DCS系统与SIS系统在关键单元集成控制的工程设计

【摘 要】本文针对化工装置中部分关键回路需同时实现控制功能和安全联锁情况下的自控系统工程设计进行了研究，以实际工程项目为例介绍了DCS系统和SIS系统在集成控制需求下的检测输入、逻辑运算、系统输出的工程设计方案和原则，这些工程方案均可同时实现良好的控制功能和安全保障。本文同时指出各类方案的选择还需在实际项目中根据装置的安全度等级要求、控制需求、投资等因素综合考虑。

【关键词】DCS系统；SIS系统；检测输入；逻辑运算；系统输出；集成控制

0 引言

《石油化工安全仪表系统设计规范》对安全仪表系统（SIS）规定了设计、施工、维护的原则，对照同为石油化工行业标准的《石油化工分散控制系统设计规范》，我们可以看出分散控制系统（DCS）的主要特点是动态过程，用于对装置过程变量进行连续的测量，运算和控制，而SIS系统是静态过程，对装置的生产进行监测，在事故状态下保护动作，实现装置的安全联锁[1]。SIS的可靠性较DCS要求更高，因此各标准都推荐SIS和DCS的硬件系统独立设置，如SIS系统独立于DCS系统，独立完成安全保护功能；SIS系统的传感器、最终执行元件宜单独设置等等[2-3]，然而随着炼油工艺的发展，用户在很多关键回路、阀门上同时有DCS和安全联锁的需要，即控制和安全两套本应独立的系统会在某些关键控制点上出现集成控制，这就要求自控系统中周密考虑设计、集成、施工等问题，在做到遵照SIS系统设计规范要求的同时，还能充分、灵活地满足复杂工艺控制的需求。

SIS与DCS无缝集成的方法包括同种分离和异种分离两种[4]，异种分离指不同品牌的DCS和SIS之间集成，同种分离指同一品牌的SIS和DCS共用网络、人机界面和组态。同种分离有着维护和工程的便利，减少了维护错误等随机性风险，但却增加了系统失效风险和共因风险，因此在当今大量化工装置设计中，SIS与DCS的集成仍然是异种分离，本文以已实施的DCS和SIS化工工程项目实施资料为基础，精选了各种DCS与SIS集成控制的工程样例，用以说明集成控制的技术方案和工程实施要点。

1 特殊工艺单元和关键控制中SIS和DCS集成控制必要性

SIS是静态操作，把系统的可靠性放在首要位置，因此常规的操作不在SIS上进行，以免误操作造成意外停车，目前的SIS系统中也不提供功能强大的PID控制运算模块，即使是在某些特定场合，如机组控制中，工程人员也只用简单的PID控制来实现。SIS里面的顺序控制也只是强调逻辑运算而非控制运算功能，在顺控过程中夹杂有复杂的控制场合，如有程序升温，程序泄压等复杂控制时，SIS将无法满足控制要求，这些复杂控制功能只能由DCS来实现，而SIS只执行相关安全联锁的程序。

此外，炼油装置中大量的特种阀门用于装置的关键控制，例如催化裂化装置的再生/待生滑阀、延迟焦化装置的四通阀等，这些特种阀门可靠性高，投资巨大，用于关键控制。以催化裂化为例，正常生产过程中再生滑阀的开度控制了催化剂循环量，直接影响到反应温度，在正常生产中，该阀作为提升管出口温度控制回路的输出执行机构，而在事故状态下，该阀响应SIS的控制命令全关，保证反应器和再生器切断以及装置安全，因此该阀在控制方案设计中就必须能实现同时接收来自DCS和SIS的控制命令，分别实现正常控制和安全联锁，且安全联锁的命令享有更高的优先级别。对于这种特种阀门，无论是从投资还是工程的角度来看，依据SIS系统中阀门冗余的要求来设置都是不适用的，这种情况也导致了SIS和DCS的集成控制情况的存在。

2 SIS和DCS集成控制的工程设计

SIS的核心由检测输入，执行机构，逻辑运算单元组成[5]，在与DCS集成控制中，这三部分都有自己的工程设计原则和实现方法。

2.1 检测输入的工程设计

检测输入包括现场变送器检测的AI、DI等信号，对于安全度等级为二级的安全系统要求检测器应单独设置，与过程系统分开，但在很多项目中，限于设备和投资情况，检测器共用的现象仍比较普遍，只在机柜间实现不同系统之间的信号分配，工程中常见的方法包括：

2.1.1 SIS作为信号的转接和输出平台

某气化炉项目中，在气化炉进料和加热炉中存在大量的检测信号需进入DCS和SIS中。本项目中，检测信号依据SIS的设计规范首先接入到SIS系统， SIS系统安装有接收不同信号种类的IO卡件，这些卡件的输入/输出点采用硬接线的方式，重要参数采用三取二表决， 信号分别接到3个不同的输入卡，SIS 和电气之间信号（设备的启停、设备的状态），以及到电磁阀的信号用中间继电器隔离。当输入信号同时需分配到SIS 和DCS时，硬接线先接到SIS 的输入卡，经SIS的输出卡输出送到DCS，其中参与到DCS控制的点应采用硬接线，不作为DCS控制的输入或输出参数采用通讯模式，见图1。

该方案的设计保证了SIS信号输入的安全和时效，SIS系统的信号从输入到输出一般小于50ms，对于DCS的200-500ms执行周期来说，这个额外的信号传输时间是完全可以接受的。方案中1个现场来的AI信号对应自控系统的2个AI（SIS和DCS），1个AO（SIS输出到DCS），而参与联锁但不参与DCS控制的点可采用通讯模式由SIS传输到DCS，可减少SIS和DCS的IO卡件数量和接线工作量，减少自控系统成本。

2.1.2 一入二出的信号分配

一入二出的信号分配指现场变送器信号在现场机柜室内通过安全栅、隔离器、报警器等设备实现一路现场信号分配成两路，分别送至DCS和SIS系统的方法。虽然《石油化工SIS系统设计规范》并不推荐在安全等级度二级要求的情况下采用一入二出的信号分配方法，但对比SIS转接的方案，一入二出的方案减少了SIS信号至DCS的AO或者DO卡件，同时一入二出信号分配器设计和安装施工便利，这些因素使得一入二出的信号分配模式仍然在很多项目中大量存在。

对于一入二出的信号分配，工程设计和实施中需要注意以下两点：根据现场信号（AI，DI，本安，非本安等）选择合适的信号分配器类型，如安全栅、隔离器、报警器等；其次，信号分配器必须安装在SIS系统机柜内，由SIS系统供电。

2.2 系统输出的工程设计

执行器机构目前的方法有几种常见的方式，有早期的利用继电器实现DCS和SIS共同操作现场阀门的方案；有DCS操作工艺阀门，而SIS控制阀门的气源电磁阀的方案；以及利用SIS作为操作平台，DCS的所有阀位操作通过SIS来完成。

2.2.1 继电器回路

早期的硬接线和继电器回路仍可在DCS和SIS的集成控制中发挥作用，某PVC项目通过继电器回路实现SIS系统和DCS系统对阀门的控制，图2是两控制系统自动切换原理图，正常生产中通过继电器的带电吸合使DCS到阀门的回路接通，当SIS系统动作需使现场阀门进入安全状态时，利用安全盘上的切换开关，通过切换两个系统的供电使继电器的动作由SIS到阀门的回路接通，DCS到阀门的回路断开。

这种利用继电器回路实现阀门动作存在较多的缺陷，如继电器存在接点粘住（on-stuck）的固有故障几率[6]、接线烦琐。同时由于双回路的存在，不同系统的供电存在电位不等导致电流反串等现象（需通过加装反向二极管来避免），但较低的投资仍然让这种设计出现在一些安全等级要求相对较低的化工装置。

2.2.2 换向电磁阀

图3是已实施的某国外专利工艺项目的SIS和DCS的阀门集成控制方案，此方案中关键阀门的设计带有气源换向电磁阀的气动阀，SIS的执行器是有源换向电磁阀FY14191B，DCS的最终执行原件是气动阀门定位器FY12191A。正常生产时DCS的控制回路FIC14191通过执行器FY14191A实现对阀门的操作，事故状态下，SIS通过换向电磁阀FY14191B使阀门FV14191进入预设的安全状态（联锁号I12200）。

图3的方案中，DCS和SIS各自有自己的执行原件，控制系统中DCS和SIS各有相应的AO信号来实现对阀门FV14191的集成控制，这种方案使DCS和SIS的硬件界面划分清楚，控制方案也各自独立，避免了DCS和SIS之间的软、硬件和控制方案交集，对于DCS系统和SIS系统的维护和操作来说也具有很大的便利性，然而，由于各自执行原件的存在，使现场仪表数量和现场布线的工作也大大增加，导致现场仪表投资昂贵。此外，由于SIS系统的故障有85%是由现场仪表原因导致[7]，这种方案也增加了SIS系统的故障频次。

2.3 逻辑运算单元

DCS的控制运算无论在有无集成控制的情况下并无不同，都是按照工艺控制的需求完成PID、顺控等。

集成控制中，SIS的逻辑运算单元除了监视装置的联锁工艺条件外，还承担传递现场检测信号给DCS系统和DCS的AO信号传递到现场执行单元的功能，因此SIS的逻辑运算中增加了现场位号和输出位号到DCS位号的数值传递功能，需要SIS的逻辑单元完成位号间的赋值。

正常生产中，SIS系统的逻辑运算的输出结果是静态的、保持不变，而DCS是动态的、主动的，控制阀动作需随控制信号的变化而变化，不会长期停留在某一位置，针对SIS和DCS对阀门等不同的控制需求，SIS的逻辑运算中增加了选择输出功能：正常生产中，SIS输出到最终执行元件的结果是DCS控制运算结果；事故状态下，通过对装置是否进锁状态进行判断，事故状态时使SIS逻辑预设输出被选择，执行元件按SIS预设的执行动作使现场阀位进入安全状态。

3 结论

SIS和DCS对关键控制单元和关键控制点上出现集成控制时，需对两套系统的检测输入、逻辑运算、系统输出这几个方面进行针对性的工程设计，本文叙述的工程案例均可实现良好的控制功能和安全保障，具体方案的设计和选择需根据项目实际情况，依据装置的安全等级要求、投资、控制需求等各方面的因素综合考虑。

【参考文献】

[1]石油化工SIS系统设计规范：条文说明[S].19.

[2]，王彦刚，陈建平.工厂安全仪表系统设计要求及实现[J].石油化工自动化，2009（5）：12-16.

[3]刘太元，俞曼丽，郑利军.安全仪表系统的应用及发展[J].中国安全科学学报，2008，18（8）：89-96.

[4]王立奉.功能安全技术讲座第十九讲安全仪表系统（SIS）在石化装置上的应用[J].仪器仪表标准化与计量，2010（1）：16-20.

[5]薛东胜.从国际标准看安全仪表系统的设计（二）[J].石油化工设计，2008，25（3）：8-12.

[6]薛东胜.从国际标准看安全仪表系统的设计（一）[J].石油化工设计，2008，25（4）：11-13.

[7]李胜利，卢金芳.石油化工装置安全仪表系统的设计[J].工程设计及标准，2007（2）：18-22.