本书以石油化工等流程工业中广泛采用的安全仪表系统为对象，介绍安全仪表系统功能安全的相关理论、方法与技术。全书以安全生命周期为主线，围绕在设计、实施、评估、运行、维护环节如何提高安全仪表系统的安全性、可用性展开讨论。书中介绍了功能安全的概念和基本术语； 安全仪表系统的组成、冗余结构、典型解决方案； 失效模式、失效数据。阐述了系统风险分析、可靠性建模、安全完整性水平选择的相关方法。提供了典型石化单元安全仪表功能的设计、分析、性能指标计算，以及改进设计的相关示例。

本书力图内容深入浅出，图文并茂，在讲述功能安全基本原理方法的同时，也注重与工程实际应用相结合。

本书可作为高等院校自动化类专业、与安全仪表系统相关的理工科其他专业的教学参考书，也可作为安全仪表系统设计人员、流程工业安全技术人员的培训教材或参考书。

包括安全仪表系统在内的安全系统，是保障生产安全的重要措施，其自身的功能安全问题已经受到人们的广泛关注。功能安全是近年来发展形成的一套全新安全技术理念与管理方法，是对传统安全管理方式的一种突破。采用功能安全技术的目的是保障安全系统在必要时能正确有效地执行其安全功能。

功能安全技术以系统在安全生命周期各阶段的安全完整性水平为核心，通过对受控过程进行危险与风险分析，为其设置有效的安全功能，选择恰当的目标安全完整性水平，设计出满足目标安全完整性水平要求的安全功能。通过安全仪表系统的作用，把受控过程的风险降低到一个可以接受的水平。功能安全技术为安全系统的设计、安装、评估、维护、直到停用的整个过程，提供了一整套行之有效的科学方法。

自2000年IEC 61508功能安全标准问世以来，作者一直在关注国内外该领域的技术发展动向并从事相关研究，《安全仪表系统的功能安全》一书正是作者对近年来研究工作和技术资料进行总结的基础上形成的。全书共分12章，围绕提高安全仪表系统的安全性、可用性问题展开讨论。从介绍安全仪表系统的功能安全、安全完整性水平、可靠性、可用性等基本概念和术语入手，讨论了安全仪表系统的组成、冗余结构、可靠性指标、失效模式、失效数据等； 阐明了在系统风险分析、可靠性建模、安全完整性水平选择中所应用的相关基础知识与计算方法； 分析了功能安全的相关因素； 提供了典型石化单元安全仪表功能的典型解决方案，以及如何进行改进设计的相关示例。书中主要章节的初稿由郭海涛执笔，第11章的初稿由工程师徐玉娟执笔，张斌等也为本书的编写做了大量工作。

本书在其内容取材及编写过程中，作者力图理论联系实际，在讲述功能安全基本原理方法的同时，注重与工程应用相结合，使编写内容尽可能适合工程应用的实际需要。希望本书能为推动我国功能安全技术的发展，为提高我国工业生产安全水平起到积极作用。

安全仪表系统功能安全的研究在我国还刚刚开始。功能安全技术本身也还在发展过程之中。由于编著者水平有限，对该项技术的理解还不够深入，加上时间仓促，书中的缺点在所难免，恳请读者批评指正。

作者开展的安全仪表系统的功能安全的研究工作，以及本书的出版，得到了国家自然科学基金项目（项目编号： 60674064）和国家科技支撑计划（2006BAK01B02042）的支持，在此一并表示诚挚的谢意。

阳宪惠

2007年2月于北京 清华园

第1章安全仪表系统概述

1.1引言

1.2安全仪表系统及其构成

1.3安全仪表系统与基本过程控制系统

1.4功能安全

1.5安全生命周期

1.5.1安全生命周期的各项活动

1.5.2分析阶段

1.5.3实现阶段

1.5.4运行阶段

1.6安全生命周期概念的特点

1.7保护层

 第2章系统风险分析

2.1危险与风险

2.2后果分析

2.2.1定性方法

2.2.2半定量方法

2.2.3事故的统计分析

2.2.4定量方法： 泄漏现象建模

2.3可能性分析

2.3.1统计分析

2.3.2故障传播模型法

2.3.3可能性分析实例

2.4保护层分析（LOPA）

2.4.1LOPA概述

2.4.2保护层和减缓事件

2.4.3LOPA的量化

2.4.4典型的保护层

2.4.5多重的初始事件

2.5确定安全功能

2.5.1常用的危险分析与风险识别

2.5.2根据PHA报告确定SIF

2.5.3根据工程文档确定SIF

 第3章安全完整性水平及其选择

3.1安全完整性水平SIL

3.2可容忍风险

3.3必要的风险降低和SIL的关系

3.4风险矩阵

3.5风险图

3.6风险矩阵和风险图的校准

3.7SIL分配

 第4章安全功能要求与安全完整性要求的规范

4.1不正确规范造成事故的原因

4.1.1管理制度

4.1.2工作内容

4.1.3评估时间的安排

4.1.4关键人员的协同参与

4.1.5明确职责

4.1.6培训与工具的支持

4.1.7规范的复杂性

4.1.8规范文档的完整性

4.1.9文档的最终评审

4.1.10规范的修改

4.2IEC 61511中的安全规范要求

4.3规范的文档要求

 第5章可靠性模型与失效数据

5.1安全仪表功能的失效模式

5.1.1危险失效

5.1.2安全失效

5.1.3通报失效

5.1.4无影响失效

5.1.5检测到和未检测到的失效及诊断覆盖

5.1.6共因失效

5.2设备失效模式的分类

5.3可靠性指标定义

5.3.1可靠性

5.3.2有效性

5.3.3平均无故障时间

5.3.4平均修复时间和维修率

5.3.5平均故障间隔时间

5.3.6失效率

5.3.7安全失效概率（PFS）和要求时失效概率（PFD）

5.3.8平均无安全故障时间（MTTFS）和平均无危险故障时间（MTTFD）

5.4可靠性建模

5.4.1可靠性框图

5.4.2故障树分析

5.4.3马尔可夫模型

5.5失效数据

5.5.1工业失效数据库

5.5.2失效模式和诊断有效性数据

5.5.3具体设备的失效数据

5.5.4失效数据比较

5.5.5失效数据未来的发展

 第6章安全仪表系统的冗余结构

6.1控制器的基本组成

6.21oo1： 单通道系统

6.2.11oo1的PFD故障树

6.2.21oo1的PFS故障树

6.2.31oo1的马尔可夫模型

6.31oo2： 双通道系统

6.3.11oo2的PFD故障树

6.3.21oo2的PFS故障树

6.3.31oo2的马尔可夫模型

6.42oo2： 双通道系统

6.4.12oo2的PFD故障树

6.4.22oo2的PFS故障树

6.4.32oo2的马尔可夫模型

6.51oo1D： 双通道系统

6.5.11oo1D的PFD故障树

6.5.21oo1D的PFS故障树

6.5.31oo1D的马尔可夫模型

6.62oo3： 三通道系统

6.6.12oo3的PFD故障树

6.6.22oo3的PFS故障树

6.6.32oo3的马尔可夫模型

6.71oo2D结构

6.7.11oo2D的PFD故障树

6.7.21oo2D的PFS故障树

6.7.31oo2D的马尔可夫模型

 第7章功能安全的相关因素

7.1安全管理

7.1.1工作内容与时间安排

7.1.2人员

7.1.3人员之间的交流

7.1.4文档编制

7.2硬件

7.2.1故障安全型系统和非故障安全型系统

7.2.2失效模式

7.2.3系统诊断

7.2.4最小化共因失效

7.2.5机柜尺寸和布局

7.2.6环境

7.2.7电源

7.2.8接地

7.2.9开关和继电器的选择

7.2.10旁路

7.2.11功能测试

7.2.12保安性

7.2.13人机接口

7.3软件

7.3.1软件生命周期

7.3.2程序和语言类型

7.3.3软件性能的量化问题

7.3.4测试软件

 第8章安全仪表功能的典型解决方案

8.1概述

8.2结构约束

8.2.1IEC 61508中的结构约束

8.2.2IEC 61511中的结构约束

8.3SIL 1的典型结构

8.4SIL 2的典型结构

8.5SIL 3的典型结构

8.6各种方案的硬件共同事项

 第9章安全仪表系统的功能测试

9.1安全功能的功能测试

9.2测试频率

9.3测试职责

9.4测试条件与过程

9.5文档记录

 第10章安全生命周期成本

10.1安全成本与经济效益

10.2固定成本

10.2.1系统设计成本

10.2.2购置成本

10.2.3安装成本

10.2.4启动成本

10.3运行成本

10.3.1工程更改

10.3.2消耗成本

10.3.3固定维护成本

10.4系统失效成本

10.4.1基于时间的失效成本

10.4.2基于事件的失效成本

10.5资金的时间价值

10.5.1贴现率

10.5.2现值

10.5.3年金

10.6安全仪表系统生命周期成本

 第11章循环氢加热炉安全仪表功能的设计与分析

11.1循环氢加热炉的安全仪表系统设计

11.1.1加氢裂化装置简介

11.1.2循环氢加热炉的安全仪表功能

11.1.3循环氢加热炉安全仪表系统的组成

11.2燃气压力安全仪表系统的功能安全分析

11.2.1安全控制的风险矩阵

11.2.2燃气压力安全仪表功能的SIL选择

11.2.3安全性能的指标计算

11.3燃气压力安全仪表系统基于传感器的改进设计

11.3.1传感器全冗余的1oo2改进方案

11.3.2传感器全冗余的2oo2改进方案

11.3.3传感器简化配置的改进方案

11.4燃气压力安全仪表系统基于执行机构的改进设计

11.4.1执行器冗余配置

11.4.2执行器非冗余配置

11.5基于测试周期的改进

11.5.1测试周期缩短到半年

11.5.2测试周期缩短到3个月

11.5.3执行器自检与缩短测试周期

11.5.4关于选择失效率小的仪表

11.5.5关于执行器改进方案的结果分析

11.6改进设计小结

 第12章采油平台典型安全仪表系统分析

12.1采油平台SIS简介

12.2SIF确定与SIS的组成

12.3SIL的确定

12.4分析与改进

附录A概率基础

A1古典概率

A2统计概率

A3概率的性质

A4概率的加法运算

A5条件概率

A6全概率公式

A7贝叶斯公式

A8事件独立性

附录B连续时间马尔可夫建模

B1单一不可维修组件

B2单一可维修组件

B3有限状态概率

B4多失效模式

附录C安全数据示例

C1一般信息

C2失效率数据

C3应用示例