随着安全生产要求和意识的提高，在石油石化和化工行业等可能涉及到危险过程的领域中安全控制系统的应用也越来越多。和基本过程控制系统相比，安全控制系统有许多特别的技术特点：比如像功能安全、多重的冗余架构、安全完整性等级、可靠性和失效率等。本论文从实际出发，先是介绍了安全控制系统的概念、背景知识和现状。研究了和安全控制系统有关的国际标准和基础理论包括IEC61508和IEC61511、冗余和容错技术、安全控制系统的表决架构、安全防护层、系统安全生命周期等。并说明了安全控制系统和基本过程控制系统的不同之处。基于理论研究得出一般安全控制系统的设计方案和流程，包括逻辑解算器的设计、现场传感设备的设计和最终执行元件的设计，这也是一个安全控制系统的三个完整组成部分。并给出了不同SIL等级的典型系统结构。然后研究了对于安全控制系统的分析方法。虽然从根本上来说安全控制系统需要实现的功能并不会很复杂，但是它对于可靠性的要求非常高。所以论文进一步研究了和可靠性密切相关的技术指标：失效率和失效模式，关键是危险失效概率和安全失效概率这两者。以及如何通过可靠性框图、故障树分析和马尔科夫模型这三种建模方法进行研究和比较分析。理论联系实际，根据实际项目设计了一个用于粗苯加氢生产纯苯类化合物的安全控制系统。从生产和工艺的特点出发分析了SIS系统的需求，并在此基础上设计了安全控制系统的安全功能。实现了详细的系统网络架构、硬件组态和软件编程。事实证明此系统运行稳定良好。为了进一步提高粗苯加氢SIS系统的综合性能，本文通过建立故障树模型的方法，根据计算结果分析比较了现在运用较多的三种冗余架构1oo2、2oo3和1oo2D之间的优劣。在此基础上提出了新的SIS系统优化方案，该方案具有智能化系统、模块分布式逻辑解算器、硬件独立和软件环境集成等特点，通过先进的程序功能块大大降低系统的复杂程度，现场智能设备诊断功能使得维护工作更加高效和有针对性，从而可以简化SIS系统整个安全生命周期的管理。本文为今后粗苯加氢或其他相似工艺过程安全控制系统的设计和性能优化提供了重要参考。