科创中国

化工自动化与安全仪表系统改造技术现状和趋势

智库报告

（中国化学会  2020年11月）

       0  前言

石油化工作为基础民生产业，我国保有量规模大，因之带来的安全生产、安全管理工作非常重要，2020年国务院安委会3号文《全国安全生产专项整治三年行动计划》作为指导安全生产工作的国家思路，《"工业互联网+安全生产"行动计划(2021—2023年)》作为国家推动安全生产的基本思路，对于行业来说，如何通过技术手段降低生产隐患，提升安全管理水平，这是当下亟待解决的问题，也是国家工业物联网战略的重要组成部分之一。

本智库报告旨在推动以上工作要求进度的实施，为业内和濮阳市化工产业快速反应、强占行业高地提供决策依据和战略咨询。

       1  信息化助力安全生产管理提升

       1.1 背景介绍

2020年，国内危化品较大及重大事故频发，特别是火灾爆炸事故，不仅造成重大人员伤亡，还造成了恶劣的社会影响。据不完全统计，国内共发生1314起化学品事故：其中死亡1人以上的事故有148起 ，共造成 313人 死亡；火灾爆炸事故 597起 ，造成 184人 死亡；中毒窒息事故 181起 ，造成 112人 死亡。

       1.2 化工安全生产管理信息化概述

采用信息技术手段将分散的智能化系统，统一到市级可视化管理平台，实现多系统的联动和统一管理。

       1.2.1重大危险源监控

用于检测化工企业构成重大危险化学品储存及生产装置实时数据和预警、可燃有毒气体数据及预警、危险化工工艺安全参数检测预警、监控视频等信息。

       1.2.2安全风险分区

通过生产过程危险和有害因素的辨识，运用定性或定量的统计分析方法确定其风险程度，分为重大风险、较大风险、中风险、低风险，在信息系统中企业厂区平面图上用红、橙、黄、蓝“四色图”进行标会，形成“一图、两单、三卡”即危险源分布图，危险（有害）因素排查辨识清单、安全生产责任承诺卡、作业场所（工作岗位）危险因素、物品危险危害特性应知卡、应急处置方法应急卡。

       1.2.3 化工园区安全防范管理平台应用集成

电子地图是智慧化系统的集成平台，它提供统一标准的对外接口，为不同应用系统提供地图能力，并实现异构系统间的集成和数据共享。

       1.3构建化工安全一体化管理平台

       1.3.1化工安全一体化管理平台应具备以下功能：

1）从管理制度清单、责任制清单、操作规程清单、风险分析清单、隐患排查治理清单、安全培训清单、应急管理清单等方面实现企业安全合法合规。  

2）危险源的信息管理、危险化学品信息管理、监测点管理、有毒可燃气体管理、实时监测数据管理。

3）人员定位和门禁控制：进行实名制进出，考勤管理，LED投屏，人脸识别等功能实现。

4）电子地图：实景三维建模，2D/3D切换地图与可视化管理。高精度定位：具备定位管理，目标跟踪，历史轨迹查询，视频联动，预警管理，人数统计功能。

4）风险分级管控、四色图、隐患管理、危险作业管理四大模块。

 1.4智能威胁态势感知平台

       1.4.1背景

随着网络与信息技术的发展，越来越多的企业组织建立了依赖于网络的自动化系统以及业务信息系统，信息安全的重要性也在不断提升。近年来，企业所面临的信息安全威胁飞速增长，黑客攻击、蠕虫病毒、后门、间谍软件、DDoS攻击、网络资源滥用等信息攻击极大地困扰着用户。因此“十三五”国家信息化规划明确要提升全天候全方位感知网络安全态势能力，完善网络安全预警应急处置机制。

       1.4.2实施智能威胁态势感知平台的目的

基于改善传统网络安全存在的诸多问题，智能威胁感知平台定位于最大化安全价值与顶层聚合，自适应集成化预警平台。提供面向区域、行业和企业的安全 顶层聚合能力，实现最大化安全价值与统一管理。基于大数据中心，快速构建立体化、智能化、主动化、动态化的安全 预警平台。通过主动监测、精准防护、智能分析、运营协同逐步实现对安全对象的主动管理、安全事件的及时分析，打造安全可监控、攻击可防护、威胁可感知、事件可控制的能力。

       1.4.3智能威胁态势感知平台特点

1）日志采集、融合与存储；

2）安全事件关联分析引擎；

3）高效、便捷的安全分析平台；

4）网络内部资产发现和管理；

5）多方位态势感知；

6）集中化安全运营。

       1.4.4 智能威胁态势感知平台关键技术

1）开放式平台架构：采用业内先进的大数据架构，通过采集企业内所有网络安全数据信息，利用大数据引擎对所有的安全数据进行统一处理分析，实现对网络攻击行为、安全威胁事件、日志、流量等网络安全问题的发现和报警。

2）安全大数据整合与分析：采用大数据架构，支持对亿级安全数据的分析，集成入侵检测、网络防护、日志审计、运 维监控、漏洞检测、终端防护等各类安全数据。

3）多源威胁情报：通过主被动方式采集来自外部的商业、开源或社区威胁情报信息，并对这些情报进行 数据融合，形成系统自身的情报库。

        1.6 5G 技术在化工装置升级中的应用

       1.6.1 5G应用场景

1)基于MEC系统，打造高可靠5G虚拟专网

2)5G+高清视频采集和机器视觉

3)基于5G的人员定位场景

4)基于5G智能巡检场景，实现生产区域、设备设施的定人、定岗、定时、定标准巡检，巡检支持离线模式，巡检异常数据可设置自动生成隐患、跟踪闭环处理功能。

5)基于5G数据采集及设备故障诊断场景

6)基于5G网络单兵作业场景

7)基于5G网络HSE系统应用场景

8)5G和数字孪生赋能智慧园区,基于5G高带宽和高并发的技术优势，通过与各种前端设备连接，完成数据传送并分析运算，实现全区各项管理数据可视化的功能。

       1.6.3 现阶段存在的问题及建议

5G生态需迅速着力构建。可使用和可借鉴的场景化运用解决方案严重缺乏；5G终端设备严重缺乏，基础连接困难大；终端用户对5G认识不足，对抢鲜使用和推动发展犹豫不前；运营商案例和标杆太少，基层组织对5G项目解决能力有限。

       2 化工安全技术手段

       2.1实景工厂可视化智能巡检系统建设

       2.1.1背景及问题分析

1）石油化工企业作为高温高压、易燃易爆有毒的危险行业，安全生产工作直接关系到职工群众切身利益、企业自身稳定及国家人民财产安危。日常巡检管理是目前有效保证石油化工企业生产安全的一项重要基础工作。

2）伴随着信息技术的发展进步，巡检管理系统的工作方式在不断更新，经历了抽查式巡检、翻牌式巡检、离线式签到巡检、在线式签到巡检及智能巡检管理等多个阶段。智能巡检系统总体包含三个部分：智能移动端、无线传输设备和智能巡检管理系统。

传统的巡检管理系统正在被可视化、智能化、平台化的智能巡检系统所取代，智能巡检管理系统以其巡检管理定制化、巡检过程可视化、问题处理协同化、故障诊断常态化等特色，从根本上提升了巡检工作的运转效率和作用发挥。

3）目前，巡检系统采用的巡检棒定时打点，主要解决按时巡检的问题。系统已运行多年，大部分巡检棒已到达使用年限，陆续损坏，原有型号设备已停产，新更新的设备无法和原有系统兼容，需要使用新一代的系统接管新设备，目前是两套系统同时运行的状态，平台架构已落后于当前技术发展和业务应用的需要。

       2.1.2 现有石油化工企业巡检系统问题

1）巡检计划制定过程单调，管理流程不灵活，导致巡检管理制度执行不力。

2）巡检现场绩效管理存在“盲区”。现有巡检棒为非智能化产品，只能实现巡检区域打点签到。

3）处理巡检过程中发现的异常时存在标准不统一、记录不规范、内容不完整等问题，不利于后续维保工作开展。

4）信息孤岛问题。在巡检问题台账的后续处理过程中，调度人员仍然需要依靠手动录入方式，把相关问题信息反馈到外部系统。

5）数据利用问题。对巡检过程中记录设备运行数据利用不充分，如机泵运行数据振动值等，现有巡检系统无法进行采集，造成巡检数据分析利用的巨大损失。

 为解决上述问题，并结合保证安全生产、改进管理的要求，特别是当前炼化企业大力开展智能化改造、建设智能工厂的背景下，迫切需要采用先进的技术手段，提升巡检作业管理水平。

       2.1.3设计目标

1）依托企业专网，构建可视化工厂总图，并集成设备台帐信息建立关联映射，使工厂总图成为巡检管理、设备管理、检维修等的可视化集成平台。

2）实现巡检计划的模板化、定制化。

3）实现对巡检作业全过程的标准化、智能化管理。实现巡检手持端的标准化，巡检手段多样化（温度、震动等测量手段），数据上传自动化，数据比对在线化（在线巡检系统采集数据与DCS等数据的在线比对），巡检效能的数据化评判等。

4）开发巡检动态可视化看板，实现巡检作业可视化监控和管理。

5）实现工作笔记/事件隐患备忘管理功能。支持巡检设备故障点、缺陷隐患等进行记录、拍照、录音等操作并实时上传。

6）自带设备故障知识库和专家诊断系统，对设备运行数据进行诊断，专家诊断系统并具有不断完善功能。

7）系统具有巡检监督和考核管理功能。

       2.1.4 技术方案

1）设计思路

以现有专网为通信支撑，综合利用GIS、GPS、360°全景影像、可视化图形引擎等技术，并关联利用公司现有ERP/设备管理、实时数据库等已有数据源，开发多元可视化智能巡检系统，实现巡检业务的智能化管理，满足业务需求。同时在系统架构设计上，充分考虑信息化应用长远发展，系统设计采用标准化、模块化设计，在功能设计强调可视化、实时化、智能化，实现设计目标定义的内容，并使该系统纳入企业智能化整体框架中，以最大限度节约投资，提高投资效能。

2）技术架构

系统设计技术架构包括系统层、平台层、应用层、展示层、对外接口、信息安全层。

       2.1.5功能设计

1）功能设计与实现

通过交流分析，借鉴同行现状，确定新一代智能化巡检管理系统应设计实现可视化工厂总图、设备及运维资料库、巡检计划管理、巡检过程管理、巡检可视化看板、巡检监督考核、巡检数据智能分析、系统管理等功能模块，系统总体框架形成移动端和Web端两部分，并通过对接ERP/设备管理系统与设备数据集成，实现对巡检业务的全方位覆盖。

●用户可自主在地图、全景影像等多元可视化界面内管理巡检点、巡检路线。

●借助巡检传感器，可自动采集机泵设备振动、温度、转速等状态数据并归档。

●智能推送巡检路线、巡检内容。

●自动生成巡检人员巡检轨迹。

●可在GIS地图上实时查看巡检人员位置。

2）多元可视化工厂总图

基于企业工厂CAD总图数据，构建厂区级、装置级二维GIS电子地图/设备平面分布图数据图层；开发巡检目标对象的地图选取、图形可视化点标识及巡检路线可视化展示功能；实现各生产装置总图可视化图元与设备台账的关联映射，把工厂总图建设成为巡检管理系统及其它信息管理应用的可视化门户。

3）巡检计划及过程管理

巡检计划可自主配置，支持巡检点、巡检内容、巡检路线、巡检人员及巡检时间周期的灵活设置。巡检点可与设备台账关联，巡检点及路线、巡检发现隐患可于数字工厂平台上进行可视化标注；巡检内容可按设备类型设置模板库，巡检计划制定支持配置模板调用。基于工厂总图模型，实现巡检的全过程可视化操作。

4）设备故障智能分析与预警

利用设备故障数据库和专家诊断系统，对巡检过程中采集到的设备实时数据及历史数据，通过对数据进行定量分析和谱图分析相结合的方式进行故障预判。

5）工作笔记/事件隐患备忘管理

基于设备台账、工厂总图等基础数据，应用人员可以通过移动端利用该模块记事、拍照存档和定位标识，将自己日常管理过程中发现的设备故障点、缺陷隐患或关注信息于系统平台上进行记录备忘、预警提醒和共享，并根据业务需要，实现相关统计分析功能。

       2.1.6 创新点分析

1）利用信息化手段提升传统业务：通过对用GIS、GPS、360°全景影像、可视化图形引擎、矢量节点化等技术的集成和综合应用，实现设备、人员定位和数据集成交互，突破传统的表单和编码限制，实现事务性业务和非结构化信息的数字化、图形化，并将多格式、多种类的设备设施本体信息和巡检业务活动记录等多元数据进行统一集成，通过数据的逻辑处理和绑定，重新构建人、物、数据、空间等要素的相互映射关系。形成可视化、智能化的巡检管理平台。

2）集中集成，消除孤岛，发挥信息化协同效用：集中集成，综合利用，是当前工业化与信息化融合发展的重点方向，通过开发可视化工厂总图，可逐步将巡检作业、设备管理、检维修等业务整合到统一的可视化平台下，并通过标准化接口，实现与ERP、设备管理系统、实时数据库等的数据集成，实现各项业务和数据的一体化整合，有利于通过挖掘数据资源，提升信息化价值。

3）在管理信息系统开发中，三层架构的基本设计思想是将应用程序分成表示层、逻辑层和数据层，然后在每一层中只实现系统相应层的功能设计，层间的交互由相邻层对应的功能模块进行调用，信息传递只由接口进行传送。三层架构的优点是安全性，用户端只能通过逻辑层来访问数据层，减少入口点，屏蔽了风险。

4)实时监控，故障预警，保障安全生产：通过对巡检业务的可视化实时监控，可有效提高巡检业务执行效率和管控水平，并利用专家诊断系统及时诊断巡检过程中发现的各类问题，根据诊断结果，有助于及时制定出优化的处置方案，更好地保障设备平稳运行、安全生产和提高经济效益。

       2.1.7效益预测

1)减员增效；

2)安全效益：保障设备稳定运行，避免重大损失；

3)管理效益：优化管理，提高工效；

       2.1.8

提升企业巡检工作质量，结合保证安全生产、改进管理的要求，特别是当前大力推动智能化改造、建设智能工厂的背景下，迫切需要采用先进的技术手段，提升巡检作业管理水平。

        3 化工安全仪表等技术规范

       3.1 化工安全仪表系统技术设计

按照安监总局116文的要求及GB20438标准，从危险和风险分析hazop分析、SIL定级分析、SRS 功能安全要求、SIS 系统设计、安装与调试、验证与验收、操作维护管理7个方面，让石油化工企业明确了安全仪表系统改造的要求和安全系统的全生命周期的每个环节，对改造实施流程进行准确把控。

       3.1.1 SIS 和 BPCS系统

安全仪表功能不负责工艺控制，只在危险时触发安全动作（失电或加电），安全仪表系统“需要动作时必须能动，在不需要动作时必须不动”，安全仪表功能总是与安全回路相关，而不是一个部件或设备。

       3.1.2SIS工程设计

1）根据安全完整性等级确定SIS的功能，编制SIS测量仪表、SIS逻辑控制器、SIS最终元件的技术规格书。

根据工艺安全联锁说明、P&I流程图等，编制SIS基础工程设计文件。功能逻辑图、因果表及复杂逻辑联锁说明；测量仪表、最终元件的选型原则。

2）编制SIS详细工程设计文件:  SIS技术规格书； 硬件配置图；功能逻辑图；输入输出点清单；联锁及报警设定值；应用软件需要的技术资料。工程文件及图纸 SIS技术附件。应用软件组态编程文件及图纸等。

       3.1.3 SIS组态、集成与调试、验收测试

1）SIS系统工程文件包括:系统硬件规格书,系统软件规格书,系统配置图,机柜 布置, 接线图,系统供电,接地图,负荷计算表,功耗计算表；输入/输出卡点 分配表,组态编程文件,操作维护手册等。

2）根据详细工程设计文件完成工程师站,操作员站,事件顺序记录站,辅助操作 台,系统柜,端子柜,安全栅柜,继电器柜,电源柜,网络柜等集成。

3）根据因果表或逻辑图完成软件组态和编译。审查硬件、系统软件及应用软件 集成完成系统硬件和软件检查、应用软件下装及调试。

4）验收测试包括工厂验收测试（FAT）、工厂联合测试（IFAT）和现场 验收 测试（SAT）。

       3.1.4 SIS操作维护、变更、文档管理

1）操作维护规程。维护人员职责与管理规程。定期诊断测试计划及报告。停车期间的系统检查管理。维护旁路开关、操作旁路开关的使用管理。

2）变更原因及方案，包括系统的版本升级，增减或修改逻辑等。审核评估变更方案，确认变更的安全仪表功能。变更方案的详细设计与实施方案。变更软件功能的离线测试与检查要求。变更报告及操作维护规程更新。

3）安全生命周期各阶段的文档管理。编制文档管理及控制规程。制定项目统一的文件命名规则、文件格式、文件传递方式。编制文件审核流程及文件版本管理规定。

 3.1.5 与SIS有关的法规和标准

1)国家安全监管总局（安监总管三〔2013〕88号）——关于加强化工安全管理的指导意见；

2)国家安全监管总局（安监总管三〔2014〕116 号）——关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见；

3)GB/T50770-2013 《石油化工安全仪表系统设计规范》；

4) GB/T21109-2007/iec61511-2003《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》（edd2.0 将于2016年发布，GB/T21109正在升版中；

5)GB/T 20438-2006/IEC 61508电气、电子、可编程电子安全相关系统的功能安全；

6)ISA-TR 84.00.03-2012 Mechanical Integrity of Safety Instrument System(SIS)；

7)ISA-TR 84.00.07-2010 Guidance on the Evaluation of Fire, Combustible Gas and Toxic Gas System Effectiveness；

       3.2关于报警系统设计要求的分析

3.2.1石油化工企业可燃及有毒气体检测报警系统的作用和意义

石油化工企业的生产活动过程具有生产连续、集成加工、高温高压、易燃易爆、有毒有害、易发生重大事故的特点。事故是造成死亡、疾病、财产损失和环境破坏的意外事件。生产储运装置出现生产介质的泄漏是导致火灾、爆炸与毒气污染事故的直接原因。通过实时监控及早发现现场出现的泄漏现象，是发现、控制和减缓事故风险的重要手段。因此，可燃气体和有毒气体检测报警系统是安全生产控制过程中的一个重要环节，设计良好的可燃气体和有毒气体检测报警系统是保证安全生产的重要措施之一。

3.2.2《国家安全监管总局关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》（安监总管三〔2014〕116号）中，关于可燃气体和有毒气体检测报警系统的监管要求解读

1)《国家安全监管总局关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》（安监总管三〔2014〕116号）(简称116号文)中，（一）化工安全仪表系统（SIS）包括安全联锁系统、紧急停车系统和有毒有害、可燃气体及火灾检测保护系统等。…….

新修编的国家标准《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》GB50493中的第1．0．1条: 为保障石油化工企业的人身安全和生产安全，监测生产过程及储运设施中泄漏的可燃气体或有毒气体，并及时报警，预防人身伤害以及火灾与爆炸事故的发生。

2)116号文中，（二）加快安全仪表系统功能安全相关技术和管理人才的培养。化工设计、施工单位和危险化学品生产、储存单位要组织对相关负责人、工艺和仪表等工程技术人员开展安全仪表专业培训，普及功能安全相关知识，学习有关标准规范。……

3)116号文中，（三）进一步完善化工安全仪表系统技术标准和认证体系。…….

对于可燃气体及有毒气体检测保护系统，为了确保探测系统的检测效果，也就是安全功能要求，近期国家正在编制相关标准，如：探头覆盖率评估要求和工作标准。

4)116号文中，（四）设计安全仪表系统之前要明确安全仪表系统过程安全要求、设计意图和依据。……（五）规范化工安全仪表系统的设计。……

国家标准GB/T50493要求设计安全仪表系统之前要明确要通过过程危险分析，充分辨识危险与危险事件，确定必要的安全仪表的安全设计要求。

5)116号文中，（三）进一步完善化工安全仪表系统….认证体系。（六）严格安全仪表系统的安装调试和联合确认……

为了加强消防产品的质量管理，国家对消防产品实行质量认证制度。当可燃气体检测信号参与消防联动控制时，检测信号要求通过专用的可燃气体气体报警器送至消防控制器。

6)116号文中，（七）加强化工企业安全仪表系统操作和维护管理。…….　

火气报警系统的管理属于工厂安全关键设备的组成部分，要提供系统地设计文件、产品技术要求资料，提供符合安全完整性要求的检验测试周期要求，对系统相关设备提故障管理（包括设备失效、联锁动作、误动作情况等）和分析处理要求，以规范企业安全仪表的管理。央企已开始编制完善企业标准，加强化工企业安全仪表系统操作和维护管理。

7)116号文中，（九）加强过程报警管理，制定企业报警管理制度并严格执行与安全仪表功能安全完整性要求相关的报警可以参照安全仪表功能进行管理和检验测试。

8)116号文中，（十）加强基本过程控制系统的管理，与安全完整性要求相关的控制回路，参照安全仪表功能进行管理和检验测试，并保证自动控制回路的投用率。

9)116号文中，（十一）严格按照相关标准设计和实施有毒有害和可燃气体检测保护系统，为确保其功能可靠，相关系统应独立于基本过程控制系统。

GB/T50493中，第 3.0.8条：可燃气体和有毒气体检测报警系统应独立于其他系统单独设置。

独立设置是指可燃气体和有毒气体检测报警系统的检测与发出报警信号的功能不受对应装置生产工艺控制仪表系统故障的影响。

10)116号文中，（十三）从2018年1月1日起，所有新建涉及“两重点一重大”的化工装置和危险化学品储存设施要设计符合要求的安全仪表系统。其他新建化工装置、危险化学品储存设施安全仪表系统，从2020年1月1日起，应执行功能安全相关标准要求，设计符合要求的安全仪表系统。（十四）涉及“两重点一重大”在役生产装置或设施的化工企业和危险化学品储存单位，要在全面开展过程危险分析（如危险与可操作性分析）基础上，通过风险分析确定安全仪表功能及其风险降低要求，并尽快评估现有安全仪表功能是否满足风险降低要求。