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功能安全壓力變送器設(shè)計及其安全性評估

文檔作者：閆炳均徐皚冬宋巖志平文檔來源：中國科學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年10月10日
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機械設(shè)計與制造
Machinery Design &amp;amp; Manufacture
第9期
2014年9月
功能安全壓力變送器設(shè)計及其安全性評估
閆炳均，徐皚冬，宋巖，王志平
(中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，遼寧沈陽110016)
摘要：以功能安全標準IEC61508為依據(jù)，研究了壓力變送器的功能安全方法，結(jié)合loolD硬件體系結(jié)構(gòu)，選擇出適
合本功能安全壓力變送器的診斷方法，采用診斷電路對安全功能部分進行診斷，提高變送器的診斷覆蓋率，采用雙
MCU比較對各階段處理結(jié)果進行對比，從而確保系統(tǒng)的安全可靠運行。通過建立Markov模型和引入FEMEDA分析方
法，計算出安全失效分數(shù)SFF和危險失效率PFD，結(jié)果分析表明，該設(shè)計滿足安全完整性等級SIL2的要求；該設(shè)計為
功能安全儀表的國產(chǎn)化提供了理論依據(jù)和實驗保證。
關(guān)鍵詞：功能安全；壓力變送器；IEC61508；1oolD；自診斷
中圖分類號：TH16；X937 文獻標識碼：A 文章編號：1001—3997(2014)09—0264—03
Design of Functional Safety Pressure Transmitter and Safety Assessment
YAN Bing-jun，XU Ai-dong，SONG Yan，WANG Zhi—ping
(Shenyang Institute ofAutomation(SIA)，Liaoning Shenyang 110016，China)
Abstract：Based O／Z functional safety standard IEC61508，it studies the functional safety approaches of the pressure
transmitter．Following the loolD architecture，seif—diagnostics measures are used in this functional safety pressure
transmitter，in order to improve diagnostic coverage，dual CPUs are used to compare resuhs at different calculation stages．
The FEMEDA analysis and Markov model are usedfor safety verification．Furthermore．￡ e safetyfailurefraction (SFF)and
probability offailure on demand(PFD)are analyzed，and the results indicate that safety integrity level is SIL2．
Key W ords：Functional Safety；Pressure Transmitter；IEC61508；loolD；Self-Diagnostic
1引言
隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展以及基礎(chǔ)投入加大，生產(chǎn)環(huán)境和
人身安全越來越受到重視，為保證現(xiàn)場設(shè)備的正常運行和操作人
員的人身安全，安全系統(tǒng)已經(jīng)成為必須的安全保證，安全系統(tǒng)可
以監(jiān)測生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的或者潛伏的危險，當危險產(chǎn)生安全系統(tǒng)
立刻發(fā)出報警信息或直接執(zhí)行預(yù)定程序，立即進入安全操作，防
止事故的發(fā)生、降低事故帶來的危害及其影響『1。安全變送器作為
安全系統(tǒng)中重要的部分，目前已成為研究的重點，研究的功能安
全壓力變送器不僅具有壓力采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽瑫r還加入
了大量的診斷功能，增加了變送器運行的可靠性，從而使壓力變
送器具備了更高的安全性和可用性。
2功能安全壓力變送器的結(jié)構(gòu)和安全要求
2．1功能安全壓力變送器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
功能安全壓力變送器從結(jié)構(gòu)上主要分為采集部分、數(shù)據(jù)處
理部分、通信部分和電源等幾部分組成，如圖1所示。在本設(shè)計
中，采集部分完成壓力數(shù)據(jù)的采集并計算，計算結(jié)果通過串口發(fā)
送給數(shù)據(jù)處理部分，數(shù)據(jù)處理部分通過計算將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通
過通信部分的調(diào)制發(fā)送到總線上，使之成為總線控制器能夠識別
的滿足FF或PA協(xié)議的信號，而電源部分則是從總線取電，為采
集部分、數(shù)據(jù)處理部分和通信部分提供穩(wěn)定的電壓。
功能安全壓力變送器除了具備基本的采集和傳輸功能外，
在存在失效可能的部分都加入了診斷功能，保證壓力變送器在工
作過程中，一旦失效產(chǎn)生，變送器都會通過自診斷電路或程序發(fā)
現(xiàn)問題，使變送器進入安全狀態(tài)I習(xí)。
珀
圖1功能安全壓力變送器結(jié)構(gòu)
Fig．1 The Functional Safety Pressure Transmitter Structure
2_2功能安全壓力變送器的安全要求
在IEC61508中，安全功~(Safetyfunction)定義為：針對特
定的危險事件，為達到或保持EUC的安全狀態(tài)，由E／E／PE安全
相關(guān)系統(tǒng)、其它技術(shù)安全相關(guān)系統(tǒng)或外部風(fēng)險降低設(shè)施實現(xiàn)的功
能目。所設(shè)計的功能安全壓力變送器，能夠保證現(xiàn)場測量的壓力值
在允許范圍內(nèi)，并且在變送器發(fā)生錯誤時，能夠通過診斷功能發(fā)
現(xiàn)并進入安全狀態(tài)。因此，安全功能分為工作狀態(tài)和故障模式下
的安全狀態(tài)，為方便記憶，在下文中將故障模式下的安全狀態(tài)記
來稿日期：2014—02—15 ’
基金項目：國家高技術(shù)發(fā)展計~(863)(2012AA041103)；國家高技術(shù)發(fā)展計~(863)(2Ol3AA0403O1—1)
作者簡介：閆炳均，(1983一)，男，遼寧沈陽人，研究生，助理研究員，主要研究方向：安全儀表技術(shù)方面的研究
徐皚冬，(1969一)，男，遼寧沈陽人，博士，研究員，主要研究方向：功能安全技術(shù)的研究
第9期 閏炳均等：功能安全壓力變送器設(shè)計及其安全性評估 265
為安全狀態(tài)；工作狀態(tài)是壓力變送器在各種診斷功能啟動，并采
集的數(shù)據(jù)的精度滿足設(shè)計要求且通訊正常時，壓力變送器安全的
運行。
3功能安全壓力變送器的功能安全設(shè)計
3．1安全設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計
功能安全壓力變送器采用loolD硬件體系結(jié)構(gòu)，根據(jù)功能
安全標準IEC 61508規(guī)定，壓力變送器屬于TYPE B系統(tǒng)，HFT
為0，設(shè)計需求為安全完整性達到SIL 2，因此設(shè)計目標是99％>
SFF>90％[3J。對于loolD結(jié)構(gòu)壓力變送器，如圖2所示。在設(shè)計中
為了提高診斷覆蓋率，針對變送器可能出現(xiàn)的故障，加入相應(yīng)的
診斷方法，分別對采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及通信模塊進行診
斷，降低失效風(fēng)險，使其安全完整性達到SIL2標準 。
圖2功能安全壓力變送器loolD體系結(jié)構(gòu)
Fig．2 loolD System Structure of the Safety Pressure Transmitter
變送器的工作過程中，變送器通過診斷功能周期性對傳感
器模塊、EEPROM模塊、外部RAM模塊、電源模塊進行診斷，其
中采集部分的診斷包括傳感器的診斷和采集電路的診斷，通信部
分的診斷包括通訊超時和通訊數(shù)據(jù)錯誤的診斷，數(shù)據(jù)處理部分的
診斷采用雙CPU比較的方法來對變送器各階段處理結(jié)果進行比
對，實現(xiàn)糾錯診斷和處理結(jié)果比對，來確保系統(tǒng)的安全可靠運行，
當計算得到的采集CPU和計算CPU的各階段數(shù)據(jù)一致，變送器
測壓過程中沒有故障產(chǎn)生，壓力變送器功能得到執(zhí)行，當計算得
到的采集CPU和計算CPU的某一階段數(shù)據(jù)不一致，壓力變送器
立刻進入安全狀態(tài)，保證輸出信號的安全性，從而降低危險失效
率，提高診斷覆蓋率。
3．2診斷方法
在功能安全標準IEC61508—2中對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的診
斷方法給出了詳細的介紹，IEC61508—2里面列舉了針對復(fù)雜器
件的必須予以考慮的診斷方法和相應(yīng)的診斷覆蓋率 。結(jié)合功能
安全壓力變送器自身的結(jié)構(gòu)和特點，本設(shè)計采用雙MCU進行數(shù)
據(jù)的運算和最終的比較，在采集部分對傳感器進行診斷，能夠診
斷出傳感器的開路、短路，在通信部分加入了Profisafe安全層，保
證了通信數(shù)據(jù)的安全，采集部分和通信部分分別對可變內(nèi)存和不
可變內(nèi)存進行診斷，確保數(shù)據(jù)存儲的正確性，電源部分采用專門
的診斷電路對電源進行診斷，保證供電的安全，通過程序流監(jiān)視
的方法保證軟件運行的順序性和安全性。
4安全性評估
對于功能安全壓力變送器，安全完蟄l生水平是衡量整個變
送器安全性能的重要指標，IEC61508提出了安全完整性水平
(Safety Integrity Level，SIL)的概念，即在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時
間內(nèi)，安全儀表系統(tǒng)成功實現(xiàn)所要求的安全功能的概率 。對于壓
力變送器的安全勝來說，選擇安全完整性水平實際上是選擇執(zhí)行
設(shè)計功能要求的平均失效概率的數(shù)量級，為了得到平均失效概
率，就引入了失效模式、影響和診斷分析(FMEDA)(Fai1ure Modes
Effects and Diagnostic Analysis)，F(xiàn)MEDA可以對變送器進行結(jié)構(gòu)
化的定性分析，并能夠確定潛在的失效模式、失效原因和失效率
分布，最終能夠計算出影響安全完整性水平的安全失效分數(shù)和危
險失效率，從而驗證設(shè)計的安全完整性等級的選擇。
4．1失效模式、影響和診斷分析(FMEDA)
FMEDA是一種對設(shè)備的不同失效模式和診斷能力進行詳
細分析的方法，F(xiàn)MEDA分析要完成兩個安全完整性等級的測
量；即：安全失效分數(shù)SFF和執(zhí)行設(shè)計功能要求的平均失效概率
PFD。FMEDA分析所用到的失效模式及分布數(shù)據(jù)來源于機械安
全標準IEC62061，失效數(shù)據(jù)來源于西門子內(nèi)部可靠性標準
SN29500，每種失效模式對應(yīng)的診斷覆蓋率選擇依據(jù)功能安全標
準IEC61508m。
在功能安全標準IEC61508中，對FMEDA分析所用到的各
種參數(shù)有詳細的說明，只列出用到的參數(shù)，其中As為總的安全失
效率，A。為總的危險失效率，A 為總的未檢測到的危險失效率，
A 為總的檢測到的危險失效率，A 為總的未檢測到的安全失效
率，A 為總的檢測到的安全失效率，通過計算得到FMEDA的分
析結(jié)果，如表1所示。
表1 FMEDA分析結(jié)果
Tab．1 Analysis Results of FMEDA
4．2功能安全壓力變送器的Markov模型
Markov模型是一種安全儀表系統(tǒng)進行可靠性建模的方法，
Markov模型將系統(tǒng)歸于不同的若干狀態(tài)，一種狀態(tài)會以某種概
率轉(zhuǎn)移到另一種狀態(tài)，基于這種思想，可以計算出在某一時刻轉(zhuǎn)
移到某一固定狀態(tài)的概率。
功能安全壓力變送器采用loolD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)系統(tǒng)的可
能出現(xiàn)的狀態(tài)，將壓力變送器分為四種狀態(tài)，其中：狀態(tài)0表示初
始正常狀態(tài)，狀態(tài)1表示安全失效狀態(tài)，狀態(tài)2表示檢測到危險
失效狀態(tài)，狀態(tài)3表示未檢測到的危險狀態(tài)。考慮到變送器出現(xiàn)
故障后可以進行修復(fù)，在建模過程中對系統(tǒng)啟動率 和系統(tǒng)修
復(fù)率tZso予以考慮，選擇 =0．9 。功能安全壓力變送器的馬爾
可夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖3所示。
圖3馬爾可夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖
Fig．3 Markov State Transition Diagram
機械設(shè)計與制造
No．9
Sept．2014
4．3安全完整性評估
安全完整陛評估的重要指標是安全失效分數(shù)SFF和執(zhí)行設(shè)
計功能要求的平均失效概率PFD，對于復(fù)雜器件，IEC61508—2里
面列舉了必須予以考慮的失效模式和診斷覆蓋率，通過FMEDA
分析能夠確定每種失效模式的失效率，IEC61508—6給出的相關(guān)
公式如下 ：
安全失效分數(shù)：
SFF：_ ：97．77％ (3)
A s+^DD+^DU
依據(jù)loolD的馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，參考IEC61508—6關(guān)于
可靠性模型建立的方法，得到馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣：
1一(A +A。)
0
0
sD SU DD DU
A +A A A
1 D 0 0
0 1 0
0 0 1
檢測時間以1h為間隔，l0年時間為87600h，用 表示經(jīng)過
間隔檢測時間的個數(shù)，有St=sf ，在開始時刻系統(tǒng)的狀態(tài)概率
為P為：
1 0．999989848 0．000006636 0．000001015 0．000000103
{0．900000000 0．1000000000 0 0
』0．900000000 0 0．1000000000 0
【0 0 0 0．1000000000
經(jīng)過1年8760h的狀態(tài)概率|s。， 為：
[1 0 0 0]
0．99125957854 0．00000896099
O．OO00ol1 17921 0．o00898326953
O．99l25957854 0．00000896099
0．0000Ol 1 17921 0．000898326953
0．99125957854 0．00000896099
0．00000l1 17921 0．000898326953
0 0
0 l_000000000000
可以得到的狀態(tài)概率Js87 [0．99125957854 0．00000896099
0．0000001117921 0．000898326953]，同樣可以得到(1 10)年的
狀態(tài)概率值，功能測試后的狀態(tài)概率，如表2所示。
表2功能測試后的狀態(tài)概率
Tab．2 State Probability after Functional Test
齠 狀態(tài)0 狀態(tài)1 狀態(tài)2 狀態(tài)3
1 0．99125957854 0．0o00o896099 O．Oooo0l1 17921 0．ooO898326953
2 0．98260554289 0．0ooo0888277 0．0D0oO1108163 O．oo178869875l
3 0．97402814132 O．0oO0o88O522 0．0D0oO1O98488 O．oo2671409723
4 0．96552347008 O．0oO00872835 0．0o0oO1088897 0．oo3546414381
5 0．950941 19478 0．0o0oo865215 0．ooO0o1079392 0．004413779922
6 0．94873835991 0．0()O0085766l 0．00oo01069968 0．0O5273573o(r弭
7 0．94O456595l2 O．0oO0o850l73 0．Oo()oO1060354 0．006125859918
8 O．932246O8692 O．0oO00842751 O．0()0o0105l367 0．0o6970706015
9 0．924lO623146 0．0()o0o835392 0．0oooO1O42188 0．OO7808176317
lO 0．91603948637 0．0()Oo0828O99 O．O00oo1033091 0．0086383352l6
由表2結(jié)果可以看出，隨眷險卿擱的加大，功能安全壓力變送器
保持安全{) 的溉率明顯減小，到第1 0年已經(jīng)降到9 1．6％，而安全失
效的概率和檢測到危險失效的概率雖然也有一定的降低，但降低的
數(shù)值不大；通過對計算結(jié)果分析可知，安全失效分數(shù)SFF-97．77％，
設(shè)計loolD體系結(jié)構(gòu)的硬件故障裕度為0，且99％>SFF>90％，可
知此時變送器安全失效分數(shù)SFF達到了安全完整性等級SIL2的
要求；10年的平均失效概率PFDavg-0．0086，且10。

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