“化工仪表及自动化”课程中安全仪表系统教学探讨

＊刘勇军

（华侨大学化工工艺与本质安全研究所 福建 361021）

1.“化工仪表及自动化”课程在化工类专业中的任务与使命

“化工仪表及自动化”课程是高校化工制药类专业（包括化学工程与工艺、化学工程、化工工艺、制药工程、能源化工等）学生的专业基础课，也是其它工科类专业选修课或必修课，还可供从事生产的工艺技术人员、仪表人员、生产管理人员和安全管理人员等学习，以提升化工生产过程中相关的仪表控制和自动化知识。通过本课程的学习，使学生能够了解化工自动化的基础知识，掌握在化工中的基本应用，培养学生工程实践能力和创新能力，拓展知识面。

现高校普遍采用的教材是厉玉鸣主编的《化工仪表及自动化》（第6版）。与传统教程（或以前版本）相比，最显著的特点是增加了安全仪表系统的基础内容。这是为适应近年来安全仪表系统在生产领域广泛应用、安全仪表知识越来越受到学习者和使用者重视的新形势的结果，是一种课堂服务生产实际的体现。

随着社会经济的迅速发展，工业生产强度日益增加，安全事故发生量随之上升，而生命至上的理念已逐步深入人心，安全生产已成为了人类关心的日益突出的话题。为减少安全事故，在事故经验教训的基础上，分别从安全管理、本质安全、安全文化等多个角度，采取各种安全分析方法和安全技术手段，不断地提高安全生产水平[1]。化工生产的典型安全保护系统如图1所示。安全仪表系统处于保护层理论的第四层，属于化工本质安全的重要环节。

图1 化工生产的典型安全保护系统

2.安全仪表系统的基本原理及在化工实际中的应用与问题

安全仪表系统（Safety Instrumented System，简称SIS）又称为安全联锁系统，包括生产存储企业控制系统中的报警、联锁部分。安全仪表系统包括传感器、逻辑运算器和最终执行元件，即检测单元、控制单元和执行单元[2]。与企业DCS系统具有一定的相似性，但其功能完全不同，平时通过检测元件一直在监测生产储存装置的各项异常信息、潜在的危险危害，并不进行日常控制或联锁，而是当生产异常达到设定条件时迅速响应，进行报警、或执行预定程序，停车或卸料至指定系统，以确保生产系统不发生安全事故、降低事故带来的危害及其影响[3]，是工厂企业自动控制的重要组成部分。

目前安全仪表系统在化工类生产中得到广泛应用。比如，某企业将安全仪表系统用在精细化工生产中，提高了企业的产率，保证了企业的安全[4]；某企业针对液氯工艺过程存在的安全问题，采用安全仪表系统，实现了不正常情况及时切断物料，避免事故扩大，实现了氯气系统的有毒气体检测报警的全覆盖，保证了生产装置的安全可靠运行，创造了良好的经济和社会效益[5]。安全仪表系统在成品油输油管道[6-7]、煤化工装置等也得到了应用[8]，保证了生产的安全。

安全仪表系统在实践应用中也显示出存在较多的问题。比如，随着石化企业大型化、规模化和一体化的发展趋势，在安全仪表系统需要考虑定位问题；处于不同的定位，就会有不同的配置，以达到不同的目标[1]。另外，企业生产需要大量懂仪表、会控制的专业技术人员，然而这类人员大量缺乏，员工仪表专业知识不足，迫切需要加强专业安全技术人员培养，同时开展现有员工的安全仪表技术培训，使安全管理人员、现场操作人员都能够熟识、了解安全仪表功能的作用、安全仪表系统的使用，工程投入与装置安全关键环节的关系，并能够应用到实际生产过程中[9]。将安全仪表的基本原理、安全的保护层理念扎根于安全生产的方方面面。

3.化工安全仪表系统的教学内容

化工安全仪表系统是安全仪表在化工领域的应用，其核心在于如何实现安全，因而要围绕安全开展教学，主要的教学内容包括：（1）化工安全仪表的基本概念，包括安全的概念和基本理念、化工安全的特征、安全仪表的概念及其与常规仪表的异同等等。（2）安全仪表的基本原理，包括安全仪表系统的组成、各部分实现的功能和相互作用，安全功能回路的控制量、操纵量、检测量之间的相互关系，实现安全控制的原理和原则。（3）化工安全仪表的设计方法，包括如何进行安全功能的确认，如何设计安全功能回路以实现目标安全功能，安全仪表系统设计的基本原则，以及如何优化安全设计方案。（4）安全仪表系统的安装与维护，包括安全仪表的安装点选择、安装过程要求，以及如何制定维护计划、进行常规和非常规维护等。（5）安全仪表系统的分析与评价，主要为如何通过HAZOP（危险与可操作性分析）分析和保护层分析来确定安全仪表需要的等级，如何确认设计的安全功能回路符合要求，达到安全等级，确保安全功能的实现。教学内容的逻辑关系如图2。

图2 化工安全仪表系统教学内容之间的逻辑关系

4.化工安全仪表系统的实践教学思考

目前，由于安全仪表系统进入化工仪表及自动化课程时间短、内容新，学生和教师均接触少，导致化工安全仪表系统实践教学中存在诸多问题，但可归纳总结为如下两个方面主要问题。

(1)安全仪表系统基本概念原理的讲解方面

安全仪表系统教学的基本概念及原理的讲解应该和实际应用相结合，和国家法律法规、标准规范相结合，和国内外安全仪表的发展相结合。比如，安全仪表系统具有全生命周期的概念，包括在进行安全仪表系统及安全相关保护措施的设计、安装、操作和维护管理，而通常我们强调设计、安装建设，而对操作和维护管理不够重视，从而形成轻应用的形式主义倾向；另外，在建设过程中还存在危险危害分析不足、设计选型不当、冗余容错结构不合理、缺乏明确的检验测试周期、预防性维护策略针对性不强等问题，导致设计目标得不到实现[9]。这些问题都应当在教学过程中向学生在原理上予以阐述清晰，在理念上予以润物入心。

同时，安全仪表系统的基础理论在国家政策和标准中得到重视和延伸，部分安全仪表相关概念和原理在标准规范中进行了定义、规定了应用场景和方式方法。因而教学应与国家法规政策和标准规范相结合，才能符合行业主流观念，满足安全设计要求；同时，我们国家安全仪表系统推广得晚，理论与实践融合时间不足，要让教学有生命力，应当将理论与工程应用实践相结合，让学生学之有物，用之有形。

(2)安全仪表教学中的工程能力培养方面

根据我国石化装置的特点，在满足功能安全要求的前提下，如何减少中间环节，合理配置传感器、最终执行元件等问题，这些都是在石化安全仪表系统功能安全设计、施工、评估应用和管理体系等方面所面临的实际问题，需要在教学中引入工程实际范例，进行启发引导和实践教学，培养学生工程实践能力和创新能力，拓宽学生的知识面。

5.安全仪表系统的教学思路与内容设计

不同行业对于安全仪表系统的规范要求、设计原则和使用范围各不相同。安全仪表系统在实践中存在的问题，折射出教学中存在的对应问题。因此，在教学思路和内容设计上的基本思路是将基本概念和原理与国家法律法规、标准规范以及工程实际相融合。培养学生的理解能力和工程实践能力。具体而言，就是通过设问、讨论以及讲解、展示实际工程中的一些问题来对教材中的知识点做展示和深化。

下面以我们在华侨大学化工学院“化工仪表及自动化”课程中安全仪表系统的教学实践为例进行分析。

(1)基本概念和原理与国家法律法规、标准规范以及工程实际相融合

课堂教学中，与安全仪表紧密相关的标准规范重点阐述。比如，在国际标准中，IEC 61508，IEC61511提供了很好的国际通用安全仪表技术规范和参考，是大部分国家和地区（包括我国）遵循的重要标准，我国将其全盘吸收，并结合国情，进一步融合行业实践，制定了一系列相关国家标准。这两个标准关系密切，其中IEC 61508标准是综合性基础标准，主要为装置的制造商和使用，IEC 61511可以说是IEC 61508的延续，主要针对具体的仪器仪表设计者和使用者。与此创造的国家标准包括GB/T 20438《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》(等同采用IEC 61508)、GB/T 21109《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》（等同采用IEC 61511）、GB/T 50770-2021《石油化工安全仪表系统设计规范》（针对石油化工厂或装置）和SY/T6966-2021《输油气管道工程安全仪表系统设计规范》。这些标准规范有助于我们从源头上理解和执行安全仪表系统的设计、施工以及运行管理，做到本质安全。

在基本概念和原理的理解方面，通过设计问题加深对基本原理和概念的理解。比如，结合教材中对安全仪表系统的定义，如何理解国家文件安监总管三〔2014〕116号中对于化工安全仪表系统管理工作的要求；化工安全仪表系统包括安全联锁系统、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。安全仪表系统应独立于过程控制系统（例如分散控制系统等）。全班同学各抒己见，进行讨论，最后进行总结和点评讲解。

(2)工程实践例证相融合

图4 某输油管道检测仪表现场安装

在教学中引入工程实践的实际案例来进行辅助教学，加强学生对工程实际问题的思考和理解。比如，在安全仪表系统中，学生对于检测仪表的冗余设置不是很清楚，觉得很抽象。课堂中可以实际工程的成功例证进行讲解。比如，某输油管道检测仪表的冗余设置方式有以下三种：

①当高安全性为SIS系统的目标要求时，应采用二选一模式（1oo2）。

②当高可用性SIS系统的目标要求时，应采用二选二模式（2oo2）。

③当安全性和可用性均需保障时，宜采用三选二模式（2oo3）。比如，图3即是符合安全性和可用性均满足要求的检测仪表的现场安装。

图3 安全仪表系统的教学思路

6.结语

笔者所在单位教学组对化工仪表及自动化教学经过深入思考后，采用了基本概念和原理与国家法律法规、标准规范相融合，课堂教学和工程实际案例相融合的教学方式，着重培养学生的理解能力和工程实践能力。结果表明这种教学方法对于教学效果的提高大有益处。将这些实践中的问题和困境引入教学中，引导学生深刻理解相关概念和标准。在此基础上，带领学生根据我国石化装置的特点，在满足功能安全要求的前提下，思考如何减少中间环节，合理配置传感器、最终执行元件等安全仪表系统的重要问题，为我国石化安全仪表系统功能安全设计、施工、评估应用和管理体系的建设培养后生力量，同时培养学生工程实践能力和创新能力，拓宽知识面。