工业自动化领域安全技术的现状与发展趋势

一、概况　　随着我国国民经济的高速发展，重大安全事故时有发生，工业安全已越来越受到政府和人们的关注。由中国自动化学会仪表与装置专业委员会、上海市自动化学会自动化仪表及应用专业委员会主办的“工业自动化领域安全技术的现状与发展趋势”研讨会于2009年11月6日在上海新国际博览中心召开。由于在“2009年中国国际工业博览会——工业自动化展”期间召开，因此有来自全国有关企业、用户、研究设计院所和大专院校的专家与工程技术人员约100人出席了会议。　　上海自动化仪表股份公司、ABB（中国）有限公司、法国欧申防雷上海公司、西门子（中国）有限公司、上海宝信软件股份有限公司、施迈赛工业开关制造（上海）有限公司、Pilz（皮尔磁）中国公司、上海仪器仪表自控系统检验测试所、上海辰竹仪表有限公司共10位专家作了精彩的主旨报告。　　中国自动化学会仪表与装置专业委员会常务委员吴勤勤教授与上海自动化学会副理事长范铠教授级高工主持了会议。　二、专家报告　　上海自动化仪表股份有限公司DCS分公司朱强总工首先介绍“自动化控制系统功能安全要求”，细述了功能安全标准、功能安全概念、系统设计的功能安全管理、措施和技术。他指出：风险控制、安全生命周期和安全完整性等级是IEC 61508标准的精髓，在我国，等同于该标准的国家标准是GB/T 20438已于2006年颁布。在IEC标准中，安全被定义为“不存在不可接受的风险”；安全：存在的风险小于可容忍的风险；危险：存在的风险大于可容忍的风险。功能安全研究的对象分为两大类：安全控制系统和安全保护系统，它们统称为安全相关系统。功能安全管理也叫安全计划，目的是在需求、设计、开发、产品、安装、使用等各生命周期阶段避免失误。采用的措施和技术包括硬件与软件，例如在系统设计中通常采用的是冗余设计，在要求严格的场合，还采用多样性技术，其作用是防止安全系统出现故障，在我们的一个工程项目中除采用“四取二”的安全保护系统外，按照美国专家的建议还采用多样性系统，实际应用取得了功效。
朱强总工
曾硕巍经理　　　ABB（中国）有限公司曾硕巍经理接着介绍“ABB——致力于安全解决方案30年”，阐述了IEC 61508及IEC 61511功能安全，ABB在功能安全。他讲述1979年ABB向挪威侧北海平台提供第一套安全控制系统，至今ABB已有25年一体化安全解决方案的经验。从那时起，ABB向市场推出了覆盖所有主流框架结构的安全系统，包括一重化、双重化（DMR）、三重化（TMR）和四重化（QMR）结构。ABB新一代用于流程工业的自动化解决方案是800xA高完整性系统，它是先进的安全仪表系统，不仅具有SIL 3等级的AC 800M高完整性控制器及S800高完整性I/O等产品，还具有市场独有的内嵌式多样化技术，如软件多样化的逻辑解算器和硬件多样化的S800 I/O模块等。800xA系统可进行SIL 3等级的点对点的对等通信，支持ESD阀部分冲程测试，这种一体化的安全系统可灵活配置，可实现更高的生产率和更低的所有权费用。该系统在中国已用于300公里的福建天然气接收站及管线等工程项目。　　法国欧申（Eurptect）防雷上海公司尹群总工介绍“老化后不中断信号传输的新型DCS电涌保护器（SPD）”细述了DCS系统信号电涌保护的发展现状，DCS信号系统对SPD工作状态批示和老化后不影响系统工作方面的应用。他简述自动化仪表信号SPD产品的种类，按使用对象分，有传感器类、变送器类、控制总线类、以太网类等；按外形结构分，有导轨安装式和管螺纹安装式。SPD的发展趋势是通用型向专用型发展，安装尺寸小型化、标准化，整体型SPD向防雷模块可插拔发展，不断提高自身与使用安全性能。近年来，SPD厂商重点研发SPD自身故障不影响系统工作和如何判断SPD是否正常的技术，欧申公司利用电涌保护元件在老化后因漏电流加大通常会产生较高温度的特点，完成了拥有专利的热脱离结构，保证老化元件脱离后不再参与回路工作，并使SPD工作窗由白色转为红色，提醒维护人员更换信号防雷模块，及时排除故障根源。　　西门子（中国）有限公司李佳经理（女士）介绍“灵活可靠的安全集成解决方案助您生产一臂之力”，阐述安全标准、安全产品、解决方案、安全应用与编程。她阐释故障安全（Fail safe）系统是如何实现的主要依靠硬件和软件结合成就强大的自诊断功能；采用特殊技术保证软件运行的可靠性；具有冗余功能，即使一部分失效，也能维持系统运行安全；安全的通信机制。这种系统一般不会失效，即使失效也是在可预测的范围内，一旦失效，系统将进入安全模式。西门子具有用于工业自动化的集成安全技术和多种安全产品，如针对过程工业安全，有SIS系统，包括安全控制器、冗余技术、故障安全I/O、总线系统与各种变送器等；针对制造业安全，有故障安全PLC、故障安全I/O、Profisafe安全通信，故障安全继电器，传感器与驱动装置。其中，用于系统级安全解决方案的控制器有模块化安全控制器，预装嵌入式Window XP和Win AC RTXF的嵌入式安全控制器与基于PC的Win AC RTXF安全软控制器。根据安装环境，有适用控制柜内或露天环境的安全控制器。上述安全型控制器，经TÜV认证支持IEC 61508标准到SIL 3等级，能实现集中或分布式控制，使用STEP 7软件的FBD/LAD语言进行程序编写更简单。西门子的解决方案优势是：一个控制器、一个控制软件和一条总线可构建标准和安全相关系统；基于控制器，可灵活地连接到Profibus/Profinet(Profisafe)；模块化的安全系统可连接多个传感器和执行机构。在中国，已应用于奇瑞（Chery）汽车有限公司生产线等工程项目中。　　罗克韦尔自动化（中国）有限公司王旭光经理介绍“Rockwell工业安全解决方案”，他叙述目前世界机器安全市场营销排名为Rockwell、OMRON、Siemens、SICK、Pilz。罗克韦尔在中国没有设厂，因此本公司进入中国市场的安全产品全部是从国外进口的。罗克韦尔的自动化集成架构可以满足过程控制、机器控制、运动控制、安全控制等需求，安全产品包括PLC、安全继电器、感应装置、门锁开关等。2009年推出的新产品有速度监控继电器，能直接监控编码器信号，如有突然振动、突然超速，可使有关装置慢、停下来。PLC有小型到大型的，大型产品如Guard LogX集标准与安全功能于一身，经认证达到SIL 3级，用它可使标准与安全控制通信在同一网络上进行，并使用同一软件平台。罗克韦尔的机器安全解决方案已用于汽车生产线，火力、风力发电，航空母舰（美国）等，还有用于过程工业的SIS、ESD系统，已用于石油开采、冶金、水泥、纸浆工业等。　　上海宝信软件股份有限公司康琳琳女士介绍“能源化工行业危险源一体化综合监控与应急联动处置系统”，她讲述近年来我国发生巨大人员伤亡事故究其原因，是实时信息采集滞后，调度指挥响应不及时；事故前预防机制缺乏，管理环节断链；事故后处理措施不当；政府监管不到位等。宝信软件公司专门针对石化、化工等流程行业的应用特点，开发了iCentroView软件，它是集自动化监控、信息采集、生产监视、生产调度、应急预案、事故应急处理为一体的软件平台。用其主要实现：对企业内重大危险源的视频监控、污染物排放实时监控、对重要生产装置安全运行和节能减排措施进行监控和性能评估；内建企业应急联动和救援数据库、化学品危害数据库；可实时掌握重要场所和重要设施的安全运行状况/预防事故的发生；在事故发生时，可及时、有序地组织调度和应急救援，在事故处置过程中智能完善预案。这种自主研发的综合一体化智能监控指挥平台，已成功应用于上海华谊集团生产调度和应急联动中心、宁夏英力特化工生产调度和应急中心，此外，还成功应用于中石油广西石化1000万吨/年炼油工程。　　施迈赛工业开关制造（上海）有限公司王廷琪经理介绍“施迈赛安全保护10周年”，主要阐明安全标准的选择、施迈赛安全产品系统框架、安全产品的开发和趋势。施迈赛安全产品分类为：机电类开关产品（如常开、常闭开关）、电子技术产品（微电子和半导体类元器件）、总线控制产品（AS-i总线）、无线控制产品（RFID），防爆产品（ATEX）。安全产品的发展趋势是：电子化趋势（带自诊断功能），人性化设计（如产品有圆滑表面、有指示灯），使用、维护方便，有组网能力，满足个性化选择，不断融入新技术（如采用电/磁、无线遥控等技术）。　　Pilz（皮尔磁）中国公司黄之炯经理介绍“全新的自动化系统”。他述说控制系统的发展，从上世纪70年代集中式的输入和输出，80年代的分散式输入和输出，现今集中式的控制系统，正向模块化的分散式控制系统发展。皮尔磁根据这种趋势研发了新型完整的自动化系统PSS 4000，其结构特点是：硬件结构上互相独立；软件结构上模块化；所有的输入输出点变量是共享的。该系统应用范围，包括标准控制、安全控制、运动控制、操作与监控（有可视化界面、诊断功能等）。该系统采用实时以太网SafetyNETp；硬件有用于安全和标准控制的PLC、接口、众多种类的I/O模块；软件采用IEC 61131-3语言，可用于标准和安全控制的通用型编程，如采用创新的PAS 4000软件可根据需求先完成编程然后定义目标硬件（性能等级和结构），打破了惯用的先确定硬件后再编程和设计流程，便于自上而下或自下而上进行系统设计，可节省设计时间、提高设计质量、减少错误。今后，除小型工程外，大型工程项目的标准与安全控制趋向统一，PSS 4000迎合这种趋势，支持大中型工程项目的并行工程流程。　　上海辰竹仪表有限公司吕建国经理介绍“自控系统的防爆解决方案”，他详述各种防爆技术及有关产品在自动化控制中的市场份额为：本安型占40%，隔爆型占30%，普通型占20%，无火花型占10%。本安防爆的优点是：采用熔丝保护，无需防护电缆及专门的密封措施，防护简单；特别低的电压和电流，对人身安全；唯一允许工作在0区危险场所，是最为安全的技术；结构简单、体积小、重量轻；可在带电工况下进行维护、标定、更换；适应自控系统向数字化、网络化、总线式发展。辰竹公司自控系统的防爆解决方案是采用本安防爆与浪涌保护合二为一的技术与产品，这比某些著名外商的产品更简化，可节省空间、减少接线，经有关机构认证，具有高达10 kA（8/20 μs）的放电能力，这类防爆防雷产品已广泛应用于石化（占31%）、冶金（占18%）、煤炭（占13%）、电力（占10%）等行业。　　上海仪器仪表自控系统检验测试所张艾森先生介绍“SIS安全仪表系统的电磁兼容的要求”，他论述了与功能安全相关的电磁兼容性（EMC）标准、IEC 61508中有关EMC的要求、IEC 61326系列标准中关于功能安全相关的EMC规范、设备功能在抗扰度试验中允许的影响等。他介绍，根据上述标准，涉及到安全功能性的所有安全相关系统设备的部件必须在所有相关环境中按规定的要求工作。这种环境影响，包括气候、机械、化学、电磁、爆炸性环境，安全仪表系统在执行安全功能时，如遇到电磁干扰，可能会产生错误、误动作、故障和损坏，从而导致SIS系统的性能下降或失效，甚至引起危险，所以自动化系统进行功能安全设计时，要考虑电磁环境，进行EMC设计；产品设计完成后，应进行符合IEC 61326-1的一般EMC要求的试验，试验合格后，再进行附加的IEC 61326-3的安全EMC要求试验。EMC试验前，应制定EMC试验计划，内容包括受试设备的配置、工作状态、性能判据和试验描述。三、效果与反映　　通过这次研讨会，许多代表认为对下述4方面有了深入的了解：　　① 自动化安全技术的集成解决方案（80xA高完整性系统），西门子针对过程工业安全和制造业安全的安全集成解决方案，以及Rockwell工业安全解决方案。　　② 新软件、新系统与新产品：如上海宝信研发的能对企业危险源进行监控及事故应急处理为一体的软件平能iCentriViewl软件，Pilz具有安全功能的新型完整自动化系统PSS 4000，以及施迈赛的安全产品等。　　③ 防爆防雷的解决方案：如上海辰竹公司采用本安防爆与防雷合二为一的解决方案与产品，法国欧申公司DCS防雷用的新型浪涌保护器（SPD）。　　④ 电磁兼容性（EMC）的设计与试验；凡功能安全性产品，需按有关标准进行设计与试验，并要按有关程序认真仔细的进行。　　总之，通过上述“四个了解”，进一步领会IEC 61508与IEC 61511标准的精髓，聆听大量的应用实例后，不少代表认为对今后的深入学习IEC标准、设计、选型与应用大有帮助。（来源：上海工业自动化仪表研究所）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　中国自动化学会仪表与装置专业委员会　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2009年12月