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                      【科普】讀懂功能安全壓力變送器

                      文章出處:華仁儀表 發表時間:2020-01-11 10:37

                      近年來,在工業生產中,由于系統缺陷和管理水平等諸多因素影響,導致出現火災、爆炸等嚴重危害人民群眾生命財產安全的事故發生。隨著我國工業自動化水平的提升,越來越多的新技術、新工藝被運用到生產過程中,安全生產也被寄予更多重視。

                       

                      如何保障生產的可靠、安全也成為工程項目設計中的必然要求,因此,安全儀表系統(Safety-Instrumented System)SIS,也稱為安全連鎖系統或者緊急停車系統,越來越被社會大眾所熟知。

                       

                       

                      作為安全儀表的重要組成部分,安全儀表變送器能夠檢測生產環境的關鍵性輸入,為確保整個系統的安全可靠發揮了非常重要的作用。

                       

                      那么這類變送器與常規變送器有什么區別呢?

                      需要怎么樣的變送器來滿足安全系統的要求呢?

                      這些基本的問題值得大家來探究一番

                       

                      早在1996年美國儀器儀表協會完成了第一個關于過程工業安全儀表的標準——ANSL/ISA-84.01。隨后,國際電工委員會于2000年推出了功能安全國際標準IEC61508:電氣、電子、可編程電子安全相關系統的功能安全。作為一個通用標準,給其他行業制定安全標準提供了基礎參考,之后各類適用于其他行業的標準陸續發布,比如:機械工業IEC62061,流程工業IEC61511等。

                       

                      IEC61508標準提出了安全完整性水平SIL(Safety Integrity Level)的概念:在一定時間、一定條件下,安全相關系統執行其所固定的安全功能的可能性。這是一個對特定安全功能的可靠性和完整性的指標的度量。SIL一共分為4個等級,SIL4最高,SIL1最低,級別越高,系統能實現所要求的安全功能的概率就越高。如下表所示:

                       

                      SIL等級

                      低要求模式

                      (某個時間周期)

                      高要求模式

                      (每小時的故障概率)

                      1

                      >1^-2...<10^-1

                      >10^-6...<10^-5

                      2

                      >10^-3...<10^-2

                      >10^-7...<10^-6

                      3

                      >10^-4...<10^-3

                      >10^-8...<10^-7

                      4

                      >10^-5...<10^-4

                      >10^-9...<10^-8

                       

                      對安全功能變送器而言,想要了解它的SIL等級情況,需要知道如下幾個常規術語:

                       

                      ●B類子系統(用于執行安全功能的部件符合下列條件之一時,為B類子系統。)

                      至少一個組成部件的失效模式不能被準確的定義;子系統處于故障狀態的行為不能夠被完全確定;沒有充分來自現場經驗的可信的失效率數據,能夠表明所聲稱的檢測出的危險失效率和未檢測出的危險失效率符合實際情況。

                       

                      ●硬件故障裕度(HFT):

                      功能單元存在故障的情況下,持續完成所要求功能的能力。所謂硬件故障裕度N,意味著N+1個故障將導致安全功能的喪失。

                       

                      ●診斷覆蓋率(DC):

                      通過自動在線診斷測試檢測到的危險故障的比例。通過使用與檢測到的危險故障相關聯的危險故障率除以危險故障的總發生率來計算危險故障的百分比。

                       

                      ●平均故障恢復時間(MTTR):

                      該時間是隨機變量恢復時間的期望值。它包括確認失效發生所必需的時間,以及維護所需要的時間。MTTR也必須包含獲得配件的時間,維修團隊的響應時間,記錄所有任務的時間,還有將設備重新投入使用的時間。

                       

                      ●安全失效分數(SFF):

                      安全相關元素的屬性,由安全加上檢測到的危險故障和安全加上危險故障的平均故障率之比定義。

                       

                      ●單通道在要求時平均失效概率(PFD):

                      在低要求模式下,安全儀表系統在EUC或EUC相關系統發出要求時執行規定安全功能的平均不可用性。

                       

                      壓力變送器作為機電一體化的產品,非常適合按照IEC61508的標準要求進行設計和評價。功能安全壓力變送器不僅具有壓力采集和數據傳輸的功能,同時還加入了大量的診斷功能,提高了變送器運行的可靠性,從而使壓力變送器具備了更高的安全性和可用性。

                       

                      從結構上看,安全變送器主要分為采集部分、數據處理部分、通訊部分、診斷部分和電源等幾部分組成,采集部分完成壓力數據的采集并加護,數據處理部分通過計算換算成電流輸出,電源部分則是為系統提供穩定的電壓。

                       

                      除了這些基本模塊,在存在失效可能的部分盡可能的加入了診斷功能,保證壓力變送器在工作過程中一旦產生失效,都能通過自診斷電路或程序發現問題,使得變送器輸出報警,進入安全狀態。常規的變送器結構

                       

                       

                      一般大多數功能安全壓力變送器都采用1oo1D(單通道系統)硬件體系結構,根據安全標準規定,壓力變送器屬于TYPE B系統,HFT = 0時,設計需求為安全完整性達到SIL 2,其設計目標是99%>SFF>90%.當HFT=1(兩臺SIL2等級的壓力變送器冗余使用)時,可實現SIL3等級。在功能安全標準IEC61508-2里對系統的結構及其相應的診斷方法給出了詳細的介紹,提出了推薦和強制要求的功能設計需求。

                       

                      硬件部分考核的是對整個系統的失效概率的驗算,引入了失效模式、影響和診斷分析(FMEDA)(Failure Modes Effects and Diagnostic Analysis),通過一些專業的軟件結合每個器件的說明書參數對各個器件進行失效分析和相應的失效率的計算,然后根據計算得出的SFF、PFD等參數來確定硬件的SIL能力。

                       

                      軟件部分考核的是一個完整的軟件開發過程,一般采用V模型進行開發,它描述了一種自上而下的設計和測試方法,確認每一項變送器的功能要求都得到了滿足,在IEC61508的標準中同樣給出了推薦或者必須應用的確保軟件安全的保護方法,同時結合軟件黑盒、白盒、系統集成測試、確認測試等嚴格的驗證確認環節,來保證軟件能力達到SIL2及以上等級。軟件的V模型驗證過程

                       

                       

                      另外,IEC61508中包含了安全生命周期的定義和管理,安全生命周期包括了安全儀表在概念、設計、運行、測試、維修等各階段的所有活動,以確保達到高水平的功能安全,降低工業過程中的風險,提高安全儀表在現場使用的可靠性。

                       

                      隨著安全功能壓力變送器在現場應用過程不斷的發展深入,相信對其安全完整性評估的要求也會不斷的提高,標準要求也會不斷的增加,這一切的意義就在于它能讓工業生產過程更受控,盡可能的降低風險,避免各類安全問題的重復發生,這樣才能讓工作和生活更輕松!

                      此文關鍵字:【,科普,】,讀懂,功能,安全,壓力,變送器,
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