一、引言
　　在石化、化工等相對危險性較大的行業(yè)中，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)規模的不斷擴大，工藝流程越來(lái)越復雜，生產(chǎn)的安全性顯得尤為重要。其中，自動(dòng)化控制系統的功能安全占了很大一部分的比重。以往國內一般會(huì )將過(guò)程控制中與安全相關(guān)的部分與一般的DCS或PLC系統整合在一起，但現在從安全至上的角度出發(fā)，自動(dòng)化供應商和最終用戶(hù)本身都意識到了采用相對獨立的、應用于安全相關(guān)的控制系統的必要性，基于此，安全控制系統應運而生。
　　二、與安全控制系統相關(guān)的國際標準
　　2000年5月，國際電工委員會(huì )(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的功能安全”。該標準共計七個(gè)部分，涉及到1000多個(gè)規范。該標準針對起安全作用的電氣／電子／可編程電子系統(E/E/PE)提出了一個(gè)基礎、合理的技術(shù)方案，并建立一個(gè)相應的評價(jià)方法，綜合考慮如傳感器、通信系統、控制裝置、執行器等元器件與安全系統組合的問(wèn)題。
　　根據該標準規定，安全控制系統的最終設計目標可以概括為：在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生危險事故或系統本身發(fā)生故障的情況下，系統能做出及時(shí)和正確的反應并輸出到現場(chǎng)，以防止危險的發(fā)生或減輕已發(fā)生危險所導致的后果。根據這一原則，IEC-61508規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(shí)間內、所有條件不變的情況下安全控制系統達到所要求安全功能的一個(gè)指標。SIL共分為SIL1、SIL2、SIL3和SIL4四個(gè)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(guò)程土業(yè)部門(mén)儀表型安全系統的功能安全”。這是專(zhuān)門(mén)針對流程工業(yè)領(lǐng)域安全控制系統的安全功能標準。IEC-61511規定了控制器單元在設計和使用的過(guò)程中需采用的基本原則，構成安全控制系統的傳感器和最終執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(dòng)的方法。也就是對過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域中安全控制系統的設計、安裝、調試、運行和維護等一系列的要求進(jìn)行標準化，并對應用和安全整體級別的確定方面提供指導。
　　通俗點(diǎn)來(lái)說(shuō)，兩者間的關(guān)系和區別可以這樣來(lái)理解：IEC-61508適用于設備制造商和供貨商，而IEC-61511提供了一個(gè)在流程工業(yè)可實(shí)際應用和便于理解的IEC-61508版本且較為適用于安全控制系統的設計者、集成商和最終用戶(hù)。
　　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(guān)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今國際上權威的安全標準認證機構包括德國的TUV組織，歐洲的BGIA認證，美國的EXIDA組織和FactowMutual組織。
　　三、安全控制系統定義及概述
　　所謂安全控制系統，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。
　　安全控制系統能在生產(chǎn)裝置開(kāi)車(chē)、停車(chē)、出現工藝擾動(dòng)等狀況和正常維護操作期間對設備提供安全保護，一旦設備出現危險情況，安全控制系統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，安全控制系統一般被稱(chēng)為ESD(緊急停車(chē)系統)或SIS(安全儀表系統)。從嚴格意義上來(lái)說(shuō)，ESD指的是SIS中的邏輯運算器、即控制系統硬件和相應的軟件，而SIS還包括了外圍的儀表傳感器和最終執行元件等。
　　安全控制系統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(gè)系統部件如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(dòng)地檢測故障，在不影響整個(gè)系統運行的很短時(shí)間內切換到后備設備上繼續正常工作。
　　而容錯技術(shù)(FaultTOlerant)指的是擁有內部冗余的并行元件和集成邏輯，當硬件或軟件存在部分故障時(shí)，系統能夠自動(dòng)識別故障并使故障旁路繼續執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，系統仍然具有繼續運行的能力。這一般包含了三方面的功能，一是故障約束，即限制過(guò)程或進(jìn)程的動(dòng)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(guò)程進(jìn)行不間斷地動(dòng)態(tài)檢測，以及時(shí)發(fā)現錯誤；三是故障恢復，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、系統恢復、指令執行、程序復算、備件切換、系統重組等技術(shù)。它是以冗余技術(shù)為基礎，尤其適用于安全控制系統的一種先進(jìn)可靠的技術(shù)手段。
　　四、安全控制系統的設計原則
　　4.1獨立設置原則
　　安全控制系統應獨立于過(guò)程控制系統，以降低控制功能和安全功能同時(shí)失效的概率，使安全控制系統不依附于過(guò)程控制系統就能獨立完成自動(dòng)保護和聯(lián)鎖的安全功能。
　　設計時(shí)必須考慮配置相應的通訊接口，使得過(guò)程控制系統也能夠監視安全控制系統的運行狀態(tài)。
　　原則上需要獨立設置的部件包括檢測元件、執行元件、邏輯運算器、安全控制系統，以及與過(guò)程控制系統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適合分解為若干子系統，各子系統相對獨立且分別設置后備手動(dòng)功能。
　　4.2結構選用的原則
　　安全控制系統應采用容錯系統。在一個(gè)或多個(gè)元件發(fā)生故障時(shí)，系統仍然具有繼續運行的能力。對于以邏輯運算器為基礎的容錯系統來(lái)說(shuō)，一般都會(huì )采用冗余結構，并可參考采用以下方法：
　　對于有相互關(guān)系的參數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)；
　　對于冗余結構的每一個(gè)通道采用不同類(lèi)型的可編程電子系統；
　　對于冗余的通訊結構來(lái)說(shuō)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(shí)不可使用：高負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；復雜的邏輯應用場(chǎng)合。這時(shí)候可以考慮選用固態(tài)繼電器，但也需恰當處理好故障安全模式。
　　另外要注意的是對于安全控制系統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(xiàn)的方式來(lái)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行元件在系統正常時(shí)應該是勵磁的，即得電狀態(tài)；在系統故障時(shí)應是非勵磁的。這也稱(chēng)之為非勵磁停車(chē)設計。
　　4.5中間環(huán)節最少原則
　　作為一個(gè)高效的系統，安全控制系統的中間環(huán)節越少越好，盡可能地采用最直接的測量和最可靠的執行方式，避免繁瑣復雜和不必要的設計，以及過(guò)多的電一氣、氣一電轉換環(huán)節，另外在運行時(shí)也要考慮對人員干預和選擇環(huán)節的需求是最少的或者沒(méi)有。