安全是工业生产过程中的重大问题,也是工业自动化领域的关键问题。长期以来,在工业现场中采用多种安全保护层来保障系统的安全。由于传统的安全仪表系统和过程控制系统处于不同的安全保护层面上,二者在实际应用的过程当中也是相互独立的。传统意义上,安全保护指的是保护在危险生产区域的工作人员免受伤害或死亡。然而今天,安全解决措施已经不仅仅是保证人身安全,生产厂商不断提升生产装置的运行性能,以便实现安全和效率的统一。随着现场总线技术的发展和在工业现场中的广泛应用,用户希望得到控制系统和安全系统的集成。现场总线安全仪表系统也是当前现场总线技术的一个发展新方向。 本论文选择现场总线安全仪表系统的原理为主要研究对象,结合已经通过TUV认证的基金会现场总线功能安全标准——FF-SIS协议进行研究,提出了现场总线安全仪表系统的开发框架和实现方案。 本论文从探讨安全的定义和目标出发,引出了对安全仪表系统的研究。系统地介绍了安全仪表系统的主要作用和研究应用的现状与发展趋势,概括了基于现场总线技术的安全系统的优点和目前国内外的研究情况;研究了基于E/E/PE(电子/电气/可编程电子)的安全仪表系统的通用设计方法,包括风险分析、风险分配、安全等级确定的方法和系统结构配置、安全逻辑设计、控制回路设计的规则;针对现场总线拓展到安全仪表系统领域所面临的主要问题,从安全通信和安全控制策略两方面进行研究,建立了功能安全通信模型和MooN冗余可靠性分析模型,推导了通信安全完整性等级和冗余结构可靠度的计算公式;针对FF-SIS协议对功能块应用进程和功能安全通信的要求,提出了FF-SIS功能块应用进程和协议扩展层的软件设计方案;根据目前的研究进展,提出了可行的测试计划,并设计测试案例对开发完成的FF-SIS协议软件进行了测试;最后,对以上一系列的研究工作进行了总结,并对未来的工作进行了展望。