DCS安全验收评价的探讨

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DCS安全验收评价的探讨
谢庭渝
谢庭渝先生，四川省安监局安全科学技术研究室专家组成员，成都海诚工程设计有限责任公司主任工程师、教授级高工。
关键词： DCS　安全验收评价　评价方法
总体要求　危险识别　控制措施
安全检查　安全试验
概论
近年来，自动化控制系统特别是DCS在石油、化工、电力、冶金、轻纺等行业中得到广泛应用，在降低能源和原材料消耗、提高产品质量、确保安全生产、改善和加强企业管理等方面已取得了明显的经济和社会效益。同时，生产过程的大型化、连续化、自动化发展趋势和在中控室内的集中控制，也增加了安全生产的复杂性。本文针对DCS的特点，就安全验收评价中涉及的有关技术问题进行阐述。
一
DCS安全评价的总体要求
总体要求是：DCS应能在异常情况下控制设备和装置不发生危险，必要时控制装置要能自动切换到备用电源和备用设备或装置中去；
调节装置要有联锁，以防止误操作和自动调节装置的误通、误断；要评价紧急事故开关设置情况。
下列情况须设置紧急事故开关：(1)发生事故时，不能通过停车开关来终止危险的运行；(2)不能通过总开关来迅速中断若干个造成危险的运行单元；(3)由于中断某个单元能出现其他危险；(4)控制台不能看到所控制的全部装置和设备，无法分析判断和实施有效控制。
紧急事故控制要有防止发生灾害措施，如防窜压、防逆转等。紧急事故开关应用红色，并能明显区别其他开关。
二
主要危险因素识别

(1)主要危险因素及相关作业场所
DCS主要危险因素有：控制系统断电；控制站失灵；仪表损坏和电气联锁失效等。主要危险因素的相关作业场所是中控室和现场检测仪表、执行机构。
(2)DCS所涉及的危险因素及存在的部位
DCS断电、控制站失灵和电气联锁失效将导致系统的非正常停机。对于有毒和高温、高压设备而言可能导致有毒物质的泄漏、引发火灾或高压设备的爆炸。危险因素存在的部位是UPS电源、DCS控制器和PLC控制器。
仪表损坏将导致系统的非正常运行。特别是执行机构损坏将导致控制失灵，对于有毒和高温、高压设备而言可能导致有毒物质的泄漏、引发火灾或高压设备的爆炸。危险因素存在的部位是现场检测仪表、执行机构。
三
危险因素安全控制措施
首先，要制定DCS安全应急救援预案，并组织员工按照安全应急救援预案进行演练；其次，必须针对主要危险因素制定相应安全控制措施。
1. DCS断电的安全控制措施
DCS通常采用UPS电源，以保证在供电电源断电后，仍能在规定时间内将系统关闭在安全状态，这就要定期检查UPS电源工作状态和容量，对于冗余电源，应分别切换，确认系统运行正常。
2. 控制站失灵的安全控制措施——进行控制站冗余安全试验
(1)在操作站上调出系统状态显示画面，确认控制站正常，在另一操作台上调入该控制站内某一位号，送4～20mA信号于该位号，记录测量值(PV)、设定值(SP)和输出值(0P)；(2)控制站电源开关置于“OFF”状态, 确认冗余控制站自动投入控制运行，PV、SP和0P值保持不变；(3)主控制站电源开关恢复“ON”状态，再确认PV、SP和0P值不变；(4)重复以上步骤检测冗余控制站。
3. 仪表损坏的安全控制措施
(1)把好仪表入口关，“三证”齐全方可使用。“三证”包括生产许可证、出厂合格证及化验单、试验报告等。(2)定期检查、校验强制性检测的仪表运行状况，以避免仪表失灵。(3)对于重要联锁保护系统开关量仪表的整定，及重要调节回路的仪表单体调试，其整定调试完毕到仪表投用之间的存放时间不宜超过两个月。(4)仪表应备有足够备品、备件。(5)仪表应具备仪表卡片、仪表说明书，检修校验记录、流量计算数据、仪表控制流程图和重要接线图，以及仪表设计(包括孔板和调节阀的计算)安装和检修资料。(6)当在线仪表发生损坏时，DCS应能及时显示、报警，必要时可启动联锁保护系统按规定要求动作，以确保工艺装置的安全生产或停机。
4. 电气联锁失效的安全控制措施——进行联锁保护系统安全试验
联锁保护系统逻辑设计原则必须满足工艺装置的安全运行，在发生异常情况时发挥作用，使联锁保护系统按规定要求动作，以确保工艺装置的生产安全，避免重大人身伤害及重大设备损坏事故。按照用途，电气安全联锁装置可分为防止触电事故的联锁装置、排除电路故障的联锁装置、执行安全程序的联锁装置和防止非电事故的联锁装置。按照试验顺序，电气安全联锁装置可按手动、自动、机组联锁试验来进行。
(1)手动联锁试验
对整个逻辑回路所包含的现场输入点，采用模拟现场条件的办法，每次只选择一个能直接影响控制输出接点状态的输入点进行测试，而短接或断开回路中其他相关现场输入接点。分别使测试点短接或断开，来检验输出接点的动作是否满足设计的联锁功能，然后对能影响这一输出接点状态的所有输入点逐一进行检查，以检验整个逻辑回路要求的机械设备和阀门开停(启闭)动作信号、声光信号、动作时间等是否符合设计要求．试验完毕恢复接线。
(2)自动联锁试验
由工艺操作人员现场配合，制造模拟生产现场，待仪表各回路投入正常运行后，按照逻辑图在现场逐项进行故障模拟，检查现场机械设备和阀门开停(启闭)动作、动作时间、控制室内显示的状态和声光信号等是否满足工艺要求。机泵自动开停、阀门自动启闭等联锁系统均应在手动试验合格后进行自动联锁试验。
(3)机组联锁试验
机组联锁保护系统应在润滑油、密封油系统正常运行的情况下进行试验。机组启动、停车试验时，应切断电动机的供电线路，采用接触器的吸合与释放模拟机组的启动、运行、停车并应满足以下要求: 所有启动条件均满足时，机器方可启动；任一条件不满足时，机器均不启动；在运行中，某一条件超越停车设定值，应立即停车；启动、运行、停车时的音响、灯光应符合设计要求。
综合上述，DCS主要危险因素是控制系统本身产生的，只有通过对DCS全面的安全检查、安全试验来解决。安全评价工作也必须从这两方面入手。
四 DCS的安全检查
1. 系统上电的安全检查
上电前系统安全检查包括：(1)接地系统安全检查：接地极对地电阻；AC安全接地和DCS主参考接地是否符合制造厂和设计要求；检查盘内接地、盘间连接是否正确；检查AC地和MRG地是否独立；检查盘设备接地是否合格；检查系统内接地正确与否。(2)电源系统安全检查：检查电源柜开关容量是否符合设计要求；检查电源柜到各设备的电源线正确与否；火线、零线的对地电阻，以及线间绝缘电阻是否符合要求。
接地系统、电源系统检查一切正常及UPS正常运行后，在DCS专家、厂家、监理部门和施工单位共同参加的情况下，可以上电。上电前，须检查所有开关必须是OFF状态，在DCS专家指导下按顺序送电，同时观察每个节点受电后的节点状态及地址、指示灯闪烁方式、CRT画面和所有卡件显示是否正常。
2. DCS的功能检查
所有相关电源开关置于“ON”状态；从工程师站下装系统软件、应用软件及数据库；启动操作站，确认系统正常；向各台设备下装系统软件及数据库文件，启动局域控制网络上的全部节点，并确认系统状态显示正常。
系统启动检查应符合下列要求：
检查系统硬盘(HDD)子目录所有文件是否齐全；
在系统状态显示画面上检查各节点在局域控制网络上的显示正确，有无遗漏；按打印键确认打印机能否打印一屏画面；对于冗余电源，应分别切换，确认系统运行正常。
3. 系统组态检查
系统组态检查应根据回路组态文件、梯形逻辑组态文件、先进控制组态文件对DCS软件进行检查。
流程图画面检查内容：物料；检测、调节、指示操作；物料流向；报警指示；设备；动态流程检查；仪表位置；CHANGE-ZONE调用；阀门开关、电磁阀状态指示，限位开关位置回信；电动机、泵状态显示；点画面检查；组画面检查；报警画面检查；卡件分配检查，卡件中点分配余量至少留有15～20％的余量。DCS的单元、区域、历史组、操作组、报警单位、实时杂志、目录、区域数据库等逐一检查。
4. DCS的逻辑功能检查
DCS逻辑功能确认应使用编程器测试功能，设定输入条件，根据梯形图或程序文件观察输出地址变化是否正确，以确认系统的逻辑功能；紧急停车逻辑(ESD逻辑)试验应检查逻辑管理站的梯型逻辑组态，根据逻辑图检查ESD盘的手动开关、报警系统是否正确实现逻辑运算控制。
5. 现场仪表的安全检查
现场仪表必须“测量灵敏，控制可靠”，其基本标准：(1)全套仪表(包括测量元件、引线、调节阀附件等)安装正确，管线横平、竖直、无渗漏，导线排列整齐，信号线无干扰，符合相应要求。(2)全套仪表整体整洁，零部件完整无缺，无严重损锈蚀。(3)仪表标度清晰、鲜明，记录、打印清晰。(4)仪表测量系统须灵敏，灵敏度不得低于允许值。(5)指示误差符合相应仪表技术要求。(6)仪表应具备技术资料：仪表卡片、仪表说明书，检修校验记录、流量计算数据、仪表控制流程图和重要接线图，以及仪表设计(包括孔板和调节阀的计算)安装和检修资料。现场仪表可根据表内容进行安全检查。
6. 报表的检查
报表的检查应包括事故报警的检查及年报、月报、日报的检查，检查项目包括报表题头、报表格式、打印数据、被报告的设备、计划打印的顺序、打印的要求内容等。
五
DCS的安全试验
DCS的安全试验是指对整个装置控制方案的检测，应按照检测系统、调节系统、报警系统、联锁保护系统、冗余系统、I/0系统分别进行安全调试，达到具备试车的条件，试验合格填写系统试验记录，由甲方有关人员现场共同确认，并在确认单上签字。
(1)检测系统安全试验
结合仪表单校时的方法，在检测系统的信号发生端输入模拟信号，在操作站的CRT显示屏上检查PV值，计算系统误差，其误差值不应超过系统内各单元仪表允许基本误差平方和的平方根值。系统校验点不得少于3点，分别为设计量程的0、25、100％。
带报警点的检测系统同时应在操作站CRT显示屏上对报警功能进行检查，增大或减小输入信号，确认报警值与设计值是否相符，报警动作是否正常，报警笛是否响，以及报警总貌画面上是否有报警信息显示。
(2)调节系统安全试验
在操作站CRT显示屏上把调节器输出设定到手动状态，用手动方式输出4～20mA DC信号，检查现场执行器全行程动作及回信器动作应良好，精确度合格；同时确认流程图画面上相应阀的颜色发生变化。基地盘控制系统则用手动操作系统的输出信号进行上述检查。
(3)报警系统安全试验
系统中的信号输入元件，其附加报警机构应根据设计提供的设定值进行参数整定，没有设计认可，设定值不得随意改变：根据线路原理图，提供系统动作状态表，在全部线路接通情况下，逐点输入测量信号，在CRT显示屏上相应符号的PV状态应与输入信号相符，同时确认报警笛响及报警总貌画面上有报警信息显示。
(4)联锁保护系统安全试验
(5)系统的冗余安全试验
网络通信电缆冗余安全试验：在系统状态显示画面上，确认网络通道的A与B电缆状态显示为绿色；
除去电缆A或接线端子，检查电缆B可否切换，电缆A颜色同时变成黄色，且不影响网络通道正常运行；恢复网络通道的A电缆，待A电缆颜色变绿时，再用同样方法检查B电缆。
I/O卡件冗余安全试验：在操作站上调出控制站细目显示画面，确认全部I/O卡件状态正常。在另一操作站上调出该卡件含有某一位号，输入4～20mA信号，记录PV、SP和0P值；关闭主I/O卡件的电源开关，确认冗余I/O卡件自动投入控制运行，控制站细目显示画面状态正确，确认其PV、SP和0P值保持不变；主I/O卡件电源重新置于“ON”状态，再确认PV、SP和0P值保持不变；重复以上步骤检测冗余的I/O卡件。
(6)DCS的I/O安全试验
对于模拟I/O信号，应从现场加实际的0％、50％、100％模拟信号，观察监视器上是否有对应量程变化，或在操作站上强制输出0％、50％、100％，观察现场是否有对应4mA、12mA、20mA变化。对于数字I/O信号，应从现场加实际的闭合、断开信号，观察监视器上是否有对应状态改变，或在操作站上强制输出ON、OFF信号，观察现场是否有对应闭合、断开变化。
(7)仪表系统联校、联锁安全试验完毕后，仪表具备了单机试运条件，将转入配合试车阶段。仪表将根据工艺单机试运计划，配合工艺编制试车方案，特别是大机组试车，配备专职技术人员和熟练工人，确保安全和质量。
六
安全评价方法的选择
DCS安全性评价按”评价、分析、评估、整改“的过程循环推进，即按评价标准开展自评价或专家评价，对评价过程中发现的问题进行原因分析，根据危害程度对存在问题进行评估和分类，按照评估结论对存在问题制定并落实整改措施，然后在此基础上进行新一轮循环。
1. 自评价
(1)自评价工作应基于“自我约束、自我发现、自我纠正、自我完善、自我发展”的指导思想，促使企业自觉运用安全性评价这一有效手段，不断提高DCS安全生产水平。(2)为加强DCS安全评价工作的组织和领导，企业在开展自评价时，应成立安全评价领导小组，统一部署、开展工作。(3)应组织制订自评价工作计划书，编制适合DCS生产实际的详细评价条目，对分阶段评价项目、工作内容、责任部门、监督完**、时间进度表等项目列出详细计划，并保证整个自评价工作有组织按计划地开展。(4)应认真进行安全性评价宣传和动员工作，组织有关人员系统学习安全性评价标准和评价方法，逐级开展安全性评价工作培训。(5)仪电车间、工区、班组应根据安全性评价标准和企业制定的自评价工作计划书，对评价项目和查评任务层层分解，落实责任，在专业负责人的监督和指导下，明确各自应查评的项目、依据、标准和方法，为自评价工作做好充分基础准备。(6)仪电车间、工区、班组的自评价工作应和日常安全管理工作相结合，做到标准化、制度化、规范化。(7)自评价工作结束后，应根据逐级汇总上报的自评价情况，仪、电专业负责人组织人员完成专业自评价报告，领导小组组织人员在专业报告基础上完成DCS安全验收自评价报告。
2. 专家评价
(1)专家评价应建立在自评价工作的基础上，对自评价工作进行更深层次的评估、分析、提炼、综合，帮助企业更全面、准确、深入把握DCS安全生产状况和存在问题，从而达到提高整个DCS安全验收评价工作质量的目的。(2)专家评价由完成自评价的企业向上级单位提出申请，上级单位组织专家或委托邀请中介机构实施。(3)专家评价应在企业自评价的基础上进行，应对自评价中发现的问题进行认真核对和检查。(4)查评工作结束后，专家组应向上级单位和被评价企业提交书面DCS安全验收评价报告。
七
结束语
在DCS安全验收评价中，系统必须进行全面的安全检查和安全试验；按照“评价、分析、评估、整改”的方法，通过自评价和专家评价法，完成对DCS的安全验收评价。