安全控制系統(tǒng)背景

化工行業(yè)具有高溫、高壓、易燃、易爆和生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)等特點(diǎn)，是對(duì)生產(chǎn)安全有非常嚴(yán)格要求的行業(yè)，尤其需要安全控制系統(tǒng)來保障安全、穩(wěn)定、連續(xù)的生產(chǎn)。即使出現(xiàn)故障，安全控制系統(tǒng)還能最大限度的保護(hù)人員和設(shè)備。因此，安全控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的作用也就變得越來越重要。

根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國化工行業(yè)年均千人死亡率均在0． 07‰以下， 1999—2000 年千人死亡率更是降低到0． 05‰。但是，我們面臨的形勢(shì)仍然十分嚴(yán)峻。在化工生產(chǎn)中存在的諸多不安全因素使我們有理由相信，如果不提高對(duì)化學(xué)工業(yè)安全生產(chǎn)的重視程度，建國以來的第三次事故高峰是有可能出現(xiàn)的。

所謂安全控制系統(tǒng)，指的是能提供一種高度可靠的安全保護(hù)手段的系統(tǒng)，可以最大限度地避免相關(guān)設(shè)備的不安全狀態(tài)，防止惡性事故的發(fā)生或在事故發(fā)生后盡可能地減少損失，保護(hù)生產(chǎn)裝置及最重要的人身安全。

安全控制系統(tǒng)能在生產(chǎn)裝置開車、停車、出現(xiàn)工藝擾動(dòng)等狀況和正常維護(hù)操作期間對(duì)設(shè)備提供安全保護(hù)，一旦設(shè)備出現(xiàn)危險(xiǎn)情況，安全控制系統(tǒng)能夠立即做出反應(yīng)并輸出正確信號(hào)，使得設(shè)備處于安全狀態(tài)或停機(jī)。在化工行業(yè)中，安全控制系統(tǒng)一般被稱為ESD（緊急停車系統(tǒng)）或SIS（安全儀表系統(tǒng)）。從嚴(yán)格意義上來說，ESD指的是SIS中的邏輯運(yùn)算器、即控制系統(tǒng)硬件和相應(yīng)的軟件，而SIS還包括了外圍的儀表傳感器和最終執(zhí)行元件等。

安全控制系統(tǒng)發(fā)展過程主要依賴于邏輯控制單元的發(fā)展過程。邏輯控制單元的發(fā)展也像人類進(jìn)定義域化一樣，經(jīng)歷了一個(gè)從簡單到復(fù)雜，從低級(jí)到高級(jí)的過程。從簡單的繼電器到固態(tài)電路邏輯系統(tǒng)，再到以微處理器為核心的安全控制系統(tǒng)。

1863 年繼電器的問世使得世界上形成了第一個(gè)以繼電器為核心部件的安全控制系統(tǒng)，這個(gè)安全控制系統(tǒng)一直延續(xù)了100 多年，直到1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司( DEC) 研制出了世界上第一臺(tái)PDP － 14型PLC，開創(chuàng)了將程序化手段用于工業(yè)控制的新紀(jì)元。1975 年，Honeywell 公司根據(jù)PLC 對(duì)離散控制存在的問題最先推出第一代集散控制系統(tǒng)( DCS) ，即TDC － 2000 系統(tǒng)。從此，控制系統(tǒng)發(fā)展方向分成了2 條線: PLC 控制系統(tǒng)的發(fā)展過程；DCS 控制系統(tǒng)的發(fā)展過程。

PLC 控制系統(tǒng)的發(fā)展

根據(jù)PLC 的容量、I/O 點(diǎn)數(shù)和掃描的速度，PLC的發(fā)展過程主要分為3 個(gè)階段。

第1 階段: PLC 容量較小，I/O 點(diǎn)數(shù)小于120點(diǎn)，掃描速度為20 ～ 50 ms /kB。這個(gè)階段的PLC 控制系統(tǒng)只具有一些簡單邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)的功能。

第2 階段: PLC 容量有所擴(kuò)展，I /O 點(diǎn)數(shù)達(dá)到512 ～ 1 024 點(diǎn)，掃描速度為5 ～ 6 ms /kB。此時(shí)的PLC 控制系統(tǒng)除了具有第一階段的PLC 控制系統(tǒng)的功能外，還增加了算術(shù)運(yùn)算指令、比較指令、模擬量的控制和梯形圖編程語言。

第3 階段: 隨著集成電路規(guī)模的不斷擴(kuò)大，由16 位和32 位微處理器構(gòu)成的PLC 控制系統(tǒng)得到了更大的發(fā)展。此時(shí)PLC 容量很大，大型PLC 控制系統(tǒng)I /O 點(diǎn)數(shù)達(dá)到4 000 ～ 8 000 點(diǎn)，掃描速度為0． 47ms /kB。在第二階段的基礎(chǔ)上增加了算術(shù)浮點(diǎn)運(yùn)算指令、PLC 調(diào)節(jié)功能指令、圖形組態(tài)功能指令、網(wǎng)絡(luò)、通信指令和順序功能語言。

DCS 控制系統(tǒng)的發(fā)展

自從1975 年Honeywell 公司研制出了第一臺(tái)DCS 控制系統(tǒng)，隨著人們對(duì)于DCS 要求的不斷提高，DCS 控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了4 代。

第1 代: 1975—1980 年間推出，此時(shí)的DCS 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)控制站。各個(gè)公司所研發(fā)的系統(tǒng)都采用了最先進(jìn)的微處理器來構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)控制站。這個(gè)時(shí)期的DCS 在功能上和儀表控制系統(tǒng)很接近。

第 2 代: 1980—1985 年前后推出，它引入了局域網(wǎng)作為系統(tǒng)骨干，開始擺脫儀表控制的影響，逐步趨向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。此時(shí)的DCS 控制系統(tǒng)功能更加完善，實(shí)現(xiàn)了一些優(yōu)化控制和生產(chǎn)管理，同時(shí)人們能夠在控制室里了解到更多的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)信息和控制系統(tǒng)的信息。

第3 代: 以1987 年Foxboro 公司推出的I /A Series為標(biāo)志。各個(gè)生產(chǎn)廠家在組態(tài)都采用了IEC61131 － 3 所定義的5 種組態(tài)語言，克服了第2代產(chǎn)品出現(xiàn)的“自動(dòng)化孤島”現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了不同廠家生產(chǎn)產(chǎn)品之間的數(shù)據(jù)連通。

第4 代: 在20 世紀(jì)90 年代初出現(xiàn)，此時(shí)的DCS 控制系統(tǒng)以管控一體化為主要特點(diǎn)，它能夠很好地解決DCS 系統(tǒng)的集中管理和信息的管理、通信。

2000 年5 月，國際電工委員會(huì)（IEC）正式發(fā)布了IEC-61508標(biāo)準(zhǔn)，名為“電氣/電子/可編程電子安全系統(tǒng)的功能安全”。該標(biāo)準(zhǔn)共計(jì)七個(gè)部分，涉及到1000多個(gè)規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)起安全作用的電氣/電子/可編程電子系統(tǒng)（E/E/PE）提出了一個(gè)基礎(chǔ)、合理的技術(shù)方案，并建立一個(gè)相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法，綜合考慮如傳感器、通信系統(tǒng)、控制裝置、執(zhí)行器等元器件與安全系統(tǒng)組合的問題。

根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，安全控制系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)目標(biāo)可以概括為：在生產(chǎn)過程中發(fā)生危險(xiǎn)事故或系統(tǒng)本身發(fā)生故障的情況下，系統(tǒng)能做出及時(shí)和正確的反應(yīng)并輸出到現(xiàn)場(chǎng)，以防止危險(xiǎn)的發(fā)生或減輕已發(fā)生危險(xiǎn)所導(dǎo)致的后果。根據(jù)這一原則，IEC-61508規(guī)定了一項(xiàng)重要的可定量化要求：安全整體性要求等級(jí)SIL（Safety IntegrityLevel），它是指在一定時(shí)間內(nèi)、所有條件不變的情況下安全控制系統(tǒng)達(dá)到所要求安全功能的一個(gè)指標(biāo)。SIL共分為SIL1、SIL2、SIL3和SIL4四個(gè)等級(jí)，等級(jí)越高，相應(yīng)的要求也越高。

2003年1月，在IEC-61508的基礎(chǔ)上，IEC又發(fā)布了IEC-61511“過程工業(yè)部門儀表型安全系統(tǒng)的功能安全”。這是專門針對(duì)流程工業(yè)領(lǐng)域安全控制系統(tǒng)的安全功能標(biāo)準(zhǔn)。IEC-61511規(guī)定了控制器單元在設(shè)計(jì)和使用的過程中需采用的基本原則，構(gòu)成安全控制系統(tǒng)的傳感器和最終執(zhí)行元件所應(yīng)達(dá)到的最低標(biāo)準(zhǔn)，并提出達(dá)到最低標(biāo)準(zhǔn)的安全生命周期活動(dòng)的方法。也就是對(duì)過程工業(yè)領(lǐng)域中安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)等一系列的要求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并對(duì)應(yīng)用和安全整體級(jí)別的確定方面提供指導(dǎo)。

除了以上兩大標(biāo)準(zhǔn)，其他主要的國際通用安全標(biāo)準(zhǔn)有：美國國家標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ISA-S84.01，關(guān)于測(cè)量及控制設(shè)備安全的德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN-19250以及針對(duì)機(jī)械設(shè)備的IEC-62061?，F(xiàn)今國際上權(quán)威的安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證機(jī)構(gòu)包括德國的TüV組織，歐洲的BGIA認(rèn)證，美國的EXIDA組織和FactoryMutual組織。

安全控制系統(tǒng)應(yīng)遵循如下設(shè)計(jì)原則。

安全控制系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置原則

安全控制系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立于過程控制系統(tǒng)，以降低控制功能和安全功能同時(shí)失效的概率，使安全控制系統(tǒng)不依附于過程控制系統(tǒng)就能獨(dú)立完成自動(dòng)保護(hù)和聯(lián)鎖的安全功能。

設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮配置相應(yīng)的通訊接口，使得過程控制系統(tǒng)也能夠監(jiān)視安全控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

原則上需要獨(dú)立設(shè)置的部件包括檢測(cè)元件、執(zhí)行元件、邏輯運(yùn)算器、安全控制系統(tǒng)，以及與過程控制系統(tǒng)之間或其他設(shè)備的通訊組件。

對(duì)于較為復(fù)雜裝置的安全控制系統(tǒng)適合分解為若干子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立且分別設(shè)置后備手動(dòng)功能。

安全控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選用的原則

安全控制系統(tǒng)應(yīng)采用容錯(cuò)系統(tǒng)。在一個(gè)或多個(gè)元件發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)仍然具有繼續(xù)運(yùn)行的能力。對(duì)于以邏輯運(yùn)算器為基礎(chǔ)的容錯(cuò)系統(tǒng)來說，一般都會(huì)采用冗余結(jié)構(gòu)，并可參考采用以下方法：

1. 對(duì)于有相互關(guān)系的參數(shù)之間可以使用不同的測(cè)量方法（如壓力和溫度）；

2. 對(duì)于同一變量采用不同的測(cè)量技術(shù)（如渦街流量計(jì)和電磁流量計(jì)）；

3. 對(duì)于冗余結(jié)構(gòu)的每一個(gè)通道采用不同類型的可編程電子系統(tǒng)；

4. 對(duì)于冗余的通訊結(jié)構(gòu)來說可以使用不同的地址。

安全控制系統(tǒng)技術(shù)選用原則

安全控制系統(tǒng)可以采用電氣、電子或可編程電子（E/E/PE）技術(shù)，也可以采用上述技術(shù)混合的方案。

對(duì)于繼電器而言需要注意如存在以下情況時(shí)不可使用：高負(fù)荷周期性的頻繁改變狀態(tài)；作為定時(shí)器或鎖定功能使用；復(fù)雜的邏輯應(yīng)用場(chǎng)合。這時(shí)候可以考慮選用固態(tài)繼電器，但也需恰當(dāng)處理好故障安全模式。

另外要注意的是對(duì)于安全控制系統(tǒng)一般不推薦使用固態(tài)邏輯，即將內(nèi)部邏輯元件（與、或、非等）用直接連線的方式來獲得邏輯功能，而一般這些功能在故障安全方面是受限制的。

安全控制系統(tǒng)故障安全原則

安全控制系統(tǒng)必須是故障安全型的。所謂故障安全是指檢測(cè)元件和最終執(zhí)行元件在系統(tǒng)正常時(shí)應(yīng)該是勵(lì)磁的，即得電狀態(tài)；在系統(tǒng)故障時(shí)應(yīng)是非勵(lì)磁的。這也稱之為非勵(lì)磁停車設(shè)計(jì)。

安全控制系統(tǒng)中間環(huán)節(jié)原則

作為一個(gè)高效的系統(tǒng)，安全控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)越少越好，盡可能地采用最直接的測(cè)量和最可靠的執(zhí)行方式，避免繁瑣復(fù)雜和不必要的設(shè)計(jì)，以及過多的電—?dú)?、氣—電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，另外在運(yùn)行時(shí)也要考慮對(duì)人員干預(yù)和選擇環(huán)節(jié)的需求是最少的或者沒有。

現(xiàn)今國家大力提倡節(jié)能減排和安全生產(chǎn)的觀念，對(duì)于安全控制系統(tǒng)來說，由于其結(jié)合了當(dāng)下較為先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)、故障診斷技術(shù)和軟件技術(shù)，且具有可靠性高、操作簡單、維護(hù)方便的特點(diǎn)，真正為工廠的安全生產(chǎn)提供了保障，進(jìn)而也促進(jìn)了節(jié)能減排的工作進(jìn)展，為社會(huì)的和諧發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

中文名稱：電氣安全控制系統(tǒng)；英文名稱：electricalsafetycontrolsystem；

2018年12月28日，《機(jī)械安全—控制系統(tǒng)安全相關(guān)部件第1部分：設(shè)計(jì)通則》發(fā)布。

2019年7月1日，《機(jī)械安全—控制系統(tǒng)安全相關(guān)部件第1部分：設(shè)計(jì)通則》實(shí)施。