安全控制系統:背景,定義,發展歷程,相關國際標準,設計原則,獨立設定原則,結構選用

安全控制系統，指的是提供一種高度可靠的安全保護手段的系統，可以最大限度地避免相關設備的不安全狀態，防止惡性事故的發生或在事故發生後儘可能地減少損失，保護生產裝置及最重要的人身安全。

安全控制系統在現代化工生產過程中已被廣泛使用，在工業生產中的作用也就變得越來越重要。

基本介紹

中文名：安全控制系統
外文名：security control system
目的：避免相關設備的不安全狀態
套用：現代化工業生產過程
發展過程：邏輯控制單元的發展
原理：輸出正確信號使設備處於安全狀態

背景,定義,發展歷程,相關國際標準,設計原則,獨立設定原則,結構選用的原則,技術選用原則,故障安全原則,中間環節原則,貢獻,

背景

化工行業具有高溫、高壓、易燃、易爆和生產連續性強等特點，是對生產安全有非常嚴格要求的行業，尤其需要安全控制系統來保障安全、穩定、連續的生產。即使出現故障，安全控制系統還能最大限度的保護人員和設備。因此，安全控制系統在工業生產中的作用也就變得越來越重要。

根據有關數據顯示，我國化工行業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。目前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的。

定義

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的系統，可以最大限度地避免相關設備的不安全狀態，防止惡性事故的發生或在事故發生後儘可能地減少損失，保護生產裝置及最重要的人身安全。

安全控制系統能在生產裝置開車、停車、出現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，一旦設備出現危險情況，安全控制系統能夠立即做出反應並輸出正確信號，使得設備處於安全狀態或停機。在化工行業中，安全控制系統一般被稱為ESD（緊急停車系統）或SIS（安全儀表系統）。從嚴格意義上來說，ESD指的是SIS中的邏輯運算器、即控制系統硬體和相應的軟體，而SIS還包括了外圍的儀表感測器和最終執行元件等。

發展歷程

安全控制系統發展過程主要依賴於邏輯控制單元的發展過程。邏輯控制單元的發展也像人類進定義域化一樣，經歷了一個從簡單到複雜，從低級到高級的過程。從簡單的繼電器到固態電路邏輯系統，再到以微處理器為核心的安全控制系統。

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，這個安全控制系統一直延續了100 多年，直到1969 年美國數字設備公司( DEC) 研製出了世界上第一台PDP － 14型PLC，開創了將程式化手段用於工業控制的新紀元。1975 年，Honeywell 公司根據PLC 對離散控制存在的問題最先推出第一代集散控制系統( DCS) ，即TDC － 2000 系統。從此，控制系統發展方向分成了2 條線: PLC 控制系統的發展過程；DCS 控制系統的發展過程。

PLC 控制系統的發展

根據PLC 的容量、I/O 點數和掃描的速度，PLC的發展過程主要分為3 個階段。

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

第2 階段: PLC 容量有所擴展，I /O 點數達到512 ～ 1 024 點，掃描速度為5 ～ 6 ms /kB。此時的PLC 控制系統除了具有第一階段的PLC 控制系統的功能外，還增加了算術運算指令、比較指令、模擬量的控制和梯形圖程式語言。

第3 階段: 隨著積體電路規模的不斷擴大，由16 位和32 位微處理器構成的PLC 控制系統得到了更大的發展。此時PLC 容量很大，大型PLC 控制系統I /O 點數達到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 調節功能指令、圖形組態功能指令、網路、通信指令和順序功能語言。

DCS 控制系統的發展

自從1975 年Honeywell 公司研製出了第一台DCS 控制系統，隨著人們對於DCS 要求的不斷提高，DCS 控制系統的發展經歷了4 代。

第1 代: 1975—1980 年間推出，此時的DCS 控制系統的設計重點是現場控制站。各個公司所研發的系統都採用了最先進的微處理器來構成現場控制站。這個時期的DCS 在功能上和儀表控制系統很接近。

第 2 代: 1980—1985 年前後推出，它引入了區域網路作為系統骨幹，開始擺脫儀表控制的影響，逐步趨向計算機系統。此時的DCS 控制系統功能更加完善，實現了一些最佳化控制和生產管理，同時人們能夠在控制室里了解到更多的生產現場信息和控制系統的信息。

第3 代: 以1987 年Foxboro 公司推出的I /A Series為標誌。各個生產廠家在組態都採用了IEC61131 － 3 所定義的5 種組態語言，克服了第2代產品出現的“自動化孤島”現象，實現了不同廠家生產產品之間的數據連通。

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

設計原則

安全控制系統應遵循如下設計原則。

獨立設定原則

安全控制系統應獨立於過程控制系統，以降低控制功能和安全功能同時失效的機率，使安全控制系統不依附於過程控制系統就能獨立完成自動保護和聯鎖的安全功能。

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

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

對於較為複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定後備手動功能。

結構選用的原則

安全控制系統應採用容錯系統。在一個或多個元件發生故障時，系統仍然具有繼續運行的能力。對於以邏輯運算器為基礎的容錯系統來說，一般都會採用冗餘結構，並可參考採用以下方法：

1. 對於有相互關係的參數之間可以使用不同的測量方法（如壓力和溫度）；

2. 對於同一變數採用不同的測量技術（如渦街流量計和電磁流量計）；

3. 對於冗餘結構的每一個通道採用不同類型的可程式電子系統；

4. 對於冗餘的通訊結構來說可以使用不同的地址。

技術選用原則

安全控制系統可以採用電氣、電子或可程式電子（E/E/PE）技術，也可以採用上述技術混合的方案。

對於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；作為定時器或鎖定功能使用；複雜的邏輯套用場合。這時候可以考慮選用固態繼電器，但也需恰當處理好故障安全模式。

另外要注意的是對於安全控制系統一般不推薦使用固態邏輯，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。

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應該是勵磁的，即得電狀態；在系統故障時應是非勵磁的。這也稱之為非勵磁停車設計。

中間環節原則

作為一個高效的系統，安全控制系統的中間環節越少越好，儘可能地採用最直接的測量和最可靠的執行方式，避免繁瑣複雜和不必要的設計，以及過多的電—氣、氣—電轉換環節，另外在運行時也要考慮對人員干預和選擇環節的需求是最少的或者沒有。

貢獻

現今國家大力提倡節能減排和安全生產的觀念，對於安全控制系統來說，由於其結合了當下較為先進的自動化控制技術、故障診斷技術和軟體技術，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，進而也促進了節能減排的工作進展，為社會的和諧發展做出了貢獻。

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