PSS 4000与PASvisu在安全仪表系统中的应用

寂静回声

安全仪表系统（简称SIS系统）是专门用于过程自动化行业，用于保障安全生产的一套系统。主要为工厂控制系统中报警和联锁部分，对控制系统中检测的结果实施报警动作或调节或停机控制，是工厂企业自动控制中的重要组成部分。其安全等级高于DCS的自动化系统，当自动化生产系统出现异常时，SIS会进行干预，降低事故发生的可能性。

在机械行业中，安全相关控制系统的设计需遵循ISO 13849系列标准。而在过程自动化领域，SIS系统的设计需遵循IEC 61508或者IEC 61511系列标准。SIS的安全等级通过安全完整性等级（SIL）来描述。SIL等级与系统每小时发生危险失效的概率（PFHd）的关系如表1所示：


表 1 SIL与PFHd的对应关系

其中，SIL 4适用于铁路等特殊行业。对于SIS系统来说，其最高安全等级通常为SIL 3。SIS系统的特点包括：

• 覆盖面广、安全性高、有自诊断功能，能够检测并预防潜在的危险。

• 容错性的多重冗余系统，SIS一般采用多重冗余结构以提高系统的硬件故障裕度，单一故障不会导致SIS安全功能丧失。

• 应用程序容易修改，可根据实际需要对软件进行修改。

• 自诊断覆盖率大，工人维修时需要检查的点数比较少。

• 响应速度快，从输入变化到输出变化的响应时间一般在10—50ms左右，一些小型SIS的响应时间更短。

• 可实现从传感器到执行元件所组成的整个回路的安全性设计，具有I/O短路、断线等监测功能。

在SIS系统中，经常需要监控的信号包括压力、温度、液位、流量等。执行机构主要为电机及阀门。根据风险评估，一般要求各个安全功能需要达到SIL 2及以上。

上海神众电气有限公司专注于工业电气自动化领域，为客户提供系统集成、产品及方案设计、编程调试及专业的工程和技术服务，涉及食品饮料、精细化工、汽车、环保、新能源等众多行业。在上海神众为森田新能源材料（张家港）有限公司提供的SIS系统改造项目中，采用了皮尔磁PSS 4000自动化系统以及PASvisu可视化界面。在保障SIS安全要求的同时，提供了方便、高效的操作环境。


图 1 PSS 4000系统概览

皮尔磁的PSS 4000自动化控制系统为互联复杂设备提供了最为适合的解决方案。整个系统可以独立使用或组成分布式结构。在安全性上可达到IEC 61511 SIL 3安全等级，可以很好的实现SIS系统所需的安全要求。传感器将现场信号转换为电压或电流信号后，可接入到PSS 4000系统的安全模拟量输入模块中。PSS 4000的安全模拟量模块包括电压与电流两种型号，每个模块可达到最高SIL 2安全要求。若采用两个模块采集双通道信号，则可实现SIL 3安全要求。安全电压监控模块可接收-10~+10V信号，步长2.5mV，安全电流监控模块可接收0~25mA信号，步长6.25μA，因此绝大多数传感器都可适用。

除了安全模拟量硬件本身之外，PSS 4000在软件方面也提供了安全模拟量信号处理的功能块FS_AnalogueInputSingle及FS_AnalogueInputDual。通过这两个功能块，用户可配置实际所需的监控范围、量程比例、故障响应等参数。在硬件故障情况下，如传感器断线、短路等情况发生时，除了系统本身产生报警以外，功能块使能也会切断，并给出相应故障诊断位。这两个功能块本身也满足SIL 2及SIL 3要求。在森田SIS项目中，神众的工程师采用了安全模拟量电流模块监控多个罐体的温度及液位信号，通过PSS 4000安全PLC及安全数字量输出模块，对现场的阀状态进行控制，最终达到了SIL 2安全要求。


图 2 安全模拟量处理功能块

此次森田新能源材料有限公司的SIS系统共包含三个区，其中第三个区与前两个区之间距离将近500米，对此上海神众灵活地采用了PSS 4000分布式系统地特性。PSS 4000采用SafetyNET p安全以太网作为分布式通讯媒介，可灵活地实现不同网络结构，并通过交换机上的光纤接口实现长距离信号传输。根据需要还可在交换机上配置环形冗余，保障数据通讯时的可靠性。


图 3 森田PSS 4000系统拓扑图

为了给现场操作及维护员提供一个清晰直观、易于操作的界面。上海神众此次还为森田新能源材料有限公司的SIS系统配备了皮尔磁的PASvisu可视化软件。PASvisu是皮尔磁专门为其控制系统提供的上位机软件。在这款上位机软件中集成了当前最新的网页技术，包括HTML 5、CSS3及JavaScript 6等，可视化界面元素相比传统软件更加现代化。


图 4 PASvisu项目编辑界面

PASvisu的最大特点在于，可视化项目可以实时与控制项目同步。在设计上位机界面时，可以将一个PASvisu项目与一个PSS 4000项目关联。关联后所有PSS 4000项目中的变量均可传递至PASvisu。在PSS 4000中所建立的安全功能也可在PASvisu中一次性调用，避免了在传统上位机软件中重新建立变量及通讯点而可能产生的人为错误。此外，控制器部分的所有故障信息都可通过专门的贴块直接插入到上位机界面中，设计人员无需重新编写硬件相关的故障信息，最终加快了项目设计及调试的时间。


图 5 森田SIS系统PASvisu上位机界面

通过皮尔磁PSS 4000安全控制系统及PASvisu可视化软件，上海神众出色地完成了新能源材料有限公司的SIS系统改造，并获得了客户的认可。随着我国工业制造2025进程的推进，今后越来越多的工厂及企业将变得更加智能、更加安全、更加现代化。流程行业的用户也会对SIS系统提出更高的要求。相信皮尔磁的产品及专业知识能为流程行业的用户带来完善的安全解决方案，始终保障设备及工厂的安全。