进程安全:使用灵活的IO管理进程安全

由于各种原因，包括严格的行业法规和世界各地安全事故的广泛报道，工业组织正在密切关注安全应用。工厂需要强大的安全应用程序，包括在发生不可接受的过程偏差或故障时负责将过程带入安全状态的所有仪表和控制。

为了应对过程安全挑战，包括保护关键工厂资产的纵深防御战略的作用，工厂人员必须了解当前技术在市场上的应用，以及优化整体安全性能和降低整个项目生命周期资本和运营成本的新技术。

操作要求

工业设施面临着越来越大的压力，需要更好地管理其过程和安全资产。出于法律和道德原因，遵守法律以保护人员、社区和环境是优先事项。需要有效的安全应用程序来实现主动保护(相对于响应式缓解)，帮助在事件发生之前阻止事件，防止伤害并挽救生命。

世界各地的工厂项目正变得越来越大，越来越复杂。绿地建设通常涉及多个工程采购承包商，而棕地项目必须在最短的停机时间内完成。所有类型的作业都寻求准时或早期启动，以及早于计划的生产，以加速回报。

在过程工业中，石油和天然气平台、液化天然气运输船、浮式生产、储存和卸载装置等自动化设备通常面临空间、重量和功率限制。此外，这些操作必须确保在已安装资产的生命周期内有足够数量的备用设备。

在新建场址，建设足够的控制室基础设施是当务之急。这使得将控制和安全功能以及必要的硬件转移到现场成为传统方法的理想替代方案。与此同时，用户必须应对诸如耗时的硬件配置和编程、后期设计变更、频繁维护以及需要减少连接传感器、变送器和其他设备与控制室的铜线等负担。

Brownfield设施还需要处理与备件可用性相关的问题，更不用说在任何扩建项目中需要安装额外的本垒打电缆。

如今，在过程工业中，从安全系统成本到总拥有成本有了明显的转变。当前的系统架构可以是集中式的、分布式的，也可以是两者的组合。每种方法都有其优点和挑战。

许多作业仍然采用plc、控制系统或其他传统平台中实施的过时安全解决方案。由于ISA-84:高度危险化学品过程安全管理使用标准的不断改进IEC-61511:功能安全:过程工业部门安全仪表系统在美国，工厂发现有必要用现代安全仪表系统(SIS)取代这些系统。执行以前未实现或未确定的安全仪表功能的需求也推动了SIS技术的实施。

实施层层保护

确保人员、设备和环境的安全是每个工业设施的首要任务。这种努力远远超出了简单地安装故障安全控制器或先进的SIS解决方案。事实上，为了降低发生严重事故的风险，从工厂运行的各个方面考虑安全和保障是很重要的。

工业设施应该采取全面的工业安全和安保方法，解决从过程控制网络到工厂周边的关键要求。这一办法的目的是提高对生产过程的态势认识，改进对安全或保安相关事件引起的紧急情况的反应。如果实现得当，此方法有助于保护人员、资产和环境，同时保持高水平的运营和业务绩效。

集成安全和安保的最佳实践的核心是具有独立保护层的纵深防御(见图1)。这一策略包含在IEC 61511标准中，该标准规定每个保护层(包括控制系统和安全系统)都应明确独立。这个基本需求的一些原因是为了避免常见故障，最小化系统错误，并提供针对意外访问的安全性。

在分层解决方案中，有些保护层本质上是预防性的(例如，紧急停机)，有些保护层是为了减轻事故发生时的影响(例如，火灾和气体保护系统或应急响应系统)。其他保护层可以在第一时间阻止事件，或提供检测、警报和相关指导。

维持隔离系统

近年来过程控制技术的主要成就之一是它在工厂自动化环境中集成了越来越多的安全功能。通过SIS与过程控制系统共享关键信息的做法带来了显著的好处。

工业组织正在寻求在控制器和HMI级别集成的统一控制和安全基础设施。该解决方案必须符合关键的工业安全法规以及适用的网络安全标准。它还必须满足行业对高可靠性和可用性的要求，简化现场设备维护，并轻松适应最后一刻的项目工程变更。

经验表明，控制和安全集成的最稳健和可靠的方法保持了基本过程控制系统和SIS的既定分离原则。通过这种方式，用户可以通过单个仪表板实现完整的操作集成，使用完全分离的安全网络提供更大的保护。

授权工厂人员

工厂安全需要一个全面的计划来管理操作人员的有效性，持续监测遇险指标，并持续监测和维护资产健康。这种综合方法不仅需要了解安全与人为错误的关系，还需要了解工厂系统和现场人员的根本原因和干预措施之间的相互关系。

在工厂安全架构中经常被忽略的保护层是需要人工干预的。为操作小组配备技术和工作实践，以管理异常情况或意外事件，这是至关重要的。此外，随着有经验的劳动力的转变和领域知识的潜在丢失，将知识转化为制度程序和实践变得越来越重要。操作人员应该有适当的装备来识别事件，并有能力正确评估情况并做出相应的反应。

在整个操作过程中，通用和一致的hmi提供了操作员的有效性，通过程序操作自动化获取知识，以及先进的报警功能，使人们能够更好地预防和应对异常情况。

集成健壮的安全性

没有适当的安全措施，工业场所就不是真正安全的。这就是为什么纵深防御必须包括物理安全层，不仅要超越外围围栏，还要进入控制室的核心。集成的物理安全元素通常将不同的技术结合在一起，以提高事件或现场紧急情况下的态势感知和操作员的反应时间。此外，与工厂DCS紧密集成的数字视频解决方案现在可以使摄像机充当过程传感器。这些系统可以在数据库级别集成，因此警报、事件和数字记录触发器是控制系统的本机。

为确保健全的保护策略，网络和数据库基础设施还应包括内置的网络安全解决方案。这包括一个嵌入式和经过认证的防火墙——尽管网络安全远远不止于此——从最终用户的业务网络开始，扩展到控制体系结构的核心。

使用智能、灵活的技术

过程安全应用提出了一系列的操作挑战。近年来，出现了一些新技术和新产品来解决其中的一些问题，但在许多情况下，它们是有限的，只能提供部分解决方案。工厂业主正在寻求功能丰富的解决方案，他们可以配置以满足他们的独特需求。适应遗留系统和新安装的需要强调了兼容性和可配置性的必要性。当前的商业环境还要求产品将资本和维护成本降至最低。

在工厂控制和安全体系结构中，I/O子系统负责向系统输入数百或通常数千个不同的过程测量和其他输入，并向大量最终控制元件输出控制信号。I/O是系统基础结构中最重要的部分之一，传统上也是一个重要的成本元素。然而，自动化供应商正在努力通过将更多的智能和可编程性整合到他们的解决方案中来降低I/O的成本和复杂性。

随着灵活I/O系统的出现，过程制造商现在可以在简化安装和维护的同时集成更多的安全设备(见图2)。这些系统采用创新技术，无需额外硬件即可即时配置I/O通道。它们实现了最大的架构灵活性、更低的拥有成本、支持SIL-3应用程序需求，并且对于必须集成设备、单元和分布在广泛地理距离上的其他资产的设施来说是理想的。

I/O技术的发展为将安全和过程I/O以及控制柜从通道类型依赖中解放出来提供了机会。该概念使多个远程位置可以通过单个集中单元进行控制，每个I/O通道都可以单独软件配置为模拟输入(AI)、模拟输出(AO)、数字输入(DI)或数字输出(DO)。它减少了浪费的I/O空间，并节省了安装和运营成本，因为用户不再需要担心AI、AO、DI或DO配置是否有足够的模块。可以在任何时候轻松地配置和重新配置I/O连接。

实施这些技术的工厂还可以对具有通用配置的通用机柜进行标准化，因为任何现场信号都可以连接到任何I/O通道。工程师可以通过了解需要支持多少I/O以及安装空间要求来降低文档成本。

一些I/O系统被设计为支持电子(软)编组，这允许I/O模块安装在靠近处理单元的地方，以减少或消除对本垒打电缆、编组面板、接线盒和现场辅助室的需求。使用这种新的I/O部署方式，无论信号类型如何，现场连线都可以在任何I/O模块或通道上终止。它消除了传统编组方法中需要的混乱，从而降低了与安装、调试和维护系统相关的硬件复杂性，从而节省了编组机柜、面板间布线、机柜空间、电源需求以及部署这些项目所需的传统时间。

通过采用灵活的I/O方法，现在可以通过远程访问而不是在现场操纵硬件来完成导致代价高昂的项目延迟的后期更改。以前需要几天甚至几周的工作现在可以在几分钟内完成。在项目计划中获得的每一天都是额外的一天生产。因为每个项目只需要一种类型的I/O模块，工程师只需要担心I/O数量，而不是I/O混合。

最新的技术进步也限制了工厂人员所需的培训数量。只需要一类I/O就可以满足典型SIS项目的所有输入/输出需求。这种解决方案的互连更少，因此故障也更少，因此测试和安装更容易。

将应用程序移动到现场

最近，自动化供应商开发了安全逻辑解决方案，旨在在I/O模块中独立执行安全应用程序。用户可以将安全逻辑分布到靠近流程的字段中，同时保持透明的概览。这种逻辑解决方案即使在与SIS通信中断的情况下也能保护进程。这种方法非常适合高度分布式的应用程序，并且在提高流程可用性和效率的同时降低了成本。

例如，在上游油气行业，油田运营商现在可以实施一种安全解决方案，即每个井口的I/O模块集成到SIS和DCS中，但如果中心连接丢失，也可以作为井口的专用逻辑解算器。实际上，另一层冗余和分离被添加到系统中。

与此同时，与仅基于摄像头的解决方案相比，用于陆地设施的管道完整性解决方案和雷达视频监控能够显著节省成本，从而扩大了安全设备的范围和范围，这些安全设备可以集成到其他领域的系统中。

一个新的过程安全景观

流程工厂的运营经理必须解决一系列紧迫的需求:工人安全、环境管理、流程正常运行时间和工厂资源的保护等等。这些挑战正在挑战现有资源和专业知识的极限。

随着自动化技术的创新，工厂可以在各种装置中优化过程安全系统，提高整体安全性能，并在项目的整个生命周期中降低资本和运营成本。

埃里克·德·格鲁特是安全系统的市场经理霍尼韦尔过程解决方案．他在过程工业的过程开发和自动化领域活跃了26年，包括在霍尼韦尔(Honeywell)工作16年，在那里他开始在荷兰阿姆斯特丹担任应用工程师。他拥有荷兰HTS Hilversum的化学工程学士学位．

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