安全控制系統(tǒng)

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)展也像人類進定義域化一樣，經(jīng)歷了一個從簡單到復雜，從低級到高級的過程。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以繼電器為核心部件的安全控制系統(tǒng)，這個安全控制系統(tǒng)一直延續(xù)了100 多年，直到1969 年美國數(shù)字設備公司( DEC) 研制出了世界上第一臺PDP － 14型PLC，開創(chuàng)了將程序化手段用于工業(yè)控制的新紀元。1975 年，Honeywell 公司根據(jù)PLC 對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 點數(shù)和掃描的速度，PLC的發(fā)展過程主要分為3 個階段。

第1 階段: PLC 容量較小，I/O 點數(shù)小于120點，掃描速度為20 ～ 50 ms /kB。這個階段的PLC 控制系統(tǒng)只具有一些簡單邏輯運算、定時、計數(shù)的功能。

第2 階段: PLC 容量有所擴展，I /O 點數(shù)達到512 ～ 1 024 點，掃描速度為5 ～ 6 ms /kB。此時的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，還增加了算術運算指令、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)模的不斷擴大，由16 位和32 位微處理器構成的PLC 控制系統(tǒng)得到了更大的發(fā)展。此時PLC 容量很大，大型PLC 控制系統(tǒng)I /O 點數(shù)達到4 000 ～ 8 000 點，掃描速度為0． 47ms /kB。在第二階段的基礎上增加了算術浮點運算指令、PLC 調節(jié)功能指令、圖形組態(tài)功能指令、網(wǎng)絡、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DCS 控制系統(tǒng)，隨著人們對于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，此時的DCS 控制系統(tǒng)的設計重點是現(xiàn)場控制站。各個公司所研發(fā)的系統(tǒng)都采用了最先進的微處理器來構成現(xiàn)場控制站。這個時期的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，逐步趨向計算機系統(tǒng)。此時的DCS 控制系統(tǒng)功能更加完善，實現(xiàn)了一些優(yōu)化控制和生產管理，同時人們能夠在控制室里了解到更多的生產現(xiàn)場信息和控制系統(tǒng)的信息。

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

第4 代: 在20 世紀90 年代初出現(xiàn)，此時的DCS 控制系統(tǒng)以管控一體化為主要特點，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（IEC）正式發(fā)布了IEC-61508標準，名為“電氣/電子/可編程電子安全系統(tǒng)的功能安全”。該標準共計七個部分，涉及到1000多個規(guī)范。該標準針對起安全作用的電氣/電子/可編程電子系統(tǒng)（E/E/PE）提出了一個基礎、合理的技術方案，并建立一個相應的評價方法，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)該標準規(guī)定，安全控制系統(tǒng)的最終設計目標可以概括為：在生產過程中發(fā)生危險事故或系統(tǒng)本身發(fā)生故障的情況下，系統(tǒng)能做出及時和正確的反應并輸出到現(xiàn)場，以防止危險的發(fā)生或減輕已發(fā)生危險所導致的后果。根據(jù)這一原則，IEC-61508規(guī)定了一項重要的可定量化要求：安全整體性要求等級SIL（Safety IntegrityLevel），它是指在一定時間內、所有條件不變的情況下安全控制系統(tǒng)達到所要求安全功能的一個指標。SIL共分為SIL1、SIL2、SIL3和SIL4四個等級，等級越高，相應的要求也越高。

2003年1月，在IEC-61508的基礎上，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”。這是專門針對流程工業(yè)領域安全控制系統(tǒng)的安全功能標準。IEC-61511規(guī)定了控制器單元在設計和使用的過程中需采用的基本原則，構成安全控制系統(tǒng)的傳感器和最終執(zhí)行元件所應達到的最低標準，并提出達到最低標準的安全生命周期活動的方法。也就是對過程工業(yè)領域中安全控制系統(tǒng)的設計、安裝、調試、運行和維護等一系列的要求進行標準化，并對應用和安全整體級別的確定方面提供指導。

除了以上兩大標準，其他主要的國際通用安全標準有：美國國家標準ANSI/ISA-S84.01，關于測量及控制設備安全的德國國家標準DIN-19250以及針對機械設備的IEC-62061?，F(xiàn)今國際上權威的安全標準認證機構包括德國的TüV組織，歐洲的BGIA認證，美國的EXIDA組織和FactoryMutual組織。

化工行業(yè)具有高溫、高壓、易燃、易爆和生產連續(xù)性強等特點，是對生產安全有非常嚴格要求的行業(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。即使出現(xiàn)故障，安全控制系統(tǒng)還能最大限度的保護人員和設備。因此，安全控制系統(tǒng)在工業(yè)生產中的作用也就變得越來越重要。

根據(jù)有關數(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，我們面臨的形勢仍然十分嚴峻。在化工生產中存在的諸多不安全因素使我們有理由相信，如果不提高對化學工業(yè)安全生產的重視程度，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手段的系統(tǒng)，可以最大限度地避免相關設備的不安全狀態(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，保護生產裝置及最重要的人身安全。

安全控制系統(tǒng)能在生產裝置開車、停車、出現(xiàn)工藝擾動等狀況和正常維護操作期間對設備提供安全保護，一旦設備出現(xiàn)危險情況，安全控制系統(tǒng)能夠立即做出反應并輸出正確信號，使得設備處于安全狀態(tài)或停機。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)）。從嚴格意義上來說，ESD指的是SIS中的邏輯運算器、即控制系統(tǒng)硬件和相應的軟件，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)應遵循如下設計原則。

安全控制系統(tǒng)獨立設置原則

安全控制系統(tǒng)應獨立于過程控制系統(tǒng)，以降低控制功能和安全功能同時失效的概率，使安全控制系統(tǒng)不依附于過程控制系統(tǒng)就能獨立完成自動保護和聯(lián)鎖的安全功能。

設計時必須考慮配置相應的通訊接口，使得過程控制系統(tǒng)也能夠監(jiān)視安全控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

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

對于較為復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)相對獨立且分別設置后備手動功能。

安全控制系統(tǒng)結構選用的原則

安全控制系統(tǒng)應采用容錯系統(tǒng)。在一個或多個元件發(fā)生故障時，系統(tǒng)仍然具有繼續(xù)運行的能力。對于以邏輯運算器為基礎的容錯系統(tǒng)來說，一般都會采用冗余結構，并可參考采用以下方法：

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

2. 對于同一變量采用不同的測量技術（如渦街流量計和電磁流量計）；

3. 對于冗余結構的每一個通道采用不同類型的可編程電子系統(tǒng)；

4. 對于冗余的通訊結構來說可以使用不同的地址。

安全控制系統(tǒng)技術選用原則

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，也可以采用上述技術混合的方案。

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

另外要注意的是對于安全控制系統(tǒng)一般不推薦使用固態(tài)邏輯，即將內部邏輯元件（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元件和最終執(zhí)行元件在系統(tǒng)正常時應該是勵磁的，即得電狀態(tài)；在系統(tǒng)故障時應是非勵磁的。這也稱之為非勵磁停車設計。

安全控制系統(tǒng)中間環(huán)節(jié)原則

作為一個高效的系統(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量和最可靠的執(zhí)行方式，避免繁瑣復雜和不必要的設計，以及過多的電—氣、氣—電轉換環(huán)節(jié)，另外在運行時也要考慮對人員干預和選擇環(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)能減排和安全生產的觀念，對于安全控制系統(tǒng)來說，由于其結合了當下較為先進的自動化控制技術、故障診斷技術和軟件技術，且具有可靠性高、操作簡單、維護方便的特點，真正為工廠的安全生產提供了保障，進而也促進了節(jié)能減排的工作進展，為社會的和諧發(fā)展做出了貢獻。

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

2018年12月28日，《機械安全—控制系統(tǒng)安全相關部件第1部分：設計通則》發(fā)布。

2019年7月1日，《機械安全—控制系統(tǒng)安全相關部件第1部分：設計通則》實施。