★ 王军防（国家管网集团东部原油储运有限公司，江苏 徐州 221700）

★ 张超（中电智能科技有限公司，北京 102209）

★ 吴尚书（国家管网集团东部原油储运有限公司，江苏 徐州 221700）

★ 艾华（中电智能科技有限公司，北京 102209）

★ 周明（国家管网集团东部原油储运有限公司，江苏 徐州 221700）

关键词：SIS技术；安全联锁；工业控制；设计原则

安全联锁系统（Safety Interlock System， SIS）是工业自动化安全管理系统中的核心技术，主要承担工业自动控制系统的安全报警和联锁保护任务^[1]。作为工业自动控制架构中不可或缺的关键部件，该系统可针对控制系统监测到的各种状况自动触发警报或执行停机控制。通过识别潜在的危险过程状态，系统可及时采取防控或纠正措施，确保工业设备始终保持在安全运行阈值之内；面对极端风险工况，系统能够快速切断危险源，保证设备和生产过程的安全。在工业自动化技术日新月异的今天， SIS的应用广度和效能水平得到了显著增强，其在提升安全性能和运行可靠性的工业生产过程中所发挥的作用越来越大^[2]。

1   SIS技术构成与特点

SIS技术由测量单元、逻辑控制单元以及最终执行单元三大关键组件构成^[3]。这些组件协同合作，完成了一系列的安全联锁功能，确保了工业流程在出现潜在危险时能够迅速感知并启动应急响应机制。

测量单元负责持续监控压力、温度、浓度等关键参数，并实时监测生产状态的变化。一旦检测到异常，它会立即向逻辑控制单元发送警告信号，不仅为现场操作员提供了准确可靠的信息，还能及时有效地指导操作人员采取相应措施以减少事故损失。逻辑控制单元作为核心决策单元，负责接收和分析来自测量单元的数据信号，并根据预先设定的安全逻辑规则，迅速作出相应的判断和决策。这些决策可能包括启动声光警报以确保生产的连续性，并无缝地切换到备用系统，或为了立刻打断可能的危险流程而启动紧急停机程序。最终执行单元能够迅速且准确地根据逻辑控制单元的命令执行各种安全措施，例如启动安全风扇以稀释有害气体、关闭关键阀门进行切断、切断电源以防止设备进一步损坏等，从而迅速将工业过程切换到安全稳定的状态。这些执行单元包括继电器和开关，它们通过控制电流来完成保护动作或断开电路以阻止危险发生。

在工业自动控制领域， SIS技术占据了至关重要的位置，其在安全性、可靠性、可用性、快速响应、独立性和自动化等方面的优势，为工业生产的安全性和稳定性提供了坚实的支撑。

（1）高安全性

SIS构建了双层安全策略，其设计目标是实时追踪设备的运行状况，迅速识别并处理故障，从而维护工厂设备的安全。系统通过建立完整可靠的预警模型，实现从“被动”防御向“主动”预防转变。 SIS持续监测工艺核心参数，在工况出现异常时可迅速采取必要措施，确保其可靠性和稳定性，为未来的安全打下了坚实的基础。它可以通过实时监测设备运行环境及其与之关联的传感器采集的信息，快速响应现场问题并及时做出决策。该系统的整体诊断能力表现出色，故障覆盖率高达90%以上，能够预先识别风险信号并布局以防范潜在的安全风险。

（2）高可靠性

SIS具备极强的复杂工艺适配能力与运行可靠性。其核心设计方案采用双重化（DMR）、三重化（TMR）和四重化（QMR）等多重冗余架构^[4] ，保障了系统的安全功能，即使在单个部件出现故障的情况下，系统也能够稳定运行，避免了安全防护机制失效。此外， SIS硬件设备能够抵抗各种环境应力，包括现场电磁干扰，确保了其在各种工业应用场景中的稳定运行，充分体现了其对环境的广泛适应性和强大的抗性。

（3）高可用性

SIS的设计集成了在线维护功能，在系统出现局部故障的情况下，可迅速地对故障组件进行修复和替换，而无需将整个系统设置为停机状态，从而提升了生产的连续性和运行效率。该系统将冗余支持、易于维护和降级运行等核心理念整合到高可用性的系统架构中，能够有效避免因单一故障导致的误停机，大幅减少了不必要的生产中断。

SIS的故障自诊断系统机制能够独立地对系统中的故障进行检测、识别和报告，为运维人员提供了准确的信息指导，加快了故障排查和修复效率，进一步提升了系统整体运行的稳定性和可靠性。

（4）快速响应

SIS因其出色的实时响应能力而显得尤为突出，其从输入信号的变动到输出响应的转换过程仅需50～100毫秒。该系统还整合了事件顺序记录（Sequence of Event， SOE）功能， 能够将所有指定的输入、输出和关键状态变量的变化轨迹按照高精度的时间戳顺序记录下来，为事故分析提供了详尽、精确的时间线。在事故发生之后， SOE功能为工程师提供了一个关键的追踪和分析工具，可帮助他们迅速地确定事件的发生顺序，并识别可能的故障原因，从而制定出有力的改进策略。

（5）独立性与自动化

SIS技术采用了一种与其他控制系统分离的架构设计，有效避免了系统之间的相互干扰，确保了SIS的纯净性和在紧急情况下的集中注意力。同时在故障发生后系统也能迅速响应，确保了现场作业人员与外界环境之间的联系畅通，以及整个生产线的运行安全。在遭遇突发状况时， SIS能够迅速且自动地激活并执行一系列关键的安全措施，这些措施包括但不限于紧急关闭阀门、启动预设的停机程序以及立即发出警报信号，构建了在最大程度上保障操作人员生命安全和生产设施物理完整性的稳固安全屏障。同时， SIS具备在线监测与报警功能，能够全天候稳定运行，满足各类工业生产的安全控制要求。

2   SIS技术的设计原则

SIS设计兼顾安全性能与经济实用性的双重目标，并严格遵循系统冗余性、独立配置、故障安全机制和过程适应性等核心设计原则。对SIS系统进行精细化设计和标准化应用，不仅能显著提高生产作业的安全性，还能有效减少由安全隐患导致的经济损失和事故风险，从而为企业的持续发展奠定坚实的安全保障^[5]。

（1）冗余性设计原则

为提高SIS的SIL（Safety Integrity Level，安全完整性等级），系统采用多层次冗余设计策略，分别对主处理器、I/O（输入输出）模块以及系统电源进行冗余设置，确保系统在单一的故障场景中，安全功能不会失效。在选择系统逻辑结构时，还需要考虑到安全性和可用性的需求：在安全性较高的场合，更倾向于使用“或”逻辑；而在安全性较高的场合，则应采用“与”逻辑。在这两种逻辑都需要的情况下，“三选二”的逻辑结构是最佳选择^[6]。

控制阀作为SIS的最终执行单元，其冗余设置也需符合SIL等级的规定，而SIL1级可以与SIL2级进行单独配置，但SIL3级推荐的冗余配置必须是冗余的。考虑到系统的多功能性，可以选择使用调节阀与切断阀的组合策略，或者选择双切断阀的设置方法。另外，阀门本身作为执行机构也是不可缺少的。

在选择逻辑控制单元时， 需严格按照SIL等级标准中的SIL1级推荐冗余配置， 而SIL2级则强调冗余的重要性， SIL3级则对冗余设置了严格的规定。同时在系统内部设置冗余控制器，以确保其自身运行时不会产生多余信息或错误动作。此外， SIS与基础过程控制系统之间的通信界面也应采用冗余设置，并配备故障检测功能，以增强数据传输的可靠性和安全性。

（2）独立性配置原则

在设计SIS系统时，严格按照独立和自主的原则，确保它与PLC及其他控制系统能够独立地执行安全防护任务。对工业现场设备进行合理划分，将各个功能模块集中到一个统一的模块来处理数据并监控运行状态，以减少系统间的相互影响。 SIS和PLC都具备各自独立的测量模块和数据采集点，在需要同时进行联锁和控制的复杂工艺流程中，确保了信号采集过程的准确性和独立性。

SIS系统在通信网络方面特别配置了独立的网络架构，包括独立的网络交换机、服务器和工程师站等关键组件，减少了控制和安全功能同时出现故障的可能性。在系统设计阶段，主要目标是简化工作流程并减少中间步骤。针对复杂的SIS系统，建议将其合理地拆分为多个相对独立的子系统，并配备手动备用操作功能，以增强系统的灵活性和应急响应能力。

（3）故障安全设计原则

SIS具备完善的故障诊断能力，可及时识别系统配置异常、硬件老化等问题并能快速定位故障原因。当系统中的任何部件或设备出现故障时， SIS能够自动地将整个工艺流程导向一个相对安全的工作状态或安全的止损位置。同时，系统自身固有的保护特性使其具备很强的自我检测能力。例如，现场的开关仪表使用常闭接点，电磁阀处于正常励磁状态，电气配电室通过中间继电器来隔离控制接点。上述措施确保了系统在发生连锁动作时能够安全地停机并迅速触发。

SIS作为工业安全控制的核心设备，在“故障的安全性”方面表现得尤为突出。它不仅是企业重要的自动化安全控制系统，也是生产操作人员开展现场作业的重要安全保障。当系统出现问题，而工艺流程或设备正常时， SIS仍可按照预定的安全停机流程有序地迅速启动联锁机制，确保工艺流程和设备处于安全状况。

（4）过程适应性设计原则

SIS的构建方式与工艺流程的操作模式基本一致，其目标是在正常操作下为整个工艺流程提供全方位的安全保障。在正常工作状态下， SIS保障了生产过程的连续性和稳定性，不会对生产流程造成任何不必要的影响；在发生事故情况下， SIS可以及时进行相应的应急响应以保障生产安全。即便在面对工艺过程中可能出现的风险或故障时， SIS仍能通过执行预定的安全防护措施迅速并有效地介入，确保了工艺设备和整体生产环境的安全性。

3   SIS技术与PLC技术的区别

在工业自动控制领域中， SIS与PLC都是至关重要的设备，但它们在实际应用、功能特点上存在明显的差异。

作为工业自动控制的核心，  PLC主要承担着生产过程中连续测量的常规控制任务以及运行控制的管理工作。为了确保生产装置在多种工业设备如包装线、装配机和工业机器人中的稳定运作， PLC对各种过程变量进行了精细的监控和管理。为了确保产品的高质量， PLC的主要目标是提升生产的效率并减少人为的干扰。由于其“动态”系统的独特性质， PLC能够持续地进行过程变量的检测、计算和控制。同时， PLC程序具有高度的灵活性，这使得它能够频繁地进行修改和更新，以适应生产需求的快速变化，从而确保产品在质量和产量方面都能达到最优状态。

与之相比， SIS将重点放在工业环境的保护上，而工业环境需要高度的安全保障。 SIS系统在高风险领域起着至关重要的作用。它通过对生产装置运行状况的不间断监控，将设备引导到安全状态，在紧急情况下迅速介入，最大限度地保证了人员和设备的安全，并采取了预定的措施，最大限度地减少了事故的危害。 SIS被视为一种“静态”系统，它对正常情况下的生产装置进行无声监控，不会对生产过程产生直接影响；但一旦发现异常情况， SIS就会立即启动其强大的逻辑运算能力，确保生产装置能够按照预先设定好的安全策略进行连锁或停机操作。

随着工业生产对SIS安全性、可靠性和可用性的要求日益严格，在系统设计阶段通常将SIS与PLC进行单独的配置，以确保SIS系统能够在生产控制系统之外独立运行，不会受到其他系统故障或错误操作的干扰，从而保证了其安全保护功能在任何紧急情况下都能迅速而准确地执行。

4   SIS技术的应用

SIS系统在化工、石油天然气、制药工业、电力与能源、冶金与矿业等多个工业领域都有广泛的应用^[7]。作为工业安全生产的核心保障机制，其主要服务于复杂管道系统中的工艺设备、存储设备和安全防护措施，其目的是全方位地确保人员安全、资产安全以及环境和谐。

（1）化工领域

紧急停机系统（Emergency Shutdown Device， ESD）作为化工领域的核心部件，在工业生产安全中发挥着不可或缺的作用^[8]。该系统具有高度的灵敏度，在压力异常飙升或介质泄漏时，能够立即触发设备切断机制，并激活一系列安全操作程序。以合成氨生产为例，通过采用三选二的变送器配置策略，可精确测量关键工艺参数，保障ESD功能高可靠性执行。此外，火灾与气体检测系统在化工环境的安全监控中也占有重要地位，可有效监控预先设定的安全响应措施，如可燃气体泄漏或火灾初期征兆， 一旦警报触发， 消防设备自动启动，关闭关键阀门。针对高风险工艺单元，高完整性压力保护系统（High Integrity Pressure Protection System， HIPPS）作为SIS的重要补充系统，提供了独立于基础过程控制系统之外的额外压力安全屏障。一旦检测到超压状态， HIPPS可快速准确地关闭相应的断阀，有效遏制了潜在爆炸危险的发生。

（2）石油与天然气领域

从井口的勘探、开采到炼油厂的终端处理， SIS始终贯穿石油天然气产业链的各个环节，起着安全守护者的作用。 SIS通过精确监测管道内的压力、温度、流量变化等参数，能够快速识别复杂油气输送网络中的异常情况^[9]。任何与安全阀值有偏差的系统一旦被检测到，隔离降压程序的快速实施将有效遏制潜在的安全威胁。在LNG（Liquefied Natural Gas，液化天然气）平台上， SIS在发现气体泄漏或设备故障征兆时，立即启动紧急停机和关闭机制，以最快的速度对设备健康状况和环境参数进行全面监控，将风险降到最低。此外，炼油厂内的燃烧器管理系统（Burner Management System， BMS）作为SIS的重要组成部分，通过持续监控燃烧过程中的氧气浓度和火焰稳定性，有效防止了爆炸、火灾等恶性事故的发生。

（3）制药工业领域

制药行业对生产环境的清洁度和工艺参数的精准控制有着极高的要求，它能帮助企业及时了解生产状况，从而采取必要的措施避免事故发生。该系统对生产流程中的核心环节进行了严格的监控，以确保在一个安全和有效的环境中，温度、压力等关键因素始终得到维持。如果这些参数出现异常，则会造成生产事故甚至导致整个生产线停机。一旦检测到不正常的波动，为了确保生产人员和设备的安全性， SIS会立即作出响应，自动暂停生产流程并启动相应的安全防护措施。通过完善的监测手段， SIS可及时了解现场情况，从而实现高效的生产管理，提高了产品质量，降低了原料消耗。尤其在那些对无菌环境有严格要求的生产区，如无菌室， SIS监控系统对空气和物料的进入进行了严格的监控，确保它们都满足预定的标准。该系统对环境温湿度及洁净度也有严格的规定，必须配备专业的技术人员定期对其实施监测，以保障洁净厂房内工作人员的健康安全。一旦检测到潜在的污染风险，该系统会立刻发出警报，并自动封锁相关区域以阻止污染的进一步扩散，最终确保药物质量和患者用药安全性。

（4）电力与能源领域

在电力与能源领域中， SIS是实现电厂运行优化、提高生产安全性和经济性的核心技术手段。在核电站环境中， SIS持续监测核反应堆冷却系统以及其他核心设备的运行状态，当系统出现故障时，可及时报警以避免事故进一步扩大。当检测到冷却系统性能异常时， SIS可以迅速启动紧急冷却程序或实施其他必要的安全措施，以保证机组能够继续正常地运转。此外，在风能发电和其他可再生能源领域， SIS技术能够持续监测设备的运行状态和环境参数（例如风速、温度等），并根据实际需求调整设备的工作模式或触发停机机制，以确保系统的稳定、安全运行^[10]。

（5）冶金与矿业领域。

在冶金和矿业领域中，  SIS技术作为一种安全保障，可以为矿山企业提供全面、可靠的信息数据与决策支持^[11]。在矿山的开采活动中， SIS重点监测瓦斯的浓度、温度、湿度和通风情况等核心指标， 一旦检测到瓦斯超出标准或其他可能的危险因素时，可迅速向地面控制中心发送警报，并迅速启动紧急救援措施，从而有效地避免了矿难事故的发生。针对冶金领域中高温熔炼等高风险工艺， SIS系统通过对炉温和设备运行状况的精准监控，确保了生产活动的安全性。当炉子温度超出预定的安全阈值时， SIS系统会立即发出警告，并启动降温措施，避免设备过热损坏和安全事故发生，为冶金企业的安全生产提供了有力的保障。

5   展望

综上所述， SIS作为保障工业生产安全的关键技术，其效率和可靠性正通过不断的技术创新和改进得到逐步提高，现已广泛应用于各种工业领域。新技术的整合和创新为SIS带来了前所未有的变化和提升。其中， AI与大数据分析强化了SIS的预判能力，使其实现了主动防控； IoT技术的集成应用构建了SIS全方位无死角的一体化防护监控体系，加快了资源调度的应急响应优化，提升了整体安全效能。随着新技术的不断融入和发展，未来SIS将展现出更为卓越的广阔应用前景。它将不再局限于工业生产安全领域，而是会扩展到智慧城市、智能交通、环境保护等诸多领域，为建设更具可持续性的社会环境提供重要保障。

作者简介：

王军防（1973-） ，男 ，湖南娄底人 ，高级工程师 ，硕士 ，现就职于国家管网集团东部原油储运有限公司 ，研究方向为油气储运。

张   超（1992-） ，男 ，陕西宝鸡人 ，高级工程师 ，硕士 ，现就职于中电智能科技有限公司 ，研究方向为工业自动化、工业控制。

吴尚书（1994-） ，男，江苏徐州人，工程师，硕士，现就职于国家管网集团东部原油储运有限公司 ，研究方向为油气储运。

艾   华（1990-） ，男 ，陕西米脂人 ，工程师 ，本科 ，现就职于中电智能科技有限公司 ，研究方向为工业自动化、工业控制。

周    明（1971-） ，女 ，江苏淮安人 ，高级工程师 ，博士 ，现就职于国家管网集团东部原油储运有限公司 ，研究方向为国家管网集团油气管道控制系统和关键仪表设备国产化。

参考文献：

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[2] 王艳丽. 浅析安全仪表系统在实际应用中的设计与研究[J]. 信息记录材料, 2024, 25 (08) : 190 - 193.

[3] 潘颖, 李忠军. 安全仪表系统设计实施过程中的几个重要环节[J]. 仪器仪表用户, 2019, 26 (06) : 1 - 5.

[4] 郑文革, 王志强. 炼化装置SIS安全性与可靠性分析及对策[J]. 仪器仪表标准化与计量, 2013, (02) : 27 - 29.

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[6] 周鹏. 石油化工装置安全仪表系统应用[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2024, 44 (10) : 141 - 143 + 147.

[7] 王艳丽. 浅析安全仪表系统在实际应用中的设计与研究[J]. 信息记录材料, 2024, 25 (08) : 190 - 193.

[8] 张琦. 安全仪表系统在化工装置设计中的应用[J]. 电子技术, 2024, (001) : 53.

[9] 付超, 陈晓, 朱凯云. 安全仪表系统在天然气管道压气站中的应用分析[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2021, 41 (18) : 111 - 112.

[10] 薄文静. 浅谈电厂SIS系统应用价值[J]. 中国设备工程, 2024, (02) : 88 - 90.

[11] 李俊杰. 安全仪表系统(SIS)在大型煤化工装置上的应用[J]. 数字技术与应用, 2013, (02) : 73 - 74.

摘自《自动化博览》2026年7月刊