基于Markov模型的安全仪表系统可靠性建模方法研究

摘要

工业的飞速发展在给人类带来巨大进步的同时，也增大了灾难性事故的概率。为了提高工业生产的安全性，安全仪表系统(SIS，safety Instrumented System)开始应用在不同领域，保护人员免受危害。为了降低灾难的发生频率，保证生产的安全运转，有效地对安全仪表系统进行可靠性建模是十分必要的。
　　 目前针对安全仪表系统的可靠性建模方法主要是基于故障树模型、简化公式法等，而基于马尔可夫(Markov)模型的可靠性分析相对较少。简化公式法和故障树模型虽然易于使用，但是模型的应用往往要基于一定的假设，这种假设常常带来计算的偏差和无效性。针对以上情况，本课题主要开展了以下工作：
　　 1．为了便捷地实现基于Markov模型的SIS的可靠性分析和安全完整性等级SIL(Safety Integrity Level)计算，基于Matlab7.1和Vb6.0环境开发了SIL计算软件MarkovSIL。本软件可以有效地实现安全仪表系统的可靠性建模以及危险失效概率PFD(Probability of Failure on Demand)、安全失效概率PFS(Probability of Failing Safely)和SIL等失效参数的计算。既能用于SIS的设计阶段，又能用于SIS评估阶段，具有界面友好，建模灵活，操作便捷等优点。
　　 2．针对循环氢加热炉的火灾和爆炸危险性高等问题，利用MarkovSIL软件，结合风险图分析技术，通过改变设备的冗余、测试周期等措施设计了满足相应SIL等级的安全仪表系统。通过Markov模型与故障树方法计算结果比较，验证了MarkovSIL软件的有效性和良好的计算精度，对后续的安全仪表系统建模设计有一定的参考作用。
　　 3．分析比较了基本过程控制系统和安全仪表系统独立设计和结合设计等不同方案，提出了1002结构双通道失效参数不同情况下的马尔可夫建模方法。针对非理想检测修复情况，通过改变模型的状态和转移矩阵P，提出了马尔可夫模型的改进方案。对非理想检测情况下的Markov建模有一定参考作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

第一章 绪论

1.1课题背景和意义

1.2论文的组织结构

第二章 IEC61508/IEC61511标准介绍

2.1 IEC61508/IEC61511标准简介

2.1.1 IEC61508/IEC61511标准的主要内容

2.1.2 IEC61508和IEC61511的联系与区别

2.2 IEC61508/IEC61511标准的重要概念和原理

2.2.1危险与风险

2.2.2安全完整性水平SIL

2.2.3必要的风险降低和SIL的关系

2.2.4安全生命周期

2.3标准的应用现状

2.4本章小结

第三章 SIL计算软件-MarkovSIL的设计与实现

3.1引言

3.2系统安全分析与SIL选择

3.2.1系统安全分析

3.2.2安全仪表功能确认过程

3.2.3 SIL的选择方法

3.2.4可靠性建模技术-Markov建模方法

3.3基于Markov模型的SIL计算软件-MarkovSIL设计

3.3.1失效率计算及失效率数据来源

3.3.2软件设计流程及技术难点

3.3.3软件界面及功能设计

3.4本章小结

第四章 基于Markov模型的安全仪表系统设计

4.1加氢裂化工艺背景

4.2风险分析以及SIL预估

4.2.1 HAZOP分析

4.2.2风险图确定SIL等级

4.3安全仪表系统设计

4.3.1现有安全仪表系统的SIL计算

4.3.2安全仪表SIF的改进设计

4.3.3 Markov模型和故障树模型(简化公式法)的计算结果比较

4.4本章小结

第五章 安全仪表系统及Markov建模再探讨

5.1 BPCS与SIS结合设计

5.1.1设计前的分析工作

5.1.2 BPCS和SIS独立设计

5.1.3 BPCS和SIS结合设计

5.2马尔可夫模型的可修复特性与修复建模

5.2.1修复率

5.2.2单修理队伍模型，双修理队伍模型

5.2.3基于检查、测试和修复时间周期的建模

5.3本章小结

第六章 总结与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

攻读硕士期间科研成果及参与项目