一、引言
　　在石化、化工等相對危險性較大的行業(yè)中，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，工藝流程越來越復(fù)雜，生產(chǎn)的安全性顯得尤為重要。其中，自動化控制系統(tǒng)的功能安全占了很大一部分的比重。以往國內(nèi)一般會將過程控制中與安全相關(guān)的部分與一般的DCS或PLC系統(tǒng)整合在一起，但現(xiàn)在從安全至上的角度出發(fā)，自動化供應(yīng)商和最終用戶本身都意識到了采用相對獨立的、應(yīng)用于安全相關(guān)的控制系統(tǒng)的必要性，基于此，安全控制系統(tǒng)應(yīng)運而生。
　　二、與安全控制系統(tǒng)相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)
　　2000年5月，國際電工委員會(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)共計七個部分，涉及到1000多個規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)、合理的技術(shù)方案，并建立一個相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，安全控制系統(tǒng)的最終設(shè)計目標(biāo)可以概括為：在生產(chǎn)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(yīng)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(dǎo)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(SafetyIntegrityLevel)，它是指在一定時間內(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指標(biāo)。SIL共分為SIL1、SIL2、SIL3和SIL4四個等級，等級越高，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“過程土業(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(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的方法。也就是對過程工業(yè)領(lǐng)域中安全控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試、運行和維護(hù)等一系列的要求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并對應(yīng)用和安全整體級別的確定方面提供指導(dǎo)。
　　通俗點來說，兩者間的關(guān)系和區(qū)別可以這樣來理解：IEC-61508適用于設(shè)備制造商和供貨商，而IEC-61511提供了一個在流程工業(yè)可實際應(yīng)用和便于理解的IEC-61508版本且較為適用于安全控制系統(tǒng)的設(shè)計者、集成商和最終用戶。
　　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)于測量及控制設(shè)備安全的德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN-19250以及針對機(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TUV組織，歐洲的BGIA認(rèn)證，美國的EXIDA組織和FactowMutual組織。
　　三、安全控制系統(tǒng)定義及概述
　　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，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，以保護(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)工藝擾動等狀況和正常維護(hù)操作期間對設(shè)備提供安全保護(hù)，一旦設(shè)備出現(xiàn)危險情況，安全控制系統(tǒng)能夠立即做出反應(yīng)并輸出正確信號，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)一般都采用了冗余及容錯的技術(shù)，兩者之間不盡相同。
　　冗余(Redundant)指的是并行的使用多個系統(tǒng)部件如CPU、輸入模塊、通訊卡件等，以提供錯誤檢測和錯誤校正的功能，并可以自動地檢測故障，在不影響整個系統(tǒng)運行的很短時間內(nèi)切換到后備設(shè)備上繼續(xù)正常工作。
　　而容錯技術(shù)(FaultTOlerant)指的是擁有內(nèi)部冗余的并行元件和集成邏輯，當(dāng)硬件或軟件存在部分故障時，系統(tǒng)能夠自動識別故障并使故障旁路繼續(xù)執(zhí)行正確的指定功能的能力?；蛘咧赣布蛙浖l(fā)生故障的情況下，系統(tǒng)仍然具有繼續(xù)運行的能力。這一般包含了三方面的功能，一是故障約束，即限制過程或進(jìn)程的動作，防止錯誤發(fā)生后在被檢測出之前的擴(kuò)大；二是故障檢測，即對信息和過程進(jìn)行不間斷地動態(tài)檢測，以及時發(fā)現(xiàn)錯誤；三是故障恢復(fù)，即修正或切換失效的部件。容錯技術(shù)包括了錯誤檢測和校正所需要的各種編碼、系統(tǒng)恢復(fù)、指令執(zhí)行、程序復(fù)算、備件切換、系統(tǒng)重組等技術(shù)。它是以冗余技術(shù)為基礎(chǔ)，尤其適用于安全控制系統(tǒng)的一種先進(jìn)可靠的技術(shù)手段。
　　四、安全控制系統(tǒng)的設(shè)計原則
　　4.1獨立設(shè)置原則
　　安全控制系統(tǒng)應(yīng)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(hù)和聯(lián)鎖的安全功能。
　　設(shè)計時必須考慮配置相應(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)的運行狀態(tài)。
　　原則上需要獨立設(shè)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(shè)備的通訊組件。
　　對于較為復(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)相對獨立且分別設(shè)置后備手動功能。
　　4.2結(jié)構(gòu)選用的原則
　　安全控制系統(tǒng)應(yīng)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(chǔ)的容錯系統(tǒng)來說，一般都會采用冗余結(jié)構(gòu)，并可參考采用以下方法：
　　對于有相互關(guān)系的參數(shù)之間可以使用不同的測量方法(如壓力和溫度)；
　　對于同一變量采用不同的測量技術(shù)(如渦街流量計和電磁流量計)；
　　對于冗余結(jié)構(gòu)的每一個通道采用不同類型的可編程電子系統(tǒng)；
　　對于冗余的通訊結(jié)構(gòu)來說可以使用不同的地址。
　　4.3技術(shù)選用的原則
　　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。
　　對于繼電器而言需要注意如存在以下情況時不可使用：高負(fù)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(fù)雜的邏輯應(yīng)用場合。這時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。
　　4.4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(yīng)該是勵磁的，即得電狀態(tài)；在系統(tǒng)故障時應(yīng)是非勵磁的。這也稱之為非勵磁停車設(shè)計。
　　4.5中間環(huán)節(jié)最少原則
　　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(fù)雜和不必要的設(shè)計，以及過多的電一氣、氣一電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，另外在運行時也要考慮對人員干預(yù)和選擇環(huán)節(jié)的需求是最少的或者沒有。