В промышленной автоматизации, процессные блокировки и отключения являются важными средствами защиты, предназначенными для предотвращения небезопасных управляющих действий и охраны критически важных объектов. Они составляют основу систем безопасности технологических процессов, обеспечивая, чтобы как операторы, так и автоматизированные системы управления поддерживали работу в пределах безопасных параметров.

Понимание процессных блокировок и отключений

Процессные блокировки предотвращают опасные управляющие действия, ограничивая команды оператора или системы, которые могут вызвать небезопасные условия. Они действуют как автоматические, самовосстанавливающиеся барьеры против опасных операций.

Процессные отключения, напротив, реагируют на аномальные условия процесса, обнаруживая отклонения за пределы заданных значений и инициируя корректирующие действия — например, остановку оборудования — чтобы вернуть процесс в безопасное состояние. Отключения не должны автоматически восстанавливаться без надлежащего обоснования и анализа рисков.

Эти два уровня защиты вместе снижают вероятность того, что ошибка человека или системы приведёт к опасным событиям.

Принцип независимости в защитных системах

Для поддержания высокой надёжности безопасности защитные системы должны работать независимо от основных систем управления, программируемых логических контроллеров (ПЛК) или других защитных уровней. Независимость гарантирует, что отказ в одной системе не повлияет на другую.

Такое разделение достигается с помощью физического разделения, разнообразного оборудования или выделенных коммуникаций. Например, резервные источники питания и отдельные кабельные трассы помогают предотвратить отказы общего типа, вызванные общими ресурсами или внешними факторами.

Международные стандарты, такие как IEC 61508 и IEC 61511 , устанавливают требования для обеспечения необходимой независимости систем.

Управление зависимостью от коммуникаций

Защитные системы часто зависят от коммуникаций, таких как электричество, сжатый воздух и охлаждающая вода, для выполнения функций безопасности. Пассивные функции безопасности (например, изоляция технологической линии) требуют минимальной поддержки коммуникаций, тогда как активные функции безопасности (например, ввод ингибитора или включение аварийного охлаждения) сильно зависят от непрерывного снабжения.

Поэтому инженеры должны обеспечить наличие резервных или источников бесперебойного питания (ИБП) и дублирующих систем, чтобы поддерживать защиту даже при сбоях коммуникаций. Надёжность этих вспомогательных систем должна соответствовать уровню безопасности (SIL) защищаемой функции.

Обеспечение устойчивости к внешним воздействиям

Надёжная защитная система должна выдерживать суровые условия эксплуатации. Она должна противостоять отказам, вызванным молнией, электромагнитными помехами (ЭМП), коррозией, экстремальными температурами, вибрацией или колебаниями напряжения.

Проектировщики часто используют экранированные корпуса, фильтрованные источники питания и раздельную прокладку кабелей для снижения таких рисков. При техническом обслуживании специалисты должны учитывать временное воздействие опасностей — например, избегать использования радиостанций рядом с открытыми шкафами, что может снизить электромагнитное экранирование.

Защита от аппаратных и системных отказов

Для достижения требуемой надёжности архитектура системы должна предусматривать устойчивость к отказам и дублирование. Распространённые методы включают использование высоконадежных датчиков, автоматической диагностики и логики «2 из 3» для критических измерений.

В то время как дублирование снижает вероятность случайных отказов, разнообразие аппаратного и программного обеспечения помогает предотвратить отказы общего типа и систематические ошибки. Для программных защитных систем применение структурированного жизненного цикла безопасности — как рекомендовано в IEC 61508 часть 3 — минимизирует систематические ошибки.

Роль датчиков в защитных системах

Датчики фиксируют параметры процесса и запускают отключения или блокировки при превышении порогов. Их надёжность напрямую влияет на общую целостность системы безопасности. Инженеры должны отдавать предпочтение прямым измерениям вместо косвенных и использовать принципы отказобезопасности , например, схемы отключения при обесточивании.

Регулярное проверочное испытание гарантирует правильную реакцию датчиков в рабочих условиях. В процедурах обслуживания должны быть указаны методы калибровки с прослеживаемостью к национальным стандартам, а также учитываться такие факторы, как вибрация, коррозия, ухудшение сигнала и перекрёстная чувствительность анализаторов.

Исполнительные механизмы: конечные элементы управления

Исполнительные механизмы выполняют действия безопасности — например, закрывают клапан или отключают питание — при срабатывании отключения. Они часто являются самым уязвимым звеном в защитных системах из-за износа или потери питания.

Для повышения надёжности проектировщики должны применять принципы отказобезопасного проектирования , обеспечивать резервные источники питания и проводить частичные испытания хода для проверки движения клапана. Критические исполнительные механизмы должны иметь диагностический контроль крутящего момента, времени перемещения и проверки конечного положения.

В современных установках исполнительные механизмы могут включать умные позиционеры или регуляторы с переменной скоростью, которые требуют дополнительных мер защиты от сбоев программного обеспечения.

Логические системы и архитектуры голосования

Логическая подсистема определяет момент активации защитных действий. Она может быть построена на базе программируемых логических контроллеров (ПЛК), реле безопасности или специализированных логических решателей , сертифицированных по определённым уровням SIL.

Системы с высокой надёжностью часто используют двойное дублирование или разнообразие аппаратуры для поддержания работоспособности при отказах. Система должна постоянно контролировать входы и выходы на предмет обрывов или коротких замыканий и своевременно подавать сигналы тревоги.

Программные логические системы должны соблюдать строгие процессы разработки и проверки для обеспечения соответствия жизненному циклу безопасности и снижения риска систематических ошибок программного обеспечения.

Прокладка кабелей, связь и целостность сигналов

Надёжная передача сигналов важна для поддержания целостности безопасности. Кабели и каналы связи должны быть правильно экранированы, разнесены и защищены от огня, влаги и механических повреждений.

Для аналоговых цепей сигналы 4–20 мА остаются предпочтительным стандартом благодаря своей отказобезопасности и диагностическим возможностям. В современных автоматизированных системах могут использоваться оптоволоконные и цифровые полевые шины, но их применение в системах безопасности требует строгой проверки и подтверждения уровня SIL.

Коммуникационные системы, поддерживающие функции безопасности

Коммуникации, такие как электричество, сжатый воздух, азот и охлаждающая вода, часто входят в инфраструктуру защитной системы. Инженеры должны удостовериться, что эти коммуникации надёжны, контролируются и имеют резервные или накопительные источники.

Регулярные испытания подтверждают, что аварийные запасы способны поддерживать защитные функции при перебоях питания. Защитные устройства, такие как ограничители перенапряжения, защита от перегрузок и стабилизаторы напряжения дополнительно повышают надёжность системы.

Проверочные испытания и верификация системы

Эффективность защитных систем зависит от частоты их проверочных испытаний и способности этих испытаний выявлять скрытые отказы. Проверочные испытания моделируют условия срабатывания, чтобы подтвердить правильную работу датчиков, логики и исполнительных механизмов.

Интервалы испытаний должны соответствовать частоте отказов и частоте срабатываний системы, следуя принципам IEC 61511. Полная документация обеспечивает повторяемость и прослеживаемость для аудитов и оценки функциональной безопасности.

Обслуживание, эксплуатация и изменения

Эффективные эксплуатационные и ремонтные процедуры критичны для поддержания целостности безопасности. Процедуры должны определять порядок управления обходами, обработки сигналов тревоги, безопасного обслуживания и проверки восстановления после ремонта.

Контроль резервных копий программного обеспечения, отслеживание версий и квалификация персонала также важны. Структурированный процесс управления изменениями (MOC) гарантирует, что любые модификации системы сохраняют как функцию безопасности, так и её целостность.

Удалённая диагностика и кибербезопасность

Удалённая диагностика удобна, но влечёт за собой потенциальные риски для безопасности и кибербезопасности. Несанкционированный доступ или непреднамеренные изменения параметров могут нарушить функции безопасности.

Перед включением удалённого доступа организации должны провести оценку рисков и внедрить меры контроля, такие как надёжная аутентификация, ведение журналов доступа и определённые протоколы связи. Диагностическая система должна работать в ограниченном или режиме только мониторинга во время обычной эксплуатации.

Пример применения: система блокировок безопасности на нефтеперерабатывающем заводе

На нефтеперерабатывающем заводе блокировки не позволяют операторам открыть байпасный клапан, когда компрессор на выходе отключён. Отключения автоматически изолируют процесс при обнаружении высокого давления или температуры. Защитная система использует дублированные передатчики, логические решатели с уровнем SIL и клапаны с возвратной пружиной для обеспечения безопасного состояния установки даже при отказах компонентов.

Заключение: создание надёжных и безопасных систем автоматизации

Процессные блокировки и отключения играют ключевую роль в достижении безопасных, надёжных и соответствующих требованиям промышленных систем автоматизации . Они служат связующим звеном между управлением и безопасностью, предотвращая опасные операции и обеспечивая непрерывность работы.

Интегрируя независимую архитектуру, дублирование, проверочные испытания и надёжные методы обслуживания, инженеры могут создавать системы, соответствующие строгим требованиям по уровню безопасности и способствующие более безопасной промышленной среде.