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網際網路安全？ 也許還沒有，但 IIoT 應用可以補充安全儀表系統
作者：Mark Menezes，PE
物聯網（IoT）利用低成本、低功耗的微處理器和無線電與網際網路相結合，以提高家庭和辦公室中常見物件的可用性、安全性和能源效率。工業物聯網（IIoT）可以帶來同樣的好處，同時滿足行業對安全性和可靠性的期望。本報導回顧了加工行業的使用者如何應用 IIoT 來提高工廠安全。 製造商距離使用 IIoT 直接支援處理危險產品的工廠的安全儀表功能（SIF）還有很長的路要走，但使用 IIoT 來幫助確保 SIF 能夠完成他們的工作是切實可行的。
基本安全：保護層
在安全標準和收集的行業經驗的驅動下，安全儀表系統（SIS）應用中有許多測量的最佳實踐。安全工程師瞭解在典型故障模式、影響和診斷分析（FMEDA）報告中提到的實驗室測試條件下，測量如何極其安全，但當暴露在現實世界條件下時，測量可能會變得不安全。一些安全風險增加是由於介面故障造成的。其他風險因素是由安裝條件下誤差和漂移增加引起的。建議使用者考慮的例子包括：
- 脈衝線堵塞或凍結
- 由於寒冷的溫度，感測器或毛細管響應緩慢
- 溫度感測器塗層
- 電阻造成的訊號噪音或尖峰
- 電源停電
- 由於環境溫度的變化，發射機漂移
- 超壓衝擊導致的壓力感測器零移位
- 初級流動元件的侵蝕或塗層
- 液位測量中的工藝流體密度變化
最令人擔憂的是常見問題，這些問題可能會影響設定，為相互冗餘備份的多個裝置。如果一個共同的原因可能同時影響所有冗餘裝置，最好根據這三個「D」開發一個解決方案：
設計：改進裝置或安裝實踐，以儘量減少常見原因對測量的影響。例如，透過使用熱最佳化的雙油隔膜毛細管系統發射器，可以直接安裝在熱過程中，避免壓力變送器因冷毛細管或脈衝線，而導致的緩慢響應。
多樣性：選擇與主技術具有不同特徵的備份技術，這樣備份就不會受到相同的常見原因的影響。例如，當差壓（DP）變送器被用作鍋爐滾筒的主要液位測量儀器時，當液體密度和滾筒壓力波動時，它將遭受重大誤差。第二個 DP 發射機將遇到同樣的問題，因此備份應該使用不同的技術，如引導波雷達（GWR）。 在更高的鼓壓力下，GWR 可以使用動態蒸汽補償來糾正這些條件。
診斷：如果檢測到測量不可靠，請使用診斷功能，將輸出強制到安全狀態。 如果診斷可以預測測量有退化，並且可以提前提醒維護，那麼診斷有助於操作員避免問題，從而提高了可靠性和安全性。
這些方法將共同原因風險降至最低，並提高 SIS 測量的整體完整性。在基本過程控制系統（BPCS）中使用相同的方法，因為改進的操作減少了對 SIS 的需求。
所有共同努力保護植物、其人民和社群的系統，都應該使用保護層的概念來建構，這樣就沒有一個失敗會造成災難。 在設計過程中，一層保護分析（LOPA）檢查所有元素如何協同工作，從而避免薄弱區域。
這些圖層分為兩個主要類別（圖1）。雖然 BPCS 和 SIS 將故障風險降至最低，但 SIS 以外的層次將已經發生的故障的成本和影響降到工廠、人員和社群。不幸的是，雖然物理保護或工廠應急響應所需的裝置故障很常見，但使用者通常只在偶爾的手動檢查，或裝置在真正的緊急情況下，沒有響應時發現這些故障。這就是 IIoT 可以提供幫助的地方。普及的感測技術，使用由高階分析支援的安全可靠的無線通訊，可以用持續的線上監控取代手動檢查。 好處是大大提高工藝安全性和可靠性，降低成本，人工檢查的風險降低。
讓我們看看 IIoT 擴充套件可以加強安全應用程式的一些例子。
實體保護層：
- 減壓閥的聲學監測
- 破裂盤的壓力監測
- 管道厚度的超音波監測
- 蒸汽陷阱的聲學和溫度監測
- 電氣開關裝置的溫度和部分放電監測
工廠應急響應層：
- 洗眼和安全淋浴的溫度和位置監測
減壓閥
減壓閥（PRV）目的在在工藝壓力接近工藝裝置或管道的安全極限時開啟，將多餘的流體\釋放到耀斑上。只有當 BPCS 和 SIS 都未能將該過程保持在安全範圍內時，它才應該開啟，因此它設定在裝置可能破裂的壓力之下。PRV 應該是最後的手段，因為過度燃燒會導致工藝損失、安全風險和環境影響，通常會導致處罰。雖然 PRV 應在壓力恢復到安全狀態後關閉自己，但工藝流體中的汙垢通常會阻止其完全重新安裝，導致難以檢測的持續小洩漏。由於 PRV 是簡單的機械裝置，因此沒有能夠提供診斷功能的內部電子元件。然而，新的聲學儀器可以夾在 PRV 下遊的管道上，以立即辨識完全釋放，以及不完整的閥座的持續洩漏。PRV 通常會燉煮，在壓力達到全部釋放點之前釋放少量產品。警報操作員可以使用聲學儀器檢測沸騰，可能足夠早，以調整過程並完全避免釋放。
椎間盤破裂
含有有毒或危險液體的碳氫化合物，和化工廠的使用者，通常在 PRV 上遊安裝破裂盤（圖2）。破裂的椎間盤是消除 PRV 洩漏風險的正屏障。如果工藝含有腐蝕性流體，通常只有破裂盤被溼潤，因此它是唯一需要由昂貴的耐腐蝕金屬製成的部分，而廉價較低的材料可用於 PRV。不幸的是，這種方法會造成另一個風險。 如果破裂盤中出現小針孔洩漏，任何洩漏的液體都會被困在破裂盤和 PRV 之間。 這在圓盤和 PRV 之間創造了一個加壓空間，因此磁碟從兩側加壓。現在，在不斷上升的工藝壓力能夠克服背壓之前，圓盤不會在設計壓力下爆裂。
在這些條件下，有效爆裂壓力大幅增加，並可能超過該過程的安全設計極限，有可能不受控制和潛在的災難性釋放到環境中。為了防止這種情況，ASME 建議在斷裂盤和 PRV 之間安裝壓力錶或儀器，以監控裝置之間空間的壓力。鑑於這些通常位於實體上無法進入、危險或有毒的環境中，無線壓力錶是一個絕佳的選擇。
腐蝕/侵蝕監測
碳氫化合物加工業的使用者瞭解其工藝中的腐蝕和侵蝕源，以及它們往往對哪些方面產生最大的有害影響。工程師仔細設計管道和其他機械系統，至少持續到下一次預定停電，但與此同時，他們至少每年或更頻繁地監測腐蝕和侵蝕熱點，如管道的外肘。不幸的是，由於流量、流體成分、溫度、壓力、使用腐蝕劑和其他因素的變化，給定資產的金屬損失率不容易預測，並且可能每天差異很大。金屬損失比預期更快，可能導致在相對較短的時間內，甚至幾周或幾個月內造成災難性的遏制損失。
更好的方法是使用夾在管道，或容器外部的非侵入性感測器進行線上監控（圖3）。這些感測器使用超音波技術，來連續測量金屬厚度。然後，對歷史趨勢的推斷決定了金屬損失率，並預測了失敗的時間。儘管少量壁厚感測器可以透過減少手動檢查熱點的需求，來提供即時的安全和勞動效益，但當這些感測器的網路與其他新的和現有裝置，以及專家軟體一起工作時，真正的回報就會得到回報。完整的網路可以包括基於內聯優惠券的腐蝕/侵蝕感測器、表面和流體溫度、pH值、流量和其他變數。全面的全廠可見性和金屬損失預測降低了破裂的風險，同時使工廠在不增加安全風險的情況下，更有利可圖地營運：
- 延長關閉間隔
- 減少使用耐腐蝕化學品
- 增加成本較低但更具腐蝕性/侵蝕性較強的原料的吞吐量，如煉油廠可用的「機會原油」
蒸汽陷阱
蒸汽陷阱有兩個用途。先，它們確保用於工藝或空間加熱的蒸汽不含冷凝物和不可冷凝氣體。其次，它們確保活蒸汽不會返回冷凝液系統。蒸汽陷阱是機械的，大多數工廠試圖至少每年檢查一次，尋找故障。故障可能會產生各種影響，導致持續的能源浪費、產量下降或更糟。在使用蒸汽進行冷凍保護的應用中，洩漏的蒸汽陷阱可能導致管道系統凍結，導致停機時間和安全風險。冷阱允許冷凝物在管道系統中積累，這可能導致水錘 —— 高壓蒸汽的意外釋放和冷凝物，衝擊波能夠造成死亡、嚴重傷害或廣泛的財產損失。」
與 PRV 一樣，蒸汽陷阱是機械裝置，沒有能夠提供診斷功能的內部電子零件。然而，聲學監測裝置（圖4）可以夾在蒸汽陷阱上遊的管道上，以辨識任何故障。這些資料準確地告訴維護哪些蒸汽陷阱需要注意，降低能源成本，提高工藝吞吐量，並降低凍結風險。修復冷阱甚至可以防止災難性的管道系統故障。
圖4。 聲學監視器可以辨識常見的蒸汽陷阱故障模式，並將其報告給維護。
電氣開關裝置
電氣開關裝置故障可能導致工藝停機、火災或爆炸。為了辨識進入故障早期階段的裝置，大多數工廠定期檢查關鍵開關裝置。典型的測試包括熱成像以識別熱點，以及部分放電測試以確定絕緣故障。這種測試需要檢查視窗，必須由訓練有素的技術人員使用專業裝置進行，但它仍然使人員面臨安全風險。 改進的方法是使用非接觸溫度感測器，持續測量和趨勢疑似熱點的溫度，以及使用超音學感測器進行部分放電（圖5）。
圖5。 感測器可以新增到電氣開關裝置上，以持續監控情況，從而減少檢查需求。
洗眼站和安全淋浴
為了確保人員安全，工廠應有適當數量的安全淋浴和洗眼站，分佈在生產區。 當然，僅僅存在它們是不夠的，植物必須確保它們都功能齊全，並能夠在正確的溫度下提供清潔的水。此外，警報應向控制室報告任何緊急情況（ANSI Z358.1-2009）。水管上的流量和溫度感測器，以及閥門上的接近開關（圖6）可以無線方式將這些裝置的狀態傳送到控制室。如果工人在任何站點啟動閥門，控制室可以立即派遣急救人員。
圖6。 無線監控流量和啟動開關，以及水溫監測，可以毫不費力地提高人員安全。
WirelessHART和分析
為了最大限度地提高安全性和可靠性效益，迄今為止描述的裝置應從中心位置持續監控。雖然它們可以透過傳統的點對點佈線連線，但一種更具成本效益的方法是使用基於標準的無線技術，如 WirelessHART。這消除了對額外的接線盒、電纜託盤、控制系統終端和 I/O 卡的需求。WirelessHART 使用自組織網狀網路，以實現與有線資料的可靠性相等。它受到多層、始終保持安全的保護。
理想情況下，裝置供應商不僅應提供裝置，還應提供分析軟體（圖7），以解釋現有有線和新無線裝置的訊號，並僅在需要採取行動時才向操作員和維護技術人員提供建議。該系統甚至可以描述問題的性質，並建議糾正措施，以保持工廠的安全和可靠。
最大限度地提高工廠安全
工廠設計師經常在 SIS 和 BPCS 等專用系統的背景下考慮儀器。但任何希望最大限度地提高工廠安全的公司都應該超越這些系統，透過安裝額外的保護層次，包括實體保護和工廠應急響應。新的 IIoT 技術使它比以往任何時候都更容易、更具成本效益。
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