安全控制系統(tǒng)的理論研究與應(yīng)用

（上海交通大學(xué)自動化系，上海 200240） 金亦陳

1 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。

2 與安全控制系統(tǒng)相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)

2 0 0 0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（Safety Integrity Level），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(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)達到的最低標(biāo)準(zhǔn)，并提出達到最低標(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、運行和維護等一系列的要求進行標(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以及針對機械設(shè)備的IEC-62061?，F(xiàn)今國際上權(quán)威的安全標(biāo)準(zhǔn)認證機構(gòu)包括德國的TüV組織，歐洲的BGIA認證，美國的EXIDA組織和FactoryMutual組織。

3 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操作期間對設(shè)備提供安全保護，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。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)（Fault Tolerant）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，即限制過程或進程的動作，防止錯誤發(fā)生后在被檢測出之前的擴大；二是故障檢測，即對信息和過程進行不間斷地動態(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)的一種先進可靠的技術(shù)手段。

4 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—氣、氣—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。

5 安全控制系統(tǒng)項目實例

5.1 項目概述

新昌源化工江蘇有限公司20萬噸/年粗苯加氫ESD系統(tǒng)項目的實施周期為2009年10月至2010年4月。設(shè)置此安全控制系統(tǒng)的目的是為了保障粗苯加氫裝置的安全生產(chǎn)，降低惡性事故的發(fā)生概率，減少計劃外停車，避免重大人身傷害、設(shè)備損壞和經(jīng)濟損失的事故發(fā)生。為此，在主控室配備了獨立于過程控系統(tǒng)DCS的兩臺互為備用的ESD操作站（其中一臺兼作工程師站），以及ESD專用報警打印機一臺。

5.2 系統(tǒng)配置

本ESD使用的是西門子SIMATIC S7-400F/H系統(tǒng)，它是以冗余及容錯技術(shù)為基礎(chǔ)的故障安全控制系統(tǒng)。一旦工藝上的安全聯(lián)鎖條件具備或者任何系統(tǒng)內(nèi)部故障發(fā)生時S7-400F/H就立即進入一種安全工作狀態(tài)，即保持在一種安全工作模式上，從而保證操作人員、設(shè)備、環(huán)境和生產(chǎn)過程處于安全狀態(tài)。

S7-400F/H提供了全系統(tǒng)的冗余，包括CPU、可帶電插拔的故障安全專用I/O卡件、通訊模塊、電源和網(wǎng)絡(luò)。

S7-400F/H控制站型號為AS414-F/H套件，它是由兩套中央控制器組成，且內(nèi)置有冗余模塊，通過兩個光纖通訊口互相連接。在系統(tǒng)正常運行過程中，當(dāng)某個中央控制器出現(xiàn)故障時，另一個中央控制器自動接管所有工作，保證系統(tǒng)繼續(xù)正常運行。

作為一個整套的安全控制系統(tǒng)解決方案，輸入輸出信號卡件也選用了西門子ET-200M故障安全專用I/O卡件，其所有卡件具有帶電熱插拔功能?？煽啃愿?、組態(tài)靈活、使用方便，具有很好的在線維護性?？刂普究赏ㄟ^基于Profibus-DP通訊協(xié)議的Profi-Safe網(wǎng)絡(luò)與其連接。

電源冗余由系統(tǒng)供電和現(xiàn)場設(shè)備供電兩方面組成?？刂普就ㄟ^系統(tǒng)配置的雙冗余電源供電（每塊CPU均配備兩個電源模塊，可根據(jù)安全要求分別接入兩路電源如：一路UPS，一路市電）。且當(dāng)其中某一電源發(fā)生故障時，不必停機就可更換備用電源。對于現(xiàn)場設(shè)備而言，本系統(tǒng)選用的西門子SITOP直流電源也采用了冗余設(shè)計，允許兩個直流電源并聯(lián)使用，將所有配置的直流電源并聯(lián)后再通過ET200M分布式I/O模件向現(xiàn)場供電。在系統(tǒng)運行過程中，當(dāng)其中某一臺直流電源發(fā)生故障時，并聯(lián)的直流電源還能保證足夠的功率輸出，也不會影響備件更換。

控制站與上位機的通訊使用了冗余的以太網(wǎng)，兩個操作站分別通過兩個赫斯曼工業(yè)交換機與兩個CPU套件上的以太網(wǎng)模塊相連接，確保了通訊的萬無一失。

5.3 系統(tǒng)組態(tài)和編程

ESD系統(tǒng)配置的工程師站對整個S7-400F/H系統(tǒng)進行組態(tài)。其操作系統(tǒng)采用WindowsXP，并且采用了集成的全局數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)一的組態(tài)工具。這個組態(tài)工具就是SIMATIC程序管理器，它采用了現(xiàn)代化的軟件體系結(jié)構(gòu)，對項目進行管理、處理、歸檔和建立文件。在軟件開發(fā)方面，采用了面向?qū)ο蟮募夹g(shù)。在項目管理上，以系統(tǒng)硬件和工藝過程兩個不同的視角，同時進行管理。在SIMATIC程序管理器下，有多種組態(tài)工具可以使用，無論采用何種組態(tài)工具，生成的組態(tài)數(shù)據(jù)都自動存到同一的數(shù)據(jù)庫中。

本項目采用了西門子STEP7軟件平臺，編程語言工具為CFC（Continuous Function Chart/連續(xù)功能圖）和西門子F-Library軟件功能庫。CFC是一種簡潔的圖形組態(tài)工具，基于IEC-1131標(biāo)準(zhǔn)。使用CFC有助于節(jié)省時間費用，同時大大簡化了系統(tǒng)的組態(tài)和維護。用CFC進行組態(tài)時是以功能塊為基礎(chǔ)的，系統(tǒng)配置了很多預(yù)編程的功能塊。這些功能塊以庫的形式體現(xiàn)。每個功能塊都有一個參數(shù)表，可根據(jù)實際工藝要求選擇不同的參數(shù)。功能塊在CFC中的連接直接用鼠標(biāo)點接。每個CFC由6頁組成。功能塊之間的連接可以在不同的CFC之間不同的頁面上進行，連接標(biāo)記由系統(tǒng)自動標(biāo)出。因此，采用CFC可以完成很復(fù)雜的大型控制任務(wù)。對于本項目來說，尤其適用于安全控制系統(tǒng)的編程，并且F-Library軟件功能庫需與CFC搭配使用。

上位機組態(tài)軟件使用的是英維思Wonderware Intouch 9.5版，通訊方式為OPC連接。Intouch使用較為廣泛，且成熟可靠，無論對于系統(tǒng)開發(fā)人員，工廠使用人員和維護人員來說，都具有相當(dāng)?shù)目刹僮餍院涂删S護性。在實際使用過程中確實也表現(xiàn)不錯。

6 小結(jié)

現(xiàn)今國家大力提倡節(jié)能減排和安全生產(chǎn)的觀念，對于安全控制系統(tǒng)來說，由于其結(jié)合了當(dāng)下較為先進的自動化控制技術(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、維護方便的特點，真正為工廠的安全生產(chǎn)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。

[1]IEC-61508, Functional safety of programmable electronic safety-related systems[S].

[2]IEC-60511, Functional safety - Safety instrumented systems for the process industry sector[S].

[3]ISA-84.0, Process Safety Standards and User Resources[S].

[4]SHB-Z06-1999, 石油化工緊急停車及安全連鎖系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)則[S].

[5]周永茜, 姜克寒. 故障安全控制系統(tǒng)H51q/HRS(PES)在苯酚丙酮裝置的應(yīng)用[J]. 中國儀器儀表, 2009, 9.