紧急停车系统ESD.doc
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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date紧急停车系统ESD紧急停车系统第一讲 ESD紧急停车系统1 名称、作用、构成紧急停车系统(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)、
2、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(
3、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。输出模块输入模块检测单元控制模块执行单元PES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
4、。这些标准、规范及认证机构主要有: 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。 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。 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。 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。 德国国家标准中有安全系统制造厂商标
5、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。 德国技术监督协会(TV)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AK1AK8,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:DCSESD构 成不含检测、执行含检测、执行单元作用(功能)使生产过程在正常工况乃至最佳工况下运行超限安全停车工 作动态、连续静态、间断安全级别低、不需认证高、需认证4 ESD
6、设计应遵循的原则 原则上应独立设置(含检测和执行单元); 中间环节最少; 应为故障安全型; 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: 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。 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。 送往电气配电室用以开/停电机的
7、接点用中间继电器隔离,其励磁电路应为故障安全型。 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 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 hidde
8、n, concealed, undetected, unrevealed, latent, ect. (ISA-S84.01-1996) 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。
9、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:表1ISA-S84.01IEC 61508DIN V 19520(TV)PFDSIL.1SIL.1AK110-110-2AK2AK3SI
10、L.2SIL.2AK410-210-3SIL.3SIL.3AK510-310-4AK6SIL.4AK710-410-5AK88 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: (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:1重元件,
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