1引言
紧急停车系统（Emergency shutdown System – ESD）亦称为安全仪表系统（Safety– Instrument System–SIS）、安全联锁系统（Safety Interlock System–SIS）、安全关联系统（Safety Related System–SRS）、仪表保护系统（Instrument Protective System–IPS）等。以下统称ESD。
大多石油和化工生产过程具有高温、高压、易燃、易爆、有毒等危险。当某些工艺参数超出安全极限，未及时处理或处理不当时，便有可能造成人员伤亡、设备损坏、周边环境污染等恶性事故。这就是说，从安全的角度出发，石油和化工生产过程自身存在着固有的风险。
ESD是一种经专门机构认证、具有一定安全度等级，用于降低生产过程风险的安全保护系统。它不仅能响应生产过程因超出安全极限而带来的危险，而且能检测和处理自身的故障，从而按预定的条件或程序使生产过程处于安全状态，以确保人员、设备及工厂周边环境的安全。
2ESP原理概述
ESD由检测单元（如各类开关、变送器等）、控制单元和执行单元（如电磁阀、电动门等）组成，其核心部分是控制单元。从ESD 的发展过程看，其控制单元部分经历了电气继电器（Electrical）、电子固态电路（Electronic）和可编程电子系统（Programmable Electronic System），即E/E/PES三个阶段。图1为由PES构成的ESD。
图1 ESD的构成
2.1逻辑运算的基本规则
(1)交换律
(2)结合律
(3)分配律
(4)重复律
(5)自等律
(6)吸收律
(7)互补律
(8)0－1律
(9)非非律 A = A
(10)反演律
2.2 ESD的相关标准及认证机构
鉴于ESD涉及到人员、设备、环境的安全，因此各国均制定了相关的标准、规范，使得ESD的设计、制造、使用均有章可循。并有权威的认证机构对产品能达到的安全等级进行确认。这些标准、规范及认证机构主要有：
(1)我国石化集团制定的行业标准SHB-Z06-1999《石油化工紧急停车及安全联锁系统设计导则》。
(2)国际电工委员会1997年制定的IEC 61508/61511标准，对用机电设备（继电器）、固态电子设备、可编程电子设备（PLC）构成的安全联锁系统的硬件、软件及应用作出了明确规定。
(3)美国仪表学会制定的ISA-S84.01-1996《安全仪表系统在过程工业中的应用》。
(4)美国化学工程学会制定的AICHE（ccps）-1993，《化学过程的安全自动化导则》。
(5)英国健康与安全执行委员会制定的HSE PES-1987，《可编程电子系统在安全领域的应用》。
(6)德国国家标准中有安全系统制造厂商标准-DIN V VDE 0801、过程操作用户标准-DIN V 19250和DIN V 19251、燃烧管理系统标准-DIN VDE 0116等。
德国技术监督协会（TÜV）是一个独立的、权威的认证机构，它按照德国国家标准（DIN），将ESD所达到的安全等级分为AK1～AK8，AK8安全级别最高。其中AK4、AK5、AK6为适用于石油和化学工业应用要求的等级。
3ESP特点及优越性
ESD紧急停车系统按照安全独立原则要求，独立于DCS集散控制系统，其安全级别高于DCS。在正常情况下，ESD系统是处于静态的，不需要人为干预。作为安全保护系统，凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性。只有当生产装置出现紧急情况时，不需要经过DCS系统，而直接由ESD发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。
根据有关资料，当人在危险时刻的判断和操作往往是滞后的、不可靠的，当操作人员面临生命危险时，要在60s内作出反应，错误决策的概率高达99.9%。因此设置独立于控制系统的安全联锁是十分有必要的，这是作好安全生产的重要准则。该动则动，不该动则不动，这是ESD系统的一个显著特点。
当然一般安全联锁保护功能也可由DCS来实现。那么为何要独立设置ESD系统呢？因为于较大规模的紧急停车系统应按照安全独立原则与DCS分开设置，这样做主要有以下几方面原因：
（1）降低控制功能和安全功能同时失效的概率，当维护DCS部分故障时也不会危及安全保护系统;
（2）对于大型装置或旋转机械设备而言，紧急停车系统响应速度越快越好。这有利于保护设备，避免事故扩大；并有利于分辨事故原因记录。而DCS处理大量过程监测信息，因此其响应速度难以作得很快；
（3）DCS系统是过程控制系统，是动态的，需要人工频繁的干预，这有可能引起人为误动作；而ESD是静态的，不需要人为干预，这样设置ESD可以避免人为误动作。
ESD紧急停车装置，在石化行业以及大型化工企业中都有着广泛的应用。实际上它也是通过高速运算PLC来实现控制的，它与PLC的本质区别在于它的输入输出卡件上，应为一切为了安全考虑，所以在硬件保护上做得较为完善，而且他要考虑到在事故状态下，现场控制阀位及各个开关的位置。
3.1ESD设计应遵循的原则
(1)原则上应独立设置（含检测和执行单元）；
(2)中间环节最少；
(3)应为故障安全型;
(4)采用冗余容错结构。
3.2故障安全原则
组成ESD的各环节自身出现故障的概率不可能为零，且供电、供气中断亦可能发生。
当内部或外部原因使ESD失效时，被保护的对象（装置）应按预定的顺序安全停车，自动转入安全状态（Fault to Safety），这就是故障安全原则。具体体现：
(1)现场开关仪表选用常闭接点，工艺正常时，触点闭合，达到安全极限时触点断开，触发联锁动作，必要时采用“二选一”、“二选二”或“三选二”配置。
(2)电磁阀采用正常励磁，联锁未动作时，电磁阀线圈带电，联锁动作时断电。
(3)送往电气配电室用以开/停电机的接点用中间继电器隔离，其励磁电路应为故障安全型。
(4)作为控制装置（如PLC）“故障安全”意味着当其自身出现故障而不是工艺或设备超过极限工作范围时，至少应该联锁动作，以便按预定的顺序安全停车（这对工艺和设备而言是安全的）；进而应通过硬件和软件的冗余和容错技术，在过程安全时间（PST-Process Safety Time）内检测到故障，自动执行纠错程序，排除故障。
3.3隐故障与显故障
(1)隐故障（Covert Fault）：不对危险产生报警，允许危险发展的故障，是故障危险故障（SHB-Z06-1999）。
(2)显故障（Overt Fault）：能显示出故障自身存在的故障，是故障安全故障（SHB-Z06-1999）。
3.4安全性及响应失效率
当工艺条件达到或超过安全极限值时，ESD本应引导工艺过程停车，但由于其自身存在隐故障（危险故障）而不能响应此要求，即该停车而拒停，降低了安全性。
衡量安全性的指标为响应失效率或称要求的故障率（PFD：Probability of Failure on Demand）。它是安全联锁系统按要求执行指定功能的故障概率。是度量安全联锁系统按要求模式工作故障率的目标值（SHB-Z06-1999）。
不同的工业过程（如生产规模、原料和产品的种类、工艺和设备的复杂程度等）对安全的要求是不同的。上述的国际标准将其划分为若干安全度等级（SIL：Safety Integrity Level）。SIL和PFD的对应关系见表1。
表1 SIL和PFD的对应关系
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ISA-S84.01
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IEC 61508
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DIN V 19520（TÜV）
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PFD
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SIL.1
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SIL.1
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AK1
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10-1～10-2
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SIL.1
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SIL.1
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AK2
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SIL.1
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SIL.1
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AK3
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SIL.2
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SIL.2
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AK4
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10-2～10-3
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SIL.3
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SIL.3
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AK5
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10-3～10-4
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SIL.3
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SIL.3
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AK6
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SIL.4
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AK7
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10-4～10-5
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SIL.4
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AK8
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3.5可用性及可用度
工艺条件并未达到安全极限值，ESD不应引导工艺过程停车，但由于其自身存在显故障（安全故障）而导致工艺过程停车，即不该停车而误停，降低了可用性。
可用度（A：Availability）是指系统可使用工作时间的概率，用百分数计算：
MTBF：平均故障间隔时间（Mean Time Between Failures）
MDT：平均停车时间（Mean Downtime）
3.6冗余和容错
冗余（Redundant）：具有指定的独立的N：1重元件，并且可以自动地检测故障，切换到后备设备上。（SHB–Z06–1999）。
冗余系统（Redundant System）：并行地使用多个系统部件，以提供错误检测和错误校正能力的系统。（SHB–Z06–1999）。
容错（Fault Tolerant）：具有内部冗余的并行元件和集成逻辑，当硬件或软件部分故障时，能够识别故障并使故障旁路，进而继续执行指定的功能。或在硬件和软件发生故障的情况下，系统仍具有继续运行的能力。它往往包括三方面的功能：第一是约束故障，即限制过程或进程的动作，以防止在错误被检测出来之前继续扩大；第二是检测故障，即对信息和过程或进程的动作进行动态检测；第三是故障恢复即更换或修正失效的部件。（SHB – Z06 – 1999）。
容错系统（Fault Tolerant System）：具有容错结构的硬件与软件系统。（SHB – Z06 – 1999）。
总之，通过冗余和故障屏蔽的结合来实现容错。容错系统一定是冗余系统，冗余系统不一定是容错系统。容错系统的冗余形式有双重、三重、四重等。图2和图3分别表示CPU冗余（双机热备）和三重模块冗余（TMR）容错系统。
图2 CPU冗余（双机热备）
图3 模块三重冗余容错系统
3.7冗余逻辑的表决方法及其与安全性、可用性的关系（见表2）
表2
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表决方法
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隐故障概率
（拒动）
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显故障概率
（误动）
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允许
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不允许
|
安全性
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可用性
|
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0.02
（短路的概率）
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0.04
（开路的概率）
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存在隐故障和显故障
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差
|
差
|
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0.0004
（两个均短路的概率）
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0.08
（只要有一个开路的概率）
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其中之一存在隐故障（仍可安全停车
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其中之一存在显故障（将误停车）
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最好
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最差
|
|
|
0.04
（只要有一个短路的概率）
|
0.0016
（两个均开路的概率）
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其中之一存在显故障（不会误停车）
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其中之一存在隐故障（该停拒停）
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最差
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最好
|
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三选二 2oo3
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0.0012
（三个中两个均短路的概率）
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0.0048
（三个中两个均开路的概率）
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其中之一存在隐故障或显故障
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其中两个存在隐故障或显故障
|
较好
|
较好
|
注：此表中故障概率数据摘自西门子公司资料以上可见：
（1）隐故障（危险故障）使ESD该动而拒动，隐故障概率越高，安全性越差。
（2）显故障（安全故障）使ESD不该动而误动，显故障概率越高，可用性越差。
（3）1oo2（二选一）安全性最好，但可用性最差；2oo2（二选二）可用性最好，但安全性最差；2oo3（三选二）可兼顾安全性和可用性，但结构复杂，成本高。
4ESD和DCS的区别以及普通PLC和安全PLC的区别
4.1ESD和DCS的区别（见表3）
表3
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DCS
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ESD
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构 成
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不含检测、执行
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含检测、执行单元
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作用（功能）
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使生产过程在正常工况乃至最佳工况下运行
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超限安全停车
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工 作
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动态、连续
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静态、间断
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安全级别
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低、不需认证
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高、需认证
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3.2普通PLC和安全PLC的区别
普通PLC和可以作为ESD控制部分的安全PLC的主要区别是：普通PLC不是按故障安全型设计的，当系统内部元件出现短路故障时，它并不能检测到，因此其输出状态不能保证系统回到预定的安全状态。这种PLC只能用于安全度等级要求低的场合。现以输出电路为例予以说明。图4是普通PLC DO卡示意图。
图4 普通PLC DO卡示意图
当1、2两点短路时，来自PLC的控制信号将不起作用（失效），电磁阀将一直处于带电（励磁）状态，即需要联锁动作（电磁阀释电停车）时，由于此故障的存在而拒动，其输出不能保证处于安全停车状态。这就是违背了故障安全（Fault to Safety）的原则。
当1、2两点开路时，将导致误动作而停车，同样会带来损失。可见，这种普通PLC的DO卡输出电路的安全性和可用性都是不高的。
图5所示为一种带有安全性单容错的DO卡示意图（它是Honeywell SMS FSC-101型输出示意图）。
图5 安全性单容错DO卡示意图
这里，中央处理器不仅向串联的场效应管（FET）发出控制信号，而且还接受来自场效应管的状态反馈信号，以便对其输出进行全面测试。当测得某管输出发生短路时，中央处理器即启动纠错动作，隔离相关的故障。看门狗（Watch Dog）是个多通道的计时器电路。它由中央处理器和内存等周期性地触发，如果两个触发之间的时间小于某设定值或者大于某最大值，则看门狗的输出将失效。同时看门狗还能监视内部工作电压，使之在正常的电压范围内。以上仅是DO卡上的差别。作为安全PLC，至少应具备以下几点：
（1）满足相关安全标准规范要求，且经过权威机构认证，取得了相应安全等级证书；
（2）在硬件和软件上采用冗余、容错措施，具有完善的测试手段，当检测到系统故障，特别是危险故障时能使系统回到安全状态；
（3）能进行系统故障报警，指示故障原因、故障位置，便于在线维护；
（4）能与DCS或其它设备进行通讯。
5取得TÜV认证的ESD产品
5.1FSC（Fail Safe Control）
由荷兰P＆F（Pepperl & Fuchs）公司开发，1994年被Honeywell公司收购。安全等级可达AK6。
5.2Regent Trusted
美国ICS利用宇航技术开发的安全系统。安全等级 AK4～AK6。
5.3Tricon、Trident
美国Triconex公司开发，用于压缩机综合控制（ITCC）和紧急停车系统。安全等级为AK6。
5.4Fanuc 90-70
美国GE公司开发。其中GMR（模块式冗余容错系统）的安全等级为Class 5（2oo3）、Class 4（1oo2）和Class 5（2oo2）。
5.5QUADLOG
由Moore公司开发。日本横河公司收购后称Prosafe PLC，其1oo2D结构安全等级达AK6。
5.6SIMATIC S7-400F/FH
德国SIEMENS公司产品。400F和400F分别为1个CPU和2个CPU运行fail-safe（F）用户程序，均取得TUV认证，安全等级为AK1～AK6。
5.7SC300E
AUGUST System公司开发，1997年成为ABB集团成员之一。安全等级为Class 5和Class 6。
6工艺过程风险的评估及安全度等级的评定
不同的工艺过程（以生产规模、原料和产品的种类、工艺和设备的复杂程度等）对安全的要求是不同的。一个具体的工艺过程，是否需要配置ESD、配置何种等级的ESD，其前提应该是对此具体的工艺过程进行风险的评估及安全度等级（SIL）的评定。在确定了某个具体工艺过程的安全度等级（SIL）之后，再配置与之相适应的ESD。表1可以看出，若某工艺过程经评定后为SIL 2，则配置达到AK4的ESD即可，其响应失效率（PFD）为百分之一至千分之一之间。应该注意的是不同安全级别的ESD，只能确保响应失效率（PFD）在一定的范围内，安全级别越高的ESD，其PFD越小，即发生事故的可能性越小，但它不能改变事故造成的后果。因此，工艺过程安全度等级的评定是一项十分重要的工作。但目前我国尚无如何评定安全度等级的标准和规范。2中列出的国际、国外标准中提供了某些评定方法。下面介绍的风险矩阵（RISK MATRIX）评估方法可供参考。
这种方法以工艺过程事故出现的频率（可能性）及其危害程度（严重性）为风险评估的指标，并对频率和危害程度人为量化为若干级，作出矩阵表（见表4）。以此确定工艺过程度安全度等级。
表4 风险评估指数
|
频率
危害程度
|
很低
（20年以上）
|
低
（4～20年）
|
中
（0.5～4年）
|
高
（0～0.5年）
|
|
轻微
|
－
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DCS报警
|
DCS联锁
|
DCS联锁
|
|
轻
|
DCS报警
|
DCS联锁
|
SIL1
|
SIL2
|
|
中
|
DCS联锁
|
SIL1
|
SIL2
|
SIL3
|
|
大
|
SIL1
|
SIL2
|
SIL3
|
SIL4
|
|
重大
|
SIL2
|
SIL3
|
SIL4
|
SIL4
|
表2中频率分级的年限（多少年出现一次）考虑了采用DCS进行监视、控制以及正常操作规程等对于降低事故出现频率的贡献，但不考虑ESD的存在。
表2中危害程度从经济损失、人身伤害和环境危害三个方面予以量化。如表5所示。
表5 风险危害指数
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危害程度
|
经济损失（美元）
|
人身伤害
|
环境危害
|
|
轻微
|
<2500
|
无
|
无
|
|
轻
|
2500～10万
|
轻伤，仅需就地急救治疗
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可立即控制
|
|
中
|
10万～50万
|
多人重伤，需医学治疗，一人死亡
|
无法立即控制
|
|
大
|
50万～150万
|
造成伤残、死亡
|
仅限于事故现场
|
|
重大
|
>150万
|
造成多人伤残、死亡
|
波及周边
|
7结束语
随着现代计算机技术的发展，紧急停车系统ESD的设备配置也在不断地更新换代，由低级到高级；由气动逻辑到继电器逻辑；由简单的继电器系统到微控制系统为主的系统；由单回路系统到冗余和冗错系统，可以预计ESD系统在现代工业中起到至关重要的作用。
作者简介
秦哲（1984-）男工学士，助理工程师，现任职于中原大化仪表公司。
参考文献（略）
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