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(jià)。
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(jià)。
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(biāo)準(zhǔn)，諸如：ANSI/ISA 84.01、IEC 61508和IEC 61511。越來越多的儀表制造商進(jìn)入了遵從這些標(biāo)準(zhǔn)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(dān)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(bào)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(xiàng)目或者工廠呢？如果他犯了保守的錯(cuò)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(dá)到要求，使人生安全至于不必要的危險(xiǎn)之中。當(dāng)考慮到整個(gè)生命周期的成本時(shí)，問題會(huì)更嚴(yán)重。
一旦你完成了危險(xiǎn)分析，進(jìn)行了初始設(shè)計(jì)和完成一些安全完整性等級（SIL）的計(jì)算，你認(rèn)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(gè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)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(dòng)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(gè)人有一所位于可能發(fā)生洪災(zāi)地點(diǎn)的房子；
·洪災(zāi)保險(xiǎn)的費(fèi)用為 $1,000 / 年；
·修復(fù)因洪災(zāi)造成的房屋損失估計(jì)為 $10,000；
·發(fā)生洪災(zāi)的概率為 50 年一次。
·洪災(zāi)保險(xiǎn)的費(fèi)用為 $1,000 / 年；
·修復(fù)因洪災(zāi)造成的房屋損失估計(jì)為 $10,000；
·發(fā)生洪災(zāi)的概率為 50 年一次。
你會(huì)為上述的事件投資購買洪災(zāi)保險(xiǎn)嗎？假設(shè)有 6% 貼現(xiàn)率和10年的房屋所有權(quán)， 未來價(jià)值計(jì)算產(chǎn)生的費(fèi)用是 $13,181。因而，按照規(guī)定，上述保險(xiǎn)要比實(shí)際的事件花費(fèi)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(jì)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(jì)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(jìn)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(jì)算，基于給定功能測試間隔，決定要求時(shí)的平均失效概率（PFDavg）和平均安全失效時(shí)間（MTTFS）；
3. 第三步 – 根據(jù)現(xiàn)在凈價(jià)值（NPV）計(jì)算生命周期成本；
4. 第四步 – 計(jì)算利潤率；
5. 對每種可能用于項(xiàng)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(jì)時(shí)執(zhí)行了。
圖1 － 經(jīng)濟(jì)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(gè)生命周期所有發(fā)生的費(fèi)用，而不僅僅是原始購買系統(tǒng)的費(fèi)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(gè)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(fèi)用。采購費(fèi)用在項(xiàng)目的生命期間僅有一次。操作費(fèi)用會(huì)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(fèi)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(gè)費(fèi)用。評估考慮的費(fèi)用包括：設(shè)計(jì)、購買、安裝、啟動(dòng)、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(fèi)用要轉(zhuǎn)換成“現(xiàn)在值”。所有將來的費(fèi)用，使用一個(gè)貼現(xiàn)率（利息/通漲）轉(zhuǎn)換進(jìn)它們的當(dāng)前值。初始費(fèi)用和現(xiàn)在年費(fèi)用相加得到整個(gè)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(jìn)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(gè)工具是按商業(yè)原則計(jì)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(gè)系統(tǒng)具有1.5的利潤率，每投資 $1.00，系統(tǒng)會(huì)收回 $1.50。
因此，利潤率的計(jì)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(jià)值；
EVSIS = 有 SIS 事件損失的全部預(yù)期價(jià)值；
CostSIS = SIS 全部生命周期成本（按年計(jì)算）；
CostNT = 由于誤操作導(dǎo)致的成本（按年計(jì)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(jià)值；
EVSIS = 有 SIS 事件損失的全部預(yù)期價(jià)值；
CostSIS = SIS 全部生命周期成本（按年計(jì)算）；
CostNT = 由于誤操作導(dǎo)致的成本（按年計(jì)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(jìn)行經(jīng)濟(jì)地分析、選擇和設(shè)計(jì)。
企業(yè)已經(jīng)完成他們的初始風(fēng)險(xiǎn)分析，并且對批處理反應(yīng)器相關(guān)的SIL等級進(jìn)行了選擇。團(tuán)隊(duì)確定使用一個(gè)單一安全儀表功能（SIF）的設(shè)備用于這個(gè)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(gè)保護(hù)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(shí)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(jì)一個(gè)超過15 年時(shí)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(jì)一個(gè)超過15 年時(shí)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(jì)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(jì)分析流程圖中的步驟，完成下面的分析。為了強(qiáng)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(jìn)行。另外，對兩種不同的事件成本進(jìn)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(jì)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(jìn)行評估。因此，要對下面各種選項(xiàng)進(jìn)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(gè)月測試間隔對比 24個(gè)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(gè)月測試間隔對比 24個(gè)月測試間隔。
步驟 2：執(zhí)行 SIL 計(jì)算（PFDavg 和 MTTFS）
基于下面的設(shè)計(jì)條件，SIS 工程師完成下面 SIL 計(jì)算：
表 3 – SIS 結(jié)構(gòu)分析概要
注：為了滿足 SIL 2 的要求，選項(xiàng) 1a，1b，3a，3b 和 4a 將在進(jìn)一步的分析中刪除，因?yàn)樗麄儾荒苓_(dá)到 SIL 2。
步驟 3：計(jì)算生命周期成本
為了計(jì)算生命周期成本，需要進(jìn)一步的信息。對于樣板案例，要使用下面的數(shù)據(jù)：
·操作費(fèi)用每年消耗 $500，再加上功能測試的費(fèi)用。
·功能測試 = 2 人 8 小時(shí) @ $70/小時(shí)，加上 8 小時(shí)損失生產(chǎn)的費(fèi)用。
·操作費(fèi)用每年消耗 $500，再加上功能測試的費(fèi)用。
·功能測試 = 2 人 8 小時(shí) @ $70/小時(shí)，加上 8 小時(shí)損失生產(chǎn)的費(fèi)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(gè)表強(qiáng)調(diào)了誤操作的成本能夠占據(jù)整個(gè)費(fèi)用的多少。在表 4 中，誤操作的成本假設(shè)為 $10,000時(shí)，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(gè)月測試構(gòu)成。在表 5 中，誤操作成本假設(shè)為 $150,000時(shí)，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(gè)月測試構(gòu)成。注意根據(jù)實(shí)際使用的成本，結(jié)果會(huì)有所變化，并且有不同的 SIS 結(jié)構(gòu)成為用于你項(xiàng)目的“最佳”。
步驟 4：計(jì)算利潤率
為了計(jì)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(xiǎn)排行過程）；
FSIS = 根據(jù) PFDavg x FNo-SIS 的計(jì)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(huì)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(xiǎn)排行過程）；
FSIS = 根據(jù) PFDavg x FNo-SIS 的計(jì)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(huì)有所變化；
CostNT = 評估 $10,000 和 $150,000 事件。
注：為了強(qiáng)調(diào)在整個(gè)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(jì)算就決定是否能達(dá)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(jì)中只有9種滿足 SIL 的要求。根據(jù)進(jìn)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）
