化工装置紧急停车系统(ESD)改造探索
紧急停车系统ESD
第一讲ESD紧急停车系统1名称、作用、构成紧急停车系统（Emergency ShutDown system – ESD）亦称为安全仪表系统（Safety – Instrument System – SIS）、安全联锁系统（Safety Interlock System –SIS）、安全关联系统（Safety Related System – SRS）、仪表保护系统（Instrument Protective System – IPS）等。
以下统称ESD。
大多石油和化工生产过程具有高温、高压、易燃、易爆、有毒等危险。
当某些工艺参数超出安全极限，未及时处理或处理不当时，便有可能造成人员伤亡、设备损坏、周边环境污染等恶性事故。
这就是说，从安全的角度出发，石油和化工生产过程自身存在着固有的风险。
ESD是一种经专门机构认证、具有一定安全度等级，用于降低生产过程风险的安全保护系统。
它不仅能响应生产过程因超出安全极限而带来的危险，而且能检测和处理自身的故障，从而按预定的条件或程序使生产过程处于安全状态，以确保人员、设备及工厂周边环境的安全。
ESD由检测单元（如各类开关、变送器等）、控制单元和执行单元（如电磁阀、电动门等）组成，其核心部分是控制单元。
从ESD 的发展过程看，其控制单元部分经历了电气继电器（Electrical）、电子固态电路（Electronic）和可编程电子系统（Programmable Electronic System），即E/E/PES三个阶段。
图1为由PES构成的ESD。
图1 ESD的构成2ESD的相关标准及认证机构鉴于ESD涉及到人员、设备、环境的安全，因此各国均制定了相关的标准、规范，使得ESD的设计、制造、使用均有章可循。
并有权威的认证机构对产品能达到的安全等级进行确认。
这些标准、规范及认证机构主要有：①我国石化集团制定的行业标准SHB-Z06-1999《石油化工紧急停车及安全联锁系统设计导则》。
化工装置中紧急停车系统的应用
Chemical Engineering Design Communications
化 工 设 计 通 讯
1.1 安全系统层次
系统设计时首先需要满足整个装置的安全等级需求。而目前 所使用的选型技术和配置方式都是依据国家所出台的安全等 级作为参考标准（表 1） 。
表1 安全要求等级SIL3 SIL3 SIL4 SIL4 ISA-S84.01 SIL1 SIL1 SIL1 SIL2 SIL3 SIL3 DIN V192 50 AK1 AK2 AK3 AK4 AK5 AK6 AK7 AK8
收稿日期 ： 2017–09–11 作者简介 ： 张宏文（1975—） ，男，宁夏平罗人，工程师，主要研究 方向为化工企业安全生产管理。
紧急停车系统需要符合安全功能要求，同时还必须具有 较高的可靠程度。安全性能越高，设备的停车次数就会越多， 维修的时间就会拉长，并降低了系统的可用性。但在化工生 产过程中一旦停车就会造成比较严重的经济损失，因此必须 将安全生产与经济挂钩，进行综合性的评定，从而确保系统 既有可靠性又有可用性。 3 系统的实际应用 以加氢溶剂装置为例，这种装置中含有较多的化学物质， 因而具有易燃、易爆的生产风险，所以为了确保装置安全运 行内设了 21 套的安全系统。 依据化工装置的特点以及安全生产等级要求，该系统主要 采用的是现场总线控制系统（FSC）系统。这种系统不仅具有 高等级的安全性能，同时其硬件也非常可靠。它能够有效地解 除系统中存在的冗余，并提升了整个安全控制系统的故障容错 能力。ESD 在整个系统中所能发挥的作用非常明显，它不仅能 够对整个系统中的安全稳定性提供一定的保障。同时，如果发 生事故，它还能够针对于事故进行记录。一旦运行状态出现异 常就会进行记录，每次的跳变情况。包括系统内部的定时器、 计数器等数据。以及被强制归零的变量以及复位的系统，ESD （下转第 145 页）
紧急停车及安全联锁系统设计
44 石油规划设计 第17卷第1期信息与自动化* 朱小本，男，1963年生，高级工程师。
1984年毕业于华东石油学院油田生产自动化专业，现在新疆时代石油工程有限公司自动化仪表设计所任总工程师。
通信地址：新疆克拉玛依市新疆时代石油工程有限公司，834000近几年，石油天然气工业生产装置向规模化、工艺装置集中化、流程控制高度自动化发展。
为确保石油、炼油生产装置的安全运行，减少重大恶性事故发生的概率，对开工停工和生产过程中可能发生重大人身事故和设备事故的工艺装置和机组，应设置相应独立的紧急停车及安全联锁系统（简称ESD 系统）。
根据生产需要和建设工程投资规模以及生产装置在石油天然气管道或石油化工行业中的地位，工程设计中对原油长输管道及泵机组、天然气长输管道及压缩机机组、100×104 m 3/d 及以上规模的天然气处理装置、气举压缩机机组、加氢处理装置及机组、连续重整装置及催化剂再生控制系统及机组、制氢装置、催化装置及机组、芳烃或烷基苯装置，应考虑设置独立的ESD 系统。
对一般项目应该结合流程控制系统如DCS 系统设置紧急停车和安全联锁保护功能。
ESD 系统设计原则1 独立原则紧急停车及安全联锁系统原则上应与过程控制系统（如：集散控制系统DCS、工业计算机控制系统IPC 等）分离而独立设置。
特别是工艺过程复杂的装置和重要的机组，ESD 系统应不依赖于DCS 系统而独立完成紧急停车及安全联锁功能。
简单的ESD 可以包含在DCS 系统中，DCS 和ESD 之间设置独立的分组硬手操和独立的I/O 卡件。
大型联合装置的ESD 系统宜分解成若干个子系统，为减少工程设计、施工、采购、安装调试和维护过程中各子系统之间的相互影响，各子系统应相对独立并分别设置硬手操。
ESD 的检测元件、变送器、执行机构等应独立设置。
关键部位的温度、压力、流量、液位等检测仪表不宜采用机械式仪表。
变送器宜采用模拟信号，当采用智能变送器时，在操作站上应设置对修改现场仪表有关参数的加密技术。
紧急停车系统
紧急停车系统控制系统说明：紧急停车系统（ESD）1. ESD的概念紧急停车系统，简称ESD（Emergency Shutdown Device），是90年代发展起来的一种专用的安全保护系统，以它的高可靠性和灵活性而受到一致好评和广泛应用。
不同的厂商、不同的行业，对这一装置的叫法有所不同。
一般的叫法包括安全仪表系统（Safety Instrument System）、安全联锁系统（Safety Interlock System）、紧急跳闸系统（Emergency Trip System）、安全关联系统（Safety Related System）、仪表保护系统（Instrument Protective System）等。
ESD是一种专门的仪表保护系统，具有很高的可靠性和灵活性，当生产装置出现紧急情况时，保护系统能在允许的时间内做出响应，及时地发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护。
目前，国际上的知名DCS或PLC厂商都推出了针对安全的ESD系统，如YOKOGAWA的Prosafe、Honeywell 的FSC等等。
真正专门生产ESD的主要有HIMA和TRICONEX两家。
在国内，尚没有ESD设备研发生产厂家。
2. ESD和DCS的异同ESD系统和DCS系统虽然独立完成不同的功能，但服务的对象却是同一套装置，两者之间需要也应该建立数据联系，特别是ESD系统，其动作条件、联锁结果、保护措施等都需要在上位机通过各种方式在线监视。
ESD紧急停车系统按照安全独立原则要求，独立于DCS集散控制系统，其安全级别高于DCS。
在正常情况下，ESD系统是处于静态的，不需要人为干预。
作为安全保护系统，凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性。
只有当生产装置出现紧急情况时，不需要经过DCS系统，而直接由ESD发出保护联锁信号，项目ESD DCS不同点当生产装置出现紧急情况时，直接发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。
紧急联锁停车系统(ESD)在氯碱安全联锁保护系统中的应用
紧急联锁停车系统(ESD)在氯碱安全联锁保护系统中的应用韦学艺
【期刊名称】《中国氯碱》
【年(卷),期】2008(000)005
【摘要】针对南宁化工股份有限公司氯碱安全联锁保护系统原有传统继电器联锁保护装置存在的问题,应用紧急联锁停车系统(ESD)进行了改造.介绍了改造使用过
程中ESD系统的硬件组态、逻辑编程和人机界面组态等方面的技术实现.实际应用表明,ESD系统克服了旧系统存在的缺点,确保了联锁的安全运行.
【总页数】4页(P30-32,45)
【作者】韦学艺
【作者单位】南宁化工股份有限公司,广西,南宁,530031
【正文语种】中文
【中图分类】TQ086.3
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化工装置应用ESD系统的浅见
之上 ， 时在 线监 测装 置 的安 全性 。 实 只有当 生产 装置 出现 紧 急情况 时 ， 不需 要 经过 主控 制 系统 ， 而直 接 由 Ｅ Ｄ 发 出 保 护 联 锁 信 号 ， 现 场 设 备 进 行 安 全 保 Ｓ 对 护 ， 免 危 险扩散 造成 巨大 损失 。 避 因此设 置 独立 于控 制 系统 的安全 联 锁 是 十分 有 必 要 的 ， 是 作好 安 全 这 生产 的重 要准 则 。 ４ Ｅ Ｄ紧 急停 车控 制系 统和 ＤＣ Ｓ Ｓ控 制系 统 的区别 ＤＣ Ｓ用 于 过 程 连 续 测 量 、 规 控 制 、 作 控 制 常 操 管理 ， 保证 生产 装置 平 稳运行 Ｅ Ｄ用 于监 视 生产 装 Ｓ 置 的运 行状 况 ， 出现异 常工 况 迅速进 行 处理 ， 故 对 使
一
”
、
进行 逻辑 运算 ， 生产 装置 安全 停 车 。 使 ＤＣ Ｓ可进 行 故 障 自动 显示 Ｅ Ｄ 必 须测 试 潜 在 Ｓ 故 障。 ＤＣ Ｓ对 维 修 时 间 的长 短要 求 不 算苛 刻 Ｅ Ｄ 维 Ｓ 修时 间非 常关 键 ， 否则 会造成 装 置全 线停 车 。 ＤＣ Ｓ可 进 行 自动 ／ 动 切 换 Ｅ Ｄ 永 远 不 允 许 手 Ｓ 离 线运 行 ， 否则 生产 装置 将失 去 安全保 护 屏 障 。 Ｄ Ｓ系统 只 做 一般 联 锁 、 的 开 停 、 序 等 控 Ｃ 泵 顺 制 ， 全级 别没 有 Ｅ Ｄ高 Ｅ Ｄ 与 Ｄ Ｓ相 比 ， 安 Ｓ Ｓ Ｃ 在可 靠 性、 可用 性 上 要 求 更 严 格 ， 则 上 二 者 硬 件 独 立 设 原
１ Ｅ Ｄ 紧急 停车 控 制系 统 （ Ｓ Ｌ 简称 Ｅ Ｄ） ２下 ｓ 的构成 Ｅ Ｄ 紧 急 停 车 控 制 系 统 的 设 备 配 置 也 不 断更 Ｓ 新换代 ， 其基 本 组 成 大 致 可 分 为 三 部 分 ： 感 器 单 传 元、 逻辑 运算 单元 、 终 执行单 元 。 最 １ １ 检 测单 元 采用 多 台仪表 或 系统 ， ． 将控 制功 能与 安 全联 锁 功 能 隔离 ， 即检 测 单 元分 开 独 立 配置 的原 则 ， 到 Ｅ Ｄ 仪 表 系 统 与 过 程 控 制 系 统 的 实 体 分 做 Ｓ 离。 １２ 执 行单 元 是 Ｅ Ｄ 仪表 系 统 中危 险性 最高 的设 ． Ｓ 备 。 由于 Ｅ Ｄ 仪表 系统 在 正 常工 况 时是 静态 的 ， Ｓ 如 果 Ｅ Ｄ 控制 系统 输 出不变 ， 执行 单元 一 直保 持 在 Ｓ 则 原 有 的状 态 ， 难确 认 执行 单元 是否 有危 险故 障 ， 很 所 以执行 单元 仪 表 的安全 度 等级 的选择 十 分重要 。 １ ３ 逻辑 运算 单元 自动进 行周 期性 故障 诊断 ， 于 ． 基 自诊 断测试 的 Ｅ Ｄ仪 表 系统 ， Ｓ 系统具 有 特殊 的 硬 件 设计， 借助 于安 全性 诊断 测试 技 术保证 安 全性 。 ２ ＥＳ 的故 障安 全 原则配 置 方案 Ｄ 故 障安 全 原 则 是 指 当 外 部 或 内部 原 因 使 Ｅ Ｄ Ｓ 紧 急 停车 控 制 系统 失 效 时 ， 保 护 的对 象 应按 预 定 被 的 顺序 安 全 停 车 ， 自动转 入 安 全 状 态 具 体 内容 如
紧急停车系统ESD
— 蓓瓯ｉ 广
紧急停车系统 Ｅ Ｓ Ｄ
郭英才
中国化学工程第十一建设有限公 司 河南 开封
４ ７ ５ ０ ０ ２
摘
要
对 紧急停 车系统 Ｅ Ｓ Ｄ进行 了介绍 ， 并就 Ｅ Ｓ Ｄ设计 应遵循的原则 、 工艺过程风 险的评估及安 全度等级的评 定等 问
（ １ ） 降低控 制功 能和 安全 功 能 同时失 效的概 率 ，当维护
ＤＣ Ｓ部分故 障时也不 会危及安全保 护系统 ；
（ ２ ）对于 大型 装置或旋转 机械设 备而 言 ， 紧急停 车系统响 应速度越快越好 。这有 利于保护设备 ， 避免事故扩大 ， 并有利于 分辨事故 原因记录 。而 ＤＣ Ｓ处理 大量过程监测信息 ， 因此其 响
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图１ Ｅ Ｓ Ｄ的构 成
Ｅ Ｓ Ｄ紧急停车系统按照安全独立 原则要求 ， 独立 于 ＤＣ Ｓ集
称， 中文 的意思是 紧急停车系统 ， 它 用于监视 装置 的操 作 ， 如果
炉安全控制 ， 燃气轮机 、 透 平机 、 压缩机 的机组控制 ； 化学反应器 控制 ； 电站、 核 电站控制 ； 铁路、 地铁控制等领域 。
根据有关资料 ，当人在危险 时刻 的判 断和操作往往是滞后
１工 作原 理
Ｅ Ｓ Ｄ是一种经专 门机构认证 、 具有一定安全度等级 ， 用于 降
的、 不 可靠 的， 当操作人员 面临生命 危 险时 ， 要在 ６ ０ ｓ内做 出反 应， 错误 决策的概 率高达 ９ ９ ． ９ ％。因此设置独立于控制系统 的安
化工装置紧急停车系统(ESD)改造探索
９ ）所有模拟卡件 （ Ｉ Ｏ， Ｉ Ａ ，Ａ Ｐ ）精确度高，并可
以定期 自 校验 。 动
产恢复时间。
１）主处理器的更换与Ｉ 卡件的更换一样方便 ， ０ ／ Ｏ
支持热插拔 。
三．Ｅ Ｄ Ｓ 系统改造
为 了完 成本 装置 的安 全联 锁控 制及 工艺 数据
１ ）按照ＩＣ １３ — 标准设计的基于ＷｉＮ 的编 Ｉ Ｅ １ ３ １ ｎＴ
＝ 化工装置情况
某 化 工 装 置 由 于 运 行 时 间 长 ， 系 统 老 化 导 致 系 统 不 稳 定 。该 装 置 的 工 艺 控 制 部 分 采 用 的 是 ＨＯ Ｅ ＷＥ Ｌ Ｄ ３０ 系统 。紧急停车 系统采用 的 Ｎ Ｙ Ｌ 的Ｔ Ｃ ００
器、ＡＤ ／转换器 （ ／转换器）、通信单元全部独立 （ ＤＡ 一 个现场信号点进入系统后将被分成三个独立的通道）。
程软件使用方便，并提供离线模拟测试。
２１￣ ｏ１
第期 ｙｘ． １ｒ５ ｌＷＷＷｔｊ ４＿ １ ｎ 。 ’，
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石 油， 化Ｉ通用机械
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１）应用软件在线修改和线下装通过Ｔ Ｖ 级认证。 ２ Ｕ６ １）毫秒级的ｓ 睨 录功能将为装置的故障及事件 ３ ０
２ ０ 年停产。该系统于１９年投用 ，使用年限已超过 ０１ ９５
１年 ，由于部件老化 、腐蚀和电噪等原因多次引起联 ２
锁系 统误 动作 ，造成 了装 置多 次非计 划停 车 ，而且 由
于原系统采样周期长 （ｓ １以上），没有事件采集记录
（Ｏ ），使 历次停车 原 因分 析工作难 于进 行 ，影 响生 Ｓ Ｅ
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化工装置紧急停车系统(ESD)改造探索
发表时间：2019-09-10T17:02:54.890Z 来源：《工程管理前沿》2019年第14期作者：丁宁[导读] 化工装置的原料、产品和生产过程中多存在高温高压、有毒有害、易燃易爆等情况。
天津渤化永利化工股份有限公司天津市 300452 摘要：化工装置的原料、产品和生产过程中多存在高温高压、有毒有害、易燃易爆等情况。
因此，越来越多的化工装置采用了较先进的紧急停车系统，辅助操作员进行生产状况的安全操作和监控，在提高工作效率的同时也大大降低了操作人员所面临的危害性。
为化工装置的安全生产提供更加有力的保证。
关键词：紧急停车系统；ESD；化工装置化工装置的原料、产品和生产过程中多存在高温高压、有毒有害、易燃易爆等情况。
因此，越来越多的化工装置采用了较先进的紧急停车系统，辅助操作员进行生产状况的安全操作和监控，在提高工作效率的同时也大大降低了操作人员所面临的危害性。
目前，先进的科技可以为生产单位提供了更加可靠、稳定、方便、快捷、精确的控制系统，为化工装置的安全生产提供了更加有利的保证。
一、概述
1、在进行安全系统设备选型的过程中，对于装置的设计、使用、安装等各个方面都做了充足的考虑，使整个安全生产装置自身具备一定的安全性能。
但这种降低风险的安全保障远远无法满足化学生产的实际需要。
2、过程控制系统。
在紧急停车系统装置中，分布着不同的系统控制设备，如集散控制系统（DCS）、可编程控制器（PLC）等过程控制系统。
它能够对化工工艺中的生产过程进行连续性的动态控制，使整个装置能够保持一个平稳操作的状态，从而降低整个化工装置所具有的风险值。
3、紧急停车系统（ESD）是控制系统之外的独立系统，它能够对整个化工生产的过程进行监控，对生产中存在的风险进行预判，进而降低可能存在的事故。
可以说它是用于确保安全生产的最高层级。
二、慨况
该装置的工艺控制部分采用的是HONEYWELL 的PKS300系统，最初的设计没有紧急停车系统。
为了适应当前安全生产的形式以及当前设计规范的最新要求，经过调研，决定新增TRICONEX 公司的TRICONESD 系统。
1、新增TRICON ESD 系统
（1）改造将保持原有PKS系统中的涉及重要联锁I/O 控制回路单独剥离出来，控制方式不变，DC 控制点用硬接线的方式接入ESD系统(继电器隔离输入，放在ESD 系统内)。
ESD 系统联锁及工艺参数的数据通讯地址列表给DCS，与DCS现场配合完成MODBUS 通讯。
（2）以原联锁方案为依据，将其转换成TRISTATION 1131 的语言编写功能块图进行编程组态，待系统硬件安装调试完成后下装。
组态中保持原系统的要求：针对DI 信号，现场触点闭合的状态作为工艺正常状态；而DO 信号，高电平输出激励电磁阀为工艺正常控制状态。
它的目的是保证装置安全；对于DI 输入无论是实际工艺要求还是由于回路断线原因，一旦系统检测到失电信号，马上逻辑自保；而对于DO 输出要求正常高电平、联锁低电平，而现场设备均按照电激励正常，失电自保功能设置，以保障装置、人员的安全。
（3）新增TRICON ESD 系统使用的工程师站、SOE 站和工艺操作人员监控用的操作站。
增加时钟同步功能，每24 h DCS 会与TRICONESD 通讯1 次，以保持时钟信号的同步。
2、新系统性能
（1）硬件。
主处理器和I/O 卡件完全三重化。
避免单点故障造成系统失效。
I/O 逻辑槽位设计(提供工作和备用两个槽位)保障故障卡件全部在线更换。
I/O 卡件上每一个通道中的采样器、信号放大器、A/D 转换器（D/A 转换器）、通讯单元全部独立（一个现场信号点进入系统后将被分成三个独立的通道）。
32 位芯片保证了系统的快速运行。
高度的系统诊断覆盖率，诊断功能皆为系统内置，不需编写应用程序。
系统维护和故障诊断非常方便。
所有模拟卡件（AI、AO、PI）精确度高，并可以定期自动校验。
主处理器的更换与I/O 卡件的更换一样方便。
（2）软件。
TRISTATION 1131 是TRICONEX 系统的基本软件开发平台，编程语言有：功能块（FBD）、梯形图（LD）、结构文本（ST），并具有在线修改程序和在线下装功能，该软件支持IEC1131-3 标准图库，使编程更加方便。
（3）SOE功能。
TRICOEX 系统主处理器可分配16 个存储区域，用于SOE 的记录存储，最大记录100 000 个事件，SOE分辨率为毫秒级,记录文件也可存储在硬盘中作为永久包存，并可打印出来。
3、ESD系统改造后的实际案例。
该装置氧化反应单元氧进料部分发生联锁停车。
DCS上未发现报警记录，工艺各项指标正常，大约0.5 h后恢复投氧。
在氧量提至2 500 kg/h 左右时，氧进料部分又发生联锁，工艺确认各个工艺参数正常，将PDALL-107 A（位号107 A 的压差控制仪表）打旁路再次投氧，装置运行正常。
仪表人员通过检查SOE 记录，出现PDALL-107 A低低报警3 次跳变，这一条件是直接导致了氧进料部分原因。
此后仪表人员对现场变送器进行了校验，确认变送器工作正常；又对整个线路逐段检查，也未发现异常，于是将接线恢复。
在将PDALL-107 A 打旁路后再次投氧，投氧后装置运行正常。
这时继续对这块表进行观察，在SOE 记录上发现PDALL-107 A 又出现瞬间的报警，于是重新对线路进行检查，在较长时间测量PDALL-107 A 从MARSHALLING 柜到现场接线箱电缆时，发现负线单根对地电阻有跳变现象，于是用备用线替换此电缆对，更换电缆后此点未发生报警。
更验证了PDALL-107 A 的电缆负线从MARSHALLING柜到现场接线箱之间对地阻值不稳定致使导电性能不稳定，而发生瞬间跳变现象，造成PDALL-107 A 出现瞬时的低低报警，触发氧气系统联锁。
由于PDALL-107 A 出现瞬时低低报警的时间非常短（即在1s 以内恢复正常），而DCS 的采集周期是1s，所以这才出现了DCS 捕捉不到报警信息的情况，而新改造的TRICON ESD 系统的SOE 记录是毫秒级，它能捕捉到毫秒时间内发生的事件，所以TRICONESD系统的SOE记录在这次的氧气联锁故障分析中发挥了重要作用，为尽快恢复生产、保证装置安全、可靠运行提供了有力依据。
经过实际验证该装置本次用TRICON ESD 系统替代LM 的改造是成功的。
ESD 在整个系统中所能发挥的作用非常明显，它不仅能够对整个系统中的安全稳定性提供一定的保障。
同时，如果发生事故，它还能够针对于事故进行记录。
一旦运行状态出现异常就会进行记录，每次的跳变情况。
包括系统内部的定时器、计数器等数据。
以及被强制归零的变量以及复位的系统，ESD系统的自检功能都能够如实地将记录打印出来，给相关的工作人员提供一定的参考依据，更加准确地找出事故的原因。
紧急停车系统的可靠性能及可用性与系统中的各个单元、环节密切相关。
在设计过程中必须严格依照安全设计标准，结合化工生产工艺进行逐级推敲，从而确保紧急停车系统在化学装置中能够发挥其真正的作用。
参考文献：
[1] 仵亚婷，刘磊，高加强. 过程自动化现场总线技术[M] 西南师范大学出版社, 2017.
[2] 曲丽萍. 集散控制系统及其应用实例[M] . 北京: 化学工业出版社, 2017.
[3] 朱和平, 杨金城.650 kt/a乙烯装置ESD系统设计综述[J] .世界仪表与自动化, 2016, 6:20 -24.。