紧急停车系统ESD

第一讲 ESD紧急停车系统
1名称、作用、构成
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。

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
2ESD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、标准，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到达的安全等级进行确认。

这些标准、标准及认证机构主要有：
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。

⑦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
所到达的安全等级分为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。

3ESD和DCS的比较
DCS与由PES构成的ESD的主要区别有：
4ESD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。

5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。

具体表达：
①现场开关仪表选用常闭接点，工艺正常时，触点闭合，到达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。

6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〕。

Covert Fault：Fault that can be classified as hidden，concealed，undetected，unrevealed，latent，ect. 〔ISA-S84.01-1996〕
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〕。

Overt Fault：Fault that can be classified as announced，detected，revealed，ect.〔ISA-S84.01-1996〕
7安全性及响应失效率
当工艺条件到达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假设干安全度等级〔SIL：Safety Integrity Level〕。

SIL和PFD的对应关系见表1：
表1
8 可用性及可用度
工艺条件并未到达安全极限值，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：
MDT
MTBF MTBF
A +=
〔SHB-Z06-1999〕
MTBF ：平均故障间隔时间〔Mean Time Between Failures 〕 MDT ：平均停车时间〔Mean Downtime 〕
9 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3A.B 分别表示CPU 冗余〔双机热备〕和三重化冗余容错系统。

现场设备
图2 CPU 冗余〔双机热备〕
输出端子
图3
三重位号冗余容错系统
图3A 三重模块冗余容错系统
图3B 三重信号冗余容错系统
10 冗余逻辑的表决方法及其与安全性、可用性的关系
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。

11 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
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卡上的差异。

作为安全PLC，至少应具备以下几点：
①满足相关安全标准标准要求，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。

12取得TÜV认证的ESD产品
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。

②Regent Trusted
美国ICS利用宇航技术开发的安全系统。

安全等级AK4～AK6。

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。

④GE Fanuc 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〕。

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。

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。

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。

13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〔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，假设某工艺过程经评定后为SIL 2，则配置到达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标准。

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假设干级，作出矩阵表〔见表2〕。

以此确定工艺过程度安全度等级。

表2
低事故出现频率的奉献，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3所示。

表3
14逻辑运算的基本规则
①交换律 A ·B = B·A
A +
B = B + A
②结合律A·B·C = A·( B·C )
A +
B +
C = A + ( B + C )
③分配律A·( B + C ) = A·B + A·C
A + ( B·C) = ( A+
B )·( A+
C )
④重复律A·A·A……A = A
A + A + A ……+ A = A
⑤自等律A·1 = A
A + 0 = A
⑥吸收律A·( B + A ) = A
A + ( B·A ) = A
⑦互补律A·A = 0
A + A = 1
⑧0－1律A·0 = 0
A + 1 = 1
⑨非非律 A = A
⑩反演律A·B·C = A + B + C
A +
B +
C = A·B·C。