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流程工业安全智能工厂:从概念走向现实

2018/7/11    来源:互联网    作者:俞文光  陈建玲  孙勤江      
关键字:保护层模型  智能安全工厂  彩虹防御体系  
本文介绍了保护层模型与基本涵义,围绕流程工业中人员、资产(设备)、环境等三个核心安全要素,定义了流程工业安全智能工厂彩虹防御体系模型,阐述了彩虹防御体系模型组成与技术路线,最后介绍了两个领先企业的具体实践。

    在我国,石油和化学工业已经成为国民经济的重要支柱性行业。“十二五”期间我国石化和化学工业继续维持较快增长态势,2015年行业实现主营业务收入11.8万亿元,已成为世界第一大化学品生产国,甲醇、化肥、农药、氯碱、轮胎、无机原料等重要大宗产品产量位居世界首位。快速发展的石油和化学工业在为国家现代化建设、社会繁荣和人们生活水平提高做出了巨大贡献的同时,各类重特大事故也给整个行业的可持续发展带来了前所未有的挑战。2012年2月河北赵县克尔化工厂爆炸事故、2012年5月江西海晨鸿华化工磺化爆炸事故、2013年11月中国石化东黄岛输油管道泄漏爆炸事故、2015年3月福建漳州PX装置爆炸等事故在不断地向我们提出严峻的挑战。

    随着物联网、大数据和移动应用等新一轮信息技术的发展,新一代工业革命开始提上日程,工业转型开始进入实质阶段。在我国,《中国制造2025》、“互联网+”等战略的相继出台,表明国家在新常态下开始积极行动起来,实现工业化转型。流程行业智能工厂建设作为工信部智能制造专项核心内容,已经引发行业的广泛关注,并积极实践。

    笔者所在企业参与了多家企业的智能工厂建设,在过程安全、作业安全、信息安全等方面进行了探索与尝试,期间积累了一些有关安全智能工厂的思考与体会,初步总结如下,供其他企业借鉴与参考。

1 LOPA保护层模型

    依据美国化学工程师学会过程安全中心(Center for Chemical Process Safety, CCPS)有关过程工业装置保护层分析(LOPA)的相关理论,过程装置的风险控制可以从工艺设计、基本过程控制、报警及人工响应、安全联锁保护、物理保护以及事故应急救援等不同层次上进行,实现本质安全。安全工厂保护层模型如图1所示。

LOPA保护层模型

图1 LOPA保护层模型

    其中本质安全设计层,是指采用削减、缓解、替代、简化等手段,使工艺过程及其装备具有内在的能够从根本上防止事故发生的功能;基础控制层,由基本过程控制系统(DCS/PLC等)构成,完成常规控制,保证工艺流程处于正常的生产工况;操作人员干预与过程报警层,由操作人员根据报警所提示的状态而做的响应,避免报警场景的继续恶化;安全仪表功能层,主要由安全仪表系统构成,其意图是当被控参数达到设定值时,避免设备损坏、人员伤害或环境破坏等危险事件发生;积极的物理保护层,由电气设备、机械设备等单独或集成构成,主要起到缓解、安全释放作用,包括安全阀、爆破片、释放到火炬等;消极的物理保护层,由隔离设备组成,主要起到释放后的释放物的物理保护,如围堰、隔离系统、自动喷淋系统等;紧急响应层,由工厂紧急响应与社区紧急响应,是通过安全管理等非技术手段,达到风险降低的效果。

2 安全智能工厂彩虹防御体系模型

    围绕流程工业中人员、资产(设备)、环境三个核心安全要素,彩虹防御体系借鉴保护层风险管控理念,针对安全防护技术中时间维度构建规划设计、生产护航、危机应对等三层“彩虹防御”安全措施,同时在空间维度基于功能安全与信息安全两大基础支撑技术,规划建设七条安全技术路线,包括本质安全、设备安全、操作安全、应急安全、危险源/环境安全、信息网络安全、安全产品全生命周期管理等,如图2所示。

安全彩虹防御体系模型

图2 安全彩虹防御体系模型

    在时间维度的规划设计阶段,从工厂建设之初,对工艺、设备等进行风险分析与评估,充分辨识事故场景与安全完整性等级(SIL)要求,对确定的SIL开展保护层的规划设计,配置可靠经济的独立保护层,实现本质安全。在生产护航阶段,主要围绕生产装置与操作人员,从自动化安全控制系统配置、智能设备管理、关键设备运行诊断与远程维护、安全相关系统的集成联动、报警智能管理、生产人员仿真培训、运行操作管理方面,构建起覆盖基础控制层、操作人员介入层、安全仪表功能层的全息保护系统,实现生产装置的护航,保障设备、人员、环境的安全。在危机应对阶段,通过应急联动平台、应急预案联动等技术,辅助危险事件发生后的应急救援决策,实现安全应急指挥,并实现工厂/园区安全应急联动。主要包括重大危险源/环境因素全过程监控、人身安全防护等,并对已有(运行多年)的工业网络架构进行扫描诊断,重新构建信息安全纵深防御体系。同时建设安全数据中心,将各类安全数据汇集,实现各阶段与各业务功能的互联互通,将原先针对某些实际管控要求开发应用的单安全系统进行集成融合,提升一体化工程与一体化运营水平,实现全要素的风险管控。图3所示为安全工厂彩虹防御体系的技术路线示意图。

彩虹防御体系的技术路线示意图

图3 彩虹防御体系的技术路线示意图

    其中在空间维度的危险源/环境监测风险上,通过配置DCS、PLC、CCTV、FGS、GDS、在线分析仪表等设备,实现对危险源与环境等工艺参数、信息的监测,实现重大危险源与环境参数的实时在线监测与预警。

    在应急安全管理上,能根据当前出现危险事件的类型以及势态情况给出相应的快速响应信息,形成分类分级应急预案,指导指挥人员有效的进行指挥及决策,最大限度保障人员安全,控制事故影响,降低事故损失。

    在安全产品全生命周期管理上,通过覆盖安全产品概念阶段至安全产品退出阶段的质量管理、风控管理、功能安全管理等专项活动,保证安全产品在生命周期内的安全、可靠、稳定运行。

责任编辑:程玥
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