摘要
這篇文章表述了選擇安全PLC的系統(tǒng)方法論。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。
這篇文章表述了選擇安全PLC的系統(tǒng)方法論。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。
關(guān)鍵字
安全PLC，冗余結(jié)構(gòu)，生命周期成本，利潤率
安全PLC，冗余結(jié)構(gòu)，生命周期成本，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準，諸如：ANSI/ISA 84.01、IEC 61508和IEC 61511。越來越多的儀表制造商進入了遵從這些標準的行列。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。
很多用戶并不擔心如何選擇合適的傳感器、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。問題非常清楚，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)，具有不同等級的自診斷。
對于這么多的選擇，控制工程師如何選出“最佳”的系統(tǒng)用于他的項目或者工廠呢？如果他犯了保守的錯誤，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，過分簡單的系統(tǒng)不能達到要求，使人生安全至于不必要的危險之中。當考慮到整個生命周期的成本時，問題會更嚴重。
一旦你完成了危險分析，進行了初始設(shè)計和完成一些安全完整性等級（SIL）的計算，你認為你的工作完成了嗎？答案是否，還有一些問題需要考慮。比如這個項目的經(jīng)濟性如何？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？比如考慮下面的簡單情形：
·一個人有一所位于可能發(fā)生洪災(zāi)地點的房子；
·洪災(zāi)保險的費用為 $1,000 / 年；
·修復(fù)因洪災(zāi)造成的房屋損失估計為 $10,000；
·發(fā)生洪災(zāi)的概率為 50 年一次。
·洪災(zāi)保險的費用為 $1,000 / 年；
·修復(fù)因洪災(zāi)造成的房屋損失估計為 $10,000；
·發(fā)生洪災(zāi)的概率為 50 年一次。
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)， 未來價值計算產(chǎn)生的費用是 $13,181。因而，按照規(guī)定，上述保險要比實際的事件花費的多。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)進行評估（傳感器、邏輯解算器和最終部件）；
2. 第二步 – 執(zhí)行 SIL 計算，基于給定功能測試間隔，決定要求時的平均失效概率（PFDavg）和平均安全失效時間（MTTFS）；
3. 第三步 – 根據(jù)現(xiàn)在凈價值（NPV）計算生命周期成本；
4. 第四步 – 計算利潤率；
5. 對每種可能用于項目的 SIS 結(jié)構(gòu)重復(fù)上面步驟。
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)計時執(zhí)行了。
圖1 － 經(jīng)濟分析流程圖
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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)生的費用，而不僅僅是原始購買系統(tǒng)的費用。這對可能發(fā)生重大設(shè)備失效的成本是特別重要的。這個評估目的是概括所有采購和擁有安全儀表系統(tǒng)在生命跨度中的費用。采購費用在項目的生命期間僅有一次。操作費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)。與系統(tǒng)失效相關(guān)的費用占據(jù)了生命周期成本的大部分。
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)最小化整個費用。評估考慮的費用包括：設(shè)計、購買、安裝、啟動、功能測試、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，所有的年操作費用要轉(zhuǎn)換成“現(xiàn)在值”。所有將來的費用，使用一個貼現(xiàn)率（利息/通漲）轉(zhuǎn)換進它們的當前值。初始費用和現(xiàn)在年費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)進行評估，以獲得最小的生命周期成本。
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)。如果利潤率大于1，系統(tǒng)具有投資效益。比如，一個系統(tǒng)具有1.5的利潤率，每投資 $1.00，系統(tǒng)會收回 $1.50。
因此，利潤率的計算公式如下：
公式中，
B-C Ratio = 利潤率；
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)期價值；
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（按年計算）；
CostNT = 由于誤操作導(dǎo)致的成本（按年計算）。
B-C Ratio = 利潤率；
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)期價值；
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（按年計算）；
CostNT = 由于誤操作導(dǎo)致的成本（按年計算）。
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)進行經(jīng)濟地分析、選擇和設(shè)計。
企業(yè)已經(jīng)完成他們的初始風(fēng)險分析，并且對批處理反應(yīng)器相關(guān)的SIL等級進行了選擇。團隊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。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 “最佳”功能測試間隔時間；
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）；
3. 假設(shè)有 6%貼現(xiàn)率，為企業(yè)設(shè)計一個超過15 年時間周期、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）；
3. 假設(shè)有 6%貼現(xiàn)率，為企業(yè)設(shè)計一個超過15 年時間周期、具有最小成本的SIS。
因此，SIS 工程師需要回答下面關(guān)于“最佳”設(shè)計的問題：
1. 傳感器：變送器對比開關(guān)和相關(guān)的結(jié)構(gòu)（1選1，2選1，3選2，等）；
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1，2選1， 2D選1，3選2，4選2，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1，2選1， 2D選1，3選2，4選2，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。
圖 2 – 高壓 SIF 示意圖
使用圖1經(jīng)濟分析流程圖中的步驟，完成下面的分析。為了強調(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）進行。另外，對兩種不同的事件成本進行評估（容器破裂的成本分別是 $1,000,000 和$12,000,000）。
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步驟 1：SIS 概念設(shè)計結(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。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)進行評估。因此，要對下面各種選項進行評估：
·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；
· 閥門和要求的冗余；
·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；
· 閥門和要求的冗余；
·12 個月測試間隔對比 24個月測試間隔。
步驟 2：執(zhí)行 SIL 計算（PFDavg 和 MTTFS）
基于下面的設(shè)計條件，SIS 工程師完成下面 SIL 計算：
表 3 – SIS 結(jié)構(gòu)分析概要
注：為了滿足 SIL 2 的要求，選項 1a，1b，3a，3b 和 4a 將在進一步的分析中刪除，因為他們不能達到 SIL 2。
步驟 3：計算生命周期成本
為了計算生命周期成本，需要進一步的信息。對于樣板案例，要使用下面的數(shù)據(jù)：
·操作費用每年消耗 $500，再加上功能測試的費用。
·功能測試 = 2 人 8 小時 @ $70/小時，加上 8 小時損失生產(chǎn)的費用。
·操作費用每年消耗 $500，再加上功能測試的費用。
·功能測試 = 2 人 8 小時 @ $70/小時，加上 8 小時損失生產(chǎn)的費用。
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
上面兩個表強調(diào)了誤操作的成本能夠占據(jù)整個費用的多少。在表 4 中，誤操作的成本假設(shè)為 $10,000時，最佳的 SIS 結(jié)構(gòu)由冗余壓力變送器、電流開關(guān)和閥門、每24個月測試構(gòu)成。在表 5 中，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、1oo2D 安全 PLC 和 1oo2 閥門、每24個月測試構(gòu)成。注意根據(jù)實際使用的成本，結(jié)果會有所變化，并且有不同的 SIS 結(jié)構(gòu)成為用于你項目的“最佳”。
步驟 4：計算利潤率
為了計算利潤率，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)險排行過程）；
FSIS = 根據(jù) PFDavg x FNo-SIS 的計算；
EVNo-SIS = 評估 $1,000,000 或 $12,000,000 事件；
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；
CostNT = 評估 $10,000 和 $150,000 事件。
FNo-SIS = 1 / 50 年（從 SIL 選擇風(fēng)險排行過程）；
FSIS = 根據(jù) PFDavg x FNo-SIS 的計算；
EVNo-SIS = 評估 $1,000,000 或 $12,000,000 事件；
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；
CostNT = 評估 $10,000 和 $150,000 事件。
注：為了強調(diào)在整個分析成本的重要性，對兩種不同事件成本，以及兩種不同誤操作成本評估。
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。
結(jié)論
基于前面的評估，很容易地看出：不能簡單根據(jù)完成的SIL計算就決定是否能達到SIL等級。復(fù)審14 種不同的 SIS 結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這些設(shè)計中只有9種滿足 SIL 的要求。根據(jù)進一步的復(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。兩種 SIS 結(jié)構(gòu)如下：
（轉(zhuǎn)載）
