如何選擇貫串流程工業(yè)控制的安全儀表系統(tǒng)（SIS）已經(jīng)成為重要的話題。很多公司已經(jīng)接受了基于性能的標(biāo)準(zhǔn)，諸如：ANSI/ISA84.01、IEC61508和IEC61511。越來越多的儀表制造商進(jìn)入了遵從這些標(biāo)準(zhǔn)的行列。他們開發(fā)了大量的產(chǎn)品“適用于”安全儀表系統(tǒng)。這些產(chǎn)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(dān)心如何選擇合適的傳感器、變送器或者閥門定位器，但對(duì)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(jiǎn)單報(bào)警分離結(jié)構(gòu)到超過了20家不同廠商生產(chǎn)的各種各樣安全PLC。這些PLC的結(jié)構(gòu)從1選1到三重化和四重化冗余系統(tǒng)，具有不同等級(jí)的自診斷。

對(duì)于這么多的選擇，控制工程師如何選出“*”的系統(tǒng)用于他的項(xiàng)目或者工廠呢？如果他犯了保守的錯(cuò)誤，選擇比滿足應(yīng)用要求更復(fù)雜的系統(tǒng)，可能要多花掉企業(yè)的幾萬美圓。另外，更糟的是，過分簡(jiǎn)單系統(tǒng)不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，使人生安全至于不必要的危險(xiǎn)之中。當(dāng)考慮到整個(gè)生命周期的成本時(shí)，問題會(huì)更嚴(yán)重。

一旦你完成了危險(xiǎn)分析，進(jìn)行了初始設(shè)計(jì)和完成一些安全完整性等級(jí)（SIL）的計(jì)算，你認(rèn)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(gè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性如何？安全儀表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是否優(yōu)化了成本、增加了可用性、減少了誤動(dòng)作？安全儀表系統(tǒng)是工廠設(shè)施的投資嗎？比如考慮下面的簡(jiǎn)單情形：

• 一個(gè)人有一所位于可能發(fā)生洪災(zāi)地點(diǎn)的房子；
• 洪災(zāi)保險(xiǎn)的費(fèi)用為$1,000/年；
• 修復(fù)因洪災(zāi)造成的房屋損失估計(jì)為$10,000；
• 發(fā)生洪災(zāi)的概率為50年一次。

   

  你會(huì)為上述的事件投資購買洪災(zāi)保險(xiǎn)嗎？假設(shè)有6%貼現(xiàn)率和10年的房屋所有權(quán)，未來價(jià)值計(jì)算產(chǎn)生的費(fèi)用是$13,181。因而，按照規(guī)定，上述保險(xiǎn)要比實(shí)際的事件花費(fèi)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(fù)審安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案呢？

   

  本文提出了5步方法論，幫助你執(zhí)行安全儀表系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)分析，確保選到“*”的系統(tǒng)：

   

   

  1.*步–選擇一種可以使用的SIS結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估（傳感器、邏輯解算器和zui終部件）；

  2.第二步–執(zhí)行SIL計(jì)算，基于給定功能測(cè)試間隔，決定要求時(shí)的平均失效概率（PFDavg）和平均安全失效時(shí)間（MTTFS）；

  3.第三步–根據(jù)現(xiàn)在凈價(jià)值（NPV）計(jì)算生命周期成本；

  4.第四步–計(jì)算利潤(rùn)率；

  5.對(duì)每種可能用于項(xiàng)目的SIS結(jié)構(gòu)重復(fù)上面步驟。

   

  注：*步和第二步代表的任務(wù)與安全生命周期相關(guān)，并且通常已經(jīng)在安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)執(zhí)行了。

   

  圖1－經(jīng)濟(jì)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(tǒng)貫串整個(gè)生命周期所有發(fā)生的費(fèi)用，而不僅僅是原始購買系統(tǒng)的費(fèi)用。這對(duì)可能發(fā)生重大設(shè)備失效的成本是特別重要的。這個(gè)評(píng)估目的是概括所有采購和擁有安全儀表系統(tǒng)在生命跨度中的費(fèi)用。采購費(fèi)用在項(xiàng)目的生命期間僅有一次。操作費(fèi)用會(huì)在安全儀表系統(tǒng)生命過程中不斷發(fā)生和反復(fù)出現(xiàn)。與系統(tǒng)失效相關(guān)的費(fèi)用占據(jù)了生命周期成本的大部分。

   

  生命周期成本評(píng)估能顯示：企業(yè)可以通過選擇“*”的安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)zui小化整個(gè)費(fèi)用。評(píng)估考慮的費(fèi)用包括：設(shè)計(jì)、購買、安裝、啟動(dòng)、功能測(cè)試、能源、維修、失效事件和生產(chǎn)的損失。為了得到完整的生命周期成本，所有的年操作費(fèi)用要轉(zhuǎn)換成“現(xiàn)在值”。所有將來的費(fèi)用，使用一個(gè)貼現(xiàn)率（利息/通漲）轉(zhuǎn)換進(jìn)它們的當(dāng)前值。初始費(fèi)用和現(xiàn)在年費(fèi)用相加得到整個(gè)生命周期的成本。應(yīng)該對(duì)每種被提議的安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)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(rùn)率（利益與投資之比）

   

  另一個(gè)工具是按商業(yè)原則計(jì)算利潤(rùn)率，判斷是否選擇了“*”的安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如果利潤(rùn)率大于1，系統(tǒng)具有投資效益。比如，一個(gè)系統(tǒng)具有1.5的利潤(rùn)率，每投資$1.00，系統(tǒng)會(huì)收回$1.50。

   

  因此，利潤(rùn)率的計(jì)算公式如下：

   

  公式中，

  B-CRatio=利潤(rùn)率；

  FNo-SIS=無SIS不希望事件的發(fā)生次數(shù)；

  FSIS=有SIS不希望事件的發(fā)生次數(shù)；

  EVNo-SIS=無SIS事件損失的全部預(yù)期價(jià)值；

  EVSIS=有SIS事件損失的全部預(yù)期價(jià)值；

  CostSIS=SIS全部生命周期成本（按年計(jì)算）；

  CostNT=由于誤操作導(dǎo)致的成本（按年計(jì)算）。

   

  樣板案例

   

  下面的案例將向你顯示如何對(duì)SIS主要部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)地分析、選擇和設(shè)計(jì)。

   

  企業(yè)已經(jīng)完成他們的初始風(fēng)險(xiǎn)分析，并且對(duì)批處理反應(yīng)器相關(guān)的SIL等級(jí)進(jìn)行了選擇。團(tuán)隊(duì)確定使用一個(gè)單一安全儀表功能（SIF）的設(shè)備用于這個(gè)特殊單元的操作。結(jié)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(gè)保護(hù)層分析（LOPA）?；谏厦娴男畔?，SIS工程師需要執(zhí)行下面的工作：

   

  1.選擇“*”功能測(cè)試間隔時(shí)間；

  2.選擇“*”SIS體系結(jié)構(gòu)（傳感器、邏輯解算器和zui終部件）；

  3.假設(shè)有6%貼現(xiàn)率，為企業(yè)設(shè)計(jì)一個(gè)超過15年時(shí)間周期、具有zui小成本的SIS。

   

  因此，SIS工程師需要回答下面關(guān)于“*”設(shè)計(jì)的問題：

   

  1.傳感器：變送器對(duì)比開關(guān)和相關(guān)的結(jié)構(gòu)（1選1，2選1，3選2，等）；

  2.邏輯解算器：繼電器對(duì)比可編程電氣和相關(guān)的結(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)和測(cè)試要求（全部沖程對(duì)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(jīng)濟(jì)分析流程圖中的步驟，完成下面的分析。為了強(qiáng)調(diào)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(jìn)行。另外，對(duì)兩種不同的事件成本進(jìn)行評(píng)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)選擇

   

  這是在工廠特殊區(qū)域安裝安全儀表系統(tǒng)的*步。同樣地，SIS工程師要在很大范圍的選擇中對(duì)新SIS的結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估。因此，要對(duì)下面各種選項(xiàng)進(jìn)行評(píng)估：

   

• 開關(guān)對(duì)比變送器和要求的冗余；
• 繼電器對(duì)比安全PLC和要求的冗余；
• 閥門和要求的冗余；
• 12個(gè)月測(cè)試間隔對(duì)比24個(gè)月測(cè)試間隔。

   

  步驟2：執(zhí)行SIL計(jì)算（PFDavg和MTTFS）

   

  基于下面的設(shè)計(jì)條件，SIS工程師完成下面SIL計(jì)算：

   

  表3–SIS結(jié)構(gòu)分析概要

  注：為了滿足SIL2的要求，選項(xiàng)1a，1b，3a，3b和4a將在進(jìn)一步的分析中刪除，因?yàn)樗麄儾荒苓_(dá)到SIL2。

   

  步驟3：計(jì)算生命周期成本

   

  為了計(jì)算生命周期成本，需要另一些信息。對(duì)于樣板案例，要使用下面的數(shù)據(jù)：

• 操作費(fèi)用每年消耗$500，再加上功能測(cè)試的費(fèi)用。
• 功能測(cè)試=2人8小時(shí)@$70/小時(shí)，加上8小時(shí)損失生產(chǎn)的費(fèi)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(gè)表強(qiáng)調(diào)了誤操作的成本能夠占據(jù)整個(gè)費(fèi)用的多少。在表4中，誤操作的成本假設(shè)為$10,000時(shí)，*的SIS結(jié)構(gòu)由冗余壓力變送器、電流開關(guān)和閥門、每24個(gè)月測(cè)試構(gòu)成。在表5中，誤操作成本假設(shè)為$150,000時(shí)，*的SIS結(jié)構(gòu)由冗余壓力變送器、1oo2D安全PLC和1oo2閥門、每24個(gè)月測(cè)試構(gòu)成。注意根據(jù)實(shí)際使用的成本，結(jié)果會(huì)有所變化，并且有不同的SIS結(jié)構(gòu)成為用于你項(xiàng)目的“*”。

• 步驟4：計(jì)算利潤(rùn)率

   

  為了計(jì)算利潤(rùn)率，還需要一些另外的信息，通常這些信息在完成的SIL結(jié)果中。在樣板案例中，使用下面的數(shù)據(jù)：

  FNo-SIS=1/50年（從SIL選擇風(fēng)險(xiǎn)排行過程）；

  FSIS=根據(jù)PFDavgxFNo-SIS的計(jì)算；

  EVNo-SIS=評(píng)估$1,000,000或$12,000,000事件；

  EVSIS=評(píng)估$1,000,000或$12,000,000事件；

  CostSIS=根據(jù)選擇的結(jié)構(gòu)會(huì)有所變化；

  CostNT=評(píng)估$10,000和$150,000事件。

   

  注：為了強(qiáng)調(diào)在整個(gè)分析成本的重要性，對(duì)兩種不同事件成本，以及兩種不同誤操作成本評(píng)估。

   

  表6–SIS利潤(rùn)率分析概要-$10,000誤操作成本

  表7–SIS利潤(rùn)率分析概要-$150,000誤操作成本

  從上面的利潤(rùn)率數(shù)據(jù)可以看出，不是所有的結(jié)構(gòu)都是正確的的投資。

   

  結(jié)論

   

  基于情形評(píng)估，很容易地看出：不能簡(jiǎn)單根據(jù)完成的SIL計(jì)算就決定是否能達(dá)到SIL等級(jí)。復(fù)審14種不同的SIS結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)中只有9種滿足SIL的要求。根據(jù)進(jìn)一步的復(fù)審，只有兩種SIS結(jié)構(gòu)在zui小化成本方面是“*”，以及具有利潤(rùn)率>1.0。兩種SIS結(jié)構(gòu)如下：

   

  表8–zui終SIS分析概要