什么是安全仪表系统？

将危险物料处理作为核心业务流程一部分的企业，依靠安全仪表系统来保护工人安全，并降低火灾、爆炸、有毒化学品泄漏和核熔毁等灾难性事件的可能性。

安全仪表系统与另一种称为基本过程控制系统 (BPCS) 的业务流程系统密切相关。然而，BPCS 侧重于维持正常的业务运营，而 SIS 则专门关注安全。当 SIS 检测到危险状况时，它会启动预定义的响应，如从阀门释放压力或激活紧急停车系统。

安全仪表系统主要用于过程工业，即通过化学、物理、生物或热过程将原材料转化为产品来制造产品的行业。这些行业包括石油和天然气、化工制造、发电、制药和水处理。为了管理风险，在这些行业运营的企业部署安全相关系统来检测危险状况并将系统恢复到安全状态。

SIS 的主要目标是将系统或过程恢复到安全状态，即设施或单台设备在危险事件发生后重新恢复安全的状态。

每个安全仪表系统的核心是一个或多个安全仪表功能 (SIF)，即 SIS 在检测到危险状况时执行的安全动作。例如，如果 SIS 检测到化学反应器中的危险液位，其紧急切断阀和泵控制装置可自动阻止更多物料流入反应器。

所有安全仪表系统均受国际电工委员会 (IEC) 制定的标准严格监管。IEC 61508 和 IEC 61511 标准为企业构建 SIS 架构时提供了应遵循的详细框架。

安全仪表系统 (SIS) 通过监控系统和过程，并在检测到危险状况时采取预定义动作来发挥作用。系统设计因应用程序和行业而异，但大多数 SIS 架构由三个主要组件组成：

• 传感器
• 逻辑解算器
• 最终控制元件

SIS 的第一层由传感器和变送器组成，它们持续测量系统或过程内部压力、温度、液位和流量的细微变化。这些小型设备提供关于运行状况的实时数据，并检测可能表明存在危险状况的偏差。

大多数现代 SIS 工具依赖多个传感器提供冗余，并降低误报警的可能性。冗余架构降低了单个设备故障未被检测到的可能性，并有助于提高软件仪表系统的可靠性。

逻辑解算器是 SIS 的决策组件，负责接收来自传感器和变送器的输入，并评估数据是否满足预定义的安全条件。如果逻辑解算器评估的数据表明存在危险状况，它可以自动执行安全响应。

在大多数现代工业自动化环境中，逻辑解算器依赖称为安全可编程逻辑控制器 (PLC) 的专用控制器，来接收和评估信号并启动安全功能。与专注于优化生产的传统 PLC 不同，安全 PLC 仅控制 SIS 内部的功能安全应用。

最终控制元件是 SIS 内部执行过程变更并将其恢复到安全状态的实际物理组件（运营技术）。一些常见的最终控制元件有阀门、隔离阀、电机启动器、继电器、风门和执行器。当逻辑解算器检测到危险状况时，最终控制元件会采取预定义的保护动作。

例如，当传感器向逻辑控制器指示管道内危险物料的液位超过预设限值时，逻辑解算器部署执行器实际关闭阀门并停止物料流动。如果正确执行，这一过程会将系统恢复到安全状态。

安全生命周期管理是一个结构严密的过程，企业依赖它来确保安全仪表系统 (SIS) 及其仪表功能正确执行。

以下三个关键组成部分对于有效管理安全生命周期和确保 SIS 有效至关重要：

• 安全完整性等级：安全完整性等级 (SIL) 是 SIS 中特定安全仪表功能所需的风险降低程度。SIL 范围从 SIL 1 到 SIL 4，等级越高表示可靠性越高。对于大多数企业而言，SIL 2 和 SIL 3 是可以接受的，因为它们能显著降低风险，同时仍具实用性和成本效益。
• 安全要求规格：安全要求规格 (SRS) 定义了 SIS 中特定安全功能的可靠性和运行要求。在设置 SIS 时，组织通常会进行不同类型的危险与风险评估。最常见的是危险与可操作性研究 (HAZOP) 和保护层分析 (LOPA)。这些广泛接受的方法有助于机器操作人员和技术人员确定，在潜在危险过程周围应设置哪些恰当的安全防护措施。
• 验证测试：最后，设计 SIS 并将其投入运行的企业必须持续测试，以验证其安全功能是否正常工作。验证测试包括对安全仪表系统的定期检查以及精心协调的测试，以验证 SIS 在危险状况出现时能正确运行。除验证测试外，企业还跟踪涉及危险过程设备的关键指标，如故障率和需求时故障概率 (PFoD)。

现代工业设施越来越依赖人工智能 (AI) 和物联网 (IoT) 等复杂的自动化技术。虽然这些技术提高了效率并增加了生产力，但它们也给环境、健康和安全 (EHS) 以及业务连续性带来了新的风险。例如，如果没有适当的防护措施，现代设施中的单一设备故障可能升级为危险事件。

实施安全仪表系统 (SIS) 有助于组织提高过程可靠性、改善工人安全，并更好地保护其最重要的资产。根据最近的一份报告，对 SIS 工具的需求正在上升，目前 52.6 亿美元的市场规模预计未来五年将达到 73.2 亿美元。

以下是在企业层面部署 SIS 的一些常见好处。

SIS 通过持续监控可能导致危险状况的过程和系统，加强过程安全管理。根据一份报告，SIS 凭借其检测和响应能力，可将工作场所事故减少高达 80%。通过自动跟踪变量并启动保护动作，安全仪表系统有助于降低事故和灾难性故障的可能性。

例如，工业设施的工人日常工作常常要处理危险和易燃化学品。由 SIS 启动的安全停车系统可以提醒他们注意潜在暴露风险，并采取纠正措施。当状况超出某些容许阈值时，SIS 能够比人更快、更一致地做出响应。

SIS 监控的许多过程和系统，是业务运营管理的核心——业务运营管理即设计和优化业务流程以提高效率和韧性。除了带来安全问题外，资产故障还可能导致重大经济损失。

通过防止反应器、管道、压缩机、涡轮机和其他关键资产受损，SIS 可以降低维修成本并减少计划外停机时间。例如，大型离心压缩机是天然气行业中一些最关键、最昂贵的资产。技术人员和机器操作人员对安全仪表系统进行编程，以监测流量、压力和振动水平，防止出现称为喘振的状况，即流经压缩机的气体变得不稳定并可能损坏资产。

设计和运行 SIS 可以从多个方面帮助组织提高合规监控能力。首先，过程工业因其核心业务流程所涉物料的性质，往往须遵守严格的安全法规和标准。遵守 IEC 61508 和 IEC 61511 标准，表明组织对工人安全的承诺，并证明其已正确实施了功能安全管理的最佳实践。

其次，监管机构和保险提供商通常要求设施保有文件化的安全计划，其中包括 SIS 设计、验证测试文档和已记录的维护活动。

可靠的 SIS 通过在仅 当状况确实危险时才停止设备，帮助组织降低误停机的可能性。没有 SIS 时，机器操作人员必须依赖手动停车，这增加了误停车的可能性，因为手动过程不如自动化过程可靠。

此外，在不安全条件下运行设备会增加故障的可能性。设计得当的 SIS 可以防止灾难性的设备损坏，并有助于减少紧急维修、连带故障和计划外停运的次数。

安全仪表系统通过提供针对危险事件的独立保护层 (ILP)，帮助改进风险管理举措。尽管适当的程序和操作人员干预有助于在培训期间降低风险，但 SIS 可以主动监测状况，并在状况变得不安全时进行干预。

以下是安全仪表系统有助于预防的一些常见危险事件示例：

• 控制阀未能有效控制有毒化学品浓度
• 过程控制系统未能维持安全条件
• 操作人员未能识别已存在的危险状况
• 轴承、管道、电机和其他硬件组件故障

安全仪表系统主要用于过程工业，以保护将石油、水和化学品等原材料转化为产品的过程。以下是五个最常见的应用实例：

• 石油和天然气：石油和天然气行业依赖安全仪表系统来监测炼油厂、海上钻井平台、管道和加工厂。专为石油和天然气设计的安全仪表系统定期执行高压停车、检测危险化学品并执行设备的自动隔离。
• 化学制造：化学品制造商依赖安全仪表系统来监测反应性、有毒或易燃的液体和气体。在化工厂中，SIS 监测反应器温度、液体和气体压力以及化学品浓度，以保障工人安全并防止灾难性故障。
• 发电厂：发电厂运营商使用安全仪表系统来保护涡轮机、锅炉和辅助系统等宝贵资产。发电厂中 SIS 的安全功能通常包括涡轮机超速保护、锅炉停车和冷却系统监测。
• 制药制造业：在制药行业，安全仪表系统有助于确保生产设备和关键系统的安全运行。在制药行业中，安全仪表系统有助于确保生产设备和关键系统的安全运营。许多制药厂使用易燃溶剂、有毒化学品和高压系统。为制药厂工作负载设计的 SIS 有助于调节合成反应器、溶剂储存系统、蒸馏装置和高压反应器。
• 废水处理设施：水处理设施使用 SIS 技术来精心管理化学投加系统、储罐和泵站。废水处理的安全功能有助于防止各种潜在危险事件，如输送系统故障、气体和有毒化学品泄漏、火灾和爆炸。