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》。
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DINV 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。
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。
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18 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：MDTMTBF MTBFA +=（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。
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。
