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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、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》。
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紧急停车系统的概念紧急停车系统是一种车载安全系统，旨在帮助驾驶员在紧急情况下迅速停车并避免事故发生。
该系统通常与车辆的智能驾驶和安全功能相结合，提供了一系列能够自动帮助驾驶员采取紧急制动措施的技术手段。
紧急停车系统的工作原理主要分为三个步骤：检测紧急情况、警告驾驶员和自动刹车。
系统通过使用传感器以及车辆内部的各种监测设备来检测紧急情况。
传感器可以监测车辆周围的障碍物、车速、距离等参数，并与车辆的电子控制单元相连。
一旦检测到紧急情况，系统会立即向驾驶员发出警告信号。
这些警告信号可以通过仪表盘或其他显示屏幕来呈现，例如闪烁的指示灯、声音提示、震动等。
警告信号的目的是提醒驾驶员采取行动并注意当前的紧急情况。
除了发出警告信号外，紧急停车系统还可以自动刹车以减轻事故的严重程度。
系统会自动分析当前的驾驶状况，包括车速、制动距离、路面状况等，并根据这些参数决定是否需要自动刹车。
如果系统认为当前情况需要紧急制动，它将通过车辆的制动系统来实现自动刹车。
在紧急制动过程中，系统会自动调整车辆的刹车力度和时间，以确保车辆能够尽快停下来，同时保持在安全的稳定状态，避免产生任何额外的事故风险。
紧急停车系统的优势在于它可以帮助驾驶员在紧急情况下做出更快速和准确的反应。
这是因为系统利用了车辆的传感器和监测设备，能够比人类驾驶员更快地检测到紧急情况，并在更短的时间内做出反应。
此外，紧急停车系统还可以帮助驾驶员避免一些常见的驾驶错误，例如追尾、刹车不及时等。
系统通过自动刹车以及发出警告信号，可以提醒驾驶员及时采取措施，并避免发生与其他车辆或障碍物的碰撞。
然而，紧急停车系统也存在一些挑战和限制。
首先，系统的准确性和可靠性对于确保驾驶员的安全至关重要。
需要系统能够准确地检测到紧急情况，并在最短的时间内做出反应。
此外，系统还需要考虑到车辆的各种驾驶状况，如不同的车速、路况和制动距离，以确保自动刹车的有效性。
其次，紧急停车系统还需要克服一些技术和法律方面的挑战。
ESD紧急停车控制系统（以下简称ESD）的定义和构成ESD是Emergency Shutdown Device的简称，中文的意思是紧急停车控制系统，它是一种经专门机构认证、具有一定安全等级，用于降低生产过程风险的安全保护系统。
它不仅能够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紧急停车控制系统基本组成大致可分为三部分：传感器单元、逻辑运算单元、最终执行单元。
（1）检测单元采用多台仪表或系统，将控制功能与安全联锁功能隔离，即检测单元分开独立配置的原则，做到ESD仪表系统与过程控制系统的实体分离。
（2）执行单元是ESD仪表系统中危险性最高的设备。
由于ESD仪表系统在正常工况时是静态的，如果ESD控制系统输出不变，则执行单元一直保持在原有的状态，很难确认执行单元是否有危险故障，所以执行单元仪表的安全度等级的选择十分重要。
（3）逻辑运算单元包括输入模块、控制模块、诊断回路、输出模块四部分，依据逻辑运算单元自动进行周期性故障诊断，基于自诊断测试的ESD仪表系统，系统具有特殊的硬件设计，借助于安全性诊断测试技术保证安全性。
二、ESD的配置方案1、我公司使用的ESD系统，设备采用Honeywell生产的SM系统，系统具有以下特点：（1）系统独立设置（含检测和执行单元）；（2）中间环节最少；（3）为故障安全型；故障安全原则是指当外部或内部原因使ESD紧急停车控制系统失效时，被保护的对象应按预定的顺序安全停车，自动转入安全状态。
具体内容如下①现场开关仪表选用常闭触点，工艺生产正常时，触点闭合，达到报警或联锁极限时触点断开，触发联锁或报警动作。
为了提高安全性可以采用“二选一” 、“二选二” 、“三选二”配置。
②电磁阀采用正常励磁，报警或联锁没有动作时，电磁阀线圈带电，触点闭合；报警或联锁动作时，电磁阀线圈失电，触点断开。
什么是紧急停车系统(ESD)
紧急停车系统(EmergencyShutDownSystem , ESD),也称安全联锁系统(SafetyInterlockingSystem, SIS),是对石油化工等生产装置可能发生的危险或不采取措施将继续恶化的状态进行自动响应和干预，从而保障生产安全，避免造成重大人身伤害及重大财产损失的控制系统。
紧急停车系统按照结构来分，可分为双重化冗余和三重化冗余两种。
双重化冗余ESD系统从I/O模件到CPU、通信模件都是双重化配置的。
其中一套处于工作状态，另一套则处于热备状态三重化冗余ESD系统与双重化冗余ESD系统最大的区别是三重化冗余ESD系统的三重化设备同时处于工作状态，因此它需要有更强大的硬件诊断功能，在检测到某一通道的硬件有故障时，立即发出系统报警并适当地调整相应通道的选择运算方式，但系统仍能安全地运行，所以三重化系统也被叫做〃冗余容错〃系统。
紧急停车系统有哪些特点？
(1)系统的最终目标都是为了确保工艺生产的安全，保护生产设备和操作人员不受伤害；
(2)开关量输入检出元件选择正常状态下闭合，线路断开等同于联锁动作，即系统为故障安全型；
(3)输出电磁阀或继电器选择为正常励磁，只有当输出线路发生故障时才产生动作；
(4)当无论何种原因使生产装置停车(Shutdown)时，ESD系统所控制的目标元
件所处的状态都要确保生产安全。
ESD紧急停车系统ESD系统为满足系统要求设置的，当工艺过程中出现异常情况时，将自动关闭各种设备或由操作人员进行手动紧急停车。
每套站控系统中为原油和成品油各设置一套独立的ESD系统，安全度等级为SIL3。
ESD设备与以下设备连接：可燃气/火灾检测报警系统系统监控设备异常超压就地ESD按钮现场仪表，包括变送器、开关、电磁阀及电动阀等工艺设备等火灾紧急停车信号通过硬线信号由可燃气/火灾检测报警系统传到ESD系统。
ESD系统：ESD设备具有TVU认证。
ESD系统软件具有TVU认证。
ESD能接受所有与输油站状态相关的信号，并按照每一个逻辑功能要求进行动作。
ESD系统采用模块化设计，易于扩展，卡件可在线热插拔，易于维护。
ESD系统具有高度、全面的智能化自诊断功能，通过诊断信息可减少故障处理时间。
系统具有在线组态，在线修改的能力。
具有远程诊断和组态功能。
ESD系统具有良好的开放和安全性的网络通讯能力。
ESD具有执行逻辑功能。
在运行逻辑方面，ESD设计成为失效安全型。
ESD的输入在报警或不正常条件下应移向开路位置。
在正常状态下，逻辑电路输出应保持带电状态，在任何输入变成开路时将导致相应的输出电路关电。
开路和短路不会造成损害性停车。
所有的数字输出模板提供与跳闸点和输出状况有关的输入状态的可视显示。
所有的输出卡都能显示输出信号的状态。
ESD输入和输出继电器取得和ESD设备相同的SIL等级认证。
多个逻辑回路的每个回路均能单独组态和维护，当一个回路组态或维护时，不会影响其它回路。
ESD有足够的设备满足不同数量的I/O逻辑要求。
ESD的运行循环时间最大为150m，处理器响应时间小于10m。
在运行在ESD系统中提供事件顺序记录。
1.1故障安全控制系统S7-400FH概述SIMATICS7-400F/FH是SIMATICS7系列产品之一,是基于S7-400H冗余容错技术的故障安全控制系统。
一旦工艺安全联锁条件具备或任何系统内部故障发生时,S7-400F/FH就立即进入一种安全工作状态,即保持在一种安全工作模式上,从而保证操作人员、设备、环境和生产过程处于安全状态。
紧急停车系统控制系统说明：紧急停车系统（ESD）1. ESD的概念紧急停车系统，简称ESD（Emergency Shutdown Device），是90年代发展起来的一种专用的安全保护系统，以它的高可靠性和灵活性而受到一致好评和广泛应用。
不同的厂商、不同的行业，对这一装置的叫法有所不同。
一般的叫法包括安全仪表系统（Safety Instrument System）、安全联锁系统（Safety Interlock System）、紧急跳闸系统（Emergency Trip System）、安全关联系统（Safety Related System）、仪表保护系统（Instrument Protective System）等。
ESD是一种专门的仪表保护系统，具有很高的可靠性和灵活性，当生产装置出现紧急情况时，保护系统能在允许的时间内做出响应，及时地发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护。
目前，国际上的知名DCS或PLC厂商都推出了针对安全的ESD系统，如YOKOGAWA的Prosafe、Honeywell 的FSC等等。
真正专门生产ESD的主要有HIMA和TRICONEX两家。
在国内，尚没有ESD设备研发生产厂家。
2. ESD和DCS的异同ESD系统和DCS系统虽然独立完成不同的功能，但服务的对象却是同一套装置，两者之间需要也应该建立数据联系，特别是ESD系统，其动作条件、联锁结果、保护措施等都需要在上位机通过各种方式在线监视。
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，项目ESD DCS不同点当生产装置出现紧急情况时，直接发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。
用于过程连续测量、常规控制、操作控制管理，保证生产装置平稳运行。
静态系统。
正常工况下，始终监视装置的运行，输出不变，对生产过程不产生影响。
异常工况下，按着预先设计的策略进行逻辑运算，使生产装置安全停车。
“动态”系统。
它始终对过程变量连续进行检测、运算和控制，对生产过程动态控制，确保产品质量和产量。
必须测试潜在故障。
可进行故障自动显示。
维修时间非常关键，否则会造成装置全线停车。
对维修时间的长短要求不算苛刻。
永远不允许离线运行，否则生产装置将失去安全可进行自动/手动切换。
ESD的显著特点主要表现在以下几个方面：l 系统必须有很高的可靠性和有效性(如冗余)。
l 系统必须是故障安全型的。
l 如果故障不能避免，故障必须是以可预见的安全方式出现。
l 强调内部诊断，采用硬件和软件相结合，检测系统内不正常的操作状态。
l 采用故障模式和影响分析技术指导系统设计，要确定系统的每个元件会出现怎样的故障，以及怎样检测出这些故障。
l 该动则动，不该动则不动。
：在石化等工业企业的重要装置，例如催化、焦化、加氢等系统都独立设置ESD系统，其必要性在于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。
DCS故障时ESD 联锁系统作为最后一道安全防线将装置安全地停下来，避免事故扩大。
3. 安装ESD的意义近半年世纪以来，工业的飞速发展给人们带来巨大经济效益的同时，也伴随着越来越多的火灾、爆炸等事故。
特别是高温、高压、易燃、易爆、有毒的化工行业以及一些大型高速运转设备，一旦发生一次事故，将会导致巨大经济损失，轻者设备损坏，重者机毁人亡。
仅美国电子工业每年因静电造成的损失达几百亿美圆，因此，ESD防护对于减少损失、提高产品质量与生产效率具有非常重要意义。
对于大型装置或旋转机械设备而言，对于实时控制装置，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；DCS系统是过程控制系统，是动态的，需要人工频繁的干预，而且DCS操作界面主要是面对操作员的，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。
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ESD系统是十分有必要的，这是作好安全生产的重要准则。
在正常范围内允许控制系统手自动切换和手动操作，但操作人员某些重大失误也可能造成不安全，为了克服人为的不安全因素，安全系统应从一般控制系统分离出来；装置周围环境如发生火灾或可燃性气体、有毒气体导致影响设备安全和人身安全时，也需要安全系统发挥作用，4. ESD设计4.1. 遵循原则l 安全度等级是设计的标准在ESD的设计过程中，首先应该确定生产装置的安全度等级，依据此安全度等级，选择合适的安全系统技术和配置方式。
目前，我国对于生产装置的安全度等级的划分尚没有设计规范和标准，在应用中应该参照国际上的有关标准，参比同类装置已经采用的ESD运行情况，结合本企业的生产实际情况，来确定采用ESD的安全等级要求。
根据经验，石化装置一般采用的ESD安全等级为SIL3，即TÜV的AK5或AK6。
l 紧急停车系统必须是故障安全型故障安全指ESD系统在故障时使得生产装置按已知预定方式进入安全状态，从而可以避免由于ESD自身故障或因停电，停气而使生产装置处于危险状态。
l 紧急停车系统必须是容错系统容错是指系统在一个或多个元件出现故障时，系统仍能继续运行的能力。
一个容错系统应该具有以下的功能：n 检测出发生故障的元件。
n 报告操作人员何处发生故障。
n 即使存在故障，系统依然能够持续正常运行。
n 检测出系统是否已被修理恢复常态。
4.2. ESD的冗余l ESD一定是有安全证书的PLC。
l 应该充分考虑系统扫描时间，1ms可运行1000个梯形逻辑。
l 系统必须易于组态并具有在线修改组态的功能。
l 系统必须易于维护和查找故障并具有自诊断功能。
l 系统必须可与DCS及其它计算机系统通讯。
l 系统必须有硬件和软件的权限人保护。
l 系统必须有提供第一次事故记录（SOE）的功能。
l 系统具有完备的冗余技术4.3. ESD组态ESD系统组态的主要内容是系统参数设置、硬件配置和通讯通道的连接。
控制程序的设计主要是利用硬件厂商提供的编程软件进行逻辑描述，只要拖、选中各种逻辑门或触发器，进行有机连接就可实现联锁功能。
其一般步骤包括：l 首先确定工艺正常时联锁输入、联锁输出采用常开触点，还是常闭触点。
l 依据控制方案信号逻辑关系，列出表达式，绘出逻辑图。
l 根据逻辑图，用编程软件进行逻辑图的描述，即进行离线程序的开发。
厂商提供的编程软件一般都要遵守可编程控制器的IEC1131-3国际标准，支持包括梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）、指令表（IL）以及第三方编程器在内的多种编程语言和方法。
由于LD简单明了且执行速度快，故一般采用此种方法进行ESD组态。
4.4. ESD调试ESD在线的调试对于检验系统组态和控制程序的正确与否，起着关键的作用，其调试的具体内容包括：l 联锁的再次确认由工艺、设备和自控专业技术人员，讨论联锁设置是否正确，根据工艺设备的要求，再次对联锁条件进行确认。
l 对系统的输入、输出值进行检查核对观察卡件诊断图上有无显示输入、输出开路的现象。
如有，应检查输入、输出与现场仪表是否连接好，现场仪表接线是否正确。
l 联锁的调试依据联锁图，人为操作使联锁条件逐个满足，激发联锁回路动作，检查联锁输出状态是否正确，检查现场各个执行机构动作是否灵敏，位置是否正确。
将可能出现的各种条件都予以考虑，形成各种条件组合，作为联锁激发条件，检查联锁回路动作是否正确。
l 联锁画面检查由工艺专业技术人员仔细检查工艺流程有无错误，设备名称、工艺管线，物料等标注是否正确，联锁画面的翻页，切换和调用是否方便。
由自控专业技术人员检查联锁画面中的软开关和按钮动作是否正确，显示数据，图中的色变是否正确，设备的开停状态和电磁阀的开关状态显示是否正确。
l 检查第一事故记录（SOE）的功能在调试过程中，可以人为改变DI或DO信号的逻辑值，然后在SOE程序中查看是否正确记录即可。
l 组态数据库的保存在调试完成后，应该将控制器中的组态数据库文件及时进行转存，并标注转存时间，以便以后进行恢复或继续修改，避免因各种原因造成组态数据库文件丢失。
4.5. 相关仪表的选型原则l 独立设置原则为使ESD免受其他关联设备的影响，现场仪表设计时应遵循“独立设置原则”，从检测元件到执行元件尽量采用专用设备或仪表。
l 中间环节最少原则回路中仪表越多可靠性越差，典型情况是本安回路的应用。
在石化装置中，防爆区域在0区的很少，因此可尽量采用隔爆型仪表，减少由于安全栅而产生的故障源，减少误停车。
l 故障安全原则意味着现场仪表出现故障时，ESD能使装置处于安全状态。
现场仪表采用何种故障安全配置回路，由发生的主要故障来决定的。
