西門子 ESD系統(tǒng)培訓(xùn)（高端培訓(xùn)）

工程師培訓(xùn)資料標(biāo)題：西門子ESD安全系統(tǒng)培訓(xùn)（高端培訓(xùn)）培訓(xùn)人：xx內(nèi)部工程師培訓(xùn)資料不同安全等級的靈活應(yīng)用:標(biāo)準(S)系統(tǒng)容錯(H)系統(tǒng)故障安全(F)系統(tǒng)故障安全容錯(FH)系統(tǒng)單個CPU滿足SIL3,AK6通過PROFIBUS使用ProfiSafe信息完成安全通信同一控制器內(nèi)可同時完成F功能和S功能

同一PROFIBUS-DP總線上可運行S和FI/O使用同樣組態(tài)工具,CFC,完成S和F功能F-Tool提供技術(shù)檢查支持:S和F功能分開(S和F塊庫,S和FCFC圖)通過F比較功能檢查通過口令保護功能的訪問故障安全自動控制的優(yōu)勢風(fēng)險是指危害性事件發(fā)生的可能性和有可能造成的后果,例如:

可能發(fā)生的頻率和結(jié)果如何?風(fēng)險會影響到:

人員

環(huán)境

設(shè)備和財產(chǎn)

商業(yè)影響

保險信譽

公司形象為什么需要功能性安全?

…降低風(fēng)險ESD系統(tǒng)介紹為了最大限度地保護生產(chǎn)裝置和人身安全，避免惡性事故的發(fā)生，減少損失，需要提供一種高度可靠的安全保護手段，這種手段就是安全系統(tǒng)。安全系統(tǒng)有時又稱為緊急停車系統(tǒng)(EmergencyShutDownsystem,ESD)。

安全系統(tǒng)在開車、停車、出現(xiàn)工藝擾動以及正常維護操作期間對生產(chǎn)裝置提供安全保護。一旦當(dāng)工廠裝置本身出現(xiàn)危險，或由于人為原因而導(dǎo)致危險時，系統(tǒng)立即做出反應(yīng)并輸出正確信號，使裝置安全停車，以阻止危險的發(fā)生或事故的擴散。

對于一個理想的安全系統(tǒng)來講，它應(yīng)該具有高的可靠性(Reliability)、可用性(Availability)和可維護性(Maintainability)，并且在出現(xiàn)內(nèi)部故障或外界干擾的情況下是安全的停車級報警操作員干預(yù)過程控制層(DCS)安全儀表系統(tǒng)(自動)基本過程控制系統(tǒng)安全釋放閥,防爆膜防火墻主動保護層被動保護層緊急響應(yīng)層工廠緊急響應(yīng)安全層(SIS)過程值過程報警正常控制過程控制層(DCS)緊急停車(ESD)工藝停車為什么需要功能性安全?

…防止和減輕風(fēng)險多級保護層火災(zāi)和氣體監(jiān)測緊急停車系統(tǒng)報警過程控制生產(chǎn)過程消防子系統(tǒng)或各種系統(tǒng)的安全等級不同,ESD系統(tǒng)的安全等級高于DCS系統(tǒng)。工藝過程基本過程控制關(guān)鍵報警,操作員干預(yù)安全儀表系統(tǒng)物理保護(釋放設(shè)備)物理保護(放火放爆墻)工廠緊急響應(yīng)社會緊急響應(yīng)多級保護層安全系統(tǒng)的分類和發(fā)展根據(jù)構(gòu)成的硬件來劃分，安全系統(tǒng)可分為繼電器型、硬接線固態(tài)電路型和可編程電子型(PES)3種類型。

(1)繼電器型系統(tǒng)

系統(tǒng)采用單元化結(jié)構(gòu)，通過繼電器來執(zhí)行邏輯。此種系統(tǒng)的使用已有很多年了，并且目前仍在一些場合中使用。其優(yōu)點在于可靠性很高，具有高達98%的固有故障安全特性；不受絕大多數(shù)干擾的影響；電壓適用范圍寬；系統(tǒng)的一次投資費用較低。然而，繼電器型系統(tǒng)的體積大，靈活性差，在規(guī)模較大系統(tǒng)中表現(xiàn)得尤為明顯。在需要進行功能修改或添加時，必須改變系統(tǒng)的連線，很不方便。此外，這種系統(tǒng)既無串行通信功能，也無報告和文檔功能。安全系統(tǒng)的分類和發(fā)展(2)硬接線固態(tài)電路型系統(tǒng)

系統(tǒng)多為模塊化結(jié)構(gòu)，采用獨立的固態(tài)器件通過硬接線來構(gòu)成系統(tǒng)，實現(xiàn)要求的邏輯功能。它的結(jié)構(gòu)緊湊；可對系統(tǒng)中包括輸入/輸出(I/O)在內(nèi)的所有運行通道進行在線測試，易于識別故障；可進行串行通信；易于更換，便于維修；可配置成冗余系統(tǒng)，改善系統(tǒng)性能，增強系統(tǒng)容錯性。但固態(tài)系統(tǒng)的靈活性不夠，任何邏輯修改和/或添加必須改變系統(tǒng)的連線；大系統(tǒng)的操作費用也較高；同時硬接線固態(tài)系統(tǒng)的可靠性不如繼電器型系統(tǒng)。安全系統(tǒng)的分類和發(fā)展(3)可編程電子型系統(tǒng)

系統(tǒng)以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ),系統(tǒng)一般采用模塊化結(jié)構(gòu)，通過微處理器和軟件來執(zhí)行邏輯任務(wù)。它采用專門的軟件和微程序固件，具有強大的、方便靈活的編程能力。系統(tǒng)設(shè)計有內(nèi)部自測試和自診斷功能，可以與工廠通信網(wǎng)絡(luò)集成為一體構(gòu)成綜合控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可包含彩色視頻顯示、數(shù)據(jù)記錄、合成語音等功能。可編程電子型系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的一種安全系統(tǒng)。

在多年的應(yīng)用實踐中，隨著技術(shù)的不斷進步、發(fā)展和完善，對安全系統(tǒng)硬件的要求不斷提高，從繼電器、硬接線固態(tài)邏輯電路和通用PLC逐步演化轉(zhuǎn)變?yōu)椤鞍踩J證”系統(tǒng)。所謂的“安全認證”系統(tǒng)是一個專為安全應(yīng)用場合設(shè)計、在硬件上采用各種安全處理措施、具有完善的診斷測試手段，并取得有關(guān)安全權(quán)威機構(gòu)的安全證書的系統(tǒng)。

安全系統(tǒng)的分類和發(fā)展一般來講，不能選用普通PLC作為安全系統(tǒng)的硬件，這是因為當(dāng)它失效時，其輸出不能保證是處于定義的安全狀態(tài)。安全系統(tǒng)采用的是具有特殊結(jié)構(gòu)型式和特殊處理方式的PLC，又稱為安全PLC。設(shè)計和實施15%

安裝和試車6%操作和維護15%投運后修改20%

規(guī)范44%為什么產(chǎn)生功能性安全的國際標(biāo)準標(biāo)準?控制系統(tǒng)故障的初步原因源于HSE的34個事故調(diào)查安全管理技術(shù)要求人員能力故障原因規(guī)范設(shè)計和執(zhí)行安裝和試車操作和維護投運后修改安全周期功能性安全的策略DINVVDE0801DINV19250ISAS84HSEPESEWICSIEC61508國際功能性安全標(biāo)準IEC61508應(yīng)用于各行業(yè)IEC61511應(yīng)用于過程工業(yè)國際功能性安全標(biāo)準第一章:通用性要求第二章:電氣/電子/可編程電子安全系統(tǒng)[E/E/PES]要求第三章:軟件要求第四章:縮寫和定義第五章:定義安全等級方法的示例第六章:第二和第三章的應(yīng)用指導(dǎo)第七章:技術(shù)和方法綜述IEC61508:E/E/PES的功能性安全IEC61508標(biāo)準安全等級SIL4SIL3SIL2SIL1故障率(PFD)

每年(Demandmodeofoperation)風(fēng)險降低系數(shù)>=10-5to<10-4>=10-4to<10-3>=10-3to<10-2>=10-2to<10-1100000to1000010000to10001000to100100to10安全等級SafetyIntegrityLevel(SIL)后果Ca輕微傷害Cb嚴重傷害,一個人死亡Cc幾個人死亡Cd多人死亡發(fā)生的頻率Fa很少到經(jīng)常Fb經(jīng)常到連續(xù)性避免的可能性Pa有時可能Pb幾乎不可能發(fā)生的可能性W1非常小W2小W3相對高安全等級W3W2W1CaCbCcCdFaFbFaFbPaPbPaPaPaPbPbPbX1X2X3X4X5X6a1234baa1122334FbFa定性風(fēng)險評估

安全控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

過程安全的國際標(biāo)準-系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單系統(tǒng)性能ProbabilitiesoffailureSafe

DangerousA0.04(25yrs) 0.02(50yrs)ProbabilitiesoffailureSafeDangerousBA1oo2Vote0.08(12.5yrs) 0.0004(2500yrs)(verysafe,butmore

nuisancetripsthansimplex)AB2oo2Vote0.0016(625yrs) 0.04(25yrs)(fewnuisancetrips,

butlesssafethansimplex)雙系統(tǒng)性能雙PLC’sPLCBPLCA1oo2PLCAPLCB2oo2SAFEAVAILABLESAFEAVAILABLEDxU=三重化表決系統(tǒng)性能(1oo1) 0.04(25yrs)0.02(50yrs)(1oo2) 0.08(12.5yrs)0.0004(2500yrs)(2oo2) 0.0016(625yrs)0.04(25yrs)ABCMajorityVote2oo3Vote(2oo3)0.0048(208yrs)0.0012(833yrs)ProbabilitiesoffailureSafe

DangerousTripleModularRedundancyPLCAPLCBPLCCMajorityVote2oo3SAFEAVAILABLEMoreHardware=cost!CommonCause0.0016(625yrs)0.0004(2500yrs)1oo2D1oo2D系統(tǒng)性能(1oo1) 0.04(25yrs) 0.02(50yrs)(1oo2) 0.08(12.5yrs) 0.0004(2500yrs)(2oo2) 0.0016(625yrs) 0.04(25yrs)(2oo3) 0.0048(208yrs)0.0012(833yrs)ProbabilitiesoffailureSafeDangerousBA高診斷率的雙重化安全PLC在許多工業(yè)領(lǐng)域中,其控制系統(tǒng)必須是高可靠、高可用和高安全的.根據(jù)IEC61508標(biāo)準,1oo2D(oneoutoftwowithdiagnostics)結(jié)構(gòu)滿足這些要求.實現(xiàn)1oo2D結(jié)構(gòu)時,每個通道采用雙CPU結(jié)構(gòu),通道間同步采用軟硬件結(jié)合方式,硬件數(shù)據(jù)比較器具備強故障安全特性,通道間通信采用高速并行方式,自診斷包括內(nèi)嵌診斷設(shè)備、自診斷程序和看門狗.

高診斷率的雙重化安全PLCFaulttolerantforhighavailabilityLowercommoncauseproblemsLesshardwaretofailthanTMRCERTIFIEDtoAK6,anddesignedforsafetyuptoSIL3SafetyPLCBSafetyPLCADIAGNOSTICSDIAGNOSTICS1oo2DSAFEAVAILABLE1oo2D(oneoutoftwowithdiagnostics)BasicReliabilityFormulaeWhere:

MTTR=MeanTimeToRepair MDT(MeanDownTime)=(MTTR+TI/2)TI=TestInterval Assumption:1/MDT>>failurerates=Safe(initiating)failured=Dangerous(inhibiting)failureSource:Reliability,Maintainability,andRisk,byD.J.Smith故障安全技術(shù)的發(fā)展1970’Failsafecomponents,checkedbytheGermanTüV

1980’PESbasedfailsafesystemsareusedinplants(DIN19250)1983’DualPESfailsafesystem1986’TMRsystemand1002Dsystem(2oo3/1002D)1998’DevelopmentofdualPESfailsafesystem(1oo2D,QMRCPU)IEC615081999’SiemensS7-400F/FH(PROFIsafeTechnology)

Future:IntegratedSafetybasedonPROFIsafecommunicationIEC61508/11SIL1to3DIN0801DIN19250風(fēng)險評估AK6通信TüV認證-AK1toAK6認證資質(zhì)的安全周期服務(wù)SIL1to3“合適的應(yīng)用”最終元件關(guān)鍵信號變送器Siemens如何滿足安全標(biāo)準?

1980:SIMATICS5-110F1988: SIMATICS5-115F1994: SIMATICS5-95F1999: SIMATICS7-400F/FH2002: SIMATICS7-300FSIEMENS故障安全控制系統(tǒng)20多年的持續(xù)發(fā)展

執(zhí)行器,

傳感器

I/O PROFIBUSwithPROFIsafeprofileET200SET200M工廠自動化保護人身,機器控制器IM151-7F-CPU

forET200SCPU315F/CPU317FCPU416F工程FBD,LAD分布式安全今天的Siemens安全產(chǎn)品控制器CPU414FHCPU417FH

工程CFCS7F系統(tǒng)

Quadlog控制器/工程過程自動化保護人身,環(huán)境,財產(chǎn)過程工業(yè)的主要用戶AllianceCustomersExxonShellMobilTotalTexacoChevronAmocoRhone-PolencFINAMethanexProcter&GambleCelaneseRohm&HaasUnionCarbideBASFARCOElfDaelim

CitgoPetronasSINOPECYPFSaudiARAMCOQatarGasSonatrachPhillipsTOSCOPertaminaWoodsideRelianceSamsungQGPCRasLaffanLNGONGCUnocalSaltRiverProjectLyondellFormosaPlasticsHuntsmanUOPPEMEXPetrobrasHanwhaPDVSAMRPLThaiPlasticsSouthTexasProjectKNPCTaekwangPratt&WhitneyGEPlasticsTataElectricQAPCOWeyerhauserMarathonSUNOCOThaiPetroleumBrokenHillProprietyHaldiaPetrochemicalsBritishPetroleumDupontCNPCADNOCQAFCOCPCCNOOCIndianOilCo.Ltd.SKCorporationCaltexIncitecMotivaHyundai

過程工業(yè)的主要用戶冗余CPU

可切換I/O冗余S7-400FH冗余PROFIBUS-DPF-I/O模件SIL3,AK6S7-400FHPROFIBUSDPET200MF-I/O冗余CPU

可切換I/O冗余S7-400FH冗余PROFIBUS-DP冗余F-I/O模件SIL3,AK6PROFIBUSDPS7-400FH冗余ET200MET200MF-I/OF-I/O單路CPU

單路I/OS7-400FPROFIBUS-DPF-I/O模件SIL3,AK6S7-400FET200MPROFIBUSDPF-I/O故障安全和高可用性配置S7–400F/FH故障安全控制系統(tǒng)CPU:417FH主內(nèi)存 : 20MB執(zhí)行時間: 0.03μs位/字/定點電池備用: 2年數(shù)字通道: 131072(max.)模擬通道: 8192(max.)通信: PROFIBUS-DPModbus(RS232/485/422)

工業(yè)以太網(wǎng)

以太網(wǎng)/OPCS7-400F/FH能力安全一體化PROFIBUS結(jié)構(gòu)SINUMERIK

SIMODRIVESIGUARD

LaserscannerSIMATICS7-300FSIGUARD

laserscannerDP/ASi

LinkStandard

systemsI&CVisualizationPROFIBUS-PASIMATIC

ET200SSIMATIC

ET200SSIMATIC

ET200MSIMATICS7-400FHPCPCS7工程軟件PROFIBUS-DPF-應(yīng)用程序F-程序工具F-I/O’s(ET200M)ProfiSafe

協(xié)議RUN-PRUNSTOPCMRESRUN-PRUNSTOPCMRESCPU417-4Hor414-4H標(biāo)準I/O’s(ET200M)S7–400F/FH系統(tǒng)構(gòu)成不同安全等級的靈活應(yīng)用:標(biāo)準(S)系統(tǒng)容錯(H)系統(tǒng)故障安全(F)系統(tǒng)故障安全容錯(FH)系統(tǒng)單個CPU滿足SIL3,AK6通過PROFIBUS使用ProfiSafe信息完成安全通信同一控制器內(nèi)可同時完成F功能和S功能

同一PROFIBUS-DP總線上可運行S和FI/O使用同樣組態(tài)工具,CFC,完成S和F功能F-Tool提供技術(shù)檢查支持:S和F功能分開(S和F塊庫,S和FCFC圖)通過F比較功能檢查通過口令保護功能的訪問故障安全自動控制的優(yōu)勢

時間冗余和指令反編碼處理

S7-400F/FH使用時間冗余

和

軟件反編碼技術(shù)完成故障安全功能OperandsEncodingDiversityOperandsOperationDiversityOperationResultDiversityResultComparisonStop時間時間冗余A,B(Bool)/A,/B(Word)CD=/CAtD

1/CANDOR

邏輯程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)流監(jiān)視

在CPU的不同部分進行布爾和字

操作處理

2個獨立的硬件計時器CPU內(nèi)部的安全機構(gòu)F–組態(tài)：標(biāo)準CFC和認證F塊TUV-認證F功能塊庫F程序安全程序有效性的單一簽字

CFC程序的訪問保護一個程序的兩個版本比較帶有簽字和缺省的全部F塊列表F–組態(tài)的安全

SM326F,DI24DC24VSIL3SM326F,DI8NAMUR[EExib]SIL3SM326F,DO10DC24V/2ASM336F,AI64-20mA

S7-400F/FH的故障安全I/O模件冗余的微處理器可診斷出內(nèi)部外部故障微處理器相互檢查功能輸入輸出測試將輸入信號分配到2個微處理器冗余輸入信號差異分析反讀回輸出信號進行差異分析輸出的第二斷措施通過Profisafe與CPU通信S7-400F/FH的故障安全模件MicrocontrollerOutputdriverDual-portRAMBusinterfaceSeconddisconnectionfacility(canbereadback)L+MicrocontrollerOutputVSupplyi.e.SM326,F-DODiagnosticcircuitCPUDiagnosticcircuitInputcircuitInputcircuitCPUCPU....MainSwitchDiagnosticcircuitCPUCPUOutputcircuitProfiSafeProfiSafeSIL3等級的S7-400F結(jié)構(gòu)單或雙傳感器輸入I/O模件內(nèi)部的冗余電路冗余輸出電路輸入模件控制器-S7400F輸出模件2oo(1oo1DforSIL2)2oo(1oo2DforSIL3)2oo(1oo1D)2oo(1oo2D)無單點故障無降級使用限制(SIL3)一個或兩個傳感器輸入

DiagnosticcircuitCPUDiagnosticcircuitInputcircuitInputcircuitCPUCPU....MainSwitchDiagnosticcircuitCPUCPUOutputcircuitDiagnosticcircuitCPUDiagnosticcircuitInputcircuitInputcircuitCPUCPU....MainswitchDiagnosticcircuitCPUCPUOutputcircuitProfiSafeProfiSafeProfiSafeProfiSafeS7-400FH用于SIL3的結(jié)構(gòu)輸入模件控制器-S7400FH輸出模件FailsafeuserdataStatus/monitorbyteCRCConsequentnumberViaFuserdataandFparametersSource-basedcounterMax.12/122Bytes1Byte2/4Bytes*)1Byte一個有效的當(dāng)前的楨必須在一定的參數(shù)化監(jiān)視時間內(nèi)并帶有有效的連續(xù)數(shù)到達CPUMaster

Slave1Slave1

MasterMaster

Slave2Slave2

MasterMaster

Slave3Slave3

MasterMaster

Slave4Slave4

MasterMasterProfiSafeSlave1

StandardSlave2

StandardSlave3

FailsafeSlave4

StandardPROFIBUS-DPwith*)2Byteforamax.of12ByteFI/Odata4Byteforamax.of122ByteFI/OdataPROFIBUS?ProfiSafe通信MemberCompaniesofthe“Profisafe”WorkingGroupofthePNO(ProfibusUserOrganization)ABB(Germany+Norway)Banner(USA)BIA*Bürkert*DaimlerChryslerDold&S?hne*Endress+HauserFestoGuardscan(England)*HimaMoellerNelesControls(Finland)Opel

Pepperl+FuchsPhoenixContactPilzSchmersal*SchulerSick*SiemensAG,A&D*StahlTUMünchenVisoluxWagoWeidmüllerConneXt **Memberofthe“GenericDrivers”workinggroup傳統(tǒng)的獨立的DCS和ESD解決方案IndustrialEthernetoptionalredundantSafetyEngineeringStationPCPCS7-400FHAS417FHEmergencyShutdownIndustrialEthernetoptionalredundantPCPCPCPCPCS7-400HAS417HOperatingandMonitoringOperatingSOEStationDCSEngineeringStationNormalControlandMonitoring

IndustrialEthernetoptionalredundantPC

EngineeringStationPCPCPCPCS7-400FHAS417FHS7-400HAS417HServer,optionalredundantOperatingandMonitoring/SOEEmergencyShutdown集成到PCS7中NormalControlandMonitoring

工業(yè)以太網(wǎng)可選冗余PC

工程師站S7-400HS7-400PCPCPC緊急停車PCPCS7-400S7-400FHS7-400FHS7-400H燃燒管理操作和監(jiān)視SIMATICPCS7一體化ShutdownLogicF-STOPSafetyMatrixOverviewAcauseisa

processdeviationAneffectisa

processresponseAnintersectiondefines

therelationshipbetween

causeandeffectMax.definable:128causes128effects500intersectionsIntersectionCauseEffectWhyprocesssafety?StandardsSiemensproductsSiemenssolutionsSafetyMatrixOverviewSafetyMatrixEditorRemoteUserWorkstationSharedMatrixFile(*.CEM)SafetyMatrixViewerOperatorStation(OS)SafetyMatrixEngineeringToolEngineeringStation(ES)Controller(AS)SafetyMatrixEngineeringTool

Forcreating,configuring,compiling,downloadingandonlinemonitoringoftheSafetyMatrixwithinSTEP7

environmentSafetyMatrixViewer

ForoperatorcontrolandvisualizationoftheSafetyMatrixwithinPCS7OS

environmentwithdifferentoperatorcontrollevelsSafetyMatrixEditor

Forcreatingandeditingthe

SafetyMatrixlogicsonan

externalworkstationoutside

aSTEP7orPCS7environmentWhyprocesssafety?StandardsSiemensproductsSiemenssolutionsConsistentDisplayinOSandESTheSafetyMatrixViewerdisplaystherun-timematrixlogicinthecontrollerinaformatconsistentwiththatoftheSafetyMatrixEngineeringToolThesecolorsarepredefined,andcannotbeconfiguredbytheuser.Colour-codingof

onlinestates Cause/

effectactive Bypassactive/

Signaldisabled Inhibit/

Maskactive EffectOverride

active Resetpossible FirstOutAlarm

activeWhyprocesssafety?StandardsSiemensproductsSiemenssolutionsSIMATICSafetyMatrix?Cause&EffectsEngineering,OperationsandMaintenancePackageAutomaticprogrammingAutomaticvisualizationMaintenanceInterface