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紧急停车系统ESD


全国化工仪表维修工技师、高级技师培训辅导讲义——第一讲:ESD 紧急停车系统

第一讲
1 名称、作用、构成

ESD 紧急停车系统

紧急停车系统(Emergency ShutDown system – ESD)亦称为安全仪表系统(Safety – Instrument System – SIS) 、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)等。以下统称 ESD。 大多石油和化工生产过程具有高温、高压、易燃、易爆、有毒等危险。当某些工艺参数超出安全极限, 未及时处理或处理不当时,便有可能造成人员伤亡、设备损坏、周边环境污染等恶性事故。这就是说,从安 全的角度出发,石油和化工生产过程自身存在着固有的风险。 ESD 是一种经专门机构认证、具有一定安全度等级,用于降低生产过程风险的安全保护系统。它不仅能 响应生产过程因超出安全极限而带来的危险,而且能检测和处理自身的故障,从而按预定的条件或程序使生 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。 ESD 由检测单元(如各类开关、变送器等) 、控制单元和执行单元(如电磁阀、电动门等)组成,其核心 部分是控制单元。从 ESD 的发展过程看,其控制单元部分经历了电气继电器(Electrical) 、电子固态电路 (Electronic)和可编程电子系统(Programmable Electronic System) ,即 E/E/PES 三个阶段。 图 1 为由 PES 构成的 ESD。
PES 检测单元 输入模块 控制模块 输出模块 执行单元

图1

ESD 的构成

2 ESD 的相关标准及认证机构
鉴于 ESD 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 ESD 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、规范及认证机 构主要有: ① 我国石化集团制定的行业标准 SHB-Z06-1999《石油化工紧急停车及安全联锁系统设计导则》 。 ② 国际电工委员会 1997 年制定的 IEC 61508/61511 标准,对用机电设备(继电器) 、固态电子设备、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规定。 ③ 美国仪表学会制定的 ISA-S84.01-1996《安全仪表系统在过程工业中的应用》 。 ④ 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》 。 ⑤ 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》 。 ⑥ 德国国家标准中有安全系统制造厂商标准-DIN V VDE 0801、 过程操作用户标准-DIN V 19250 和 DIN V 19251、燃烧管理系统标准-DIN VDE 0116 等。 ⑦ 德国技术监督协会(T?V)是一个独立的、权威的认证机构,它按照德国国家标准(DIN) ,将 ESD 所达到的安全等级分为 AK1~AK8,AK8 安全级别最高。其中 AK4、AK5、AK6 为适用于石油和化 学工业应用要求的等级。

3 ESD 和 DCS 的比较
DCS 与由 PES 构成的 ESD 的主要区别有:

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DCS 构 工 成 作 不含检测、执行 使生产过程在正常工况乃至最佳工况下运行 动态、连续 低、不需认证 作用(功能) 安全级别

ESD 含检测、执行单元 超限安全停车 静态、间断 高、需认证

4 ESD 设计应遵循的原则
① 原则上应独立设置(含检测和执行单元) ; ② 中间环节最少; ③ 应为故障安全型;

④ 采用冗余容错结构。 5 故障安全原则
组成 ESD 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 ESD 失效时,被保护的对象(装置)应按预定的顺序安全停车,自动转入安全状态 (Fault to Safety) ,这就是故障安全原则。 具体体现: ① 现场开关仪表选用常闭接点,工艺正常时,触点闭合,达到安全极限时触点断开,触发联锁动作, 必要时采用“二选一”“二选二”或“三选二”配置。 、 ② 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。 ③ 送往电气配电室用以开/停电机的接点用中间继电器隔离,其励磁电路应为故障安全型。 ④ 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,以便按预定的顺序安全停车(这对工艺和设备而言是安全的) ;进而应通过 硬件和软件的冗余和容错技术,在过程安全时间(PST-Process Safety Time)内检测到故障,自动执 行纠错程序,排除故障。

6 隐故障与显故障
① 隐故障 (Covert Fault) 不对危险产生报警, : 允许危险发展的故障, 是故障危险故障 (SHB-Z06-1999) 。 Covert Fault:Fault that can be classified as hidden, concealed, undetected, unrevealed, latent, ect. (ISA-S84.01-1996) ② 显故障(Overt Fault) :能显示出故障自身存在的故障,是故障安全故障(SHB-Z06-1999) 。 Overt Fault:Fault that can be classified as announced, detected, revealed,ect.(ISA-S84.01-1996)

7 安全性及响应失效率
当工艺条件达到或超过安全极限值时,ESD 本应引导工艺过程停车,但由于其自身存在隐故障(危险故 障)而不能响应此要求,即该停车而拒停,降低了安全性。 衡量安全性的指标为响应失效率或称要求的故障率(PFD:Probability of Failure on Demand) 。它是安全 联锁系统按要求执行指定功能的故障概率。是度量安全联锁系统按要求模式工作故障率的目标值 (SHB-Z06-1999) 。 不同的工业过程(如生产规模、原料和产品的种类、工艺和设备的复杂程度等)对安全的要求是不同的。 上述的国际标准将其划分为若干安全度等级(SIL:Safety Integrity Level) 。 SIL 和 PFD 的对应关系见表 1:

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全国化工仪表维修工技师、高级技师培训辅导讲义——第一讲:ESD 紧急停车系统 表1 ISA-S84.01 SIL.1 SIL.2 SIL.3 IEC 61508 SIL.1 SIL.2 SIL.3 SIL.4 DIN V 19520(T?V) AK1 AK2 AK3 AK4 AK5 AK6 AK7 AK8 10-2~10-3 10-3~10-4 10-4~10-5 10-1~10-2 PFD

8 可用性及可用度
工艺条件并未达到安全极限值,ESD 不应引导工艺过程停车,但由于其自身存在显故障(安全故障)而 导致工艺过程停车,即不该停车而误停,降低了可用性。 可用度(A:Availability)是指系统可使用工作时间的概率,用百分数计算:
A ? MTBF MTBF ? MDT

(SHB-Z06-1999)

MTBF:平均故障间隔时间(Mean Time Between Failures) MDT:平均停车时间(Mean Downtime)

9 冗余和容错
冗余 (Redundant) 具有指定的独立的 N: 重元件, : 1 并且可以自动地检测故障, 切换到后备设备上。 (SHB – Z06 – 1999) 冗余系统 (Redundant System) 并行地使用多个系统部件, : 以提供错误检测和错误校正能力的系统。 (SHB – Z06 – 1999) 。 容错(Fault Tolerant) :具有内部冗余的并行元件和集成逻辑,当硬件或软件部分故障时,能够识别故障 并使故障旁路,进而继续执行指定的功能。或在硬件和软件发生故障的情况下,系统仍具有继续运行的能力。 它往往包括三方面的功能:第一是约束故障,即限制过程或进程的动作,以防止在错误被检测出来之前继续 扩大;第二是检测故障,即对信息和过程或进程的动作进行动态检测;第三是故障恢复即更换或修正失效的 部件。 (SHB – Z06 – 1999) 容错系统(Fault Tolerant System) :具有容错结构的硬件与软件系统。 (SHB – Z06 – 1999) 总之,通过冗余和故障屏蔽的结合来实现容错。容错系统一定是冗余系统,冗余系统不一定是容错系统。 容错系统的冗余形式有双重、三重、四重等。图 2 和图 3A.B 分别表示 CPU 冗余(双机热备)和三重化冗余 容错系统。
CPU 1 开关 输入/输出 CPU 2

现场设备 图2 CPU 冗余(双机热备)

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输入

CPU A

输出

输入 端子

输入

CPU B

输出

2oo3 表决器

输出 端子

输入

CPU C

输出

图 3A

三重模块冗余容错系统
看门狗

输入

输出

看门狗 输入 端子 输入 输出
2 3

输出 端子

表决器

看门狗 输入

输出

图3

三 3B 三重信号冗余容错系统 图重 位 号 冗 余 容 错 系 统

10 冗余逻辑的表决方法及其与安全性、可用性的关系
表决方法 一选一 1oo1 0.02 0.04 (短路的概率) (开路的概率) 存在隐故障和 显故障 差 差 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

二选一

1oo2 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 其中之一存在 显故障(将误 停车) 最好 最差

二选二

2oo2 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(不会 误停车) 其中之一存在 隐故障(该停 拒停) 最差 最好

三选二

2oo3 0.0012 0.0048 其中之一存在 ( 三 个 中 两 个 ( 三 个 中 两 个 隐故障或显故 均短路的概率) 均开路的概率) 障 其中两个存在 隐故障或显故 障 较好 较好

注:此表中故障概率数据摘自西门子公司资料

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以上可见: ① 隐故障(危险故障)使 ESD 该动而拒动,隐故障概率越高,安全性越差。 ② 显故障(安全故障)使 ESD 不该动而误动,显故障概率越高,可用性越差。 ③ 1oo2(二选一)安全性最好,但可用性最差;2oo2(二选二)可用性最好,但安全性最差;2oo3(三 选二)可兼顾安全性和可用性,但结构复杂,成本高。

11 普通 PLC 和安全 PLC 的区别
普通 PLC 和可以作为 ESD 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。 图 4 是普通 PLC DO 卡示意图。
+24VDC 1 来自 CPU 的控制信号 2

接负载,如电磁阀 0V DC 图4 普通 PLC DO 卡示意图

当 1、2 两点短路时,来自 PLC 的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。 图 5 所示为一种带有安全性单容错的 DO 卡示意图(它是 Honeywell SMS FSC-101 型输出示意图) 。
+24VDC

看门狗 “与” 状态信号 中央 处理器 状态信号

控制信号

接负载,如电磁阀 0V DC 图5 安全性单容错 DO 卡示意图

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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: ① 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; ② 在硬件和软件上采用冗余、容错措施,具有完善的测试手段,当检测到系统故障,特别是危险故障 时能使系统回到安全状态; ③ 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; ④ 能与 DCS 或其它设备进行通讯。

12 取得 T?V 认证的 ESD 产品 ① FSC(Fail Safe Control)
由荷兰 P&F(Pepperl & Fuchs)公司开发,1994 年被 Honeywell 公司收购。安全等级可达 AK6。

② Regent Trusted
美国 ICS 利用宇航技术开发的安全系统。安全等级 AK4~AK6。

③ Tricon、Trident
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。

④ GE Fanuc 90-70
美国 GE 公司开发。其中 GMR(模块式冗余容错系统)的安全等级为 Class 5(2oo3) 、Class 4(1oo2) 和 Class 5(2oo2) 。

⑤ QUADLOG
由 Moore 公司开发。日本横河公司收购后称 Prosafe PLC,其 1oo2D 结构安全等级达 AK6。

⑥ SIMATIC S7-400F/FH
德国 SIEMENS 公司产品。400F 和 400F 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。

⑦ SC300E
AUGUST System 公司开发,1997 年成为 ABB 集团成员之一。安全等级为 Class 5 和 Class 6。

13 工艺过程风险的评估及安全度等级的评定
不同的工艺过程(生产规模、原料和产品的种类、工艺和设备的复杂程度等)对安全的要求是不同的。 一个具体的工艺过程,是否需要配置 ESD、配置何种等级的 ESD,其前提应该是对此具体的工艺过程进行风 险的评估及安全度等级(SIL)的评定。在确定了某个具体工艺过程的安全度等级(SIL)之后,再配置与之 相适应的 ESD。表 1 可以看出,若某工艺过程经评定后为 SIL 2,则配置达到 AK4 的 ESD 即可,其响应失效 率(PFD)为百分之一至千分之一之间。应该注意的是不同安全级别的 ESD,只能确保响应失效率(PFD) 在一定的范围内,安全级别越高的 ESD,其 PFD 越小,即发生事故的可能性越小,但它不能改变事故造成的 后果。因此,工艺过程安全度等级的评定是一项十分重要的工作。但目前我国尚无如何评定安全度等级的标 准和规范。2 中列出的国际、国外标准中提供了某些评定方法。下面介绍的风险矩阵(RISK MATRIX)评估 方法可供参考。 这种方法以工艺过程事故出现的频率(可能性)及其危害程度(严重性)为风险评估的指标,并对频率 和危害程度人为量化为若干级,作出矩阵表(见表 2) 。以此确定工艺过程度安全度等级。

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全国化工仪表维修工技师、高级技师培训辅导讲义——第一讲:ESD 紧急停车系统 表2 频率 危害程度 轻微 轻 中 大 重大 很低 (20 年以上) - DCS 报警 DCS 联锁 SIL1 SIL2 低 (4~20 年) DCS 报警 DCS 联锁 SIL1 SIL2 SIL3 中 (0.5~4 年) DCS 联锁 SIL1 SIL2 SIL3 SIL4 高 (0~0.5 年) DCS 联锁 SIL2 SIL3 SIL4 SIL4

表 2 中频率分级的年限(多少年出现一次)考虑了采用 DCS 进行监视、控制以及正常操作规程等对于降 低事故出现频率的贡献,但不考虑 ESD 的存在。 表 2 中危害程度从经济损失、人身伤害和环境危害三个方面予以量化。如表 3 所示。
表3 危害程度 轻微 轻 中 大 重大 经济损失(美元) <2500 2500~10 万 10 万~50 万 50 万~150 万 >150 万 人身伤害 无 轻伤,仅需就地急救治疗 多人重伤,需医学治疗,一人死亡 造成伤残、死亡 造成多人伤残、死亡 环境危害 无 可立即控制 无法立即控制 仅限于事故现场 波及周边

14 逻辑运算的基本规则
① 交换律 A ·B = B·A A+ B = B +A ② 结合律 A·B·C = A·( B·C ) A+ B + C =A+ ( B + C ) ③ 分配律 A·( B + C ) = A·B + A·C A + ( B·C) = ( A+B )·( A+C ) ④ 重复律 A·A·A??A = A A + A + A ?? + A = A ⑤ 自等律 A·1 = A A+ 0=A ⑥ 吸收律 A·( B + A ) = A A + ( B·A ) = A ⑦ 互补律 ⑧ 0-1 律 A·A = 0 A+A= 1 A·0 = 0 A+ 1=1 ⑨ 非非律 ⑩ 反演律 A=A A·B·C = A + B + C A + B + C = A·B·C

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