安全儀表系統

安全儀表系統(Safety instrumented system)簡稱SIS,是指專門用在關鍵過程系統(Critical process systems)的儀表系統,其中包括了軟體及硬體。

例子编辑

安全儀表系統常用在過程(例如石化、化工、核能)設備的防備機制,例如:

  • 燃料氣壓太高,需關閉主燃料氣體閥
  • 反應器溫度太高,需要開啟冷卻閥
  • 蒸餾塔壓力太高,需開關洩壓閥。

關鍵過程系統编辑

關鍵過程系統(critical process system)是指一個系統若開始運作後,若有發生運作上的問題,需要進入「安全狀態」以避免安全、健康和環境(SH&E)的不良後果。而「安全狀態」(Safe State)是指過程中的一種特殊條件,只要在此條件下,不論系統正在運作,或是已經關閉,都不會發生有危害的安全、健康和環境事件。

在工業時期之後,開始出現許多的關鍵過程系統,其中一個廣為人知的就是鍋爐。此過程的關鍵部份包括點燃燃燒器、控制鍋爐鼓中的水量高度,以及控制蒸氣的壓力。

需求規格编辑

安全儀表系統要達成的(功能需求)以及其實現的程度(安全完整性需求)可以透過危害與可操作性分析 (HAZOP)、防护层分析(LOPA)、風險圖等方式來達成。在IEC 61511及IEC 61508中有提到這些相關的技術。在安全儀表系統設計、建構、安裝及運作時,需要驗證有符合這些需求。機能需求可以用設計審查來驗證,例如失效模式效應與關鍵性分析法(FMECA),也可以用其他的測試來驗證,例如出廠允收測試、現場允收測試以及定期的機能測試。

安全完整性需求可以用可靠度分析來確認。對於依需求運行的安全儀表系統,多半會以所計算的要求失效概率(probability of failure on demand,簡稱PFD)為準。若在設計階段,要求失效概率可以用通用的可靠度資料來計算(例如OREDA資料庫)。之後可以用現場的實際數據來更新一開始估計的要求失效概率。

透過可靠度計算,其實無法考慮到所有影響SIS可靠度的因素。因此需要採取適當的措施(例如對應的程序及處理能力)來預防、發現並且修正安全儀表系統相關的故障。

危害識別编辑

正式的危害識別程序是由專案團隊的工程師及其他專家進行,在製程各部份(一般稱為操作單元)的工程設計階段完成時進行。團隊會針對已完成的工程設計中每一個可能有危害的部份(或稱為「節點」)進行系統性、嚴謹、程序式的審核。這個審核以及其產生的文件即為危害與可操作性分析(HAZOP)研究。HAZOP研究一般會發現一些系統的危害情況,有需要透過SIF進行進一步的風險緩解措施。藉由防护层分析(LOPA)或是其他被認可的方式,可以定義安全儀表功能(SIF)在對應情況下的完整性等級(Integrity Level,簡稱IL)。完整性等級可以分類為安全完整性等級(SIL)或環境完整性等級(Environmental Integrity Level、簡稱EIL)。根據HAZOP研究的建議以及SIF對應的IL程度,即可完成每一個操作單元的工程相關機能,包括基本過程控制系統(BPCS)以及安全儀表功能(SIF)的設計。

系統設計编辑

安全儀表系統的設計目的是在有危險情形或是無法接受的情形下,進行特定的控制機能,使制程安全運作,或是維持在失效安全的條件下。安全儀表系統需和控制同一設備的其他控制系統獨立運作,以免安全儀表系統的機能受到影響。安全儀表系統的組成元件(像是传感器、逻辑求解器、执行器及其他控制元件)和其他基礎过程控制系統(BPCS)相同。不過這些元件的目的都是為了讓安全儀表系統正常運作。

安全儀表系統要進行的特定控制機能稱為「安全儀表機能」(Safety Instrumented Functions、SIF),是整個风险管理策略的一部份,其目的是消除以前識別到SH&E事件的可能性,SH&E事件可能小到設備的小幅損壞,大到不受控制的災難性能量及(或)物質釋放。

安全狀態需要有對應的時間規格,或是有「制程安全時間」(process safety time)的資訊。

裝置编辑

若要安全儀表系統正確運作,需要一連串的設備都正常運作。其中一定會有感測異常運作條件的感測器,例如高流量、低水位或是不正確的閥門位置。需要逻辑求解器(logil solver)接收感測器的訊號,依訊號的特性進行適當的決策,以及依使用者定義的逻辑改變輸出狀態。逻辑求解器可以是電機型、電子型、或是可程式電子設備,像是继电器、跳脫放大器(trip amplifier)或是可程式邏輯控制器(PLC)等。之後,逻辑求解器輸出的變化會驅動最終控制元件,作用在制程上(例如關閉閥門),將其帶到安全的狀態。安全儀表系統會需要支援系統(例如動力、設備氣體及通訊等),其支援系統的設計需要滿足完整性及可靠度的要求。

國際標準编辑

國際標準IEC 61511英语IEC 61511已在2003年發行,此標準是過程產業的終端用戶應用安全儀表系統的指南。此標準是以有關電子/電機/可程式電子系統的設計,架構及運行的通用標準IEC 61508為基礎。其他產業也有以IEC 6150為基礎的標準,例如機械業的IEC 62061英语IEC 62061、鐵路信號的IEC 62425、核能系統的IEC 61513以及車輛用的ISO 26262

相關概念编辑

以下詞語常和安全儀表系統一起出現,或是用來描述系統要求的安全程度:

  • 關鍵控制系統(Critical control system)
  • 安全關斷系統(Safety shutdown system)
  • 保護性儀表系統(Protective instrumented system)
  • 設備保護系統(Equipment protection system)
  • 緊急關斷系統(Emergency shutdown system)
  • 生命攸關系統(Safety critical system)
  • 互锁(Interlock)
  • 联锁(Interlocking)
  • 環繞保護(Wrap around protection)
  • 過程關斷系統(Process shutdown systems)

相關條目编辑

參考資料编辑

外部連結编辑