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          活動(dòng)鏈接：2013年控制網(wǎng)技術(shù)專題---新時(shí)代的安全變革 


                        
                      作者-Heinrich Käuper, 編譯-孟昭晉

   近年來(lái)，自動(dòng)化行業(yè)發(fā)展迅猛，市場(chǎng)規(guī)模不斷遞增。伴隨著應(yīng)用市場(chǎng)對(duì)自動(dòng)化產(chǎn)品各方面要求的不斷提升，自動(dòng)化行業(yè)在安全、標(biāo)準(zhǔn)化等方面要求也越來(lái)越高。 其中，可以確保自動(dòng)化產(chǎn)品的高可靠性，高安全性的功能安全認(rèn)證，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)企業(yè)必須面對(duì)的一項(xiàng)非常重要的工作。

   目前全球相關(guān)行業(yè)和安全領(lǐng)域內(nèi)，如石油化工、鐵路信號(hào)、汽車(chē)電子、核電等領(lǐng)域，相關(guān)安全控制設(shè)備或者系統(tǒng)必須具備功能安全認(rèn)證，已經(jīng)成為了安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)甚至業(yè)主在采購(gòu)設(shè)備時(shí)的強(qiáng)制要求。

   以過(guò)程行業(yè)為例，如果過(guò)程行業(yè)工廠和系統(tǒng)存在對(duì)人和環(huán)境的潛在危險(xiǎn)，那么它們的儀表、控制技術(shù)和控制設(shè)備必須滿足特殊的要求。下文將以MACX Analog Ex系列安全柵為例對(duì)防爆（Ex）和功能安全（SIL）的共同特點(diǎn)和區(qū)別進(jìn)行討論。（圖1）
 
                      
                             圖1、MACX Analog Ex系列安全柵

   在過(guò)程工廠和系統(tǒng)中，與防爆和功能安全相關(guān)的測(cè)量經(jīng)常同時(shí)發(fā)生，并且相互補(bǔ)充。但是，它們又具有共同點(diǎn)，那就是保護(hù)生命、健康和環(huán)境以及物資。

  使用本安保護(hù)類(lèi)型的設(shè)備可以安全避免潛在爆炸區(qū)域的點(diǎn)火源

   控制儀表和自動(dòng)化技術(shù)的防爆是基于安全可靠的避免潛在爆炸區(qū)域（次級(jí)防爆）的點(diǎn)火源。眾所周知并且已經(jīng)被證明的最佳方式是本質(zhì)安全保護(hù)。這是因?yàn)楸举|(zhì)安全回路的低能量水平可以允許工作狀態(tài)下的測(cè)量和改造。本質(zhì)安全要求對(duì)于儀表的功能和控制回路的運(yùn)行不是決定性的，但是仍可在故障條件下實(shí)現(xiàn)安全可靠地實(shí)現(xiàn)防爆測(cè)量。

    本安保護(hù)的原則是安全限制饋入潛在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的能量，這樣不會(huì)有電火花或不允許的溫升出現(xiàn)。用戶要實(shí)現(xiàn)“本質(zhì)安全”必須搭建完整的本質(zhì)安全回路，這包括安裝在危險(xiǎn)區(qū)域的本質(zhì)安全設(shè)備，本質(zhì)安全關(guān)聯(lián)設(shè)備和本質(zhì)安全連接線纜。此外，本安信號(hào)隔離器可以在故障條件下保持本質(zhì)安全所定義的參數(shù)。這些參數(shù)包括空載電壓、短路電流和最大功率等。但是，這些值限制了連接的電感和電容大小，因?yàn)殡娙葜禌Q定了電纜的長(zhǎng)度。創(chuàng)新的本安信號(hào)隔離器，如MACX Analog Ex，避免自身帶來(lái)最高的電容值（Co）（圖2）。
 
                  
                                     圖2、本質(zhì)安全防護(hù)

  本質(zhì)安全功能與設(shè)備的器件水平有關(guān)，它確保了本質(zhì)安全的各項(xiàng)限制參數(shù)的實(shí)現(xiàn)，這些參數(shù)也符合EN 60079-0和EN 60079-11的設(shè)計(jì)規(guī)范。由于設(shè)計(jì)時(shí)安全系數(shù)的考慮，具有本安認(rèn)證的器件有很長(zhǎng)的使用壽命，兩倍甚至三倍于普通器件，它們有更高的能量?jī)?chǔ)備（如考慮熱負(fù)載容量）、大的空氣爬電距離。 為了滿足Category 1G/D的要求，甚至當(dāng)兩個(gè)可識(shí)別故障或許多不可識(shí)別故障出現(xiàn)時(shí)，用于防爆0區(qū)的安全設(shè)備必須保證其必需的安全水平，如它們必須防止爆炸氛圍的點(diǎn)火源。功能方面，如壓力、溫度、閥門(mén)開(kāi)關(guān)測(cè)量沒(méi)有考慮在內(nèi)。

  隨著電子、電氣、可編程電子器件和軟件系統(tǒng)在自動(dòng)化控制領(lǐng)域的大量使用，生產(chǎn)自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率有了明顯提高。但由于研發(fā)人員技術(shù)知識(shí)結(jié)構(gòu)的缺失，以及企業(yè)在開(kāi)發(fā)制造中風(fēng)險(xiǎn)管理意識(shí)的不足，自身安全性能存在缺陷的產(chǎn)品大量流入相關(guān)行業(yè)中，其可靠性問(wèn)題已經(jīng)造成人身安全、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境危害等諸多影響，給社會(huì)帶來(lái)了無(wú)法挽回的損失。

   設(shè)備/系統(tǒng)危險(xiǎn)故障殘留風(fēng)險(xiǎn)

   功能安全的定義是：無(wú)論零部件或者整體系統(tǒng)發(fā)生的失效是隨機(jī)失效、系統(tǒng)失效還是共因失效，都不會(huì)導(dǎo)致安全系統(tǒng)的故障，進(jìn)而不會(huì)對(duì)人員或者環(huán)境產(chǎn)生危害，那么這個(gè)系統(tǒng)在功能上就是安全的。功能安全描述了工廠安全或取決于安全系統(tǒng)正確功能的保護(hù)水平的部分。作為最小化風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備，如果危險(xiǎn)情況發(fā)生，其保護(hù)水平任務(wù)是達(dá)到或維持一個(gè)工廠或系統(tǒng)的安全狀態(tài)。如果需要，安全功能必須可靠的被執(zhí)行，這意味著保護(hù)系統(tǒng)的危險(xiǎn)故障概率必須盡可能的低。

  如果儀表和控制信號(hào)是防爆工廠或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（安全儀表系統(tǒng)）內(nèi)保護(hù)水平的一部分，那么考慮到本安測(cè)試的可用性和可靠性，用戶必須限制信號(hào)傳輸。全球有效的IEC61508標(biāo)準(zhǔn)和IEC61511過(guò)程行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)正是源于此，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了基于故障概率已確認(rèn)的殘留故障數(shù)量。與較前的DIN V19250和DIN V19251標(biāo)準(zhǔn)相比較，新增了從傳感器到執(zhí)行器安全安裝的描述，并且進(jìn)一步明確，關(guān)注的是組織的措施，如人員的定期的功能檢查和測(cè)試培訓(xùn)。IEC標(biāo)準(zhǔn)包含了整個(gè)安全生命周期，從最初的概念規(guī)劃到執(zhí)行、安裝和試車(chē)進(jìn)一步到運(yùn)行、服務(wù)和維護(hù)及停止使用。

   EN60079不同的子標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)保護(hù)等級(jí)定義了用于防爆的純硬件測(cè)量，而IEC61508是通過(guò)選擇的故障數(shù)據(jù)分析來(lái)評(píng)價(jià)硬件。關(guān)鍵的數(shù)據(jù)通過(guò)整個(gè)信號(hào)鏈進(jìn)行評(píng)估。安全完整性水平取決于工廠運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析的一部分，它分配一個(gè)故障限值給安全功能。安全水平分為四級(jí)，最高是SIL4，最低是SIL1。每一級(jí)對(duì)應(yīng)安全功能中不同故障概率的范圍。在過(guò)程行業(yè)，測(cè)量回路更多的執(zhí)行SIL2，很少SIL3，如果執(zhí)行SIL3，通常用于冗余組態(tài)。 SIL4從未應(yīng)用過(guò)，因?yàn)樗荒軆H通過(guò)儀表和控制測(cè)量單獨(dú)實(shí)現(xiàn)。（圖3）
  
                 
                             圖3、根據(jù)IEC 61508的設(shè)備分類(lèi)

  正確設(shè)計(jì)安全為導(dǎo)向的測(cè)量回路所需要的重要的關(guān)鍵參數(shù)

   功能安全認(rèn)證除考慮常規(guī)的電氣安全、EMC電磁兼容性能之外，會(huì)額外對(duì)硬件的PFD、HFT、SFF、SIL等級(jí)等參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，這些參數(shù)，制造商會(huì)連同設(shè)備文件（安全手冊(cè)）一起提供。除此之外，安全手冊(cè)包括FEMDA結(jié)果（失效模式影響和診斷分析）。例如，硬件-如果可用-固件結(jié)構(gòu)和所有設(shè)備器件都在FMEDA另外會(huì)對(duì)整體開(kāi)發(fā)流程、硬件結(jié)構(gòu)、軟件構(gòu)架等方面進(jìn)行全方面的驗(yàn)證。

  • PFD (要求時(shí)平均失效概率)

   一個(gè)最重要的關(guān)鍵參數(shù)是危險(xiǎn)失效概率，PFD，它由低要求操作模式所決定。這也說(shuō)明了安全功能不被執(zhí)行的平均概率。這種情況僅出現(xiàn)在危險(xiǎn)情況下，安全功能確實(shí)被要求時(shí)，為了監(jiān)控系統(tǒng)在一個(gè)定義的、安全的狀態(tài)下運(yùn)行。進(jìn)一步說(shuō)，安全功能每年被要求只能小于等于每年一次。通常，化工行業(yè)工廠的保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行在很低的要求概率。

   • PFH (每小時(shí)危險(xiǎn)失效概率)

   另一方面, PFH – 每小時(shí)危險(xiǎn)失效概率 – 應(yīng)用于高要求或連續(xù)操作模式。這是保證被監(jiān)控系統(tǒng)永遠(yuǎn)保持正常和安全狀態(tài)下的主要因素。（例如，監(jiān)視機(jī)器速度）

   • SFF (安全失效分?jǐn)?shù))

   91.3%意味著100個(gè)安全功能故障中91.3個(gè)是非關(guān)鍵故障。通過(guò)自測(cè)試實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)，相應(yīng)的響應(yīng)能力也起著重要作用。和自動(dòng)檢測(cè)到或檢測(cè)不到這些故障的可能性一樣，危險(xiǎn)和非危險(xiǎn)故障也有區(qū)別。在此情況下，本安MACX Analog Ex系列溫度變送安全柵中，除實(shí)際的信號(hào)傳輸功能之外，診斷功能也一直在運(yùn)行，用于檢測(cè)不正確的狀態(tài)。

  • HFT (硬件故障裕度)

   HFT提供系統(tǒng)所能容許的故障數(shù)量。HFT值為0，表明是單通道應(yīng)用，如果只有一個(gè)單獨(dú)故障出現(xiàn)，就會(huì)引起安全功能喪失。

  • A類(lèi)和B類(lèi)設(shè)備

  進(jìn)一步說(shuō)，當(dāng)評(píng)估安全性時(shí)，在“簡(jiǎn)單”和“復(fù)雜”設(shè)備。“簡(jiǎn)單”的A類(lèi)設(shè)備器件故障-如純模擬量4-20mA本安饋電隔離器，型號(hào)MACX MCR-EX-SL-RPSSI-I可被完全定義。另一方面，“復(fù)雜”的B類(lèi)設(shè)備器件故障，如本安溫度變送器MACX MCR-EX-SL-RTD-I的微處理器和固件，并不被完全知道。

  如果根據(jù)IEC61508研發(fā)和認(rèn)證本安信號(hào)隔離器，硬件和軟件要全部進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)，所有的故障避免和故障處理措施必須在研發(fā)、生產(chǎn)和運(yùn)行（安全生命周期管理）時(shí)考慮在內(nèi)。這些措施對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的提高具有重要意義。

  低PFD組件有益于接口產(chǎn)品

  完整的安全回路的PFD是源于所有獨(dú)立器件的PFD之和。如本安保護(hù)類(lèi)型，如果進(jìn)行完整的本質(zhì)安全測(cè)量回路設(shè)計(jì)，需要實(shí)現(xiàn)功能安全，那么完整的以安全導(dǎo)向的測(cè)量回路必須進(jìn)行評(píng)估。一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備沒(méi)有SIL認(rèn)證，但是因?yàn)樗陌踩珔?shù)符合要求，可用于安全導(dǎo)向測(cè)量回路，例如，根據(jù)SIL2，PFD值在1 x 10-3 和 1 x 10-2之間，（如圖4所示安全回路（安全控制回路）常見(jiàn)故障分布），對(duì)于SIL2，所有PFD之和不能超過(guò)0.99 x 10-2，然而本安溫度變送器不能超過(guò)10%的總PFD（圖4），如MACX MCR-EX-SL-RTD-I 溫度變送安全柵PFD值為9.1 x 10-4，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全部PFD的10%。對(duì)于用戶，可以帶來(lái)的好處是，規(guī)定的測(cè)試間隔可以靈活的延長(zhǎng)至最多7年。
 
                
                           圖4、安全控制回路故障分布

  總結(jié)

   創(chuàng)新的MACX Analog Ex系列安全柵不僅滿足防爆相關(guān)的高要求，還可用于安全導(dǎo)向的回路研發(fā)和認(rèn)證。對(duì)應(yīng)當(dāng)前本安回路ATEX標(biāo)準(zhǔn)，電子接口產(chǎn)品標(biāo)識(shí)有Ex II(1)GD [Ex ia] IIC/IIB 表明可以安裝在防爆0區(qū)（氣體）和20區(qū)（粉塵）。因此，根據(jù)IEC 61511，它們最高可用于SIL 2應(yīng)用，某些情況下，可用于SIL3應(yīng)用。因此，MACX Analog Ex系列產(chǎn)品幾乎可應(yīng)用于所有應(yīng)用，并在提高系統(tǒng)利用率方面扮演重要角色。而且，該系列產(chǎn)品具有12.5mm超薄設(shè)計(jì)，更多的節(jié)省柜內(nèi)空間。同時(shí)，模塊導(dǎo)軌連接器實(shí)現(xiàn)底部橋接供電，減少了接線時(shí)間和成本。這也是該系列安全柵產(chǎn)品具有高性價(jià)比的原因。

   功能安全不但在過(guò)程自動(dòng)化和工廠自動(dòng)化為保障系統(tǒng)和設(shè)備安全功能完整，在國(guó)內(nèi)能源領(lǐng)域內(nèi)，如在火電于汽輪機(jī)保護(hù)和鍋爐保護(hù)領(lǐng)域，甚至在太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電等新能源領(lǐng)域內(nèi)，功能安全認(rèn)證也即將成為強(qiáng)制要求；另外針對(duì)類(lèi)似電梯、扶梯等關(guān)系到公眾人身安全的公共設(shè)施，國(guó)家近期也已經(jīng)對(duì)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改，使得功能安全評(píng)估和測(cè)試要求成為強(qiáng)制國(guó)標(biāo)中的重要組成部分。