★ 王軍防（國家管網集團東部原油儲運有限公司，江蘇 徐州 221700）

★ 張超（中電智能科技有限公司，北京 102209）

★ 吳尚書（國家管網集團東部原油儲運有限公司，江蘇 徐州 221700）

★ 艾華（中電智能科技有限公司，北京 102209）

★ 周明（國家管網集團東部原油儲運有限公司，江蘇 徐州 221700）

關鍵詞：SIS技術；安全聯鎖；工業控制；設計原則

安全聯鎖系統（Safety Interlock System， SIS）是工業自動化安全管理系統中的核心技術，主要承擔工業自動控制系統的安全報警和聯鎖保護任務^[1]。作為工業自動控制架構中不可或缺的關鍵部件，該系統可針對控制系統監測到的各種狀況自動觸發警報或執行停機控制。通過識別潛在的危險過程狀態，系統可及時采取防控或糾正措施，確保工業設備始終保持在安全運行閾值之內；面對極端風險工況，系統能夠快速切斷危險源，保證設備和生產過程的安全。在工業自動化技術日新月異的今天， SIS的應用廣度和效能水平得到了顯著增強，其在提升安全性能和運行可靠性的工業生產過程中所發揮的作用越來越大^[2]。

1   SIS技術構成與特點

SIS技術由測量單元、邏輯控制單元以及最終執行單元三大關鍵組件構成^[3]。這些組件協同合作，完成了一系列的安全聯鎖功能，確保了工業流程在出現潛在危險時能夠迅速感知并啟動應急響應機制。

測量單元負責持續監控壓力、溫度、濃度等關鍵參數，并實時監測生產狀態的變化。一旦檢測到異常，它會立即向邏輯控制單元發送警告信號，不僅為現場操作員提供了準確可靠的信息，還能及時有效地指導操作人員采取相應措施以減少事故損失。邏輯控制單元作為核心決策單元，負責接收和分析來自測量單元的數據信號，并根據預先設定的安全邏輯規則，迅速作出相應的判斷和決策。這些決策可能包括啟動聲光警報以確保生產的連續性，并無縫地切換到備用系統，或為了立刻打斷可能的危險流程而啟動緊急停機程序。最終執行單元能夠迅速且準確地根據邏輯控制單元的命令執行各種安全措施，例如啟動安全風扇以稀釋有害氣體、關閉關鍵閥門進行切斷、切斷電源以防止設備進一步損壞等，從而迅速將工業過程切換到安全穩定的狀態。這些執行單元包括繼電器和開關，它們通過控制電流來完成保護動作或斷開電路以阻止危險發生。

在工業自動控制領域， SIS技術占據了至關重要的位置，其在安全性、可靠性、可用性、快速響應、獨立性和自動化等方面的優勢，為工業生產的安全性和穩定性提供了堅實的支撐。

（1）高安全性

SIS構建了雙層安全策略，其設計目標是實時追蹤設備的運行狀況，迅速識別并處理故障，從而維護工廠設備的安全。系統通過建立完整可靠的預警模型，實現從“被動”防御向“主動”預防轉變。 SIS持續監測工藝核心參數，在工況出現異常時可迅速采取必要措施，確保其可靠性和穩定性，為未來的安全打下了堅實的基礎。它可以通過實時監測設備運行環境及其與之關聯的傳感器采集的信息，快速響應現場問題并及時做出決策。該系統的整體診斷能力表現出色，故障覆蓋率高達90%以上，能夠預先識別風險信號并布局以防范潛在的安全風險。

（2）高可靠性

SIS具備極強的復雜工藝適配能力與運行可靠性。其核心設計方案采用雙重化（DMR）、三重化（TMR）和四重化（QMR）等多重冗余架構^[4] ，保障了系統的安全功能，即使在單個部件出現故障的情況下，系統也能夠穩定運行，避免了安全防護機制失效。此外， SIS硬件設備能夠抵抗各種環境應力，包括現場電磁干擾，確保了其在各種工業應用場景中的穩定運行，充分體現了其對環境的廣泛適應性和強大的抗性。

（3）高可用性

SIS的設計集成了在線維護功能，在系統出現局部故障的情況下，可迅速地對故障組件進行修復和替換，而無需將整個系統設置為停機狀態，從而提升了生產的連續性和運行效率。該系統將冗余支持、易于維護和降級運行等核心理念整合到高可用性的系統架構中，能夠有效避免因單一故障導致的誤停機，大幅減少了不必要的生產中斷。

SIS的故障自診斷系統機制能夠獨立地對系統中的故障進行檢測、識別和報告，為運維人員提供了準確的信息指導，加快了故障排查和修復效率，進一步提升了系統整體運行的穩定性和可靠性。

（4）快速響應

SIS因其出色的實時響應能力而顯得尤為突出，其從輸入信號的變動到輸出響應的轉換過程僅需50～100毫秒。該系統還整合了事件順序記錄（Sequence of Event， SOE）功能， 能夠將所有指定的輸入、輸出和關鍵狀態變量的變化軌跡按照高精度的時間戳順序記錄下來，為事故分析提供了詳盡、精確的時間線。在事故發生之后， SOE功能為工程師提供了一個關鍵的追蹤和分析工具，可幫助他們迅速地確定事件的發生順序，并識別可能的故障原因，從而制定出有力的改進策略。

（5）獨立性與自動化

SIS技術采用了一種與其他控制系統分離的架構設計，有效避免了系統之間的相互干擾，確保了SIS的純凈性和在緊急情況下的集中注意力。同時在故障發生后系統也能迅速響應，確保了現場作業人員與外界環境之間的聯系暢通，以及整個生產線的運行安全。在遭遇突發狀況時， SIS能夠迅速且自動地激活并執行一系列關鍵的安全措施，這些措施包括但不限于緊急關閉閥門、啟動預設的停機程序以及立即發出警報信號，構建了在最大程度上保障操作人員生命安全和生產設施物理完整性的穩固安全屏障。同時， SIS具備在線監測與報警功能，能夠全天候穩定運行，滿足各類工業生產的安全控制要求。

2   SIS技術的設計原則

SIS設計兼顧安全性能與經濟實用性的雙重目標，并嚴格遵循系統冗余性、獨立配置、故障安全機制和過程適應性等核心設計原則。對SIS系統進行精細化設計和標準化應用，不僅能顯著提高生產作業的安全性，還能有效減少由安全隱患導致的經濟損失和事故風險，從而為企業的持續發展奠定堅實的安全保障^[5]。

（1）冗余性設計原則

為提高SIS的SIL（Safety Integrity Level，安全完整性等級），系統采用多層次冗余設計策略，分別對主處理器、I/O（輸入輸出）模塊以及系統電源進行冗余設置，確保系統在單一的故障場景中，安全功能不會失效。在選擇系統邏輯結構時，還需要考慮到安全性和可用性的需求：在安全性較高的場合，更傾向于使用“或”邏輯；而在安全性較高的場合，則應采用“與”邏輯。在這兩種邏輯都需要的情況下，“三選二”的邏輯結構是最佳選擇^[6]。

控制閥作為SIS的最終執行單元，其冗余設置也需符合SIL等級的規定，而SIL1級可以與SIL2級進行單獨配置，但SIL3級推薦的冗余配置必須是冗余的。考慮到系統的多功能性，可以選擇使用調節閥與切斷閥的組合策略，或者選擇雙切斷閥的設置方法。另外，閥門本身作為執行機構也是不可缺少的。

在選擇邏輯控制單元時， 需嚴格按照SIL等級標準中的SIL1級推薦冗余配置， 而SIL2級則強調冗余的重要性， SIL3級則對冗余設置了嚴格的規定。同時在系統內部設置冗余控制器，以確保其自身運行時不會產生多余信息或錯誤動作。此外， SIS與基礎過程控制系統之間的通信界面也應采用冗余設置，并配備故障檢測功能，以增強數據傳輸的可靠性和安全性。

（2）獨立性配置原則

在設計SIS系統時，嚴格按照獨立和自主的原則，確保它與PLC及其他控制系統能夠獨立地執行安全防護任務。對工業現場設備進行合理劃分，將各個功能模塊集中到一個統一的模塊來處理數據并監控運行狀態，以減少系統間的相互影響。 SIS和PLC都具備各自獨立的測量模塊和數據采集點，在需要同時進行聯鎖和控制的復雜工藝流程中，確保了信號采集過程的準確性和獨立性。

SIS系統在通信網絡方面特別配置了獨立的網絡架構，包括獨立的網絡交換機、服務器和工程師站等關鍵組件，減少了控制和安全功能同時出現故障的可能性。在系統設計階段，主要目標是簡化工作流程并減少中間步驟。針對復雜的SIS系統，建議將其合理地拆分為多個相對獨立的子系統，并配備手動備用操作功能，以增強系統的靈活性和應急響應能力。

（3）故障安全設計原則

SIS具備完善的故障診斷能力，可及時識別系統配置異常、硬件老化等問題并能快速定位故障原因。當系統中的任何部件或設備出現故障時， SIS能夠自動地將整個工藝流程導向一個相對安全的工作狀態或安全的止損位置。同時，系統自身固有的保護特性使其具備很強的自我檢測能力。例如，現場的開關儀表使用常閉接點，電磁閥處于正常勵磁狀態，電氣配電室通過中間繼電器來隔離控制接點。上述措施確保了系統在發生連鎖動作時能夠安全地停機并迅速觸發。

SIS作為工業安全控制的核心設備，在“故障的安全性”方面表現得尤為突出。它不僅是企業重要的自動化安全控制系統，也是生產操作人員開展現場作業的重要安全保障。當系統出現問題，而工藝流程或設備正常時， SIS仍可按照預定的安全停機流程有序地迅速啟動聯鎖機制，確保工藝流程和設備處于安全狀況。

（4）過程適應性設計原則

SIS的構建方式與工藝流程的操作模式基本一致，其目標是在正常操作下為整個工藝流程提供全方位的安全保障。在正常工作狀態下， SIS保障了生產過程的連續性和穩定性，不會對生產流程造成任何不必要的影響；在發生事故情況下， SIS可以及時進行相應的應急響應以保障生產安全。即便在面對工藝過程中可能出現的風險或故障時， SIS仍能通過執行預定的安全防護措施迅速并有效地介入，確保了工藝設備和整體生產環境的安全性。

3   SIS技術與PLC技術的區別

在工業自動控制領域中， SIS與PLC都是至關重要的設備，但它們在實際應用、功能特點上存在明顯的差異。

作為工業自動控制的核心，  PLC主要承擔著生產過程中連續測量的常規控制任務以及運行控制的管理工作。為了確保生產裝置在多種工業設備如包裝線、裝配機和工業機器人中的穩定運作， PLC對各種過程變量進行了精細的監控和管理。為了確保產品的高質量， PLC的主要目標是提升生產的效率并減少人為的干擾。由于其“動態”系統的獨特性質， PLC能夠持續地進行過程變量的檢測、計算和控制。同時， PLC程序具有高度的靈活性，這使得它能夠頻繁地進行修改和更新，以適應生產需求的快速變化，從而確保產品在質量和產量方面都能達到最優狀態。

與之相比， SIS將重點放在工業環境的保護上，而工業環境需要高度的安全保障。 SIS系統在高風險領域起著至關重要的作用。它通過對生產裝置運行狀況的不間斷監控，將設備引導到安全狀態，在緊急情況下迅速介入，最大限度地保證了人員和設備的安全，并采取了預定的措施，最大限度地減少了事故的危害。 SIS被視為一種“靜態”系統，它對正常情況下的生產裝置進行無聲監控，不會對生產過程產生直接影響；但一旦發現異常情況， SIS就會立即啟動其強大的邏輯運算能力，確保生產裝置能夠按照預先設定好的安全策略進行連鎖或停機操作。

隨著工業生產對SIS安全性、可靠性和可用性的要求日益嚴格，在系統設計階段通常將SIS與PLC進行單獨的配置，以確保SIS系統能夠在生產控制系統之外獨立運行，不會受到其他系統故障或錯誤操作的干擾，從而保證了其安全保護功能在任何緊急情況下都能迅速而準確地執行。

4   SIS技術的應用

SIS系統在化工、石油天然氣、制藥工業、電力與能源、冶金與礦業等多個工業領域都有廣泛的應用^[7]。作為工業安全生產的核心保障機制，其主要服務于復雜管道系統中的工藝設備、存儲設備和安全防護措施，其目的是全方位地確保人員安全、資產安全以及環境和諧。

（1）化工領域

緊急停機系統（Emergency Shutdown Device， ESD）作為化工領域的核心部件，在工業生產安全中發揮著不可或缺的作用^[8]。該系統具有高度的靈敏度，在壓力異常飆升或介質泄漏時，能夠立即觸發設備切斷機制，并激活一系列安全操作程序。以合成氨生產為例，通過采用三選二的變送器配置策略，可精確測量關鍵工藝參數，保障ESD功能高可靠性執行。此外，火災與氣體檢測系統在化工環境的安全監控中也占有重要地位，可有效監控預先設定的安全響應措施，如可燃氣體泄漏或火災初期征兆， 一旦警報觸發， 消防設備自動啟動，關閉關鍵閥門。針對高風險工藝單元，高完整性壓力保護系統（High Integrity Pressure Protection System， HIPPS）作為SIS的重要補充系統，提供了獨立于基礎過程控制系統之外的額外壓力安全屏障。一旦檢測到超壓狀態， HIPPS可快速準確地關閉相應的斷閥，有效遏制了潛在爆炸危險的發生。

（2）石油與天然氣領域

從井口的勘探、開采到煉油廠的終端處理， SIS始終貫穿石油天然氣產業鏈的各個環節，起著安全守護者的作用。 SIS通過精確監測管道內的壓力、溫度、流量變化等參數，能夠快速識別復雜油氣輸送網絡中的異常情況^[9]。任何與安全閥值有偏差的系統一旦被檢測到，隔離降壓程序的快速實施將有效遏制潛在的安全威脅。在LNG（Liquefied Natural Gas，液化天然氣）平臺上， SIS在發現氣體泄漏或設備故障征兆時，立即啟動緊急停機和關閉機制，以最快的速度對設備健康狀況和環境參數進行全面監控，將風險降到最低。此外，煉油廠內的燃燒器管理系統（Burner Management System， BMS）作為SIS的重要組成部分，通過持續監控燃燒過程中的氧氣濃度和火焰穩定性，有效防止了爆炸、火災等惡性事故的發生。

（3）制藥工業領域

制藥行業對生產環境的清潔度和工藝參數的精準控制有著極高的要求，它能幫助企業及時了解生產狀況，從而采取必要的措施避免事故發生。該系統對生產流程中的核心環節進行了嚴格的監控，以確保在一個安全和有效的環境中，溫度、壓力等關鍵因素始終得到維持。如果這些參數出現異常，則會造成生產事故甚至導致整個生產線停機。一旦檢測到不正常的波動，為了確保生產人員和設備的安全性， SIS會立即作出響應，自動暫停生產流程并啟動相應的安全防護措施。通過完善的監測手段， SIS可及時了解現場情況，從而實現高效的生產管理，提高了產品質量，降低了原料消耗。尤其在那些對無菌環境有嚴格要求的生產區，如無菌室， SIS監控系統對空氣和物料的進入進行了嚴格的監控，確保它們都滿足預定的標準。該系統對環境溫濕度及潔凈度也有嚴格的規定，必須配備專業的技術人員定期對其實施監測，以保障潔凈廠房內工作人員的健康安全。一旦檢測到潛在的污染風險，該系統會立刻發出警報，并自動封鎖相關區域以阻止污染的進一步擴散，最終確保藥物質量和患者用藥安全性。

（4）電力與能源領域

在電力與能源領域中， SIS是實現電廠運行優化、提高生產安全性和經濟性的核心技術手段。在核電站環境中， SIS持續監測核反應堆冷卻系統以及其他核心設備的運行狀態，當系統出現故障時，可及時報警以避免事故進一步擴大。當檢測到冷卻系統性能異常時， SIS可以迅速啟動緊急冷卻程序或實施其他必要的安全措施，以保證機組能夠繼續正常地運轉。此外，在風能發電和其他可再生能源領域， SIS技術能夠持續監測設備的運行狀態和環境參數（例如風速、溫度等），并根據實際需求調整設備的工作模式或觸發停機機制，以確保系統的穩定、安全運行^[10]。

（5）冶金與礦業領域。

在冶金和礦業領域中，  SIS技術作為一種安全保障，可以為礦山企業提供全面、可靠的信息數據與決策支持^[11]。在礦山的開采活動中， SIS重點監測瓦斯的濃度、溫度、濕度和通風情況等核心指標， 一旦檢測到瓦斯超出標準或其他可能的危險因素時，可迅速向地面控制中心發送警報，并迅速啟動緊急救援措施，從而有效地避免了礦難事故的發生。針對冶金領域中高溫熔煉等高風險工藝， SIS系統通過對爐溫和設備運行狀況的精準監控，確保了生產活動的安全性。當爐子溫度超出預定的安全閾值時， SIS系統會立即發出警告，并啟動降溫措施，避免設備過熱損壞和安全事故發生，為冶金企業的安全生產提供了有力的保障。

5   展望

綜上所述， SIS作為保障工業生產安全的關鍵技術，其效率和可靠性正通過不斷的技術創新和改進得到逐步提高，現已廣泛應用于各種工業領域。新技術的整合和創新為SIS帶來了前所未有的變化和提升。其中， AI與大數據分析強化了SIS的預判能力，使其實現了主動防控； IoT技術的集成應用構建了SIS全方位無死角的一體化防護監控體系，加快了資源調度的應急響應優化，提升了整體安全效能。隨著新技術的不斷融入和發展，未來SIS將展現出更為卓越的廣闊應用前景。它將不再局限于工業生產安全領域，而是會擴展到智慧城市、智能交通、環境保護等諸多領域，為建設更具可持續性的社會環境提供重要保障。

作者簡介：

王軍防（1973-） ，男 ，湖南婁底人 ，高級工程師 ，碩士 ，現就職于國家管網集團東部原油儲運有限公司 ，研究方向為油氣儲運。

張   超（1992-） ，男 ，陜西寶雞人 ，高級工程師 ，碩士 ，現就職于中電智能科技有限公司 ，研究方向為工業自動化、工業控制。

吳尚書（1994-） ，男，江蘇徐州人，工程師，碩士，現就職于國家管網集團東部原油儲運有限公司 ，研究方向為油氣儲運。

艾   華（1990-） ，男 ，陜西米脂人 ，工程師 ，本科 ，現就職于中電智能科技有限公司 ，研究方向為工業自動化、工業控制。

周    明（1971-） ，女 ，江蘇淮安人 ，高級工程師 ，博士 ，現就職于國家管網集團東部原油儲運有限公司 ，研究方向為國家管網集團油氣管道控制系統和關鍵儀表設備國產化。

參考文獻：

[1] 王景芝. 高職《安全儀表系統》課程教學內容的設計[J].南方農機, 2020, 51 (05) : 173 - 174 + 179.

[2] 王艷麗. 淺析安全儀表系統在實際應用中的設計與研究[J]. 信息記錄材料, 2024, 25 (08) : 190 - 193.

[3] 潘穎, 李忠軍. 安全儀表系統設計實施過程中的幾個重要環節[J]. 儀器儀表用戶, 2019, 26 (06) : 1 - 5.

[4] 鄭文革, 王志強. 煉化裝置SIS安全性與可靠性分析及對策[J]. 儀器儀表標準化與計量, 2013, (02) : 27 - 29.

[5] 唐靖偉, 施金波, 王志鑫. 石化行業中SIS安全儀表系統的重要性[J]. 自動化與儀表, 2024, 39 (04) : 22 - 25.

[6] 周鵬. 石油化工裝置安全儀表系統應用[J]. 中國石油和化工標準與質量, 2024, 44 (10) : 141 - 143 + 147.

[7] 王艷麗. 淺析安全儀表系統在實際應用中的設計與研究[J]. 信息記錄材料, 2024, 25 (08) : 190 - 193.

[8] 張琦. 安全儀表系統在化工裝置設計中的應用[J]. 電子技術, 2024, (001) : 53.

[9] 付超, 陳曉, 朱凱云. 安全儀表系統在天然氣管道壓氣站中的應用分析[J]. 中國石油和化工標準與質量, 2021, 41 (18) : 111 - 112.

[10] 薄文靜. 淺談電廠SIS系統應用價值[J]. 中國設備工程, 2024, (02) : 88 - 90.

[11] 李俊杰. 安全儀表系統(SIS)在大型煤化工裝置上的應用[J]. 數字技術與應用, 2013, (02) : 73 - 74.

摘自《自動化博覽》2026年7月刊