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功能安全型液位變送器

簡(jiǎn)要描述:功能安全型液位變送器
采用增加診斷模塊的方法,通過(guò)對(duì)電源模塊進(jìn)行雙通道采樣對(duì)比診斷,對(duì)時(shí)鐘模塊進(jìn)行看門狗診斷等,使得系統(tǒng)診斷覆蓋率增加,從而有效增大安全失效分?jǐn)?shù)。經(jīng)過(guò)失效模式、影響及其診斷分析( FMEDA) ,結(jié)果表明,安全失效分?jǐn)?shù)達(dá) 98. 3% ,滿足目標(biāo)安全完整性等級(jí)的要求。

  • 廠商性質(zhì):生產(chǎn)廠家
  • 更新時(shí)間:2023-10-30
  • 訪  問(wèn)  量:1581
詳情介紹

  針對(duì)傳統(tǒng)液位變送器在其硬件設(shè)計(jì)上難以達(dá)到現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中安全要求的問(wèn)題,介紹了一種安全完整性等級(jí)達(dá)到 SIL2 的的設(shè)計(jì)方法。在硬件故障裕度為定值 0 的情況下,采用增加診斷模塊的方法,通過(guò)對(duì)電源模塊進(jìn)行雙通道采樣對(duì)比診斷,對(duì)時(shí)鐘模塊進(jìn)行看門狗診斷等,使得系統(tǒng)診斷覆蓋率增加,從而有效增大安全失效分?jǐn)?shù)。經(jīng)過(guò)失效模式、影響及其診斷分析( FMEDA) ,結(jié)果表明,安全失效分?jǐn)?shù)達(dá) 98. 3% ,滿足目標(biāo)安全完整性等級(jí)的要求。

  隨著危險(xiǎn)事故的頻繁發(fā)生,人們開始重視工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的安全問(wèn)題。如何才能減少危險(xiǎn)的發(fā)生頻率,以及讓系統(tǒng)在危險(xiǎn)發(fā)生之前及時(shí)做出反應(yīng),進(jìn)入一種安全狀態(tài),這些因素已經(jīng)成為了衡量現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。安全相關(guān)系統(tǒng)監(jiān)視工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的狀態(tài),在危險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)及時(shí)采取措施,避免潛在危險(xiǎn)造成的傷害或減輕其帶來(lái)的損失[1]。功能安全型變送器作為安全相關(guān)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分,通過(guò)對(duì)其進(jìn)行一系列的診斷,達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的目的,提高診斷覆蓋率,從而達(dá)到目標(biāo)安全完整性等級(jí),保證了工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程安全可靠的進(jìn)行。
  液位變送器測(cè)量系統(tǒng)當(dāng)前液位值,對(duì)傳感器測(cè)得信號(hào)進(jìn)行處理,得到標(biāo)準(zhǔn)電流輸出,傳送給下一個(gè)模塊,在整個(gè)系統(tǒng)中是關(guān)鍵的一環(huán)。因此,設(shè)計(jì)功能安全型液位變送器是工業(yè)領(lǐng)域迫切需要的。文中在硬件方面,針對(duì)系統(tǒng)可能存在失效的部分增加診斷模塊,提高系統(tǒng)可被診斷的失效率,保證變送器在發(fā)生失效時(shí),可以通過(guò)自診斷電路或程序發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,使變送器進(jìn)入安全狀態(tài)[2 - 3];***后經(jīng)過(guò)一系列可靠性分析,驗(yàn)證該設(shè)計(jì)滿足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)安全方面的要求。

 

特點(diǎn)

  采用*電路處理技術(shù),性能穩(wěn)定、高靈敏度;多種量程,***大可測(cè)200m(水柱壓力);采用316L不銹鋼隔離膜片,適用于多種測(cè)量介質(zhì);配置靈活,根據(jù)需要可選擇不同配置;一體式、分體式可選;反極性和過(guò)電壓保護(hù);抗沖擊、防雷擊設(shè)計(jì);激光調(diào)阻溫度補(bǔ)償,零點(diǎn)、量程可現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié);范圍寬抗腐蝕,適于多種介質(zhì);過(guò)載及抗*力強(qiáng),性能穩(wěn)定。
 

  靜壓式(投入式)液位變送器采用高性能的擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器作為測(cè)量元件,經(jīng)過(guò)高可靠性的放大處理電路及精密溫度補(bǔ)償,將被測(cè)介質(zhì)的表壓或絕壓轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓或電流信號(hào)。本產(chǎn)品體積小巧,使用安裝方便,直接投入水中即可測(cè)量出變送器末端到液面的液位高度。
 

應(yīng)用

  工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)液位測(cè)量與控制、城市供水及污水處理、石油、化工、電廠、水文監(jiān)測(cè)、水庫(kù)、大壩、水電建設(shè)等領(lǐng)域的液位的測(cè)量與控制。

1、安全相關(guān)產(chǎn)品:
  隨著 2006 年 GB /T 20438 電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全的頒布,功能安全的概念正式進(jìn)入我國(guó)。目前,在石油、化工、冶金、核電等領(lǐng)域,安全相關(guān)產(chǎn)品的需求也越來(lái)越大。所謂的安全相關(guān)產(chǎn)品,是指可構(gòu)成安全相關(guān)系統(tǒng)的、滿足功能安全設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)要求的、具有安全相關(guān)參數(shù)的產(chǎn)品[4]。通俗來(lái)講,要稱一個(gè)產(chǎn)品為安全相關(guān)產(chǎn)品,其必須具有一定的安全功能,保證系統(tǒng)在發(fā)生危險(xiǎn)前進(jìn)入安全狀態(tài)。一個(gè)安全相關(guān)產(chǎn)品必有其對(duì)應(yīng)的安全完整性等級(jí),為了達(dá)到目標(biāo)安全完整性等級(jí),硬件設(shè)計(jì)和軟件編程中都必須滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求。硬件上存在隨機(jī)硬件失效和系統(tǒng)失效這兩個(gè)因素影響安全完整性等級(jí),而軟件上只存在系統(tǒng)失效。針對(duì)不同的失效,必須在設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中采取一定的措施和手段,實(shí)現(xiàn)其安全功能,從而降低失效發(fā)生的概率。

2、安全液位變送器的結(jié)構(gòu)和安全功能:
 安全功能的要求來(lái)源于對(duì)危險(xiǎn)的分析,即必須做什么以避開危險(xiǎn)事件;而安全完整性等級(jí)的要求來(lái)源于對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估,即安全功能必須執(zhí)行到什么程度以使殘余風(fēng)險(xiǎn)能夠被接受 。由安全相關(guān)產(chǎn)品的構(gòu)成可以看出,需要在產(chǎn)品的硬件和軟件的設(shè)計(jì)上采取一系列措施,增加安全功能。硬件安全完整性等級(jí)受限于硬件故障裕度以及安全失效分?jǐn)?shù) 。硬件故障裕度是指超過(guò)該參數(shù)的失效則會(huì)造成系統(tǒng)安全功能喪失,工業(yè)上往往根據(jù)設(shè)備的硬件需求已經(jīng)確定其硬件故障裕度;而安全失效分?jǐn)?shù) SFF 如式(1) ,其中∑λS 指安全失效總概率,∑λD 指危險(xiǎn)失效總概率,∑λDD 指診斷測(cè)試
[7],檢測(cè)到的危險(xiǎn)失效概率 可以看出安全失效分?jǐn)?shù)與可診斷的危險(xiǎn)失效概率有關(guān),也就是說(shuō)可以通過(guò)增加診斷回路來(lái)提高安全失效分?jǐn)?shù)。硬件上為了確保液位變送器安全可靠地運(yùn)行,需要對(duì)其每個(gè)模塊進(jìn)行診斷

SFF =∑λS+ ∑λDD(1)
∑λS+ ∑λD
  

液位變送器的安全功能就是準(zhǔn)確測(cè)量液位值,并將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳輸給后續(xù)處理模塊。其基本功能模塊主要包括信號(hào)輸入、A/D 轉(zhuǎn)換、微處理器數(shù)據(jù)處理、D/A 轉(zhuǎn)換輸出、電源模塊以及時(shí)鐘模塊 。在時(shí)鐘系統(tǒng)的控制下,首先是傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)輸入模塊傳遞給 A/D 轉(zhuǎn)換模塊,經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后傳輸給單片機(jī),單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波計(jì)算出當(dāng)前傳感器測(cè)得的液位值以及對(duì)應(yīng)的碼值寫入 D/A 轉(zhuǎn)換模塊,***后 D/A 芯片根據(jù)得到的碼值輸出對(duì)應(yīng)大小的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào),電源模塊在這個(gè)過(guò)程中對(duì)其他的模塊提供穩(wěn)定電壓。
 
3、安全液位變送器的設(shè)計(jì):
 液位變送器在硬件上要達(dá)到目標(biāo)安全完整性等級(jí),通常從兩方面著手:通過(guò)冗余結(jié)構(gòu)來(lái)提高硬件故障裕度,避免由于其中一條通道故障而導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài);通過(guò)設(shè)計(jì)診斷電路增加安全失效分?jǐn)?shù),在危險(xiǎn)發(fā)生之前能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施,把危險(xiǎn)失效轉(zhuǎn)化為 ,安全失效 。在硬件故障裕度為定值的情況下 通常針對(duì)每個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)診斷結(jié)構(gòu)。安全液位變送器的模塊設(shè)計(jì)如圖 1 所示。
圖 1安全液位變送器模塊設(shè)計(jì)圖

圖 1 安全液位變送器模塊設(shè)計(jì)圖
3. 1、基本功能模塊設(shè)計(jì):
 液位變送器的基本功能主要包括信號(hào)輸入,A /D轉(zhuǎn)換,微處理器數(shù)據(jù)處理,D /A 轉(zhuǎn)換輸出,以及電源模塊和系統(tǒng)時(shí)鐘模塊。本文以 STM32F103xx 增強(qiáng)型系列芯片作為主芯片為例,具體講述安全型液位變送器在硬件上的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)上電后,時(shí)鐘模塊啟動(dòng),在系統(tǒng)時(shí)鐘提供的時(shí)鐘下,由傳感器測(cè)得的信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)內(nèi)嵌模數(shù)轉(zhuǎn)換器,對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,微處理器對(duì)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理,把得到的碼值傳送到外部 D /A 模塊,***后得到標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。
(1) 電源模塊。二線制功能安全型變送器不僅要為微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 D /A、通信電路供電,同時(shí)出于安全保護(hù)考慮,輸入輸出電路需要相互隔離,因此,僅使用單片機(jī)內(nèi)部電源遠(yuǎn)達(dá)不到要求。本設(shè)計(jì)使用 Linear 公司生產(chǎn)的 LT1934 芯片,其輸入電壓范圍***大可達(dá) 34 V,***小也可為 3. 2 V,能對(duì)各種電源進(jìn)行調(diào)節(jié)。在輸入 24 V 直流電時(shí),與輸入隔離的一組輸出 5 V,4 mA 電流,不隔離的一組輸出 5 V,9 mA 電流,滿足其他各模塊的供電需求;
(2) 時(shí)鐘系統(tǒng)。微處理器的各個(gè)模塊都需要在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下工作。STM32 存在五個(gè)時(shí)鐘源,通常選擇鎖相環(huán)倍頻輸出( PLL) 、8 MHz 的 RC 振蕩器( HSI) 或高速外部時(shí)鐘( HSE) 三者之一作為系統(tǒng)時(shí)鐘,再通過(guò)AHB 分頻器分頻后提供給各個(gè)模塊使用。大部分提供給外設(shè)的時(shí)鐘輸出都是帶有使能控制的,使用模塊之前,必須發(fā)送信號(hào)開啟其對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘。這種設(shè)計(jì)的好處在于,當(dāng)不使用某個(gè)外設(shè)時(shí),關(guān)閉其對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘,降低了系統(tǒng)的功耗。值得注意的是,看門狗電路使用內(nèi)部低速時(shí)鐘( LSI) ,但窗口看門狗使用系統(tǒng)時(shí)鐘是通
過(guò) AHB1 分頻得到。設(shè)置 A /D 模塊以及片外 D /A 模
 
塊在相同頻率下工作;
 
(3) MCU 數(shù)據(jù)處理模塊。STM32F103xx 增強(qiáng)型系列芯片使用專門為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高性能 ARM Cortex - M3 的 RISC 內(nèi)
 

[10]。同時(shí),芯片內(nèi)置高速存儲(chǔ)器,包括高達(dá) 128 kB

[11],的閃存和 20 kB 的 SRAM 硬件上充分滿足液位變送器的設(shè)計(jì)需求。此外,它具有豐富的功能模塊,包括2 個(gè) 12 位 ADC、電源電壓監(jiān)控、電壓調(diào)壓器、DMA 控制器、獨(dú)立的看門狗以及窗口看門狗、7 個(gè)定時(shí)器、9 個(gè)通信接口( I2C,USART,SPI,CAN,USB) 等,優(yōu)勢(shì)不言而喻;
 
(4) A /D 模塊。STM32F103 增強(qiáng)型產(chǎn)品內(nèi)嵌兩個(gè)12 位的 ADC,每個(gè) ADC 有多達(dá) 16 個(gè)外部通道,轉(zhuǎn)換電壓范圍在 0 ~ 3. 6 V 之間,從傳感器輸出的信號(hào)通常要經(jīng)過(guò)電平移動(dòng)或者放大傳感器信號(hào)再送到 ADC 中。使用 ADC 模塊前,必須開啟 PA 口的時(shí)鐘,并把 PA0設(shè)置成模擬輸入。兩個(gè) ADC 使用同一個(gè)時(shí)鐘頻率,***后采樣轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)存放在 ADC1_DR 寄存器中;
(5) D /A 模塊。由于 STM32F103xx 增強(qiáng)型系列芯片不含內(nèi)嵌 D /A,因此必須選擇一款 D /A 芯片作為外設(shè)得到標(biāo)準(zhǔn)輸出。本文選用 TI 公司的 DAC7750 芯片。該系列芯片是 12 位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器,與單片機(jī)可以通過(guò) SPI 接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,輸出電流范圍有 3 組可供選擇,4 ~ 20 mA,0 ~ 20 mA,0 ~ 24 mA ,符合產(chǎn)品的需求。與此同時(shí),DAC7750 還具有部分自檢功能,包括循環(huán)冗余校驗(yàn),開路警報(bào)以及看門狗電路電流輸出。
 
3. 2、診斷模塊設(shè)計(jì):
 本文主要針對(duì) A /D,D /A 模塊以及時(shí)鐘模塊進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)上的診斷。
 
(1) 看門狗時(shí)鐘診斷??撮T狗實(shí)際上是一個(gè)定時(shí)器電路,輸入端與單片機(jī)上的 I /O 相連,由程序控制定時(shí)向這個(gè)引腳傳送高電平或低電平,就是俗稱的“喂狗”;另一端連接單片機(jī)的復(fù)位引腳。一旦系統(tǒng)由于干擾出現(xiàn)程序跑飛或進(jìn)入死循環(huán),導(dǎo)致“喂狗”的動(dòng)作沒有如期進(jìn)行,看門狗便會(huì)通過(guò)連接的復(fù)位引腳向單片機(jī) 發(fā) 送 一 個(gè) 復(fù) 位 電 平,使 得 單 片 機(jī) 復(fù) 位。
 STM32F103 增強(qiáng)型系列的芯片帶有兩個(gè)看門狗定時(shí)器,一個(gè)是獨(dú)立看門狗,一個(gè)是窗口看門狗。由于要對(duì)晶振的偏移做出診斷,這里選擇窗口看門狗,過(guò)早或太晚“喂狗”都會(huì)造成系統(tǒng)復(fù)位;
(2) A /D 模塊診斷。由于 STM32F103xx 增強(qiáng)型產(chǎn)品內(nèi)嵌兩個(gè) 12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC,這里采用雙ADC 模式,對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行同步采樣,轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 A /D 接口的 ADC _ JDR1 存儲(chǔ)器中,其中由ADC1 轉(zhuǎn)換得來(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在寄存器的低 16 位,由
 
ADC2 得到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在高 16 位。ADC2 得到的數(shù)據(jù)作為一個(gè)參考數(shù)據(jù),與 ADC1 得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,若兩個(gè)數(shù)據(jù)之間的誤差在可接受范圍內(nèi),則認(rèn)為系統(tǒng)安全,把寄存器的低 16 位數(shù)據(jù)傳送給 MCU 進(jìn)行處理;否則的話,認(rèn)為 ADC 出現(xiàn)故障有可能導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生危險(xiǎn)失效,此時(shí)軟件上必須保證系統(tǒng)進(jìn)入一種安全狀態(tài);
 
(3) D /A 模塊診斷。系統(tǒng)中增加一塊 A /D 芯片作為 D /A 模塊的診斷。給定一個(gè)設(shè)定值,經(jīng)過(guò) D /A 轉(zhuǎn)
 
換后,把轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)作為 A /D 模塊的輸入,并對(duì)經(jīng) A /D 轉(zhuǎn)換后的輸出信號(hào)進(jìn)行回采。對(duì)比***后得到的數(shù)據(jù)與設(shè)定值,若兩者相同,則認(rèn)為 D /A 轉(zhuǎn)換通道; , [12] ,沒問(wèn)題 若不同 則判定會(huì)發(fā)生失效 。此外 在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,可通過(guò)訪問(wèn) DAC7750 內(nèi)部高精度電阻器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控電流輸出,一旦超出正常輸出范圍,系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。
 
4、硬件安全完整性等級(jí)分析:
 根據(jù) IEC 61508 的定義,液位變送器屬于 B 類安全相關(guān)子系統(tǒng),即失效模式不能*被定義的子系統(tǒng),同時(shí)根據(jù) 1001D 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得出其硬件故障裕度為0。由表 1 可知,系統(tǒng)要達(dá)到目標(biāo)安全完整性等級(jí)SIL2,其安全失效分?jǐn)?shù)必須達(dá)到 90% 以上。
 
表 1 B 類安全相關(guān)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)約束
 

安全失效分?jǐn)?shù) 硬件故障裕度 
    
 012
    
< 60%不允許SIL1SIL2
60% ~ < 90%SIL1SIL2SIL3
90% ~ 99%SIL2SIL3SIL4
≥99%SIL3SIL4SIL4
    

 
文中采用的 FMEDA 分析法依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)主要由失效率預(yù)計(jì)、元器件失效模式及其百分比和元器件失效
 

模式排除依據(jù) 3[13]。對(duì)于復(fù)雜器件,不能對(duì)
部分組成

失效模式進(jìn)行詳細(xì)分析時(shí),通常將失效分為安全失效, 50% 危險(xiǎn)失效 50% 。根據(jù)各模塊采取的診斷措施,可從 IEC 61508 - 2 中查出診斷方法及其對(duì)應(yīng)的診[5,10]斷覆蓋率 。本文參考軍用標(biāo)準(zhǔn) GJB /Z 299C- 2006 電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè),對(duì)每種元器件進(jìn)行失效模式、失效概率以及失效影響分析,可以得到相對(duì),準(zhǔn)確的失效模式以及診斷覆蓋的評(píng)估信息 具體數(shù)據(jù)如表 2 中 FMEDA 的分析結(jié)果。
 

 表 2FMEDA 分析結(jié)果 
    
λs /hλD /hλDD /hλDU /h
    
1. 52 × 10 - 76. 83 × 10 - 86. 47 × 10 - 83. 6 × 10 - 9

 
因此,系統(tǒng)安全失效分?jǐn)?shù)

   ∑λS+ ∑λDD  
  SFF =  = 
   ∑λS+ ∑λD  
       
        
 1. 52 × 10 -7+ 6. 47 × 10 -8= 98. 3%
 1. 52 × 10 -7+ 6. 83 × 10 -8 
 滿足 SFF > 90% ,因此,上述液位變送器設(shè)計(jì)方案
滿足硬件上功能安全完整性的要求。  

 

5、結(jié)束語(yǔ):
  本文系統(tǒng)介紹了功能安全型液位變送器在硬件上的設(shè)計(jì),在硬件故障裕度為定值 0 的情況下,采取1oo1D 的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),分別對(duì)電源模塊,時(shí)鐘模塊,微處理器數(shù)據(jù)處理模塊,輸出模塊設(shè)計(jì)診斷回路,有效增大安全失效分?jǐn)?shù)。經(jīng)過(guò)可靠性分析,驗(yàn)證安全失效分?jǐn)?shù)達(dá)到 98. 3% ,從而在硬件上滿足其目標(biāo)安全完整性等級(jí) SIL2 的要求。

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