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化工生产通常具有典型的易燃、易爆、有毒及高温高压的生产特征，属于高危行业。随着化工设备装置及产能的大型化，由事故导致的危害对社会诸多方面造成的严重后果日益引起人们的关注。尽管我们可以通过执行严格的规章制度、正确的操作方法、恢复性的年度检修和日常维护等方式来减少或避免事故和灾害的发生，但没有安全的化工生产。因此，在化工生产装置中总是设有各种不同类型的安全设备及措施，以尽可能地降低事故或灾害对人身安全、设备安全和环境保护造成的影响。化工生产中的安全保护系统按专业主要分为机械、电气和仪表三类，而近几年安全仪表系统SIS(safety instrUment system）发展较快并得到广泛应用。由于大型化工生产装置中对生产安全性有较高要求，新项目通常独立配置安全仪表系统，完成过去由继电器、PLC或DCS完成的逻辑控制功能。为进一步提高装置仪表的安全防护等级，确保仪表故障或事故状态下人身设备和环境的安全，达到并符合及安监部门的要求，需对现有系统进行改造改造的目标是实现逻辑控制与连续控制功能的独立限度地避免过去同一系统下控制功能同时失效带来的风险，实现合成氨装置保护系统的高安全性。
一、安全仪表系统的选型
安全仪表系统的选择应当符合国际电工委员会 (IEC)2000年发布的IEC 61508《电气／电子／可编程电子安全相关系统的功能安全》标准，并经TUV认证。作为衡量电气／电子／可编程电子设备（E/E/PE）功能安全的标尺，IEC 61508标准的发布，为危险工业、安全仪表系统用户、系统集成商和设备供应商提供了一个统一的、为各方所接受的标准规范。选择经过TUV认证且符合IEC 61508标准的系统，用户将不需要依靠长期的实际经验或进行测试就能获得所选系统在安全可靠性、有效性、可维护和管理性上的严格保障。
1.1 SIS与DCS的主要差异
按照IEC 61508和IEC 61511标准，安全仪表系统和DCS系统是两种不同类别的系统，但两者互为补充和联系，主要差异如下。
①设计标准规范不同
安全仪表系统产品是按照IEC 61508标准设计、生产制造的，产品应用也要遵循IEC 61511提出的要求，有着统一的国际（国内）标准规范，并为制造商、用户各方所接受。DCS系统只需要达到使用及地区的标准规范要求、满足用户提出的要求即可。用户在选择和综合评估不同制造商的DCS系统时，更多考虑的是根据市场调查得到的其他用户的使用经验和供应商提供的资料数据。
②产品定位不同
安全仪表系统用于生产过程中的安全防护，功能安全是其核心定位，要求具有较高的可靠性和可用性。DCS系统则是用于生产中的过程控制，控制功能是其核心定位，要求满足和实现生产过程中需要的各种控制功能，并通过各项生产指标的优化控制，实现生产装置的节能降耗和增效。
③工作特性不同
DCS系统是一个“动态”的过程控制系统，它实时采集现场大量的各种工艺数据，根据预定的控制策略进行运算（通常较为复杂耗时）处理后控制现场执行元件（调节阀）的动作。这个过程经常伴有操作人员的人工干预，响应处理速度一般在几百毫秒到一秒之间。安全仪表系统可以看作是一个“静态”的系统，正常工况下，它是“静止”的，不会发出控制输出指令，一旦达到或超过临界点，则快速响应进行逻辑运算（一般较为简单）处理后控制执行元件（电磁阀、两位式快动阀等）的动作，使装置处于所需的安全状态。这个过程一般没有人工操作干预，响应处理速度一般在几十到几百毫秒，优于DCS系统。
④产品认证不同
安全仪表系统（或该系统中的子系统及部件）需要经过独立公认的第三方**安全机构的严格认证，如在世界范围内被认可的德国TUV认证。DCS系统则可以不需要通过这种认证，只需取得通用的认证即可，如UL、CE等。因此，在SIS选型时，要特别注意SIS与DCS的差异，不能按DCS的选型思路来选择安全仪表系统，且需要重点关注SIS全系统的安全性、可用性与可靠性。
1.2安全完整性等级的确定
安全完整性等级SIL(safety integrity level）是指在一定时间、一定条件下，安全相关系统执行其所规定的安全功能的可能性。选择安全仪表系统时，需要确定安全仪表系统的安全完整性等级。安全完整性等级是对安全仪表系统安全性能的要求级别，一个装置的危险性越高，对安全仪表系统要求的安全等级就越高，获得对应级别安全性能所付出的安全成本也越高。生产装置的危险由下式决定:
Risk=Probability*Consequences
式中：Risk表示装置可能的危险；Probability为危险发生的概率；Consequences表示危险的后果
危险发生的概率为危险事件发生概率与安全仪表系统的失效概率的乘积，而SIL与失效概率有着对应关系。因此，SIL反映了安全功能对整体风险水平降低的作用程度。在评估和确定安全完整性等级时，根据生产装置的特点、工艺的危险性、和企业相关法规所要求达到的安全等级，由具有资质的专门机构进行，也可由企业根据自己实践经验分析确定，通常大型化工、石化和电力行业所需的安全等级为SIL3级。合成氨装置作为我公司在当地的重大危险源之一，对企业和周边地区人身、设备和环保有重大的影响。按照通常大型化工装置的安全等级防护要求，确定合成氨装置的安全完整性等级为SIL3。需要强调的是，安全完整性等级是对整个系统而言，包括输入输出环节上的所有串联设备（部件）都应该纳入考虑的范畴。然而，现阶段输入输出设备能够达到SIL3并经过TUV认证的并不多，输入输出设备中的变送器（传感器）、安全栅、继电器、电磁阀和阀门等多为SILI或Sl 砚。用户可以根据具体使用情况和安全性要求进行评估后选择，尽可能选用接近所要求安全完整性的产品，或在关键回路中尽量选用SIL高的产品，或通过其他方法来提高SIL等级，如在安全仪表系统中使用的变送器，单台使用的情况下，SIL可能只能达到SILI或SlU，如果需要达到SIL3，就需要使用多台变送器，通过表决取值（三选二、变化率选择或其他方式）来实现。改造过程中，我们对重要关键回路（如压缩机润滑油压等）保留了过去三选二的配置和处理。
1.3 SIS产品本身安全性的识别
停车联锁拒动与误动是系统运行中存在的关键问题。误动带来的风险是企业短时局部经济效益的损失，拒动带来的风险则可能导致企业人身、设备和环境的巨大灾难，后果影响是长期重大的。化工安全仪表系统的功能是安全防护，其主要用途之一是化工生产过程中的安全防护，即停车联锁控制，此时，也将安全仪表系统称为紧急停车系统ESD(emergency Shut down）。功能安全是安全仪表系统的核心特征，设计理念与应用须遵循IEC 61508/61511标准，且必须是故障安全型的控制系统。
安全仪表系统本身必须具有很高的安全性。当系统检测到装置工艺变量达到或超过临界值时，必须完成安全保护动作，避免事故或危险扩大，这是它的正常功能。另一方面，安全仪表系统必须有很强的诊断功能，系统中局部故障或失效产生单点故障时，故障不会扩大并可切除或隔离；当系统中的故障足够严重（非工艺参数变量引起），如系统不能正常工作，或者因为系统中的故障导致安全仪表系统的安全完整性等级下降时，安全仪表系统将宕机，系统中独立的诊断模块（看门狗）将触发故障安全保护动作，保证系统不会因为重大仪表系统故障产生拒动的风险而失去安全性，从而保障了工艺装置的安全性。如本次改造采用霍尼韦尔SM系统集中完成全部输入逻辑处理运算和输出设备的控制，集中度高、风险高，对SIL的等级应高于输入输出。这种SIL级别的要求包括系统内部逻辑处理器的输入输出接口、处理器（CPU）、电源、总线、通信接口和软件系统，且必须是通过TUV认证的。FSC2OO4D系统结构如图1所示。控制处理器由冗余的两块CPU卡构成，每个CPU卡有两个微处理器，安全降级模式为4-2-0，正常工作时为SIL3；当一个CPU卡出现故障时，仍为SIL3；当两块都坏时，系统将宕机，故障安全保护将动作图。
二、SIS在化工装置中的应用
在本次改造中，将关键回路的逻辑控制与ESD系统从TPS中独立出来，从而提升逻辑控制与主要化工设备与装置的安全性。由于选用的SM系统本身是SIL3系统，因此，改造的关键在于输入输出环节的可用性与可靠性的处理。
2.1 增强SIS的可用性
应用在安全仪表系统中，可用性也是系统的一项重要指标和性能。简单地说，可用性是指系统不因单点故障的产生而丧失系统功能（或使用）的性能。在DCS系统中，通常采用冗余技术来获得系统的可用性，安全仪表系统也不例外。对于我公司大型连续生产的化工生产装置 ― 合成氨装置，不能因为系统单点的故障影响到系统的可用性，高可用性是必须的。为了获得高可用性，在合成气压缩机控制中仍然按全冗余进行配置，包括电源等硬件。
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