工業化的推進，現代大工業的發展，在為人類生活提供豐富物質產品的同時，也屢屢造成了健康、安全、環保等諸多災難和危害。特別是20世紀70年代以來，引發了一系列火災、爆炸、毒氣泄漏等重大災難。
1984年12月3日凌晨，在印度博帕爾（Bhopal）市附近美國聯合碳化物（Union Carbide）屬下的聯合碳化物（印度）有限公司（UCIL）農藥廠，裝有液態劇毒氣體—異氰酸甲酯（Methyl Isocyanate.，MIC）的儲罐溫度上升，壓力過大，導致泄漏，濃霧狀毒氣游移于博帕爾市內外，經久不散，直至 45噸劇毒氣體泄漏殆盡。僅2天內就有2500余人喪生，最終死亡人數達2萬5千人，還有5萬多人失明，2萬多人受到嚴重毒害，近8萬人終身殘疾，50多萬人接受治療，受影響的人口多達150余萬，占博帕爾總人口的一半。這是一起震驚世界的慘案，是有史以來最殘酷的工業污染事故。按說，農藥廠的液化甲基異氰酸鹽氣體被儲存在3個不銹鋼制的雙層儲氣罐中，為了防止罐內溫度在烈日曝曬下升高，罐體大部分掩埋在地表以下。罐壁間還有致冷系統，以確保罐內毒氣處于液化狀態。萬一罐壁破裂毒氣外逸，專設凈化器中和毒氣。假如凈化器失靈，自動點火裝置可將毒氣燃燒為無毒氣體。然而，這些安全措施形同虛設，沒有發揮任何作用。
我國的安全生產形勢也不容樂觀，依然嚴峻。其中，職業千人死亡率是發達國家的5倍，壓力容器萬臺爆炸事故率是其5~10倍。
為了防止事故，減少損失，國外稱為高度穩定運轉的技術（SSOT, Supper Stable Operation Technology）是不可缺少的。圖1為高可靠性的生產過程示意圖。
圖1 工廠安全系統的組成
另外，為了防止生產裝置在危險狀態下造成人身事故和減少環境污染，作為一種安全停車保護系統，并可進行潛在危險診斷的高效自診斷安全儀表系統（SIS，Safety instrumented system）正在取代以繼電器方式為主的緊急故障停車系統（ESD，Emergency shut down）和消防系統（F&G，Fire & Gas system），如圖2所示。
圖2 安全儀表系統的作用
工廠設計包括裝置運行操作和運行性能設計，要綜合考慮操作性、經濟性、可靠性、安全性，即安全、穩定、長周期、滿負荷、優質優化生產。裝置設計要覆蓋各種運轉狀況，安全設計也要覆蓋各種運轉情況。裝置運行狀態分類如圖3所示。其中，保障安全的關鍵之一就是安全儀表系統。
圖3 裝置運轉類型
1 事故成因與防止
人們對安全的基本認識是：由于經濟、技術等條件制約，潛在的危險不能完全消滅，因此由潛在危險導致的事故災害也就存在，所以就有安全問題。
以前定義的安全是指完全沒有危險(Hazardous)的狀態，而現在認識的安全是不存在不能容許的風險（Risk）。所以，安全管理、安全手段是非常必要的。風險要素的關系表達式如圖4所示。
圖4 風險要素的關系表達式
事故的發生是在一定條件下潛在缺欠的顯現化，并導致不同程度、不同形式的損失后果。以工廠事故為例，事故因果關聯及原因分類如圖5所示，缺欠形式如圖6所示。
（根據荷蘭的安全研究部門（TNO）對216起事故歸納）
圖5 工廠事故原因
圖6 典型的缺欠形式（The General Failure Types, GFTs）
美國安全工程師Heinrich（海因里希） 在1931年出版的著作《安全事故預防：一個科學的方法》中提出了著名的“安全事故金字塔”法則，它是通過分析55萬起工傷事故的發生概率得出的。該法則認為，在1個死亡重傷害事故背后，有29起輕傷害事故，在29起輕傷害事故背后，又有300起無傷害虛驚事件，以及大量的不安全行為和不安全狀態存在 。
因此，災害或事故（Accidents）是未預料事件的連鎖。根據調查，多數的災害或事故可以由以下公式表達：失控的危險因素+失防的危險目標=不希望出現的災害或事故。即Uncontrolled Hazards+ Uncontrolled Target=Unwanted Act(Accidents) 。事故的因果關系和成因如圖7、8所示。
圖7 事故因果關系模型
圖8 典型的事故形成示意圖
防護（Defenses）是從失控的危險（Uncontrolled Hazards）中將人員、資產、自然環境等被害對象進行最大程度的保護而采取的一切必要措施。安全防護系統包括硬件和軟件。硬防護（Hard Defenses）指安全設備、裝置和具有安全功能的阻擋設施。軟防護（Soft Defenses）包括操作程序、規則、制度、指示和培訓。
防護往往采取獨立、分層的概念，一是加強防護，二是減少損失，三是節約成本。各層防護功能獨立，互不干涉。故也稱為層次防護見表1。
表1 獨立防護層（IPL，Independent Protection Layer）概念
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層次 |
名稱 |
舉例 |
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第一層 |
過程設計 |
在過程設計中的本質安全領域，實現本質安全工廠（Inherent Safety Plant）。例如溫度壓力不超高，危險物品滯留量最小。 |
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第二層 |
基本過程控制系統（BPCS）， |
如DCS，以正常運行的監控為目的，當過程變量偏離正常范圍時，發出報警，操作員介入調整。 |
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第三層 |
區別于BPCS的重要報警 |
這一層適用于操作員介入需要有一定的必要余度時。 |
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第四層 |
自動安全儀表系統 |
這層是過程安全儀表系統和緊急停車系統等，這時操作員介入沒有富裕時間，而是系統自動地使工廠安全停車。 |
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第五層 |
物理防護層（一） |
安全閥泄壓、過壓保護系統 |
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第六層 |
物理防護層（二） |
將泄漏液體局限在局部區域的防護堤。 |
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第七層 |
工廠內部緊急應對計劃 |
工廠內部的應急計劃 |
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第八層 |
周邊區域防災計劃 |
周邊居民、公共設施的應急計劃。 |
一個典型的化工裝置的保護包括：工藝過程設計，基本調節、過程報警及操作員監視，緊急報警、操作員監視并且手動干預，自動安全儀表系統或緊急停車系統，物理保護(泄壓閥、爆破膜)，工廠緊急響應，所在社區緊急響應。由此可見，從第二層到第四層都是由儀表及自控系統來實現。而儀表系統的最后一層保護—SIS 或ESD 更是至關重要。
降低風險、分層防護和導入安全儀表系統的方式為：（1）為了將風險降低并控制在目標風險以下，首先有必要對風險進行評估和認定。（2）對于認定的風險，要設置安全閥和其他緩和設施，分層次將風險降低。（3）采取多層次降低風險措施后仍不充分時，則需導入安全儀表系統。如圖9、10所示。
圖 9 安全設計生命周期圖
圖10 安全儀表系統導入的意義
2 安全等級
20世紀70—80年代，世界許多國家的工廠事故頻繁發生，例如1974年英國的大事故、1976年意大利的大事故和1984年美國、印度的大事故等，受災波及數十萬人，經濟損失數百億。美國在石油化工領域的事故比日本多，最近30年間，世界上資產損失最大的前100項事故有一半多發生在美國。其中又有一半是煉油廠。因此，針對安全的法規相繼出臺。
安全是指人或物在一定環境中不發生危險和不受到損害的狀態，而安全性是表明人或物在一個環境中對危險的損傷所能承受的最大能力，安全性的最終目標是避免事故的發生。為此，我國有“3C”(China Compulsory Certification) 產品市場準入的強制性認證制度；對工業裝置自動化系統要設置安全保護控制系統，并對其設置及安全要求等級進行了規定。ISA美國儀表學會稱安全系統為安全儀表系統，對應ISA-S84.01標準，IEC國際電工委員會稱安全要求等級為“安全完整性等級”(Safety Integrity Levels, SIL)，國際標準IEC61508的安全度等級劃分見表2。
表2 安全完整度（SIL）等級
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SIL 級別
（Safety
Integrity Level） |
對應失效概率范圍
（probability to fail
on demand，PFD） |
安全保障率 |
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4 |
≥10-5 ～ ＜10-4 |
＞99.99% |
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3 |
≥10-4 ～ ＜10-3 |
99.9% ～99.99% |
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2 |
≥10-3 ～ ＜10-2 |
99% ～99.9% |
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1 |
≥10-2 ～ ＜10-1 |
90% ～99% |
當人們均衡利害關系，認為所從事活動的危險程度可以接受時，則這種活動狀態是安全的，這種危險程度對應的風險度就成為安全指標。
由于工藝和生產設備特點不同，潛在危險不同，在發生危險結果之前的安全時間不同，此外還要考慮到實際事故發生的可能性及防止其發生可能性的結合，可以確定其風險等級。風險等級越高，則安全要求等級越高。
確定安全度等級的步驟：首先對危險事件的發生頻度按高、中、低三檔分類。低者為f<10-4/年，表示在工廠預估生命周期內，發生單次或復數次故障的概率非常小；中者為10-2
表3 實際生產裝置設計時SIL等級劃分比例
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國別 |
裝置名 |
裝置簡況 |
分類等級 |
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A國 |
乙烯 |
調節閥1055臺
切斷閥488臺
發信器4272臺 |
無SIL: 24%
SIL1 :50%
SIL2:15%
SIL3:8% |
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B國 |
石油煉制 |
調節閥836臺
切斷閥663臺
發信器4096臺 |
無SIL :81%
SIL1:15%
SIL2:4%
SIL3:0% |
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C國 |
FCC/乙烯 |
調節閥630臺
切斷閥350臺
發信器3200臺 |
無SIL ：28%
SIL1：54%
SIL2：16%
SIL3：2% |
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D國 |
LPG/制冷 |
調節閥230臺
切斷閥140臺
發信器620臺 |
無SIL ：53%
SIL1：26%
SIL2：21%
SIL3：0% |
3 安全儀表系統的產生
安全儀表系統包括安全連鎖系統（Safety Interlocks）,緊急停車系統，安全關聯系統(Safety Related System)，安全停車系統(Safety Shutdown System)，事故停車系統（Emergency and Process Shutdown ，PSD)，儀表保護系統（ Instrumented Protective System，IPS）等等。安全儀表系統對生產裝置或設備可能發生的危險或不采取緊急措施將繼續惡化的狀態進行及時響應，使其進入一個預定義的安全停車工況，從而使危險和損失降到最低程度，保證生產、設備、環境和人員安全。安全儀表系統包括傳感器、邏輯控制器和最終執行元件，能夠按照一定的安全完整度等級(SIL, Safety Integrity Level)實現一個或多個安全功能(SIF，Safety Instrumented Function)。它是生產過程中的一種自動安全保護系統。安全儀表系統是由國際電工委員會(IEC)標準IEC 61508及IEC 61511定義的專門用于安全的控制系統。這種專用的安全保護系統是20世紀80—90年代發展起來的，以其高可靠性和靈活性而受到高度重視和廣泛應用。
安全儀表系統遵照安全獨立原則，獨立于集散控制系統，并且其安全級別高于DCS，如圖11所示。在正常情況下，ESD系統不需要人為干預。安全保護系統凌駕于生產過程控制之上，實時在線監測裝置的安全性。只有當生產裝置出現緊急情況時，不需要經過DCS系統，而直接由ESD發出保護連鎖信號，對現場設備進行安全保護，避免危險擴散而造成巨大損失。人在危險時刻的判斷和操作往往是滯后的、不可靠的。當操作人員面臨生命危險時，要做出快速反應，其錯誤決策概率高達99.9%。因此設置獨立于控制系統的安全連鎖十分必要。
圖11 控制系統與安全儀表系統的設置分工
為了保證生產安全，對安全儀表系統的設計非常重要。一是要具有高度的可靠性和可用性；二是要具有實時、快速、豐富的邏輯運算功能，能使整個工藝裝置在安全時間內完成一系列開車、停車或局部停車的連鎖動作，自動處理緊急事故等任務，要做到安全，和停車次數少，連續運行時間長，經濟損失少。至于安全系統本身硬件的先進性、獨立性、系統結構的冗余性、中間環節最少、機械結構和配線合理、適應苛刻環境以及故障安全型（fail to safety）的軟件設計等均是安全系統的設計原則。除控制部分外，還有現場檢測儀表和執行器也需滿足上述要求。SIS的基本結構如圖12所示。
圖12 SIS的基本結構
安全儀表系統分Z-1、Z-2、Z-3三類。Z-1類的安全系統可用性一般，一個中央CPU模塊通過單總線與I/O模塊相連，它與普通PLC不同之處為通過中央CPU的自我測試以及采用可測試I/O模塊，失效時的輸出也能保證安全狀態等。Z-2類的安全系統可用性較高，中央CPU模塊冗余，其他與Z-1相同，這樣允許一個CPU模塊出現故障，而另一個仍然維持正常工作。可用在AK5級安全要求等級以下的場合。Z-3類的安全系統可用性很高，結構為全冗余，即CPU模塊、總線、I/O模塊均雙重化，用在AK6級安全要求等級的場合，允許單通道在不超過1小時內將出故障的模塊更換掉，保證生產不中斷。對于安全要求等級為AK7、AK8級的場合，還要考慮雙重化冗余系統中結果比較不一致而無法判斷對錯的情況，則應采用三重模件冗余(TMR)方式，系統根據少數服從多數原則，即“3中取2”表決。目前還有四重冗余技術的應用。另外系統還應具有容錯性，采用故障容錯輔助軟件技術(SIFT)，做到系統某部分出現故障時，仍可繼續工作。安全系統冗余和容錯的程度與其產品價格關系很大，所以應按應用安全等級選取不同級別的安全系統。
安全儀表系統主要涉及安全檢測技術和控制技術。為了獲得工業危險源和工業生產運行的狀態信息，則需要將其通過物理的、化學的或生物的等多種方法轉化為可測量的物理量信號，這就是安全檢測。它是作業環境安全與衛生條件、特種設備安全狀態、生產過程超限或危險狀態、操作人員不規范操作等各種不安全因素測量的總稱。包括安全檢測儀器儀表和安全檢測系統。安全檢測除了涉及常規的溫度、壓力、流量、液位檢測外，還有成分組成濃度分析、煙霧檢測、火光檢測、噪聲監測、機械振動檢測等。工業裝置的控制，實際上就是生產過程安全的控制。安全控制技術水平決定了工業裝置的安全運行水平。工業過程安全控制通常簡稱為安全監控，具有安全檢測和控制的雙重綜合能力。其控制方法一般包括過程控制、應急控制和綜合安全控制系統。在比較完善的過程控制設計中，一般都要考慮工業參數的超限或異常、主輔設備異常甚至自動裝置異常報警，危險因素檢測，以及電力、熱力、開停工等自動保護、應急處理、緊急停車等連鎖、聯動系統。但只是基本的初級的表層的；第二層次則是具有安全防范性質的應急控制技術。將安全監測與應急控制結合在一體的儀器儀表或系統則稱為安全監控儀器儀表或安全監控系統；第三層次則是動態過程控制與安全監控功能為一體的綜合安全控制系統。包括過程控制、安全狀態信息監測、實時仿真、應急控制、自診斷以及專家決策等。
4 安全儀表系統的市場
隨著安全儀表系統標準被更好地認識、理解和接受，以及全球制造業向中國和印度擴張，安全儀表系統的需求日益增加，安全儀表系統市場有了極大增長。ARC Advisory集團2008年一份名為《安全和關鍵控制系統全球展望－2012年前市場分析和預測》的報告指出，全球安全系統市場總值將從2007年的14億多美元增長到2012年的25億多美元，年復合增長率超過12％。如圖13所示。
圖13 SIS世界市場預測
如今大多數安全儀表系統(SIS)供應商，例如ABB、GE、霍尼韋爾、Invensys、羅克韋爾、西門子和橫河等，都同時是基本控制系統(BPCS)供應商。沒有涉足BPCS業務的SIS供應商則有HIMA 和ICS Triplex。新進入這一領域的公司則有艾默生、RTP和MTL。但是艾默生提供的結合了Delta V控制系統的Delta V SIS，自2005年底銷售以來獲得了相當大的市場份額。RTP的2500和MTL的Safety Net最近才獲得TV的安全應用認證。 經過認證的SIS產品一覽表見表4。
表4 經過認證的SIS產品一覽（由Exida功能安全權威組織提供）
FMEDA:Effects and Diagnostic Analysis
目前，歐洲、中東和非洲是安全系統最大的市場，其次是亞洲和北美。北美市場正在縮小，而中國和印度領軍的亞洲市場在迅速膨脹。大多數亞洲國家市場都比歐洲市場增長快，但由于歐洲市場本身規模大，亞洲市場要在規模上趕上歐洲還需要幾年。另外，由于日本繼續在安全保護領域使用繼電器或邏輯器件，其可編程安全系統市場依然很小。
自從IEC 61508通用安全標準、IEC 61511以及ANSI/ISA-84.00.01過程安全標準頒發以來，全世界的生產商對于安全問題有了新認識。都在進一步尋求高效的安全系統來進行保護。這導致對SIL2系統的需求增加，而對SIL3系統日益冷落。
據"Safety Instrumented Systems (SIS) in China"不完全統計，2006年中國的安全儀表系統購置總數477臺，約7.42億元市場規模。Invensys- Triconex作為主要供應商，約占中國市場的三分之一。在中國的主要供應商有：
ABB A/S
GE Fanuc Automation
HIMA Paul Hildebrandt
Honeywell Safety Management Systems
ICS Triplex
Invensys-Triconex
Rockwell Automation
Siemens
橫河電機有限公司
安全儀表系統一般用作緊急停車系統（ESD）、燃燒管理系統（BMS）、火焰瓦斯檢測系統（F&G）、高壓保護系統（HIPPS，High Integrity Pressure Protection System ）和PL防護系統（PPS）。
5 安全儀表系統的發展
5.1 冗余機制的變化
安全保護系統從20世紀60年代開發，以氣動和繼電元件為主。到70年代，由簡單的繼電器系統發展為微處理器和可編程序調節器（PLC或PC），并且由單回路系統發展為冗余系統和容錯系統。SIL3安全度等級是石油化工行業的最高安全等級。而最新等級的產品則符合SIL4的要求。從70年代開始產生于航空領域的三重冗余多數表決機制（TMR, Triple Modular Redundancy）開始用于安全系統。90年代，國外一些大公司推出三重化(TMR)、冗錯功能的系統，如圖14所示。如美國Woodward公司的Micro Net TMR系統、Triconex公司的Tricon系統、Honeywell公司的FSC系統、英國ICS Triplex公司的Regent系統等。目前，三重冗余和兩重冗余兩分天下。近期又有CPU的四重冗余(QMR，2oo4D)技術和軟件冗余技術出現，如HIMA的H41q/H51q系統。容錯機制是指一個和多個元件或部件出現故障時系統仍能繼續運行的能力。容錯系統能發現故障并排出故障的影響。新型SIS（如TRICON）可以實現系統所有部件和部分相關設備故障的容錯特性。容錯手段主要是冗余、自診斷和在線維護修理。
圖14 SIS的三重冗余結構示意
現在還有一個能靈活配置的理念。如HIMA公司的HIMax產品支持xMR架構，即X=1，2，3，4，分別構成無冗余，二重、三重、四重冗余。
經驗統計，SIS的系統故障比例是，傳感器為40%，控制器為10%，執行機構為50%。因此執行機構的可靠性是關鍵。隨之產生了二重化電磁閥、切斷閥及在線部分行程試驗（PST, Partial Stroke Test）系統。
霍尼韋爾推出一組安全儀系統運行狀況和可靠性測量系統（SIS-Health Monitoring），幫助專業人員監控安全儀表系統(SIS)的運行狀況和可靠性。通過精確監控系統狀態，減少對其進行的不必要的維護，并能夠將導致安全事故和工廠意外停機的故障減至最少。SIS-Health Monitoring可支持更出色的工作實踐，從而能夠使安裝和運營成本減少20%~30%。報告顯示，有超過20%的工廠事故是由SIS維護和測試錯誤導致的。很多情況下，由于無法精確監控系統狀態，工廠會不斷地進行SIS維護和測試。這種不必要的維護使人為錯誤增多，從而導致更多的系統故障。此外，缺乏可靠性數據也會帶來不必要的SIS工程工作，從而導致系統故障。 霍尼韋爾的SIS-Health Monitoring是一套可通過自定義設置滿足特定工廠要求、條件和過程需求的工具箱，包含以下兩個模塊：健康監控本地可靠性數據庫(SIS-Health Monitoring Local Reliability Database)適用于任何SIS。SIS-Health Monitoring可根據站點儀表的故障行為確定可靠性和安全性能特征，例如趨勢和故障率等。健康監控分析工具箱(SIS-Health Monitoring Analysis Toolset)可支持操作人員分析、驗證和優化SIF可靠性及其安全完整性水平(SIL)。
5.2 安全系統與控制系統的集成
以前，工廠控制系統和安全系統往往分別設計、分別建設，主要原因是控制系統的可靠性不足以保證安全系統的可靠性。由于近10年來PLC和DCS技術的發展，其可靠性大幅度提高，成本降低，柔性增強。相反，安全系統仍然遵守一些陳舊的技術和標準，配線成本膨脹，檢驗時間過長，系統更新困難。因此，人們開始對陳舊的安全系統提出了疑問。
德國PROFIBUS協會（PNO）在1999年初，在PROFIBUS的基礎上，提出了PROFI safe安全應用接口標準，使安全系統與控制系統通信和集成成為可能。目前，已有包括石油化工在內的3000多套系統應用。其優點是：（1）PROFIsafe 和PROFIBUS標準功能的系統可以共存、連接和通信；（2）大幅度降低電纜成本和設備成本；（3）設備診斷和狀態監視變得簡單；（4）減輕了維護人員和設計人員的技術負擔；（5）備品備件還可減少。由于現場總線技術也通過了SIL認證，故安全系統也可和現場安全儀表產品、現場總線（HART、Foundation Field bus）、DCS產品、工廠儀表設備資產資源管理系統（PRM）集成，使用統一的人機界面和工作站，功能大大增強。DCS與SIS 集成的三種方式如圖15所示。
圖15 DCS與SIS集成的三種模式
5.3 機組診斷與SIS的集成
分析壓縮機機組故障及其診斷的特點，引入模糊集合概念和模糊控制理論，將維修專家形成的故障現象模型與實際進行比較，對運行情況進行評定，建立壓縮機機組故障診斷模型，應用于機組控制和診斷過程，能有效地減少人為因素影響，使得故障診斷準確、快速。通過對故障診斷的分解，應用模糊數學的基本原理，選定典型故障現象和原因，分析其對應關系，確定其權重以及模糊關系矩陣。再經過系統組態，將壓縮機診斷系統模塊集成到機組保護系統。使壓縮機機組以最佳控制方案，并且在非滿負荷工況下，效率高，操作范圍寬，運行安全，具有足夠的靈活性和可靠的防喘振保護性能。通過掌握工藝過程和壓縮機的操作性能，對壓縮機機組故障進行分析和研究，進行壓縮機機組的故障診斷，從而使壓縮機控制系統達到最佳化和最優化。
5.4 構成一體化的安全監控系統
與模擬技術、仿真培訓、專家系統、知識系統等整合、融合，組成完整的安全管理系統。如圖16、17、18所示。
圖16 實時在線化學品泄漏應急響應處置系統模擬擴散云圖
圖17 化學品儲罐泄漏模擬
圖18 日本某工廠周邊地區氣體排放濃度模擬
5.5 國內制造商和服務商悄然興起
以北京康吉森安全工程公司和北京昊圖自動化工程公司為代表，希望有能力在未來成為安全工程公司（Safety Engineering Company）。不僅是安全儀表系統的生產制造商、供貨商，而且在流程工業的風險評估、安全等級劃分、安全系統設計等安全生命周期的各階段展開工作，成為集安全產品、工廠一體化安全解決方案與安全咨詢為一體的安全工程公司。主要工作方向是大型石化工業安全儀表系統國產化的研發；大型石化工業機組控制系統國產化的研發；組建安全評估咨詢團隊，提供安全和可靠性評估報告；組建由安全認證工程師組成的國際水平的工程師隊伍， 確保工程質量；開展國際交流，在中國推廣IEC61508和IEC61511標準的應用等。
