功能安全壓力變送器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為滿足安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型和系統(tǒng)構(gòu)成，根據(jù)IEC61508標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研發(fā)了一種功能安全壓力變送器，傳感器部件基于非冗余設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了二重化功能，給出了電路部分的硬件設(shè)計(jì)。并進(jìn)行安全可靠性評(píng)估和測(cè)試，取得了安全完整性等級(jí)認(rèn)證。

功能安全壓力變送器作為安全儀表系統(tǒng)(SIS)的重要組成部分［1］，其設(shè)計(jì)和制造的全過(guò)程必須滿足IEC61508標(biāo)準(zhǔn)的要求。針對(duì)石油、石化等行業(yè)的重要設(shè)備控制領(lǐng)域中使用的壓力變送器，為了檢測(cè)出壓力傳感器的故障并確保檢測(cè)值的可靠性，可參照IEC61508.7附錄A.12.1參考傳感器的要求:使用一個(gè)獨(dú)立的參考傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)過(guò)程傳感器的工作［2］，傳感器應(yīng)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)以確保檢測(cè)值的可靠性和產(chǎn)品的安全性。但這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)增加了制造成本，為此，筆者開(kāi)發(fā)了一種新型的功能安全壓力變送器及其檢測(cè)方法和檢測(cè)程序。自主設(shè)計(jì)的運(yùn)算單元和補(bǔ)正單元，通過(guò)采樣芯片內(nèi)部正負(fù)反轉(zhuǎn)切換功能，交互進(jìn)行采樣計(jì)算，實(shí)現(xiàn)采樣電路的冗余功能;自主設(shè)計(jì)的診斷單元可診斷出傳感器的故障。通過(guò)電路部分的硬件設(shè)計(jì)、軟件開(kāi)發(fā)和測(cè)試驗(yàn)證，取得了安全完整性等級(jí)(SIL)認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的批量制造和應(yīng)用。

1產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的技術(shù)路線

根據(jù)IEC61508標(biāo)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品安全完整性等級(jí)SIL2、SIL3的目標(biāo)，項(xiàng)目產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)嚴(yán)格按圖1的技術(shù)路線實(shí)施。

2傳感器部件二重化功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1傳感器二重化功能設(shè)計(jì)

圖2為差壓傳感器功能框圖。為避免傳感器的冗余設(shè)置，根據(jù)差壓傳感器的一對(duì)電容C1、C2容量變化是否出現(xiàn)了對(duì)稱性失效從而檢測(cè)傳感器的故障。假設(shè)一邊的電容和另一邊電容發(fā)生的容量變化相同，差壓傳感器是正常的話，則壓差所對(duì)應(yīng)的電容量變化和壓差值正負(fù)反轉(zhuǎn)后的應(yīng)該一樣。電容C1、C2任何一邊的壓力反轉(zhuǎn)值C1'(p)、C2'(p)和另一邊實(shí)測(cè)值C2(p)、C1(p)進(jìn)行比較，可診斷出差壓傳感器的故障。這樣，不需要差壓傳感器的冗余設(shè)計(jì)，通過(guò)壓力反轉(zhuǎn)值的計(jì)算就可以檢測(cè)差壓傳感器的故障，實(shí)現(xiàn)差壓傳感器二重化的功能。

2.2各單元的功能

差壓傳感器設(shè)置了以下3個(gè)單元:根據(jù)電容C1的實(shí)測(cè)值得出壓力反轉(zhuǎn)值的運(yùn)算單元;對(duì)壓力反轉(zhuǎn)值進(jìn)行補(bǔ)正的補(bǔ)正單元;對(duì)差壓傳感器進(jìn)行故障診斷的診斷單元。各單元的具體功能如下:

a.運(yùn)算單元。對(duì)壓力作用在硅膜片上產(chǎn)生的壓差值進(jìn)行正負(fù)反轉(zhuǎn)時(shí)，算出電容C1的壓力反轉(zhuǎn)值C1'(p)。

b.補(bǔ)正單元。對(duì)于差壓傳感器的實(shí)際產(chǎn)品，差壓零點(diǎn)狀態(tài)的電容C1、C2的容量會(huì)產(chǎn)生誤差。補(bǔ)正單元在差壓零點(diǎn)狀態(tài)的電容C1、C2的差值基礎(chǔ)上，對(duì)壓力反轉(zhuǎn)值C1'(p)進(jìn)行補(bǔ)正。

c.診斷單元。將電容C1補(bǔ)正后的壓力反轉(zhuǎn)值C1″(p)和電容C2的實(shí)測(cè)值C2(p)進(jìn)行對(duì)比做出差壓傳感器的故障判斷。診斷單元將按照補(bǔ)正后的壓力反轉(zhuǎn)值C1″(p)和實(shí)測(cè)值C2(p)的差分(C1″(p)－C2(p))是否在允許范圍之內(nèi)來(lái)診斷故障。補(bǔ)正后的壓力反轉(zhuǎn)值C1″(p)和實(shí)測(cè)值C2(p)之間產(chǎn)生的差分在允許誤差范圍之內(nèi)時(shí)，差壓傳感器被診斷為正常。反之，補(bǔ)正后的壓力反轉(zhuǎn)值C1″(p)和實(shí)測(cè)值C2(p)之間的差分超過(guò)了允許誤差范圍，則差壓傳感器被診斷為故障。當(dāng)診斷單元診斷出差壓傳感器為故障時(shí)，將由差壓變送器向外部控制器或監(jiān)視器輸出模擬/數(shù)字信號(hào)的故障警報(bào)。

利用以上3個(gè)單元的功能和對(duì)應(yīng)的運(yùn)算，可以在傳感器非冗余設(shè)計(jì)的前提下，實(shí)現(xiàn)傳感器二重化的功能，有效地檢測(cè)出差壓傳感器的故障，滿足功能安全的要求。

3硬件安全完整性等級(jí)

系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示，硬件部分由1個(gè)單元和5塊電路板組成，即傳感器單元、CPU板、電源板、LCD板、端子板和避雷器板。其中傳感器單元由壓力傳感器、ＲU板和檢出板組成。

按硬件塊劃分，硬件部分由功能安全相關(guān)的硬件塊和非功能安全相關(guān)的硬件塊組成。其中，功能安全相關(guān)的硬件塊包括傳感器、傳感器數(shù)據(jù)、供電、信號(hào)轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘、配置數(shù)據(jù)、輸出和中央處理器;非功能安全相關(guān)的硬件塊包括脈沖開(kāi)關(guān)、調(diào)制解調(diào)和LCD液晶顯示。

與功能安全相關(guān)的硬件塊對(duì)應(yīng)的可靠性塊劃分，由輸入、時(shí)鐘、處理器、存儲(chǔ)器、供電和輸出組成。

根據(jù)元器件失效模式和影響分析(FMEA)，測(cè)試計(jì)算出各可靠性塊的安全失效率λS、可檢測(cè)危險(xiǎn)失效率λDD和不可檢測(cè)危險(xiǎn)失效率λDU的總和如下:

可以計(jì)算出安全失效分?jǐn)?shù)為97.06%。

表1為安全完整性等級(jí)劃分表。依據(jù)表1，變送器的安全失效分?jǐn)?shù)(SFF)滿足90%～99%的條件，因此，硬件安全完整性等級(jí)可達(dá)到SIL2標(biāo)準(zhǔn)(HFT=0)，也可達(dá)到SIL3標(biāo)準(zhǔn)(HFT=1)。

4軟件安全完整性等級(jí)

為完成項(xiàng)目產(chǎn)品并實(shí)現(xiàn)功能安全，自主研發(fā)產(chǎn)品及其測(cè)試的專用軟件所采用的技術(shù)均符合IEC61508.3附錄A、附錄B中SIL3等級(jí)的技術(shù)和措施要求，經(jīng)過(guò)認(rèn)證方對(duì)功能安全評(píng)估后可以達(dá)到SIL3要求。

5測(cè)試認(rèn)證

SIL認(rèn)證。產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)和測(cè)試驗(yàn)證的全程嚴(yán)格按照IEC61508國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行，德國(guó)南德認(rèn)證檢測(cè)有限公司(TVSD)參與了全程的安全可靠性評(píng)估、測(cè)試和評(píng)審。依據(jù)IEC61508標(biāo)準(zhǔn)，完成開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的功能安全測(cè)試報(bào)告，頒發(fā)了功能安全認(rèn)證證書(shū)，安全完整性等級(jí)為:硬件SIL2(HFT=0)、SIL3(HFT=1)，軟件SIL3。

HAＲT認(rèn)證。取得了美國(guó)HAＲT基金會(huì)通信協(xié)議7.0版本的認(rèn)證。

防爆認(rèn)證。依據(jù)GB3836爆炸性環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，取得了中國(guó)國(guó)家級(jí)儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢驗(yàn)站(NEPSI)的防爆認(rèn)證證書(shū)，防爆等級(jí)為:

本質(zhì)安全型ExiaⅡCT4Ga

綜合防爆型ExdⅡCT4/T6Ga/GbExiaⅡCT4GaExTdA21

6結(jié)束語(yǔ)

功能安全壓力變送器產(chǎn)品的研發(fā)和實(shí)現(xiàn)滿足安全儀表系統(tǒng)(SIS)的設(shè)計(jì)選型和系統(tǒng)構(gòu)成，為大型流程化行業(yè)重要裝置的安全性及測(cè)量的可靠性、穩(wěn)定性提供了可靠的技術(shù)保障，具有很好的應(yīng)用前景和市場(chǎng)空間。現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的國(guó)家重大項(xiàng)目有:中國(guó)石油遼陽(yáng)石化公司“俄羅斯原油加工優(yōu)化增效改造項(xiàng)目”的全部現(xiàn)場(chǎng)變送器;華北石化公司“煉油質(zhì)量升級(jí)與安全環(huán)保技術(shù)改造工程”的大部分變送器。另外，在中石油、中石化所屬多家企業(yè)的工程項(xiàng)目中以及海內(nèi)外其他石油化工企業(yè)等眾多項(xiàng)目中得到應(yīng)用，用戶普遍反映產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠、準(zhǔn)確度高、維護(hù)量小、使用效果良好。