0 引言 

      隨著我國經(jīng)濟水平不斷提升，工業(yè)生產(chǎn)領域?qū)ι�產(chǎn)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(chǎn)實際中，功能安全具體含義是診斷其是否能有效執(zhí)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(tǒng)的正確功能影響。對外部風險和安全相關系統(tǒng)實施合理的降低措 施，促使設施覆蓋區(qū)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(jiān)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(zhí)行，不存在失效現(xiàn)象。 

（2）變送器測溫過程中若診斷出失效現(xiàn)象，則立即產(chǎn)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(tài)時，可以有效診斷自身工作狀態(tài)。當 溫度變送器出現(xiàn)故障，失效時，便會發(fā)出警告，及時降低危險 性，便于工作人員及時發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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。

2 功能安全溫度變送器設計方案 

2.1 系統(tǒng)設計 

      溫度變送器采用 1-out-of-1 diagnosis系統(tǒng)機構，簡稱1oo1D系統(tǒng)結構。系統(tǒng)設計了診斷通道和數(shù)據(jù)采集通道兩個相對獨立的通道，不會發(fā)生冗余現(xiàn)象。安全溫度變送器主要包括數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的采集主要由數(shù)據(jù)采集部分完成。數(shù)據(jù)采集完畢后，還會對其進行整理、計算，以串口為媒介發(fā)送到通信部分中。溫度數(shù) 據(jù)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(shù) 據(jù)信息采集部分和輸出與通信部分的完美配合，可以實現(xiàn)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(nèi)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(shù)據(jù)采集功能的 數(shù)據(jù)。 

（4）通信模塊，即串口通信（UART）模塊。主要負責功能是 將 A/D 數(shù)據(jù)采集部分和 D/A 數(shù)據(jù)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。

      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(chǎn)生報警指 示，并發(fā)出報警信號，控制器據(jù)此發(fā)現(xiàn)有失效情況。當溫度變送 器無錯誤情況產(chǎn)生，安全穩(wěn)定運行時，變送器便可開始有效采集 數(shù)據(jù)。另外，結合 HARA 總線分析，這一過程可以通過 D/A 轉(zhuǎn)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(shù)據(jù) 采集功能。根據(jù)這個特點，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集與發(fā)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(nèi)容 如下。

（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(chǎn)生一個系統(tǒng)設定值，經(jīng)過離散化程序后，通過 D/A 模塊 采回數(shù)據(jù)。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(xiàn)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(huán)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(jiān)視環(huán)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(huán)路電流超出規(guī)定范圍時，都會產(chǎn)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(shù)據(jù)對比工作， 間接診斷 CPU 和數(shù)據(jù)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(jīng) A/D 采集，變送器 的兩個微控制器便開始對原始溫度數(shù)據(jù)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(jīng)由通信模塊輸出。

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(fā)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(zhí)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(shù)值表示變 送器風險降低的數(shù)量級。在開發(fā)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。同時，還可以通過一些統(tǒng) 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(shù)（SFF）影響。綜上，安全功能可靠性的評價需要 借助一些數(shù)據(jù)指標完成。

      首先，是 Markov 模型。這一模型通過分析系統(tǒng)在不同狀態(tài) 下的轉(zhuǎn)換，來評估其安全性。在系統(tǒng)處于不同安全狀態(tài)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(tǒng)結構，在行使診斷功能時，可 將診斷到的危險失效轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩�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(tài)下，變送 器的修復率能夠達到常數(shù)，并且經(jīng)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(zhuǎn)移過程包含 3 個狀態(tài)。

（1）OK（0）狀態(tài)，表示初始情況下的正常情況。 

（2）FS（1）狀態(tài)，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(shù) 據(jù)采集通道發(fā)生失效情況，變送器的狀態(tài)就會由 0 轉(zhuǎn)變?yōu)?1，表 示危險失效被轉(zhuǎn)換成了安全失效。當變速器重新啟動正常運行 時，其狀態(tài)又會由 1 轉(zhuǎn)變?yōu)?0。未能檢測到失效時，狀態(tài)又會由 0 變?yōu)?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?qū)υO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(shù)據(jù)，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(nèi)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�，F(xiàn)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(shù)據(jù)， 以它為依據(jù)，可以準確計算安全評估參數(shù)，如安全失效分數(shù)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(shù)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(diào)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(yōu)勢得以全 面發(fā)揮，總體滿足社會及相關企業(yè)需求。

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(shù)據(jù)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。

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