功能安全型液位變送器
針對傳統(tǒng)液位變送器在其硬件設計上難以達到現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中安全要求的問題，介紹了一種安全完整性等級達到 SIL2 的功能安全型液位變送器的設計方法。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，通過對電源模塊進行雙通道采樣對比診斷，對時鐘模塊進行看門狗診斷等，使得系統(tǒng)診斷覆蓋率增加，從而有效增大安全失效分數(shù)。經(jīng)過失效模式、影響及其診斷分析( FMEDA) ，結(jié)果表明，安全失效分數(shù)達 98． 3% ，滿足目標安全完整性等級的要求。
液位變送器測量系統(tǒng)當前液位值，對傳感器測得信號進行處理，得到標準電流輸出，傳送給下一個模塊，在整個系統(tǒng)中是關鍵的一環(huán)。因此，設計功能安全型液位變送器是工業(yè)領域迫切需要的。文中在硬件方面，針對系統(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，可以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)［2 － 3］;***后經(jīng)過一系列可靠性分析，驗證該設計滿足工業(yè)生產(chǎn)對安全方面的要求。
產(chǎn)品價格：
| 價格 | ¥ 288.00 | ¥ 788.00 | ¥ 2050.00 |
| 起批量 |
規(guī)格型號：
| 加工定制 | 是 | 品牌 | HY/華云 | 型號 | MIK-P300 |
| 類型 | 擴散硅壓力變送器 | 測量介質(zhì) | 水、油、氣體 | 測量范圍 | -100~120000（kPa） |
| 精度等級 | 0.5 | 輸出信號 | 4-20（mA） | 防爆等級 | 無 |
| 防護等級 | IP65 | 電源電壓 | 24（V） | 接口尺寸 | M20*1.5等（mm） |
隨著 2006 年 GB /T 20438 電氣/電子/可編程電子安全相關系統(tǒng)的功能安全的頒布，功能安全的概念正式進入我國。目前，在石油、化工、冶金、核電等領域，安全相關產(chǎn)品的需求也越來越大。所謂的安全相關產(chǎn)品，是指可構(gòu)成安全相關系統(tǒng)的、滿足功能安全設計實現(xiàn)要求的、具有安全相關參數(shù)的產(chǎn)品［4］。通俗來講，要稱一個產(chǎn)品為安全相關產(chǎn)品，其必須具有一定的安全功能，保證系統(tǒng)在發(fā)生危險前進入安全狀態(tài)。一個安全相關產(chǎn)品必有其對應的安全完整性等級，為了達到目標安全完整性等級，硬件設計和軟件編程中都必須滿足標準中規(guī)定的要求。硬件上存在隨機硬件失效和系統(tǒng)失效這兩個因素影響安全完整性等級，而軟件上只存在系統(tǒng)失效。針對不同的失效，必須在設計開發(fā)過程中采取一定的措施和手段，實現(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：
安全功能的要求來源于對危險的分析，即必須做什么以避開危險事件;而安全完整性等級的要求來源于對風險的評估，即安全功能必須執(zhí)行到什么程度以使殘余風險能夠被接受 。由安全相關產(chǎn)品的構(gòu)成可以看出，需要在產(chǎn)品的硬件和軟件的設計上采取一系列措施，增加安全功能。硬件安全完整性等級受限于硬件故障裕度以及安全失效分數(shù) 。硬件故障裕度是指超過該參數(shù)的失效則會造成系統(tǒng)安全功能喪失，工業(yè)上往往根據(jù)設備的硬件需求已經(jīng)確定其硬件故障裕度;而安全失效分數(shù) SFF 如式(1) ，其中∑λS 指安全失效總概率，∑λD 指危險失效總概率，∑λDD 指診斷測試
［7］，檢測到的危險失效概率 可以看出安全失效分數(shù)與可診斷的危險失效概率有關，也就是說可以通過增加診斷回路來提高安全失效分數(shù)。硬件上為了確保液位變送器安全可靠地運行，需要對其每個模塊進行診斷
| SFF = | ∑λS | + ∑λDD | (1) |
| ∑λS | + ∑λD | ||
液位變送器的安全功能就是準確測量液位值，并將測得的數(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、電源模塊以及時鐘模塊 。在時鐘系統(tǒng)的控制下，首先是傳感器測得的數(shù)據(jù)通過信號輸入模塊傳遞給 A/D 轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后傳輸給單片機，單片機對數(shù)據(jù)進行濾波計算出當前傳感器測得的液位值以及對應的碼值寫入 D/A 轉(zhuǎn)換模塊，***后 D/A 芯片根據(jù)得到的碼值輸出對應大小的標準電流信號，電源模塊在這個過程中對其他的模塊提供穩(wěn)定電壓。
3、安全液位變送器的設計：
液位變送器在硬件上要達到目標安全完整性等級，通常從兩方面著手:通過冗余結(jié)構(gòu)來提高硬件故障裕度，避免由于其中一條通道故障而導致系統(tǒng)進入危險狀態(tài);通過設計診斷電路增加安全失效分數(shù)，在危險發(fā)生之前能及時發(fā)現(xiàn)并采取措施，把危險失效轉(zhuǎn)化為 ，安全失效 。在硬件故障裕度為定值的情況下 通常針對每個功能模塊設計診斷結(jié)構(gòu)。安全液位變送器的模塊設計如圖 1 所示。
圖 1 安全液位變送器模塊設計圖
3. 1、基本功能模塊設計：
液位變送器的基本功能主要包括信號輸入，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)時鐘模塊。本文以 STM32F103xx 增強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計。系統(tǒng)上電后，時鐘模塊啟動，在系統(tǒng)時鐘提供的時鐘下，由傳感器測得的信號發(fā)送給單片機內(nèi)嵌模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對輸入信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，微處理器對轉(zhuǎn)換后的信號進行運算處理，把得到的碼值傳送到外部 D /A 模塊，***后得到標準電流信號輸出。
(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，同時出于安全保護考慮，輸入輸出電路需要相互隔離，因此，僅使用單片機內(nèi)部電源遠達不到要求。本設計使用 Linear 公司生產(chǎn)的 LT1934 芯片，其輸入電壓范圍***大可達 34 V，***小也可為 3. 2 V，能對各種電源進行調(diào)節(jié)。在輸入 24 V 直流電時，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) 時鐘系統(tǒng)。微處理器的各個模塊都需要在時鐘的驅(qū)動下工作。STM32 存在五個時鐘源，通常選擇鎖相環(huán)倍頻輸出( PLL) 、8 MHz 的 ＲC 振蕩器( HSI) 或高速外部時鐘( HSE) 三者之一作為系統(tǒng)時鐘，再通過AHB 分頻器分頻后提供給各個模塊使用。大部分提供給外設的時鐘輸出都是帶有使能控制的，使用模塊之前，必須發(fā)送信號開啟其對應的時鐘。這種設計的好處在于，當不使用某個外設時，關閉其對應的時鐘，降低了系統(tǒng)的功耗。值得注意的是，看門狗電路使用內(nèi)部低速時鐘( LSI) ，但窗口看門狗使用系統(tǒng)時鐘是通
過 AHB1 分頻得到。設置 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、低功耗的嵌入式應用而設計的高性能 AＲM Cortex － M3 的 ＲISC 內(nèi)
| ［10］ | 。同時，芯片內(nèi)置高速存儲器，包括高達 128 kB |
| 核 |
［11］，的閃存和 20 kB 的 SＲAM 硬件上充分滿足液位變送器的設計需求。此外，它具有豐富的功能模塊，包括2 個 12 位 ADC、電源電壓監(jiān)控、電壓調(diào)壓器、DMA 控制器、獨立的看門狗以及窗口看門狗、7 個定時器、9 個通信接口( I2C，USAＲT，SPI，CAN，USB) 等，優(yōu)勢不言而喻;
(4) A /D 模塊。STM32F103 增強型產(chǎn)品內(nèi)嵌兩個12 位的 ADC，每個 ADC 有多達 16 個外部通道，轉(zhuǎn)換電壓范圍在 0 ～ 3. 6 V 之間，從傳感器輸出的信號通常要經(jīng)過電平移動或者放大傳感器信號再送到 ADC 中。使用 ADC 模塊前，必須開啟 PA 口的時鐘，并把 PA0設置成模擬輸入。兩個 ADC 使用同一個時鐘頻率，***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 芯片作為外設得到標準輸出。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，與單片機可以通過 SPI 接口進行數(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，DAC7750 還具有部分自檢功能，包括循環(huán)冗余校驗，開路警報以及看門狗電路電流輸出。
3. 2、診斷模塊設計：
本文主要針對 A /D，D /A 模塊以及時鐘模塊進行硬件設計上的診斷。
(1) 看門狗時鐘診斷。看門狗實際上是一個定時器電路，輸入端與單片機上的 I /O 相連，由程序控制定時向這個引腳傳送高電平或低電平，就是俗稱的“喂狗”;另一端連接單片機的復位引腳。一旦系統(tǒng)由于干擾出現(xiàn)程序跑飛或進入死循環(huán)，導致“喂狗”的動作沒有如期進行，看門狗便會通過連接的復位引腳向單片機 發(fā) 送 一 個 復 位 電 平，使 得 單 片 機 復 位。
STM32F103 增強型系列的芯片帶有兩個看門狗定時器，一個是獨立看門狗，一個是窗口看門狗。由于要對晶振的偏移做出診斷，這里選擇窗口看門狗，過早或太晚“喂狗”都會造成系統(tǒng)復位;
(2) A /D 模塊診斷。由于 STM32F103xx 增強型產(chǎn)品內(nèi)嵌兩個 12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC，這里采用雙ADC 模式，對輸入信號進行同步采樣，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲在 A /D 接口的 ADC _ JDＲ1 存儲器中，其中由ADC1 轉(zhuǎn)換得來的數(shù)據(jù)存儲在寄存器的低 16 位，由
ADC2 得到數(shù)據(jù)存儲在高 16 位。ADC2 得到的數(shù)據(jù)作為一個參考數(shù)據(jù)，與 ADC1 得到的數(shù)據(jù)進行比較，若兩個數(shù)據(jù)之間的誤差在可接受范圍內(nèi)，則認為系統(tǒng)安全，把寄存器的低 16 位數(shù)據(jù)傳送給 MCU 進行處理;否則的話，認為 ADC 出現(xiàn)故障有可能導致系統(tǒng)發(fā)生危險失效，此時軟件上必須保證系統(tǒng)進入一種安全狀態(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。給定一個設定值，經(jīng)過 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，并對經(jīng) A /D 轉(zhuǎn)換后的輸出信號進行回采。對比***后得到的數(shù)據(jù)與設定值，若兩者相同，則認為 D /A 轉(zhuǎn)換通道; ， ［12］ ，沒問題 若不同 則判定會發(fā)生失效 。此外 在系統(tǒng)運行過程中，可通過訪問 DAC7750 內(nèi)部高精度電阻器來實時監(jiān)控電流輸出，一旦超出正常輸出范圍，系統(tǒng)發(fā)出警報。
4、硬件安全完整性等級分析：
根據(jù) IEC 61508 的定義，液位變送器屬于 B 類安全相關子系統(tǒng)，即失效模式不能完全被定義的子系統(tǒng)，同時根據(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)要達到目標安全完整性等級SIL2，其安全失效分數(shù)必須達到 90% 以上。
表 1 B 類安全相關子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)約束
| 安全失效分數(shù) | 硬件故障裕度 | ||
| 0 | 1 | 2 | |
| ＜ 60% | 不允許 | SIL1 | SIL2 |
| 60% ～ ＜ 90% | SIL1 | SIL2 | SIL3 |
| 90% ～ 99% | SIL2 | SIL3 | SIL4 |
| ≥99% | SIL3 | SIL4 | SIL4 |
文中采用的 FMEDA 分析法依據(jù)的標準主要由失效率預計、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］ | 。對于復雜器件，不能對 |
| 部分組成 |
失效模式進行詳細分析時，通常將失效分為安全失效， 50% 危險失效 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應的診［5，10］斷覆蓋率 。本文參考軍用標準 GJB /Z 299C－ 2006 電子設備可靠性預計手冊，對每種元器件進行失效模式、失效概率以及失效影響分析，可以得到相對，準確的失效模式以及診斷覆蓋的評估信息 具體數(shù)據(jù)如表 2 中 FMEDA 的分析結(jié)果。
| 表 2 | FMEDA 分析結(jié)果 | |||
| λs /h | λD /h | λDD /h | λDU /h | |
| 1. 52 × 10 － 7 | 6. 83 × 10 － 8 | 6. 47 × 10 － 8 | 3. 6 × 10 － 9 | |
因此，系統(tǒng)安全失效分數(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，上述液位變送器設計方案 | ||||||||||
| 滿足硬件上功能安全完整性的要求。 | ||||||||||
本文系統(tǒng)介紹了功能安全型液位變送器在硬件上的設計，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)，分別對電源模塊，時鐘模塊，微處理器數(shù)據(jù)處理模塊，輸出模塊設計診斷回路，有效增大安全失效分數(shù)。經(jīng)過可靠性分析，驗證安全失效分數(shù)達到 98. 3% ，從而在硬件上滿足其目標安全完整性等級 SIL2 的要求。