怎樣選擇安全 PLC
摘要
這篇文章表述了選擇安全PLC的系統(tǒng)方法論占哟。它將描述基于技術(shù)要求（如安全要求）和商業(yè)要求（如可用性和生命周期成本分析）對安全PLC的評價捶箱。
這篇文章表述了選擇安全PLC的系統(tǒng)方法論占哟。它將描述基于技術(shù)要求（如安全要求）和商業(yè)要求（如可用性和生命周期成本分析）對安全PLC的評價捶箱。
關(guān)鍵字
安全PLC，冗余結(jié)構(gòu)帘染，生命周期成本嘀吨，利潤率
安全PLC，冗余結(jié)構(gòu)帘染，生命周期成本嘀吨，利潤率
ABSTRACT
This paper will present a systematic methodology for selecting a Safety PLC platform. It will describe the evaluation of Safety PLC’s based upon both technical requirements (i.e. safety requirements) and commercial requirements (i.e. availability and Life Cycle Cost analysis).
This paper will present a systematic methodology for selecting a Safety PLC platform. It will describe the evaluation of Safety PLC’s based upon both technical requirements (i.e. safety requirements) and commercial requirements (i.e. availability and Life Cycle Cost analysis).
KEYWORDS
Safety PLC, Redundant Architecture, Lifecycle Cost, Benefit-to-Cost Ratio
Safety PLC, Redundant Architecture, Lifecycle Cost, Benefit-to-Cost Ratio
引言
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)夏捣，諸如：ANSI/ISA 84.01孝揉、IEC 61508和IEC 61511摇值。越來越多的儀表制造商進(jìn)入了遵從這些標(biāo)準(zhǔn)的行列贵筹。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)品包括傳感器茫步、變送器翼毡、閥門、閥門定位器和各種邏輯解算器拿豺。
很多用戶并不擔(dān)心如何選擇合適的傳感器既感、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咱缭。問題非常清楚挂悲，邏輯解算器的選擇范圍從簡單報警分離結(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)俊戳，具有不同等級的自診斷揖赴。
對于這么多的選擇，控制工程師如何選出“最佳”的系統(tǒng)用于他的項(xiàng)目或者工廠呢抑胎？如果他犯了保守的錯誤燥滑，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)的幾萬美圓阿逃。另外铭拧，更糟的是，過分簡單的系統(tǒng)不能達(dá)到要求恃锉，使人生安全至于不必要的危險之中搀菩。當(dāng)考慮到整個生命周期的成本時，問題會更嚴(yán)重破托。
一旦你完成了危險分析肪跋，進(jìn)行了初始設(shè)計(jì)和完成一些安全完整性等級（SIL）的計(jì)算，你認(rèn)為你的工作完成了嗎炼团？答案是否澎嚣，還有一些問題需要考慮。比如這個項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性如何存妇？安全儀表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是否優(yōu)化了成本男软、增加了可用性禁微、減少了誤動作？安全儀表系統(tǒng)是工廠設(shè)施的投資嗎灯烤？比如考慮下面的簡單情形：
·一個人有一所位于可能發(fā)生洪災(zāi)地點(diǎn)的房子恢核；
·洪災(zāi)保險的費(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欧蠢；
·發(fā)生洪災(zāi)的概率為 50 年一次忠宙。
·洪災(zāi)保險的費(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欧蠢；
·發(fā)生洪災(zāi)的概率為 50 年一次忠宙。
你會為上述的事件投資購買洪災(zāi)保險嗎？假設(shè)有 6% 貼現(xiàn)率和10年的房屋所有權(quán)榴烦， 未來價值計(jì)算產(chǎn)生的費(fèi)用是 $13,181杀打。因而，按照規(guī)定绝壹，上述保險要比實(shí)際的事件花費(fèi)的多蕉殴。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)的方案呢判阀？
本文提出了5步方法論歹嘹，幫助你執(zhí)行安全儀表系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)分析，確保選到“最佳”的系統(tǒng)：
1. 第一步 – 選擇一種可以使用的SIS結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估（傳感器孔庭、邏輯解算器和最終部件）尺上；
2. 第二步 – 執(zhí)行 SIL 計(jì)算，基于給定功能測試間隔圆到，決定要求時的平均失效概率（PFDavg）和平均安全失效時間（MTTFS）怎抛；
3. 第三步 – 根據(jù)現(xiàn)在凈價值（NPV）計(jì)算生命周期成本；
4. 第四步 – 計(jì)算利潤率构资；
5. 對每種可能用于項(xiàng)目的 SIS 結(jié)構(gòu)重復(fù)上面步驟抽诉。
注：第一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)時執(zhí)行了吐绵。
圖1 － 經(jīng)濟(jì)分析流程圖
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生命周期成本
生命周期成本是為選擇的安全儀表系統(tǒng)貫串整個生命周期所有發(fā)生的費(fèi)用迹淌，而不僅僅是原始購買系統(tǒng)的費(fèi)用。這對可能發(fā)生重大設(shè)備失效的成本是特別重要的己单。這個評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)用唉窃。采購費(fèi)用在項(xiàng)目的生命期間僅有一次。操作費(fèi)用會在安全儀表系統(tǒng)生命過程中不斷發(fā)生和反復(fù)出現(xiàn)纹笼。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纹份。
生命周期成本評估能顯示：企業(yè)可以通過選擇“最佳”的安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最小化整個費(fèi)用。評估考慮的費(fèi)用包括：設(shè)計(jì)炫允、購買培幽、安裝、啟動睛村、功能測試绎编、能源蔑串、維修、失效事件和生產(chǎn)的損失演穗。為了得到完整的生命周期成本柱涕，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)用垛墙，使用一個貼現(xiàn)率（利息/通漲）轉(zhuǎn)換進(jìn)它們的當(dāng)前值籍钱。初始費(fèi)用和現(xiàn)在年費(fèi)用相加得到整個生命周期的成本。應(yīng)該對每種被提議的安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估携喳，以獲得最小的生命周期成本种慕。
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(yè)原則計(jì)算利潤率，判斷是否選擇了“最佳”的安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)添瓷。如果利潤率大于1梅屉，系統(tǒng)具有投資效益。比如鳞贷，一個系統(tǒng)具有1.5的利潤率，每投資 $1.00虐唠，系統(tǒng)會收回 $1.50搀愧。
因此，利潤率的計(jì)算公式如下：
公式中疆偿，
B-C Ratio = 利潤率咱筛；
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)杆故；
EVNo-SIS = 無 SIS 事件損失的全部預(yù)期價值迅箩；
EVSIS = 有 SIS 事件損失的全部預(yù)期價值；
CostSIS = SIS 全部生命周期成本（按年計(jì)算）处铛；
CostNT = 由于誤操作導(dǎo)致的成本（按年計(jì)算）饲趋。
B-C Ratio = 利潤率咱筛；
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)杆故；
EVNo-SIS = 無 SIS 事件損失的全部預(yù)期價值迅箩；
EVSIS = 有 SIS 事件損失的全部預(yù)期價值；
CostSIS = SIS 全部生命周期成本（按年計(jì)算）处铛；
CostNT = 由于誤操作導(dǎo)致的成本（按年計(jì)算）饲趋。
樣板案例
下面的案例將向你顯示如何對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)撤蟆。
企業(yè)已經(jīng)完成他們的初始風(fēng)險分析奕塑，并且對批處理反應(yīng)器相關(guān)的SIL等級進(jìn)行了選擇。團(tuán)隊(duì)確定使用一個單一安全儀表功能（SIF）的設(shè)備用于這個特殊單元的操作登凿。結(jié)果如下表所示：
表 2 – 安全儀表功能（SIF）概要
SIL 選擇過程包括一個保護(hù)層分析（LOPA）搭吵。基于上面的信息隘匙，SIS 工程師需要執(zhí)行下面的工作：
1. 選擇 “最佳”功能測試間隔時間棒论；
2. 選擇“最佳” SIS 體系結(jié)構(gòu)（傳感器、邏輯解算器和最終部件）恕臣；
3. 假設(shè)有 6%貼現(xiàn)率委董，為企業(yè)設(shè)計(jì)一個超過15 年時間周期扔缭、具有最小成本的SIS。
2. 選擇“最佳” SIS 體系結(jié)構(gòu)（傳感器、邏輯解算器和最終部件）恕臣；
3. 假設(shè)有 6%貼現(xiàn)率委董，為企業(yè)設(shè)計(jì)一個超過15 年時間周期扔缭、具有最小成本的SIS。
因此癞烈，SIS 工程師需要回答下面關(guān)于“最佳”設(shè)計(jì)的問題：
1. 傳感器：變送器對比開關(guān)和相關(guān)的結(jié)構(gòu)（1選1洗馅，2選1，3選2堕常，等）赌羽；
2. 邏輯解算器：繼電器對比可編程電氣和相關(guān)的結(jié)構(gòu)（1選1，1D選1缤弦，2選1领迈， 2D選1，3選2碍沐，4選2狸捅，等）；
3. 最終部件：結(jié)構(gòu)和測試要求（全部沖程對比部分沖程）
2. 邏輯解算器：繼電器對比可編程電氣和相關(guān)的結(jié)構(gòu)（1選1，1D選1缤弦，2選1领迈， 2D選1，3選2碍沐，4選2狸捅，等）；
3. 最終部件：結(jié)構(gòu)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累提。
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尘喝，完成下面的分析。為了強(qiáng)調(diào)成本的重要性斋陪，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)行朽褪。另外，對兩種不同的事件成本進(jìn)行評估（容器破裂的成本分別是 $1,000,000 和$12,000,000）无虚。
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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)的第一步缔赠。同樣地，SIS 工程師要在很大范圍的選擇中對新SIS的結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估友题。因此嗤堰，要對下面各種選項(xiàng)進(jìn)行評估：
·開關(guān)對比變送器和要求的冗余；
· 繼電器對比安全 PLC 和要求的冗余面镣；
· 閥門和要求的冗余卒抖；
·12 個月測試間隔對比 24個月測試間隔。
· 繼電器對比安全 PLC 和要求的冗余面镣；
· 閥門和要求的冗余卒抖；
·12 個月測試間隔對比 24個月測試間隔。
步驟 2：執(zhí)行 SIL 計(jì)算（PFDavg 和 MTTFS）
基于下面的設(shè)計(jì)條件册吹，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 SIL 2 的要求貌硬，選項(xiàng) 1a，1b馒狡，3a嚣褐，3b 和 4a 將在進(jìn)一步的分析中刪除，因?yàn)樗麄儾荒苓_(dá)到 SIL 2煮肋。
步驟 3：計(jì)算生命周期成本
為了計(jì)算生命周期成本逸茅，需要進(jìn)一步的信息。對于樣板案例，要使用下面的數(shù)據(jù)：
·操作費(fèi)用每年消耗 $500详不，再加上功能測試的費(fèi)用蚯氯。
·功能測試 = 2 人 8 小時 @ $70/小時，加上 8 小時損失生產(chǎn)的費(fèi)用妖救。
·操作費(fèi)用每年消耗 $500详不，再加上功能測試的費(fèi)用蚯氯。
·功能測試 = 2 人 8 小時 @ $70/小時，加上 8 小時損失生產(chǎn)的費(fèi)用妖救。
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(qiáng)調(diào)了誤操作的成本能夠占據(jù)整個費(fèi)用的多少橄浓。在表 4 中，誤操作的成本假設(shè)為 $10,000時亮航，最佳的 SIS 結(jié)構(gòu)由冗余壓力變送器荸实、電流開關(guān)和閥門、每24個月測試構(gòu)成缴淋。在表 5 中准给，誤操作成本假設(shè)為 $150,000時，最佳的 SIS 結(jié)構(gòu)由冗余壓力變送器重抖、1oo2D 安全 PLC 和 1oo2 閥門露氮、每24個月測試構(gòu)成。注意根據(jù)實(shí)際使用的成本钟沛，結(jié)果會有所變化畔规，并且有不同的 SIS 結(jié)構(gòu)成為用于你項(xiàng)目的“最佳”。
步驟 4：計(jì)算利潤率
為了計(jì)算利潤率讹剔，還需要一些另外的信息油讯，通常這些信息在完成的SIL 結(jié)果中。在樣板案例中延欠，使用下面的數(shù)據(jù)：
FNo-SIS = 1 / 50 年（從 SIL 選擇風(fēng)險排行過程）；
FSIS = 根據(jù) PFDavg x FNo-SIS 的計(jì)算却师；
EVNo-SIS = 評估 $1,000,000 或 $12,000,000 事件禽虹；
EVSIS = 評估 $1,000,000 或 $12,000,000 事件；
CostSIS = 根據(jù)選擇的結(jié)構(gòu)會有所變化程押；
CostNT = 評估 $10,000 和 $150,000 事件赌置。
FNo-SIS = 1 / 50 年（從 SIL 選擇風(fēng)險排行過程）；
FSIS = 根據(jù) PFDavg x FNo-SIS 的計(jì)算却师；
EVNo-SIS = 評估 $1,000,000 或 $12,000,000 事件禽虹；
EVSIS = 評估 $1,000,000 或 $12,000,000 事件；
CostSIS = 根據(jù)選擇的結(jié)構(gòu)會有所變化程押；
CostNT = 評估 $10,000 和 $150,000 事件赌置。
注：為了強(qiáng)調(diào)在整個分析成本的重要性，對兩種不同事件成本果派，以及兩種不同誤操作成本評估蓝捌。
表 6 – SIS 利潤率分析概要 - $10,000 誤操作成本
情形 SIS成本(每年) 誤操作成本 無 SIS事件 有 SIS事件 無 SIS失效 PFDavg 有SIS失效 誤操作率(年) 誤操作成本(每年) 利潤率
表 7 – SIS 利潤率分析概要 - $150,000 誤操作成本
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情形 SIS 成本(每年) 誤操作成本 無SIS 事件 有 SIS 事件 無 SIS 失效 PFDavg 有SIS失效 誤操作率(年) 誤操作成本(每年) 利潤率
從上面的利潤率數(shù)據(jù)可以看出，不是所有的結(jié)構(gòu)都是正確的的投資蟀披。
結(jié)論
基于前面的評估饵朱，很容易地看出：不能簡單根據(jù)完成的SIL計(jì)算就決定是否能達(dá)到SIL等級。復(fù)審14 種不同的 SIS 結(jié)構(gòu)巫碍，發(fā)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)中只有9種滿足 SIL 的要求椰完。根據(jù)進(jìn)一步的復(fù)審，只有兩種 SIS 結(jié)構(gòu)在最小化成本方面是“最佳”，以及具有利潤率 > 1.0辨批。兩種 SIS 結(jié)構(gòu)如下：
（羅克韋爾自動化（中國）有限公司 華镕）
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