隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展, 工業(yè)自動化儀表作為過程工業(yè)自動化中的一個重要組成部分, 其安全問題越來越受到人們的重視。安全儀表系統(tǒng) (SIS) , 在危險事件發(fā)生之前正確地執(zhí)行其安全功能, 可以有效的避免或減少事故的發(fā)生[1]。2000年, 國際電工委員會 (IEC) 發(fā)布了IEC61508標(biāo)準(zhǔn), 明確的提出了安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全[2]。儀表及系統(tǒng)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)、評估、產(chǎn)品研究和開發(fā)、認證等問題逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點。

在我國, 功能安全儀表及系統(tǒng)的研究和開發(fā)尚在起步階段[3-4]。功能安全浮筒液位計作為安全儀表系統(tǒng)的重要組成部分, 使用在重要的安全和控制領(lǐng)域, 為確保生產(chǎn)過程的安全可靠運行發(fā)揮非常重要的作用[5]。對浮筒液位計實施功能安全認證, 能夠?qū)σ何挥嫷陌踩δ苓M行科學(xué)的分析, 對產(chǎn)品的失效進行有效的控制, 從而減少事故發(fā)生的概率, 從而從根本上保證工業(yè)生產(chǎn)過程的本質(zhì)安全, 實現(xiàn)保障經(jīng)濟安全的目的[6]。

功能安全浮筒液位計主要包含功能安全液位變送器、浮筒室組件、浮筒組件、杠桿組件、扭力管。主要實現(xiàn)對液位的測量[7]。其主要工作原理如圖1所示, 浮筒浸沒在被測液體中, 與扭力管系統(tǒng)剛性連接。當(dāng)被測液體的液位l發(fā)生變化, 則懸掛在液體中的浮筒受到的浮力也隨之發(fā)生變化, 從而改變了扭力管的扭矩, 從而導(dǎo)致扭力管角度的變化。這種扭力管的旋轉(zhuǎn)運動傳遞到液位計的擺動組件上, 從而導(dǎo)致擺動組件上的磁鋼隨之發(fā)生移動, 從而導(dǎo)致了磁場的變化。液位變送器中的霍爾傳感器可以感應(yīng)到這種磁場的變化, 并將磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘? 通過A/D轉(zhuǎn)換電路對該電信號進行采樣得到電壓值之后傳輸至CPU模塊進行數(shù)據(jù)處理, 通過數(shù)據(jù)處理之后, 將物位信號變送成標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA信號遠程傳輸, 完成整個液位計的基本功能;HART通信的信號以4~20mA電路為物理層, 耦合符合FSK標(biāo)準(zhǔn)的HART總線信號, 以達到電浮筒物位計與HART主機間的信息交互功能。通過對液位計的傳感器故障診斷、硬件故障診斷、FEMDA分析及計算、軟件V&V認證及測試等, 并在產(chǎn)品的整個生命周期 (需求、設(shè)計、測試、生產(chǎn)、質(zhì)量) 中遵循IEC61508, 從而開發(fā)出滿足SIL2要求的功能安全浮筒液位計。

根據(jù)IEC61508標(biāo)準(zhǔn), 一套完整的安全儀表系統(tǒng)由傳感變送器、邏輯運算器和***終執(zhí)行元件構(gòu)成[8]。邏輯運算器作為核心部件, 負責(zé)按照設(shè)定的邏輯進行控制。功能安全浮筒液位計作為傳感變送器, 主要對液位信號進行采集, 并輸出給邏輯運算器。

功能安全浮筒液位計的安全構(gòu)架如圖2所示:主要包括霍爾傳感器、RTD傳感器、測量A/D、診斷A/D、MCU模塊、按鍵、LCD、HART模塊、電源模塊、D/A輸出模塊、時鐘診斷模塊、電源及輸出診斷模塊。

其中霍爾傳感器、RTD傳感器、測量A/D、MCU、電源及D/A輸出模塊為安全相關(guān)的部分, 其任何故障均需要進行診斷和FMEDA分析;其中診斷A/D、時鐘診斷模塊、電源及輸出診斷模塊為診斷部分, 其功能是對安全相關(guān)部分電路進行診斷;按鍵、LCD、HART模塊為非安全相關(guān)的部分, 其失效不會影響到儀表的安全功能。

測量A/D采樣模塊主要采集霍爾傳感器及RTD的溫度信號并實現(xiàn)與MCU模塊的通信, 診斷A/D則實現(xiàn)對測量A/D模塊的診斷。MCU模塊的主要對A/D模塊采樣的數(shù)字量進行運算處理并輸出數(shù)字量給D/A從而控制4~20mA的電流輸出。同時, MCU還可實現(xiàn)對電源、環(huán)境溫度、激勵電流、及MCU內(nèi)部的診斷。電源提供系統(tǒng)所需要的+3.3V及+5V電源。D/A輸出模塊根據(jù)MCU提供的數(shù)字量輸出4~20mA電流。電源及輸出診斷模塊實現(xiàn)對系統(tǒng)電源、通訊故障和回路電流診斷。時鐘診斷模塊主要實現(xiàn)對MCU時序的故障診斷。按鍵可實現(xiàn)對儀表的功能配置, LCD具有顯示功能, HART模塊具有HART通信功能。

功能安全浮筒液位計軟件遵從V&V (verification and validation) 過程, 通過檢查、分析、評估評審、評價、測試的方法為軟件產(chǎn)品和過程提供置信度證明[9-10]。功能安全浮筒液位計的安全功能是通過傳感器采集液位信號, 轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號實現(xiàn)4~20mA模擬量輸出, 同時可通過LCD進行顯示, 并通過按鍵進行參數(shù)設(shè)置, 通過上位機Hart協(xié)議進行通信, 實現(xiàn)監(jiān)視和出廠標(biāo)定。

MCU的軟件功能總體設(shè)計如圖3所示。

MSP430通過SPI接口實現(xiàn)對模擬信號的采樣;通過SPI接口實現(xiàn)D/A的模擬量輸出;通過UART接口以完成產(chǎn)品的標(biāo)定功能;另外, MCU通過I2C接口控制液晶顯示, 通過按鍵設(shè)置量程范圍。

功能安全浮筒液位計軟件從功能上分為運行模塊及診斷模塊。運行模塊負責(zé)信號的采集處理、LCD顯示、鍵盤設(shè)置及HART通信等儀表基本功能的實現(xiàn)。診斷模塊則是儀表安全的重要保障。其運行模塊流程如圖4所示。

首先, 儀表完成上電初始化, 同時進行上電診斷。如果診斷通過, 則進行變量初始化, 進入運行模式;若診斷出安全相關(guān)錯誤, 則進入安全狀態(tài)。儀表在運行模式中也要進行運行自診斷, 如果自診斷出錯則進入安全狀態(tài) (輸出安全電流) 。

運行模塊首先判斷儀表的所處模式。如在正常運行模式, 儀表需完成A/D采樣, AD線性化處理, 計算出物位值, D/A輸出轉(zhuǎn)換, 顯示輸出, 診斷功能, 同時若有上位機通信, 完成上位機監(jiān)測 (注:標(biāo)定對用戶是不開放的功能, 是安全相關(guān)的) 功能。如果掃描按鍵輸入, LCD顯示輸入的密碼正確, 完成按鍵處理, 實現(xiàn)按鍵設(shè)置功能。如果儀表處于安全模式, 則輸出安全電流。

運行模塊分為8個子模塊:按鍵處理模塊、顯示模塊、主采樣模塊、診斷采樣模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、中斷處理模塊、配置模塊。

功能安全浮筒液位計在基本檢測儀表的基礎(chǔ)上增加診斷功能, 實現(xiàn)對儀表狀態(tài)的實時監(jiān)控。因此診斷功能模塊的設(shè)計決定著產(chǎn)品的安全功能, 是至關(guān)重要的。功能安全浮筒液位計的診斷包括上電診斷和運行中診斷。上電診斷主要對CPU內(nèi)部性能進行診斷, 包括中斷錯誤診斷、RAM上電診斷、ROM上電診斷、EEPROM上電診斷、堆棧上電診斷、寄存器上電診斷、指令上電診斷。運行中的診斷除了包括CPU診斷, 還包括外部器件的診斷, 如:采樣AD診斷、DA診斷、電源診斷等。

功能安全完整性評估方法[11-12]是綜合考慮系統(tǒng)或設(shè)備的每小時失效概率密度 (probability of failure per hour, PFH) , 危險損害嚴重程度, 暴露在危險中的時間, 避免危險損害的可能性等因素進行的評估。安全性是安全相關(guān)系統(tǒng)的一種固有屬性, 并且以安全完整性等級 (SIL) 的形式來表征。安全完整性等級表示能成功完成安全功能的概率。根據(jù)IEC61508的規(guī)定, SIL分為4個等級, SIL1為較低, SIL4為***高, 等級越高代表發(fā)生故障的概率越低, 安全性越高。SIL等級與發(fā)生故障概率的關(guān)系如表1所示。

為了確定功能安全液位變送器的SIL等級, 必須對液位計進行模塊劃分和模塊獨立診斷, 對診斷方案進行分析, 從而確定功能安全液位變送器診斷技術(shù)的有效性及診斷覆蓋率。本文采用FMEDA的分析方法, 可以定性和定量的對功能安全液位計的各個安全相關(guān)的模塊進行有效的分析、研究和改進, 從而實現(xiàn)安全儀表系統(tǒng)的高安全性、高可靠性以及高可用性[13]。

FMEDA方法是指通過分析元器件 (或部件) 所有可能的故障模式[14], 根據(jù)電路的原理進行科學(xué)的分析, 確定所有元器件的所有失效模式對液位計安全功能的影響, 并確定和區(qū)分所有的安全失效和危險失效。所有的危險失效必須有對應(yīng)的診斷電路進行診斷, 從而達到SIL2要求的90%以上的診斷覆蓋率和90%以上的安全失效分數(shù) (SFF) 。針對功能安全浮筒液位計的硬件電路的各個模塊進行FMEDA分析和計算可以得出表2的結(jié)論, 從而滿足了功能安全SIL2的等級要求。

要達到功能安全液位計SIL2的要求, 軟件則須滿足SIL3的等級要求, 在軟件的開發(fā)過程中遵循V&V (verification and validation) 的要求, 從而減少軟件開發(fā)過程中所帶來失效。同時需要對軟件設(shè)計中的設(shè)計方法、技術(shù)路線、測試方法等采取一系列的故障避免措施, 并對這些故障避免措施的有效性根據(jù)IEC61508進行分析和確認[15]。

軟件驗證主要包括軟件靜態(tài)測試、動態(tài)測試和集成測試。靜態(tài)測試采用了人工審查分析和軟件工具自動分析兩種方法相結(jié)合的方式對軟件源代碼進行了靜態(tài)測試分析。測試結(jié)果表明, 軟件源代碼符合MISRA—C:2004編程規(guī)范。浮筒液位計動態(tài)測試同時采用了黑盒測試和白盒測試兩種方法。

集成測試則主要是產(chǎn)品的功能測試。不同于常規(guī)產(chǎn)品, 功能安全浮筒液位計還需要做故障插入測試, 以檢驗FMEDA分析的有效性, 對液位計各部分的故障進行人為的模擬注入測試, 并驗證輸出結(jié)果是否導(dǎo)致安全的失效。

“功能安全浮筒液位計”是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的安全級智能液位儀表, 本項目的實施打破了國外對功能安全儀表技術(shù)的壟斷, 實現(xiàn)了對其關(guān)鍵零部件的自主創(chuàng)新, 掌握了產(chǎn)品的關(guān)鍵工藝技術(shù), 提升了我國對安全級儀表工業(yè)的技術(shù)、工藝水平。

國內(nèi)對于功能安全浮筒液位計的研發(fā)和生產(chǎn)起步較晚, 這是我公司完全獨立自主研發(fā)、國內(nèi)通過功能安全完整性SIL2認證的浮筒液位計, 達到了國內(nèi)外先進水平。