怎樣選擇安全PLC

如何選擇貫串流程工業控制的安全儀表系統（SIS）已經成為重要的話題。很多公司已經接受了基于性能的標準，諸如：ANSI/ISA84.01、IEC61508和IEC61511。越來越多的儀表制造商進入了遵從這些標準的行列。他們開發了大量的產品“適用于”安全儀表系統。這些產品包括傳感器、變送器、閥門、閥門定位器和各種邏輯解算器。

很多用戶并不擔心如何選擇合適的傳感器、變送器或者閥門定位器，但對于品種繁多的邏輯解算器卻無所適從。問題非常清楚，邏輯解算器的選擇范圍從簡單報警分離結構到超過了20家不同廠商生產的各種各樣安全PLC。這些PLC的結構從1選1到三重化和四重化冗余系統，具有不同等級的自診斷。

對于這么多的選擇，控制工程師如何選出“*”的系統用于他的項目或者工廠呢？如果他犯了保守的錯誤，選擇比滿足應用要求更復雜的系統，可能要多花掉企業的幾萬美圓。另外，更糟的是，過分簡單系統不能達到標準，使人生安全至于不必要的危險之中。當考慮到整個生命周期的成本時，問題會更嚴重。

一旦你完成了危險分析，進行了初始設計和完成一些安全完整性等級（SIL）的計算，你認為你的工作完成了嗎？答案是否，還有一些問題需要考慮。比如這個項目的經濟性如何？安全儀表系統的結構是否優化了成本、增加了可用性、減少了誤動作？安全儀表系統是工廠設施的投資嗎？比如考慮下面的簡單情形：

• 一個人有一所位于可能發生洪災地點的房子；
• 洪災保險的費用為$1,000/年；
• 修復因洪災造成的房屋損失估計為$10,000；
• 發生洪災的概率為50年一次。

   

  你會為上述的事件投資購買洪災保險嗎？假設有6%貼現率和10年的房屋所有權，未來價值計算產生的費用是$13,181。因而，按照規定，上述保險要比實際的事件花費的多。如果人們能夠分析上述的情形，為什么不采用相同的邏輯來復審安全儀表系統設計的方案呢？

   

  本文提出了5步方法論，幫助你執行安全儀表系統的經濟分析，確保選到“*”的系統：

   

   

  1.*步–選擇一種可以使用的SIS結構進行評估（傳感器、邏輯解算器和zui終部件）；

  2.第二步–執行SIL計算，基于給定功能測試間隔，決定要求時的平均失效概率（PFDavg）和平均安全失效時間（MTTFS）；

  3.第三步–根據現在凈價值（NPV）計算生命周期成本；

  4.第四步–計算利潤率；

  5.對每種可能用于項目的SIS結構重復上面步驟。

   

  注：*步和第二步代表的任務與安全生命周期相關，并且通常已經在安全儀表系統的設計時執行了。

   

  圖1－經濟分析流程圖

   

  生命周期成本

   

  生命周期成本是為選擇的安全儀表系統貫串整個生命周期所有發生的費用，而不僅僅是原始購買系統的費用。這對可能發生重大設備失效的成本是特別重要的。這個評估目的是概括所有采購和擁有安全儀表系統在生命跨度中的費用。采購費用在項目的生命期間僅有一次。操作費用會在安全儀表系統生命過程中不斷發生和反復出現。與系統失效相關的費用占據了生命周期成本的大部分。

   

  生命周期成本評估能顯示：企業可以通過選擇“*”的安全儀表系統結構zui小化整個費用。評估考慮的費用包括：設計、購買、安裝、啟動、功能測試、能源、維修、失效事件和生產的損失。為了得到完整的生命周期成本，所有的年操作費用要轉換成“現在值”。所有將來的費用，使用一個貼現率（利息/通漲）轉換進它們的當前值。初始費用和現在年費用相加得到整個生命周期的成本。應該對每種被提議的安全儀表系統結構進行評估，以獲得zui小的生命周期成本。

   

  表1–生命周期成本的成分

  利潤率（利益與投資之比）

   

  另一個工具是按商業原則計算利潤率，判斷是否選擇了“*”的安全儀表系統結構。如果利潤率大于1，系統具有投資效益。比如，一個系統具有1.5的利潤率，每投資$1.00，系統會收回$1.50。

   

  因此，利潤率的計算公式如下：

   

  公式中，

  B-CRatio=利潤率；

  FNo-SIS=無SIS不希望事件的發生次數；

  FSIS=有SIS不希望事件的發生次數；

  EVNo-SIS=無SIS事件損失的全部預期價值；

  EVSIS=有SIS事件損失的全部預期價值；

  CostSIS=SIS全部生命周期成本（按年計算）；

  CostNT=由于誤操作導致的成本（按年計算）。

   

  樣板案例

   

  下面的案例將向你顯示如何對SIS主要部分的結構進行經濟地分析、選擇和設計。

   

  企業已經完成他們的初始風險分析，并且對批處理反應器相關的SIL等級進行了選擇。團隊確定使用一個單一安全儀表功能（SIF）的設備用于這個特殊單元的操作。結果如下表所示：

   

  表2–安全儀表功能（SIF）概要

  SIL選擇過程包括一個保護層分析（LOPA）。基于上面的信息，SIS工程師需要執行下面的工作：

   

  1.選擇“*”功能測試間隔時間；

  2.選擇“*”SIS體系結構（傳感器、邏輯解算器和zui終部件）；

  3.假設有6%貼現率，為企業設計一個超過15年時間周期、具有zui小成本的SIS。

   

  因此，SIS工程師需要回答下面關于“*”設計的問題：

   

  1.傳感器：變送器對比開關和相關的結構（1選1，2選1，3選2，等）；

  2.邏輯解算器：繼電器對比可編程電氣和相關的結構（1選1，1D選1，2選1，2D選1，3選2，4選2，等）；

  3.zui終部件：結構和測試要求（全部沖程對比部分沖程）。

   

  用于SIF－001的管道和儀表圖（P&ID）見下面圖2。

   

  圖2–高壓SIF示意圖

   

  使用圖1經濟分析流程圖中的步驟，完成下面的分析。為了強調成本的重要性，分析按兩種不同誤操作成本情形（誤操作成本分別是$10,000和$150,000）進行。另外，對兩種不同的事件成本進行評估（容器破裂的成本分別是$1,000,000和$12,000,000）。

   

  步驟1：SIS概念設計結構選擇

   

  這是在工廠特殊區域安裝安全儀表系統的*步。同樣地，SIS工程師要在很大范圍的選擇中對新SIS的結構進行評估。因此，要對下面各種選項進行評估：

   

• 開關對比變送器和要求的冗余；
• 繼電器對比安全PLC和要求的冗余；
• 閥門和要求的冗余；
• 12個月測試間隔對比24個月測試間隔。

   

  步驟2：執行SIL計算（PFDavg和MTTFS）

   

  基于下面的設計條件，SIS工程師完成下面SIL計算：

   

  表3–SIS結構分析概要

  注：為了滿足SIL2的要求，選項1a，1b，3a，3b和4a將在進一步的分析中刪除，因為他們不能達到SIL2。

   

  步驟3：計算生命周期成本

   

  為了計算生命周期成本，需要另一些信息。對于樣板案例，要使用下面的數據：

• 操作費用每年消耗$500，再加上功能測試的費用。
• 功能測試=2人8小時@$70/小時，加上8小時損失生產的費用。

   

  表4–SIS生命周期成本分析概要-$10,000誤操作成本

  表5–SIS生命周期成本分析概要-$150,000誤操作成本

  上面兩個表強調了誤操作的成本能夠占據整個費用的多少。在表4中，誤操作的成本假設為$10,000時，*的SIS結構由冗余壓力變送器、電流開關和閥門、每24個月測試構成。在表5中，誤操作成本假設為$150,000時，*的SIS結構由冗余壓力變送器、1oo2D安全PLC和1oo2閥門、每24個月測試構成。注意根據實際使用的成本，結果會有所變化，并且有不同的SIS結構成為用于你項目的“*”。

• 步驟4：計算利潤率

   

  為了計算利潤率，還需要一些另外的信息，通常這些信息在完成的SIL結果中。在樣板案例中，使用下面的數據：

  FNo-SIS=1/50年（從SIL選擇風險排行過程）；

  FSIS=根據PFDavgxFNo-SIS的計算；

  EVNo-SIS=評估$1,000,000或$12,000,000事件；

  EVSIS=評估$1,000,000或$12,000,000事件；

  CostSIS=根據選擇的結構會有所變化；

  CostNT=評估$10,000和$150,000事件。

   

  注：為了強調在整個分析成本的重要性，對兩種不同事件成本，以及兩種不同誤操作成本評估。

   

  表6–SIS利潤率分析概要-$10,000誤操作成本

  表7–SIS利潤率分析概要-$150,000誤操作成本

  從上面的利潤率數據可以看出，不是所有的結構都是正確的的投資。

   

  結論

   

  基于情形評估，很容易地看出：不能簡單根據完成的SIL計算就決定是否能達到SIL等級。復審14種不同的SIS結構，發現這些設計中只有9種滿足SIL的要求。根據進一步的復審，只有兩種SIS結構在zui小化成本方面是“*”，以及具有利潤率>1.0。兩種SIS結構如下：

   

  表8–zui終SIS分析概要