测量环节要求更多功能、更智能、更实

22、时，长期不停运行状态；）对测量环节要求更多功能、更智能、更实时，长期不停运行状态；（3）对控制器和执行单元要求更快、执行单元长期处在备用状态）对控制器和执行单元要求更快、执行单元长期处在备用状态 ；（5）对控制器，更多的是逻辑控制，也有连续控制（少），理论性少；）对控制器，更多的是逻辑控制，也有连续控制（少），理论性少；（4）对测量、控制、执行及辅助系统）对测量、控制、执行及辅助系统(通讯、供电等通讯、供电等)可靠性要求更高。可靠性要求更高。SrCS和和BPCS的区别的区别ZX： （1）目的功能不同）目的功能不同 生产功能生产功能 / 安全功能安全功能（2）运行状态不同）运行状态不同 实时实时

23、运行运行 / 功能长期备用功能长期备用(部分部分实时实时运行运行) （3）可靠性要求不同）可靠性要求不同 SrCS要求更高的要求更高的可靠性可靠性（4）控制方法不同）控制方法不同 连续控制为主连续控制为主 / 逻辑控制为主逻辑控制为主（5）使用和维护方法不同）使用和维护方法不同 SrCS更更严格严格安全监测与控制系统安全监测与控制系统 的重要性的重要性 ：（1）和其他安全措施技术相比的重要性和其他安全措施技术相比的重要性（2）在自动化专业领域中的重要性在自动化专业领域中的重要性三、安全监测与控制系统三、安全监测与控制系统安全功能安全功能 Safety Function 针对特点的危险事件，为达

24、到和保持过程的安全状态，由针对特点的危险事件，为达到和保持过程的安全状态，由 SIS、其他技术安全相关系统或外部设施实现的功能、其他技术安全相关系统或外部设施实现的功能(21109-1:p13)功能安全功能安全 Functional Safety SrCS本身的安全性（如仪表的本质安全，无辐射等）本身的安全性（如仪表的本质安全，无辐射等） SrCS的的安全功能安全功能是完整的、可靠的（功能是安全的）是完整的、可靠的（功能是安全的）(21109-1:p8)安全仪表系统安全仪表系统 SIS(Safety Instrumented System) 用于实现一个或多个安全功能的仪表及仪表系统用于实现一

25、个或多个安全功能的仪表及仪表系统 包括：传感器、逻辑解算器和最终单元。包括：传感器、逻辑解算器和最终单元。 SIS 广义/狭义安全仪表功能安全仪表功能 SIF(Safety Instrumented Function) SIS系统系统 所所实现的实现的 安全功能。安全功能。 21109译为译为“仪表安全功能仪表安全功能” ZX: 存在存在“非非安全仪表的安全仪表的非非安全功能安全功能” 多种组合多种组合四、功能安全及安全度等级四、功能安全及安全度等级安全完整性安全完整性 Safety Integrity 在规定的时间内、在所有规定的条件下在规定的时间内、在所有规定的条件下, 成功成功 实现所要

26、求的安全功能的平均概率实现所要求的安全功能的平均概率(21109-1:p14)安全完整性等级：安全完整性等级：SIL(Safety Integrity Level) 简称：简称：安全度等级安全度等级定义：定义：一种离散的等级，用于规定分配给一种离散的等级，用于规定分配给SIS的安全仪表功能的的安全仪表功能的 完整性要求完整性要求(21109-4:p14)作为衡量安全功能重要因素，是安全系统的核心作为衡量安全功能重要因素，是安全系统的核心. ZX:可理解为整体可靠性可理解为整体可靠性代表着使过程风险降低的数量级代表着使过程风险降低的数量级SIS的操作模式：的操作模式： 要求模式要求模式/连续模式

27、连续模式 要求操作模式要求操作模式/连续操作模式连续操作模式要求时平均失效概率：要求时平均失效概率：PFDavg (average Probability of Failure on Demand) 注意：注意： Fault/ Failure 故障故障/失效失效 用失效更好用失效更好, 故障了可能还可以用故障了可能还可以用连续时危险失效概率：连续时危险失效概率：PDFperhour(Probability of Dangerous Failure)四、功能安全及安全度等级四、功能安全及安全度等级SIL等级与等级与PFD、PDF的关系：的关系：四、功能安全及安全度等级四、功能安全及安全度等级SI

28、LPFD averagePDF perhour410-5 10-410-9 10-8310-4 10-310-8 10-7210-310-210-7 10-6110-2 10-110-6 10-5 安全生命周期安全生命周期 Safety Life Cycle 安全仪表功能实现过程中所发生的所有的必要活动安全仪表功能实现过程中所发生的所有的必要活动(21190:1p15) 安全生命周期图安全生命周期图 GB/T20438 ：包括了系统的概念、范围定：包括了系统的概念、范围定义、风险分析、安全分配要求、计划编制、设计与实现、安义、风险分析、安全分配要求、计划编制、设计与实现、安装试运行、操作维护修

29、改、停用等。装试运行、操作维护修改、停用等。 安全生命周期图安全生命周期图 GB/T21109 ：过程危险与风险分析、安全：过程危险与风险分析、安全功能分配、安全要求规格确定、工程设计、安装调试确认、功能分配、安全要求规格确定、工程设计、安装调试确认、运行维护、修改和停用等。运行维护、修改和停用等。 安全生命周期是用系统的方式建立的一个框架，用以指导安安全生命周期是用系统的方式建立的一个框架，用以指导安全仪表系统的需求分析、设计和评价等所有活动。全仪表系统的需求分析、设计和评价等所有活动。五、安全生命周期管理及安全评估五、安全生命周期管理及安全评估GB/T20438-1:p6安全生命周期框图五

30、、安全生命周期管理及安全评估五、安全生命周期管理及安全评估GB/T21109-1:p20安全生命周期框图五、安全生命周期管理及安全评估五、安全生命周期管理及安全评估功 能安 全管理、功 能安 全评 估和 审核第5章安全生命周期结构和计划编制6.2 危险和风险评估 （第8章）1 给保护层分配安全功能 （第9章）2 SIS 安全要求规格书 （第10章和第12章）3 SIS 设计和工程 （第11章和第12章）4其他风险降低方法的设计和开发 （第9章） SIS 安装、调试运行和确认 （第14章和第15章）5 SIS 操作和维护 （第16章）6 SIS 修改 （第17章）7 SIS 停用 （第18章）8

31、SIS验证第7章、12.4和12.79 阶段1 阶段2 阶段3 阶段4 阶段5安全生命周期各阶段及工作内容：安全生命周期各阶段及工作内容：1. 过程危险与风险评估过程危险与风险评估（按按GB/T21109的要求的要求至少进行一次至少进行一次）组织或参与进行组织或参与进行PHA/HAZOP分析分析确定生产过程及确定生产过程及BPCS基本控制系统的危险事件及相关联的风险基本控制系统的危险事件及相关联的风险确定达到必要风险降低所需要的安全功能确定达到必要风险降低所需要的安全功能确定每个安全功能是否需要安全仪表功能确定每个安全功能是否需要安全仪表功能2. 安全功能保护层分析与功能分配安全功能保护层分析

32、与功能分配进行进行LOPA保护层分析保护层分析, 给保护层分配安全功能给保护层分配安全功能确定所需要的安全仪表功能确定所需要的安全仪表功能(SIF)确定每个安全仪表功能所要求的安全度等级确定每个安全仪表功能所要求的安全度等级 (SIL定级定级）SIL定级方法定级方法：风险图、风险矩阵、风险图、风险矩阵、LOPA分析等；定性分析等；定性/定量方法定量方法 五、安全生命周期管理及安全评估五、安全生命周期管理及安全评估安全生命周期各阶段及工作内容：安全生命周期各阶段及工作内容：3. 确定确定SIS设计安全要求规格设计安全要求规格规定规定SIS设计应达到的安全要求及技术规格设计应达到的安全要求及技术规

33、格描述每个安全仪表功能及安全要求描述每个安全仪表功能及安全要求确定确定SIS运行模式、启用条件、停机复位、检验测试间隔等要求规格运行模式、启用条件、停机复位、检验测试间隔等要求规格分析和识别失效模式、共因失效及相关要求分析和识别失效模式、共因失效及相关要求 4. SIS系统的设计及安全度等级核算系统的设计及安全度等级核算SIS系统的工程设计系统的工程设计 仪表选型等仪表选型等SIS系统每一个系统每一个SIF的安全度等级核算（的安全度等级核算（SIL核算核算） 5. SIS系统的安装运行和确认系统的安装运行和确认 6. SIS系统的操作和维护系统的操作和维护 7. SIS系统的修改或停用系统的修改或停用五、安全生命周期管理及安全评估五、安全生命周期管理及安全评估 整体安全生命周期也可以分为三个大阶段整体安全生命周期也可以分为三个大阶段ZX：需求分析阶段需求分析阶段 21109规定的阶段规定的阶段1设计实现阶段设计实现阶段 21109规定的阶段规定的阶段2+3运行维护阶段运行维护阶段 21109规定的阶段规定的阶段4+5 风险分析与评估风险分析与评估 按按GB/T21109要求要求 至少进行一次至少进行一次 SIS功能安全评估功能安全评估 越早越好越早越好功能安全