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• 關鍵詞： 安全系統
• 摘要：石油及天然氣公司審慎挑選一套安全系統極其重要，在決策過程中，企業必須考量風險因素，并且評估設計方法以及各種軟硬件問題。本文介紹了安全系統對于石油及天然氣產業的重要性。

    基于實務及財務理由，石油及天然氣設施需部署各種不同需要連續運行的流程。因此，在主要控制系統故障時，泵浦、壓縮機、馬達及儀器等重要裝置能否維持運行即相當重要。

　　在大部分的生產作業中，過去主要是分散式控制系統(DCS)，但現已日漸轉型為以可程序自動化控制器(PAC)為基礎系統的基本制程控制系統(BPCS)，會持續監控包括溫度、流量、壓力、重量及粘性等流程及控制項參數。BPCS能將程序變量維持在安全的限度內，因此能協助提供一定層級的保護(例如控制系統可偵測流量或壓力的變化并做出回應)。

　　但在BPCS失去控制或意外故障時，有許多程序可能引發危險情況。此即安全儀表控制系統(SIS)派上用場的時機。SIS的目標是在控制系統故障時維持設施的安全性。這也說明了為何石油及天然氣公司審慎挑選一套安全系統極其重要。在決策過程中，企業必須考量風險因素，并且評估設計方法以及各種軟硬件問題。

　　了解風險

　　能否慎選正確的技術需要深度的分析。由于每個專案皆不同，因此安全系統需求也不一樣。分析程序包含一系列的詳細步驟，包括應用程序的安全性檢討、執行其它安全階層與系統化分析，以及詳細的說明文件和流程。

　　這些步驟記載于各種不同的法規、標準(例如IEC61511)、指導方針及建議實務方式中。其目的為留下明文記載及可供稽核的記錄，并確保不致于忽略或遺漏任何內容。

　　風險評估可將每種安全性儀器功能所需要的效能，量化為4種可能的安全完整性等級(SIL)的其中一種。SIL代表安全性儀器功將可能意外事件結果的風險，控管達到可容忍等級所需要的風險降低量或效能。例如SIL1等級的系統能提供0.1至0.01的要求失效概率(PFD—危險失效)，而SIL4系統則提供0.0001至0.00001的PFD。

　　石油及天然氣公司有十數家制造商可供選擇，還可以搭配五種基本組態設定(1oo1D、1oo2、1oo2D、三重及四重)。如下文所述，在決定哪里種系統最適合某項應用之前，應考量一些重要的問題。

　　有3種類型的安全系統設計，可讓使用者共享系統之間的信息—包括接口式、混合式及集成式。某些應用的最適合選項，將會依諸如規模、風險等級、地點、人員的專業程度、支持及成本的可用性等因素而異。

　　在接口式的組態中，個別的BPCS和SIS系統會使用固線訊號、業界標準的通訊協定或相同的專屬高速聯機做為控制系統(通常使用閘道的形式)，以進行彼此之間的通訊。基于某些理由，有些人偏好將安全性及標準控制功能分散及隔離在不同的程序應用程序中。例如使用不同的硬件和軟件，可能代表著若發生任何單一問題時，較不容易對兩套系統造成不利影響。此外，實體的隔離也可以防止PAC或BPCS的變更，避免造成相關SIS的任何變更或毀損。

　　這種接口式方法的主要優點，在于使用者可選擇每種個別系統中的較優者，以運用在任何特定的應用中。這種類型的設計也有其缺點，象是需要承包商、集成商及一般使用者學習兩種不同的系統—包括硬件和軟件，因此通常會帶來較高的訓練及備用零件成本。

　　共享或混合式方法是由一家廠商提供兩種不同、而設計上相似(但不可替換)的系統。這種方法的優點是比接口式系統的成本低、可以使用共同的元件及容易進行系統之間的交流。缺點是會增加發生同種原因問題的可能性。此外，雖然程序設計環境可能相同，但實際的硬件模塊通常有所差異，因此每種系統都需要自己的備用零件。

　　而第三種方法—集成式安全性，則可藉由單一控制平臺同時達成兩種功能。集成式安全系統現今愈來愈受歡迎。雖然在成本上可能高出一般用途的控制系統，但通常遠比個別系統的成本來得便宜。這種方法的優點是只需要學習一套系統、具備程序設計簡便性、共享元件及集成便利性，因此能降低成本。

　　同時，集成式安全系統在機具控制應用中，也愈來愈常見。不過在這些系統更廣泛應用于程序安全性之前，還需要提供更多程序專屬的硬件元件。          

　　硬件考量因素

　　為石油及天然氣系統挑選硬件時，企業必須將諸如容錯、系統規模及事件順序等因素納入考量。石油及天然氣產業中大部分的使用者皆指定經SIL3認證的三重化系統。

　　三重化系統能提供最高的容錯等級，并且是以在備援設計中執行3個平行系統的方式所設計。3套系統皆會處理輸入信息，并以票選方式影響結果—亦即若是2/3的票選結果，就必須進行變更或停止某個程序。備援能力需求所需具備的不只是邏輯運算器，也包括構成SIS的元件，象是輸入裝置(傳感器、交換器及儀器)及輸出裝置(泵浦、馬達、閥門及其它致動器)。安全系統的實體大小對于空間有限的應用，例如離岸平臺及卸油船等也非常重要。一般而言，系統擁有越多的備援，系統的大小就會越大。例如，大部分的雙重備援系統需要相同的備援機箱，即使機箱中只有少數模塊亦同。

　　并非所有三重化系統的規模皆相同。有些組態設定會為系統中的每個模塊提供一個備用插槽，以便讓使用者可以在在線快速更換使用中的模塊，而不會影響程序。其它的系統則僅以較少的空插槽用于更換系統中任何I/O模塊，因此能提供較為精巧的配置。

　　發生某些造成程序關閉的情況時，首先要知道發生什么事，以及其發生順序。為提供此資料，大部分的系統皆提供某種形式的事件順序(SOE)記錄。

　　某些系統能以真實的一毫秒解析，在I/O模塊為事件加注時間卷標。其它系統則可能在主處理器為事件加注時間卷標，因此只具有處理器掃描時間的解析。企業必須檢查硬件功能，確保掃描時間符合應用程序的速度需求。

　　重要軟件功能

　　在軟件方面，必須考慮的是采用能簡化控制系統、人機接口(HMI)和協力廠商設備的程序設計及聯機作業的程序設計語言。IEC61131-3標準定義5種控制系統程序設計語言—包括階梯邏輯、功能組塊、結構化文字、指示清單及序列功能圖表。不同的語言適用于不同工作。

　　現今大部分的系統皆提供以Windows為基礎的開發站，以及至少一種的IEC61131-3程序設計語言。但這不代表所有系統皆能提供相同的組態設定及程序設計便利性，或是相同的設計生產力。測試軟件及逐步審查基本組態設定工作相當重要。

　　此外，了解您的控制系統、HMI及其它協力廠商設備的聯機選項也非常重要。必須詢問的問題包括：您的控制系統是否與以太網絡、序列、OPC或Modbus網絡聯機兼容？需要多少聯機，以及系統能提供什么支持？是否可提供備援通訊？是否需要個別的閘道？安全系統是否擁有對控制系統的直接高速聯機？

　　達成最佳的平衡

　　經過智能設計及適當執行的安全性控制系統，能為公司創造重大的商業價值。謹記并非所有安全系統皆是以相同方式建立，且每個專案都有不同的效能、風險及成本目標。若想要從各種技術選項取得適當平衡，就必須仔細考量每種選項的特定功能、限制和優點。