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控制系统 - 安全仪表控制系统

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    怎样选择安全 PLC

    华镕 2010-11-24 10:17
     How to Select a Safety PLC
    摘要
           这篇文章表述了选择安全PLC的系统方法论。它将描述基于技术要求(如安全要求)和商业要求(如可用性和生命周期成本分析)对安全PLC的评价。
    关键字
           安全PLC,冗余结构,生命周期成本,利润率
    ABSTRACT
           This paper will present a systematic methodology for selecting a Safety PLC platform. It will describe the evaluation of Safety PLC’s based upon both technical requirements (i.e. safety requirements) and commercial requirements (i.e. availability and Life Cycle Cost analysis).
    KEYWORDS
           Safety PLC, Redundant Architecture, Lifecycle Cost, Benefit-to-Cost Ratio
    引言
           如何选择贯串流程工业控制的安全仪表系统(SIS)已经成为重要的话题。很多公司已经接受了基于性能的标准,诸如:ANSI/ISA 84.01、IEC 61508和IEC 61511。越来越多的仪表制造商进入了遵从这些标准的行列。他们开发了大量的产品“适用于”安全仪表系统。这些产品包括传感器、变送器、阀门、阀门定位器和各种逻辑解算器。
           很多用户并不担心如何选择合适的传感器、变送器或者阀门定位器,但对于品种繁多的逻辑解算器却无所适从。问题非常清楚,逻辑解算器的选择范围从简单报警分离结构到超过了20家不同厂商生产的各种各样安全PLC。这些PLC的结构从1选1到三重化和四重化冗余系统,具有不同等级的自诊断。
           对于这么多的选择,控制工程师如何选出“最佳”的系统用于他的项目或者工厂呢?如果他犯了保守的错误,选择比满足应用要求更复杂的系统,可能要多花掉企业的几万美圆。另外,更糟的是,过分简单的系统不能达到要求,使人生安全至于不必要的危险之中。当考虑到整个生命周期的成本时,问题会更严重。
           一旦你完成了危险分析,进行了初始设计和完成一些安全完整性等级(SIL)的计算,你认为你的工作完成了吗?答案是否,还有一些问题需要考虑。比如这个项目的经济性如何?安全仪表系统的结构是否优化了成本、增加了可用性、减少了误动作?安全仪表系统是工厂设施的投资吗?比如考虑下面的简单情形:
        ·一个人有一所位于可能发生洪灾地点的房子;
        ·洪灾保险的费用为 $1,000 / 年;
        ·修复因洪灾造成的房屋损失估计为 $10,000;
        ·发生洪灾的概率为 50 年一次。
           你会为上述的事件投资购买洪灾保险吗?假设有 6% 贴现率和10年的房屋所有权, 未来价值计算产生的费用是 $13,181。因而,按照规定,上述保险要比实际的事件花费的多。如果人们能够分析上述的情形,为什么不采用相同的逻辑来复审安全仪表系统设计的方案呢?
    本文提出了5步方法论,帮助你执行安全仪表系统的经济分析,确保选到“最佳”的系统:

    1. 第一步 – 选择一种可以使用的SIS结构进行评估(传感器、逻辑解算器和最终部件);
    2. 第二步 – 执行 SIL 计算,基于给定功能测试间隔,决定要求时的平均失效概率(PFDavg)和平均安全失效时间(MTTFS);
    3. 第三步 – 根据现在净价值(NPV)计算生命周期成本;
    4. 第四步 – 计算利润率;
    5. 对每种可能用于项目的 SIS 结构重复上面步骤。
    :第一步和第二步代表的任务与安全生命周期相关,并且通常已经在安全仪表系统的设计时执行了。

    图1 - 经济分析流程图
     
    生命周期成本
           生命周期成本是为选择的安全仪表系统贯串整个生命周期所有发生的费用,而不仅仅是原始购买系统的费用。这对可能发生重大设备失效的成本是特别重要的。这个评估目的是概括所有采购和拥有安全仪表系统在生命跨度中的费用。采购费用在项目的生命期间仅有一次。操作费用会在安全仪表系统生命过程中不断发生和反复出现。与系统失效相关的费用占据了生命周期成本的大部分。
           生命周期成本评估能显示:企业可以通过选择“最佳”的安全仪表系统结构最小化整个费用。评估考虑的费用包括:设计、购买、安装、启动、功能测试、能源、维修、失效事件和生产的损失。为了得到完整的生命周期成本,所有的年操作费用要转换成“现在值”。所有将来的费用,使用一个贴现率(利息/通涨)转换进它们的当前值。初始费用和现在年费用相加得到整个生命周期的成本。应该对每种被提议的安全仪表系统结构进行评估,以获得最小的生命周期成本。
     
    表 1 – 生命周期成本的成分

    利润率(利益与投资之比)
           另一个工具是按商业原则计算利润率,判断是否选择了“最佳”的安全仪表系统结构。如果利润率大于1,系统具有投资效益。比如,一个系统具有1.5的利润率,每投资 $1.00,系统会收回 $1.50。
           因此,利润率的计算公式如下:

    公式中,
           B-C Ratio = 利润率;
           FNo-SIS = 无 SIS 不希望事件的发生次数; 
           FSIS = 有 SIS 不希望事件的发生次数;
           EVNo-SIS = 无 SIS 事件损失的全部预期价值;
           EVSIS = 有 SIS 事件损失的全部预期价值;
           CostSIS = SIS 全部生命周期成本(按年计算);
           CostNT = 由于误操作导致的成本(按年计算)。
    样板案例
           下面的案例将向你显示如何对SIS主要部分的结构进行经济地分析、选择和设计。
           企业已经完成他们的初始风险分析,并且对批处理反应器相关的SIL等级进行了选择。团队确定使用一个单一安全仪表功能(SIF)的设备用于这个特殊单元的操作。结果如下表所示:
    表 2 –  安全仪表功能(SIF)概要
     
          SIL 选择过程包括一个保护层分析(LOPA)。基于上面的信息,SIS 工程师需要执行下面的工作:
          1. 选择 “最佳”功能测试间隔时间;
          2. 选择“最佳” SIS 体系结构(传感器、逻辑解算器和最终部件);
          3. 假设有 6%贴现率,为企业设计一个超过15 年时间周期、具有最小成本的SIS。
          因此,SIS 工程师需要回答下面关于“最佳”设计的问题
          1. 传感器:变送器对比开关和相关的结构(1选1,2选1,3选2,等);
          2. 逻辑解算器:继电器对比可编程电气和相关的结构(1选1,1D选1,2选1, 2D选1,3选2,4选2,等);
           3. 最终部件:结构和测试要求(全部冲程对比部分冲程)
          用于SIF-001的管道和仪表图(P&ID)见下面图 2。

    图 2 – 高压 SIF 示意图
     
            使用图1经济分析流程图中的步骤,完成下面的分析。为了强调成本的重要性,分析按两种不同误操作成本情形(误操作成本分别是$10,000 和 $150,000)进行。另外,对两种不同的事件成本进行评估(容器破裂的成本分别是 $1,000,000 和$12,000,000)。
            步骤 1:SIS 概念设计结构选择
            这是在工厂特殊区域安装安全仪表系统的第一步。同样地,SIS 工程师要在很大范围的选择中对新SIS的结构进行评估。因此,要对下面各种选项进行评估:
       ·开关对比变送器和要求的冗余;
       · 继电器对比安全 PLC 和要求的冗余;
       · 阀门和要求的冗余;
       ·12 个月测试间隔对比 24个月测试间隔。
           步骤 2:执行 SIL 计算(PFDavg 和 MTTFS)
           基于下面的设计条件,SIS 工程师完成下面 SIL 计算:
     
    表 3 – SIS 结构分析概要
     
            :为了满足 SIL 2 的要求,选项 1a,1b,3a,3b 和 4a 将在进一步的分析中删除,因为他们不能达到 SIL 2。
           步骤 3:计算生命周期成本
           为了计算生命周期成本,需要进一步的信息。对于样板案例,要使用下面的数据: 
       ·操作费用每年消耗 $500,再加上功能测试的费用。
       ·功能测试 = 2 人 8 小时 @ $70/小时,加上 8 小时损失生产的费用。
    表 4 – SIS 生命周期成本分析概要 - $10,000 误操作成本
     
    表 5 – SIS 生命周期成本分析概要 - $150,000 误操作成本
     
            上面两个表强调了误操作的成本能够占据整个费用的多少。在表 4 中,误操作的成本假设为 $10,000时,最佳的 SIS 结构由冗余压力变送器、电流开关和阀门、每24个月测试构成。在表 5 中,误操作成本假设为 $150,000时,最佳的 SIS 结构由冗余压力变送器、1oo2D 安全 PLC 和 1oo2 阀门、每24个月测试构成。注意根据实际使用的成本,结果会有所变化,并且有不同的 SIS 结构成为用于你项目的“最佳”。
            步骤 4:计算利润率
           为了计算利润率,还需要一些另外的信息,通常这些信息在完成的SIL 结果中。在样板案例中,使用下面的数据:
           FNo-SIS = 1 / 50 年(从 SIL 选择风险排行过程);
           FSIS = 根据 PFDavg x FNo-SIS 的计算;
           EVNo-SIS = 评估 $1,000,000 或 $12,000,000 事件;
           EVSIS = 评估 $1,000,000 或 $12,000,000 事件;
           CostSIS = 根据选择的结构会有所变化;
           CostNT = 评估 $10,000 和 $150,000 事件。
           :为了强调在整个分析成本的重要性,对两种不同事件成本,以及两种不同误操作成本评估。
    表 6 – SIS 利润率分析概要 - $10,000 误操作成本
     
           情形 SIS成本(每年) 误操作成本 无 SIS事件 有 SIS事件 无 SIS失效 PFDavg  有SIS失效 误操作率(年) 误操作成本(每年) 利润率

     
    表 7 – SIS 利润率分析概要 - $150,000 误操作成本
     
           情形 SIS 成本(每年) 误操作成本 无SIS 事件 有 SIS 事件 无 SIS 失效 PFDavg  有SIS失效 误操作率(年) 误操作成本(每年) 利润率
            从上面的利润率数据可以看出,不是所有的结构都是正确的的投资。
    结论
            基于前面的评估,很容易地看出:不能简单根据完成的SIL计算就决定是否能达到SIL等级。复审14 种不同的 SIS 结构,发现这些设计中只有9种满足 SIL 的要求。根据进一步的复审,只有两种 SIS 结构在最小化成本方面是“最佳”,以及具有利润率 > 1.0。两种 SIS 结构如下:
     

    表 8 – 最终 SIS 分析概要

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