功能安全溫度變送器設計和可靠性分析

宋一歌

（大慶石化煉油廠儀表車間，黑龍江大慶 163711）

0 引言

隨著我國經濟水平不斷提升，工業生產領域對生產安全越來越重視。安全溫度變送設備的重要性逐漸進入人們視野，需定期對其進行檢測工作，以確保其安全運行，同時保障其具有較高的工作效率。

1 功能安全溫度變送器功能分析

生產實際中，功能安全具體含義是診斷其是否能有效執行安全功能。這往往受到外部風險降低設施與安全相關系統的正確功能影響。對外部風險和安全相關系統實施合理的降低措施，促使設施覆蓋區域存在的某些風險得以降低到特定可接受范圍。進而有效保障溫度變送器正常、安全運行。溫度變送器的安全功能主要包括兩個方面。

（1）監測溫度與通信模塊實際輸出溫度相一致。變送器在進行測溫工作時，測溫功能有效執行，不存在失效現象。

（2）變送器測溫過程中若診斷出失效現象，則立即產生并輸出報警。

自診斷和失效模式作為最主要的兩個因素，對溫度變送器的安全功能具有極其重要的影響。溫度變送器具有自診斷功能，當其處于運行狀態時，可以有效診斷自身工作狀態。當溫度變送器出現故障，失效時，便會發出警告，及時降低危險性，便于工作人員及時發現并修復故障。溫度變送器具有自動檢測自身是否失效的能力，這一能力被定義為診斷覆蓋率。診斷覆蓋率較低時，達不到安全完整性要求與安全功能要求。相關工作人員需要修改其軟件與硬件設計，直至其診斷覆蓋率達標，安全性得以保障。溫度變送器失效模式主要由安全失效、危險失效和無影響失效等3 部分構成。當溫度變送器在運行過程中出現失效情況時，工作人員需要對變送器進行失效性分析，從而確定單個部件的失效模式是否影響整個溫度變送器的運行狀況[1]。

2 功能安全溫度變送器設計方案

2.1 系統設計

溫度變送器采用1-out-of-1 diagnosis 系統機構，簡稱1oo1 D 系統結構。系統設計了診斷通道和數據采集通道兩個相對獨立的通道，不會發生冗余現象。安全溫度變送器主要包括數據信息采集、以及輸出與通信兩大部分。溫度變送器運行過程中，溫度數據的采集主要由數據采集部分完成。數據采集完畢后，還會對其進行整理、計算，以串口為媒介發送到通信部分中。溫度數據的計算、通信和模擬量輸出的部分則由輸出通信部分完成。數據信息采集部分和輸出與通信部分的完美配合，可以實現安全變送器的所有功能，確保其安全高效運行。安全溫度變送器由以下模塊組成。

（1）A/D 模塊。主要功能是采集模擬量。

（2）D/A 模塊。主要負責內容是最后電流的模擬輸出。

（3）微控制器。主要功能是處理安全功能和數據采集功能的數據。

（4）通信模塊，即串口通信（UART）模塊。主要負責功能是將A/D 數據采集部分和D/A 數據輸出與通信部分進行交換。

（5）診斷電路。主要功能是診斷溫度變送器各組成部分安全有效性[2]。

溫度變送器上電后，首先應該診斷其微控制器，使其實行自檢功能。自檢過后，再按照順序診斷其他模塊。從前到后的順序為：傳感器模塊、A/D 模塊、D/A 模塊、信號輸出模塊。溫度變送器在自診斷過程中，診斷出自身存在風險，則立即產生報警指示，并發出報警信號，控制器據此發現有失效情況。當溫度變送器無錯誤情況產生，安全穩定運行時，變送器便可開始有效采集數據。另外，結合HARA 總線分析，這一過程可以通過D/A 轉換形式，完成信號傳送。

2.2 診斷方式

安全溫度變送器的兩個微控制器分別具有通信功能與數據采集功能。根據這個特點，數據對比方法作為冗余結構常用方法，將其引入到溫度變送器中，可以有效提高數據采集與發送的安全性與可靠性。同時，溫度變送器的其他模塊也需要定期進行診斷，才能為溫度變送器的安全性提供有力保障。主要診斷內容如下[3]。

（1）A/D 模塊的診斷。在進行A/D 模塊診斷過程中，微控制器會產生一個系統設定值，經過離散化程序后，通過D/A 模塊采回數據。將采回值與設定值作對比。若二者相同，則認為A/D模塊運行正常；若二者不同，則判斷為出現失效。

（2）D/A 模塊的診斷。同A/D 診斷方式一樣，同樣比較設定值與采回值。若檢測出失效的情況，則D/A 在電流環路上輸出報警電流。同時，D/A 模塊還具有其他功能，如通信計時功能和監視環路電流的功能等。當D/A 模塊與微控制器模塊的通信超時，或是環路電流超出規定范圍時，都會產生警報。

（3）微控制器的診斷。溫度變送器由兩個微控制器組成，兩個微控制器在完成各自功能的同時，還可以進行數據對比工作，間接診斷CPU 和數據采集通道整體是否存在失效性。溫度變送器工作是由溫度傳感器獲取溫度信號，再經A/D 采集，變送器的兩個微控制器便開始對原始溫度數據進行計算，再比較其計算結果是否相同。若計算結果不同，則有報警電流輸出，若計算結果相同，則將計算結果經由通信模塊輸出[3]。

3 功能安全溫度變送器可靠性分析

在安全溫度變送器開發過程中，安全完整等級（SIL）指的是在一定條件下，安全功能正確執行的概率，是總體設計的一部分，用于衡量整個溫度變送器安全性能是否達標，其數值表示變送器風險降低的數量級。在開發設計過程中，應在安全變送器中引入一定的安全措施，如診斷方法等，才能降低一些潛在風險，進而提高診斷覆蓋率。確保溫度安全變送器各部分及整體都能夠符合要求，達到一定的安全完整性等級。安全完整性是評價安全溫度變送器安全功能的重要指標[4]。同時，還可以通過一些統計指標對安全溫度變送器的可靠性進行分析，如時效效率（PFD）和平均無障礙時間等。并且，安全完整性等級的確定還受到安全失效分數（SFF）影響。綜上，安全功能可靠性的評價需要借助一些數據指標完成。

首先，是Markov 模型。這一模型通過分析系統在不同狀態下的轉換，來評估其安全性。在系統處于不同安全狀態時，這一模型同時可為簡單與復雜模型提供精準診斷評估結果。本文中安全溫度變送器采用1oo1D 系統結構，在行使診斷功能時，可將診斷到的危險失效轉變為安全失效。Markov 模型在考慮到安全失效與危險失效這兩種模式的同時，考慮到故障狀態下，變送器的修復率能夠達到常數，并且經過重新啟動，仍能正常運行。建模假設在IEC 61508-6 中有詳盡描述。安全溫度變送器采用的1oo1D 體系結構中Markov 的轉移過程包含3 個狀態。

（1）OK（0）狀態，表示初始情況下的正常情況。

（2）FS（1）狀態，表示安全失效。

（3）FDU（2）表示存在沒有被檢測到的危險失效情況。當數據采集通道發生失效情況，變送器的狀態就會由0 轉變為1，表示危險失效被轉換成了安全失效。當變速器重新啟動正常運行時，其狀態又會由1 轉變為0。未能檢測到失效時，狀態又會由0變為2。

其次，是安全完整性評估。溫度變送器失效模式和診斷分析（FMEDA）對診斷覆蓋率和失效率具有重要影響。失效模式影響及其診斷分析能夠對設備的診斷能力以及不同失效模式進行合理有效的分析。它主要需要兩方面信息。一方面，需要變送器所有部件的失效數據，主要包括失效模式分布與失效率；另一方面，需要診斷獲得的內部失效能力信息。當失效模式影響及其診斷分析較為詳細時，就能為失效模式與診斷覆蓋率提供相對準確的分析。現場失效模式對這些信息進行報告工作，才能合理評估溫度變送器失效模式與失效率。通過整理分析這些信息數據，以它為依據，可以準確計算安全評估參數，如安全失效分數和診斷覆蓋率等，進而實行安全評價。

通過失效模式和診斷分析，了解溫度變送器的安全失效、危險失效與無影響失效模式對整個溫度變送器是否具有影響差異，進而推導出安全失效與危險失效之間的比例，以及不同失效模式下的失效率數值。就某些復雜器件而言，IEC 61508-2 列舉了一些情況下的診斷覆蓋率。其中，主要強調針對一些復雜器件，在計算其診斷覆蓋率時，必須對其失效模式予以充分考慮，高度重視。

通過對比較低要求下的操作模式安全完整性等級表，判斷溫度變送器安全完整性。證明本研究所述診斷方案的溫度變送器具有可靠性。同時通過失效模式和診斷，分析各模式對溫度變送器的影響，提高了Markov 模型有效性，使其應用優勢得以全面發揮，總體滿足社會及相關企業需求[5]。

4 結語

研究中安全溫度變送器采用的體系結構是1oo1D 體系模式，主要由兩個微控制端組成。能夠有效將數據對比分析模式引入到變速設備中。同時對各模塊進行分析診斷，有利于保障安全溫度變送器可靠性。