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第1章　安全仪表系统概述1

1.1 引言1

1.2　安全仪表系统及其构成2

1.3　安全仪表系统与基本过程控制系统3

1.4　功能安全4

1.5　安全生命周期5

1.5.1　安全生命周期的各项活动5

1.5.2　分析阶段6

1.5.3　实现阶段7

1.5.4　运行阶段8

1.6　安全生命周期概念的特点8

1.7　保护层9

第2章　系统风险分析11

2.1　危险与风险11

2.2　后果分析12

2.2.1 定性方法12

2.2.2　半定量方法12

2.2.3　事故的统计分析13

2.2.4　定量方法：泄漏现象建模13

2.3　可能性分析13

2.3.1　统计分析14

2.3.2　故障传播模型法14

2.3.3　可能性分析实例16

2.4　保护层分析（LOPA）20

2.4.1　LOPA概述20

2.4.2　保护层和减缓事件21

2.4.3　LOPA的量化21

2.4.4　典型的保护层22

2.4.5　多重的初始事件30

2.5　确定安全功能30

2.5.1　常用的危险分析与风险识别31

2.5.2 根据PHA报告确定SIF32

2.5.3　根据工程文档确定SIF34

第3章　安全完整性水平及其选择36

3.1　安全完整性水平SIL36

3.2　可容忍风险43

3.3　必要的风险降低和SIL的关系47

3.4　风险矩阵49

3.5 风险图52

3.6　风险矩阵和风险图的校准56

3.7　SIL分配57

第4章 安全功能要求与安全完整性要求的规范60

4.1　不正确规范造成事故的原因61

4.1.1　管理制度62

4.1.2　工作内容62

4.1.3　评估时间的安排62

4.1.4　关键人员的协同参与62

4.1.5　明确职责63

4.1.6　培训与工具的支持63

4.1.7　规范的复杂性63

4.1.8　规范文档的完整性63

4.1.9　文档的最终评审65

4.1.10　规范的修改65

4.2　IEC 61511中的安全规范要求65

4.3　规范的文档要求67

第5章　可靠性模型与失效数据68

5.1　安全仪表功能的失效模式68

5.1.1　危险失效68

5.1.2　安全失效68

5.1.3　通报失效69

5.1.4　无影响失效69

5.1.5　检测到和未检测到的失效及诊断覆盖69

5.1.6　共因失效69

5.2　设备失效模式的分类70

5.3　可靠性指标定义72

5.3.1 可靠性72

5.3.2　有效性73

5.3.3　平均无故障时间73

5.3.4　平均修复时间和维修率74

5.3.5　平均故障间隔时间74

5.3.6　失效率75

5.3.7　安全失效概率（PFS）和要求时失效概率（PFD）77

5.3.8　平均无安全故障时间（MTTFS）和平均无危险故障时间（MTTFD）77

5.4　可靠性建模78

5.4.1　可靠性框图79

5.4.2　故障树分析82

5.4.3　马尔可夫模型86

5.5　失效数据92

5.5.1　工业失效数据库93

5.5.2　失效模式和诊断有效性数据93

5.5.3　具体设备的失效数据94

5.5.4　失效数据比较94

5.5.5　失效数据未来的发展95

第6章　安全仪表系统的冗余结构96

6.1　控制器的基本组成96

6.2 1oo1：单通道系统100

6.2.1 1oo1的PFD故障树100

6.2.2 1oo1的PFS故障树101

6.2.3 1oo1的马尔可夫模型101

6.3 1oo2：双通道系统103

6.3.1 1oo2的PFD故障树104

6.3.2 1oo2的PFS故障树104

6.3.3 1oo2的马尔可夫模型105

6.4 2oo2：双通道系统108

6.4.1 2oo2的PFD故障树108

6.4.2 2oo2的PFS故障树109

6.4.3 2oo2的马尔可夫模型110

6.5 1oo1D：双通道系统112

6.5.1 1oo1D的PFD故障树112

6.5.2 1oo1D的PFS故障树113

6.5.3 1oo1D的马尔可夫模型114

6.6 2oo3：三通道系统115

6.6.1 2oo3的PFD故障树116

6.6.2 2oo3的PFS故障树118

6.6.3 2oo3的马尔可夫模型120

6.7 1oo2D结构124

6.7.1 1oo2D的PFD故障树125

6.7.2 1oo2D的PFS故障树125

6.7.3 1oo2D的马尔可夫模型126

第7章 功能安全的相关因素129

7.1　安全管理129

7.1.1　工作内容与时间安排129

7.1.2　人员129

7.1.3　人员之间的交流129

7.1.4 文档编制130

7.2　硬件130

7.2.1　故障安全型系统和非故障安全型系统130

7.2.2　失效模式131

7.2.3 系统诊断133

7.2.4　最小化共因失效133

7.2.5　机柜尺寸和布局134

7.2.6 环境134

7.2.7 电源134

7.2.8　接地135

7.2.9　开关和继电器的选择135

7.2.10　旁路135

7.2.11　功能测试136

7.2.12　保安性136

7.2.13　人机接口136

7.3　软件137

7.3.1　软件生命周期137

7.3.2　程序和语言类型138

7.3.3　软件性能的量化问题139

7.3.4　测试软件139

第8章　安全仪表功能的典型解决方案141

8.1　概述141

8.2　结构约束142

8.2.1　IEC 61508中的结构约束142

8.2.2　IEC 61511中的结构约束144

8.3　SIL 1的典型结构145

8.4　SIL 2的典型结构148

8.5　SIL 3的典型结构151

8.6　各种方案的硬件共同事项153

第9章　安全仪表系统的功能测试155

9.1　安全功能的功能测试155

9.2　测试频率157

9.3　测试职责158

9.4　测试条件与过程158

9.5　文档记录160

第10章　安全生命周期成本162

10.1　安全成本与经济效益162

10.2 固定成本163

10.2.1　系统设计成本163

10.2.2　购置成本164

10.2.3　安装成本164

10.2.4　启动成本164

10.3　运行成本164

10.3.1　工程更改165

10.3.2　消耗成本165

10.3.3　固定维护成本165

10.4　系统失效成本165

10.4.1　基于时间的失效成本166

10.4.2　基于事件的失效成本166

10.5　资金的时间价值169

10.5.1　贴现率169

10.5.2　现值170

10.5.3　年金172

10.6　安全仪表系统生命周期成本173

第11章　循环氢加热炉安全仪表功能的设计与分析176

11.1　循环氢加热炉的安全仪表系统设计176

11.1.1　加氢裂化装置简介176

11.1.2　循环氢加热炉的安全仪表功能178

11.1.3　循环氢加热炉安全仪表系统的组成178

11.2　燃气压力安全仪表系统的功能安全分析179

11.2.1　安全控制的风险矩阵179

11.2.2　燃气压力安全仪表功能的SIL选择182

11.2.3　安全性能的指标计算182

11.3　燃气压力安全仪表系统基于传感器的改进设计186

11.3.1　传感器全冗余的1002改进方案186

11.3.2　传感器全冗余的2002改进方案188

11.3.3　传感器简化配置的改进方案190

11.4　燃气压力安全仪表系统基于执行机构的改进设计195

11.4.1　执行器冗余配置195

11.4.2　执行器非冗余配置195

11.5　基于测试周期的改进196

11.5.1　测试周期缩短到半年196

11.5.2　测试周期缩短到3个月196

11.5.3　执行器自检与缩短测试周期197

11.5.4　关于选择失效率小的仪表197

11.5.5　关于执行器改进方案的结果分析198

11.6　改进设计小结198

第12章 采油平台典型安全仪表系统分析200

12.1　采油平台SIS简介200

12.2　SIF确定与SIS的组成202

12.3　SIL的确定203

12.4　分析与改进208

附录A　概率基础210

A1　古典概率210

A2　统计概率210

A3　概率的性质211

A4　概率的加法运算211

A5　条件概率212

A6　全概率公式213

A7　贝叶斯公式214

A8　事件独立性214

附录B　连续时间马尔可夫建模217

B1　单一不可维修组件217

B2　单一可维修组件218

B3　有限状态概率221

B4　多失效模式222

附录C　安全数据示例225

C1　一般信息226

C2　失效率数据226

C3　应用示例227