防爆行业新闻-功能安全-防爆安全概念

功能安全

据报道，在石化、钢铁、电力、医药等工业领域，大部分安全问题依赖于仪表与控制系统执行正确的功能，这种安全依赖于系统功能的情况，被称为“功能安全”。功能安全防止的是安全相关系统或设备的功能失效所导致的危险。

(1)仪表型安全系统SIL级别评估：机械工业仪器仪表可靠性技术中心、SIPAI高级工程师刘建侯先生在全面介绍功能安全的一些基本概念后说，在多种安全系统中，仪表型安全系统(SIS)有着广泛的应用。SIS由现场传感器/变送器、控制器、I/O模块、执行机构、I/O接口(如隔离式安全栅)及相关软件构成。保护系统和自动化控制系统都要求也有安全功能，在实际应用中两者可能独立，也可能结合实施。以前研究可靠性不考虑系统失效，现在要研究系统失效的问题。最近，对SIS技术在一个化工大系统的8个子系统中进行了典型应用，某一煤气分离项目，仪表产品有Rosemount的3051压力变送器和Siemens的有关模块和sanson的终端地件，SIS功能安全评估的目的是调查并判断SIS以及相关系统所达到的功能安全。衡量SIS以及相关系统功能安全的主要定量指标是安全完整性等级(SIL)和安全失效分数，而仪表及其系统的SIL是通过FMEDA(失效模式效应后果分析)确认和PFD(在要求时平均失效概率)计算获得的。根据IEC61508和IEC61511标准对项目的功能安全进行评估，确定8条防护系统的SIL等级，符合用户提出的SIL2等要求。

(2)对安全产品的SIL级别评估：德国库柏克劳斯—哈恩斯公司Anton Heinshill先生介绍，SIL是评估功能安全很好的方法。从用户考虑，若车间人少，产生故障时伤亡人数少，可认为是SIL2；若人很多，可认为 SIL4，但如果有疏散人员的通道，则SIL等级可降低。从对产品SIL级别评估要求考虑，SIL1可由本厂一个工程师来完成，SIL2要由本厂某一部门来完成，SIL1与SIL2的评估人员应是独立的，不能是产品设计人员，SIL3、SIL4要由厂外独立的认证机构来完成。由于SIL1、SIL2可在厂内(公司内)根据有关标准与法律责任进行评估，因此目前安全产品以SIL1、SIL2居多，其中绝大部分为SIL2，SIL2应用也最广。如果一个系统中，传感器为SIL2，其他为SIL3，那么整个系统为SIL2。

(3)EPA的功能安全与信息安全：浙江中控技术有限公司副总工冯冬芹先生介绍，具有我国自主知识产权的实时工业以太网EPA已列入IEC/CDV　61158　series　Type14标准，在国内结合EPA的应用正在制定EPA系列国家标准(约10个)。根据安全生产要求与国际标准化趋势，结合IEC61508/61511标准，当前要进行的工作是降低EPA网络的通信故障风险。具体做法是：分析安全通信风险，采取适用安全措施，尽可能检测出潜在故障和失效风险，提高通信故障检测率。风险来源有：芯片，数据破坏、重传、丢失、延时、乱序、超时，插入，伪装与寻址出错等。目前EPA的安全产品有：安全型网桥、网关、交换机、现场控制器等，EPA已在23家用户中推广应用。

(4)要加强安全生命周期的功能安全管理：SIPAI高级工程师李佳嘉女士介绍，电气/电子/可编程电子系统(E/E/PES)与SIS是大型机械、过程设备及其他成套装置安全的保护神。典型工业事故案例分析表明，绝大多数事故的发生均与相关的安全防护系统及其管理有关。其中，功能安全的管理是确定整体的E/E/PES和软件安全生命周期所有阶段的管理和技术，其主要内容包括：确定人员、部门和组织对整体的、E/E/PES的和软件的安全生命周期各阶段中活动的职责；建立相应的功能安全管理体系，它包括组织和资源，风险评价和风险管理，编制计划，计划的实现和监视、评估、审核与修改，对E/E/PES和软件安全生命周期各阶段应提供配置管理规程。

(5)我国应建立功能安全保障体系：机械工业仪器仪表综合技术经济研究所教授级高工史学玲女士介绍，目前我国实施功能安全标准遇到的最大困难，是现在技术、产业、组织与法律基础都离实施标准所要求的条件相差甚远。即使等同采用IEC61508的我国国家标准发布，由于不具备标准实施的基本条件，发布的标准也等于一纸空文。IEC61508是在欧美等工业发达国家多年来安全控制相关的技术、管理、法律、产业、市场等发展到一定程度的自然产物，我国要跟上这个步伐，无论是哪方面，都有很大的空间需要填补。我国实施功能安全标准的战略目标，是在我国石油、化工、冶金、电力、交通、煤炭、矿山等高危行业，通过安全控制系统与保护系统的可靠工作，实现对危险的有效控制与防护。其总任务是建立我国功能安全保障体系，它包括两个支柱：技术体系与组织体系；6个安全支撑要素：标准体系，法律法规，政策策略，产业化与创新，中介服务体系，国际合作。必须依靠完善的支撑环境，功能安全标准才能进入良性的运作状态，安全才有保障。

(6)SIS的解决方案与经认证的产品：西门子Matthias Kismmer先生介绍，SIMATIC安全一体化技术作为SIS的解决方案，基于经过认证的产品与系统。SMATIC故障安全系统既可作为独立的安全系统使用，又可集成到SIMATIC PCS7中，实现一体化的过程安全控制。S7-400 F/FH是基于容错技术达到SIL3要求的故障安全型控制器，其I/O卡件能诊断出内外部错误，并具有全部的内部冗余。此外，还有经认证的组态软件、PROFIsafe故障安全通信协议等产品和技术，特别是SIS中的PST(部分动作测试技术)可提高SIL级别。

艾默生的姚永斌先生介绍：Smart SIS是一个完整的安全解决方案，它以PlantWeb工厂管控网技术为基础，设计了新的中央逻辑单元，并对变送器和阀门控制也作了SIL3的安全系统认证，能方便地与主要基层过程控制系统(BPCS)完美集成。新的中央逻辑控制器SLS1508既是控制器又是I/O卡件，这是全新的概念，经认证达到SIL3。在控制系统中出现的故障，控制终端约占52%，艾默生已有阀杆部分行程动作测试技术，可在控制室检查阀门的问题，提高了安全性。以Smart SIS为核心的DeltaV SIS智能安全仪表系统，2005年经T?V认证，已达到SIL3。

新加坡P+F公司大中国区技术与工程经理李邵先生清晰地介绍了功能安全的一些基本概念后说，P+F公司是遵循IEC61508生产安全栅等安全产品的。经SIL等级认证的安全栅不是所有场合都适用，用户选用安全栅时应注意其标明的两个重要指标是否满足需要：一是PFDavg，当安全栅用于紧急停车系统时的指标，二是PFH(每小时危险失效概率)，安全栅用于连续控制回路时的指标。

防爆安全

凡涉及爆炸性危险物质的储存、运输以及物料的生产、加工和处理的过程，通常都存在防爆安全问题。

(1)防爆安全隐患及对策措施：SIPAI副所长、NEPSI站长徐建平先生在全面介绍防爆技术一些基本知识后说，防爆工程项目已无处不在，例如煤矿井下约有2/3的场所、石油开采和精炼现场约有60～80%的场所、化学工业中约有80%以上的生产车间属于爆炸性危险场所；制药工业不仅存在气体爆炸的危险，后期的制片、制丸及烘干区还存在粉尘爆炸的危险。使用于危险场所的电气设备(包括防爆仪表、电器、电机、灯具等)都必须采取特殊有效的预防措施来避免其成为危险的点燃源。就我们为危险化学品生产企业安全生产许可证实施的100多个检查项目而言，约有80%的项目或装置存在不同程度的防爆安全隐患，如工程项目没有爆炸危险区域划分图；进口电气设备未经国内认证；部分集成设备或成套装置不满足电气整体防爆要求；在爆炸危险区域内使用非防爆电气设备(如电子钟、路灯、铲车、通风设施等)；一些本安设备没有配置相应的安全栅；现场温度(超过 -20℃～+40℃)、电源电压(230/692V)等偏离防爆产品安全使用条件；管线穿墙、电缆引入存在严重问题等。建议采取的对策措施是：防爆安全总体要求必须在设计环节予以确立；认真做好采购设备验货工作；强化进口防爆电气设备认证；全面推行工程项目验收制度建立在用工程项目周期性监督检查机制，按国际经验，固定安装式防爆电气设备的检查周期为3年，移动式防爆电气设备的检查周期为1年；建立和健全各级人员培训考核制度，IEC Ex组织正在启动对全球防爆专业人员的注册认证，更证明了人对防爆安全的重要性。徐建平最后指出，防爆安全不仅要着眼于工程项目某一阶段的“电气整体防爆”，更要关注防爆工程项目在其全生命周期内的系统性安全。

(2)现场总线防爆方案的优化：P+F公司亚太区产品市场部经理Andreas Agostin先生介绍，适用现场总线的防爆方法有：隔爆型(Exd)，增安型(Exe)，本质安全型(Exi)，N型(Exn，仅限于2区)，浇封型(Exm)。为用户考虑，现场总线防爆方案的优化可考虑：采用大功率主干线，以使用更长的主干线和分支电缆，并连接更多的现场仪表，大功率主干线结构即便是用于本安仪表，也可采用冗余的配电系统，以获得高可靠性；分支采用限能型防爆技术；现场仪表在0区与1区采用Exi，在2区采用ExnL技术；对于现场仪表的连接，现场总线安全栅能提供许多好处，如允许带电操作现场仪表，即便是在故障时，而且允许连接所有形式的本安仪表(本安FISCO与Entity设备)。但要注意，根据有关国际标准和《上海市爆炸危险场所电气安全技术规定》，只允许带电插拔本安回路的现场设备(Exia，Exib)，在2区，允许在没有故障时带电插拔ExnL设备。

(3)N型现场总线模型(FNICO)：英国MTL仪器仪表公司中国有限公司上海办事处华东区技术部经理董洪伟先生介绍，FNICO概念来源于FISCO，专门用于2区的现场总线设备与系统，是新型的防爆技术，在2区应用FNICO系统比其他方式可节约更多的投资，在上海赛科有90%以上的FF现场总线网段采用此方案。FNICO系统在简化安全文档和无需电缆计算方面与FISCO系统是一样的，但设计要求不严格，可获得更大电流，网段上可挂接更多设备，更容易选择现场设备，现场接线的安装规则比本安更简单。

(4)革命性的本质安全型电源概念：德国联邦物理研究院(PTB)本安防爆总线及供电电源研究工作组负责人Udo Gerlach博士介绍，在多种防爆方法中，本质安全型与隔爆型应用最广。本质安全型防爆具有可带电测量、调节与维修，连接方便，对外壳要求简单，制造成本较低等优点，主要缺点是非常低的有效输出功率。如Exib IIC等级的输出允许值为：6～30V，10～100mA，P<2W，因此增加有效功率对于应用本质安全型防爆的意义重大。现在，已有两种本质安全电源新概念：一是DART(动态火花的识别与消除)模型；二是PLS(模拟线性化)模型，这两种模型均在电源、连接线及负载满足系统最优的前提下，极大地提高电源效率，拓展了本质安全防爆的应用范围。如ExibIIC等级的输出允许值，DART为50V、500mA、20W；PLS为25V、300mA、6W。这两种模型均可与现存的总线系统(如FISCO模型)结合使用，如果优化这一新模型的物理层定义，则新模型的优势将更加明显。

(5)爆炸性危险环境中的电气设备安装国际标准正在修订：瑞士Thuba公司、瑞士国家防爆标准化委员会主席Peter Thurnherr先生介绍：IEC 60079-14“爆炸性气体环境用电气设备第14部分危险场所电气安装(煤矿除外)”和IEC61241-14“可燃性粉尘环境用电气设备第14部分选型和安装”是目前爆炸性环境用电气设备正确选择和安装的相关标准。但随着科技的发展与工业安全生产的需要，IEC 60079-14正在修订，预计于2007年完成。修订后的该标准将引用一些新标准及最新防爆技术，如以前，不同区域要求不同的防爆方法，这主要取决于爆炸性环境存在的时间长短；现在，按IEC60079-26标准危险区域也可根据设备保护等级(EPL)进行划分，这有助于设计、安装人员选择合适的设备。又如IEC60079-28光辐射防爆标准将于今年5月出版，有关光辐射的防爆技术在修订IEC60079-14时，也将予以引用。

(6)电缆引入装置对工程项目整体防爆的作用：德国R.STAHL公司产品和市场总监Thorsten Arnhold博士(IECTC31和CENELEC的重要成员)介绍，在危险区域的布线方法主要有钢管布线，直接电缆进线，间接电缆进线。这些方法任何一种都不具备绝对优势，所以这种情况在未来几年也不太可能变化。2000年以来，R.STAHL公司应特定客户要求，进行了72次系列的电缆引爆试验，有13次未通过，18%的失败率是很高的。用于2区最主要的防爆型式是N型。其中限制呼吸型ExnR的主要原理是箱体要拧紧，阻止外部的气体、水汽、雾气等进入，这样内部的易爆气体浓度在任何时候都低于爆炸临界点，这时电缆密封接头被视为是箱体整体的一部分，必须满足同箱体一样的防爆技术要求。对于常见的用于铠装电缆的密封头，应注意内密封圈必须达到尘密、气密要求。电缆接头与装置接口的密封非常重要，电缆接头的正确选型取决于设备的防爆型式，也取决于设备的内部容积，由于用于危险区域的电缆没有固定标准，因此在许多情况下电缆密封接头可能被用错了。电气接线是否安全，电缆厂商、防爆设备制造商、设计院与最终用户的紧密合作势在必行。

(7)IEC非电气设备防爆标准正在制订中：瑞士国家防爆标准化委员会主席Peter Thurnherr先生介绍，过去全世界都只考虑电气设备防爆，对非电气设备防爆没有考虑，如蒸汽管道的热表面、绝缘热、甚至机械火花都被忽略，静电火花也只有在极特殊的情况下才会考虑。欧洲指令94/9/EC第一次提出对所有点燃源进行分析：包括热表面，焰以及热气体，机械火花，静电，光，电磁波，光辐射，致电离辐射，超声波，热压缩，流体冲击波，放热反应。考虑所有点燃源的危险环境用非电气设备标准EN13463系列标准已快速制定完成，现在，EN13463标准将转换成IEC标准，从而在世界范围内将统一电气设备和非电气设备的防爆要求。

(8)日本防爆电气设备的检定现状：日本产业安全技术协会(TIIS)防爆电气实验部部长永石治喜先生介绍，日本劳动省产业安全研究所是日本产业防爆电气设备的检定实施机构，TIIS被授权为检定代行机构。各国气候不同对标准的要求也不同。与欧美相比，日本与亚洲许多国家日照时间长，高温、高湿的环境多，因此日本标准比IEC标准某些方面的规定更严格。到目前为止，经检定，按日本标准防爆产品的合格数为51935件(占总数87.3%)，按IEC对应标准检定的合格数为756件(占12.7%)，日本国内用的防爆产品采用日本标准，出口中国及其他国家的产品采用IEC标准。TIIS与中国NEPSI、煤炭工业上海电气防爆检定所已签署了技术合作协定。欧美对能源的需求已达到顶点，所以今后以节能为主；而包括日本、中国、印度在内的亚洲，对能源的需求还在增长，因此防爆安全主要是亚洲的需求。

(9)防爆仪表与系统：在这次会上，P+F公司介绍了现场总线隔离式安全栅。MTL公司介绍了总线电源调节器、接线器和浪涌保护器。西门子过程自动化系统高级经理Bernard Mysliwiec先生介绍，目前Profibus现场总线产品有：智能现场设备866种，过程仪表224种，接口设备75种，网络设备394种，软件包57种。西门子可提供用于爆炸危险区域的自动化系统SIMATIC产品丰富齐全，如带有Profibus接口的分布式I/O ET200isp可用于具有气体或粉尘有爆炸危险的区域，所连接的传感器和执行器可位于0区和20区中，现场仪表和过程控制系统之间的通信由本质安全的Profibus DP来完成。