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功能安全原理与技术实现解析

发布时间:2020-01-15 16:15   类型:解决方案   人浏览
摘要:自动化设备的控制系统中除了能满足应用的智能控制以外安全控制至关重要,安全相关系统可以最大限度地防止这些高度集成和智能设备的不安全状态,防止恶性事故的发生或在事故发生后尽可能地减少损失,保护装置及最重要的人身安全。本文阐述了安全相关系统的背景,根据经验总结了一些关于自动化控制中安全相关系统的设计原则,以及安全特殊器件、安全回路、安全联锁机制、安全转矩关断功能等几种具体的设计方法。 关键词:安全相关系统   安全继电器模块   安全回路   安全联锁机制   安全转矩关断功能  Abstract:Automation equipment control system except can satisfy the application of intelligent control in the safety control is crucial, safety related system can maximize prevent unsafe state of these highly integrated and intelligent equipment, prevent vicious accidents or reducing losses as much as possible after the accident, personal safety protection device and the most important. This paper describes the background of safety related system, and summarizes some design principles of safety related system in automatic control, as well as several specific design methods such as safety special device, safety loop, safety interlock mechanism and safety torque turn-off function. Keyword:Safety related system   Safety relay module   Safety circuit   Safety interlocking mechanism   Safety torque shutoff function 【中图分类号】TE687.1 【文献标识码】B  文章编号1606-5123(2019)11-0046-05 1 引言 近半个世纪以来,我国工业的飞速发展给人们带来巨大经济效益的同时,也伴随着越来越多的工控设备引起的火灾、爆炸、人身伤亡等安全事故。特别是高温、高压、易燃、易爆、有毒的行业。同时机械、工业装置等设备越来越集成化和自动化,在这些自动化设备的自动控制系统工作不正常情况下(电气、电子及可编程电子设备的失效)有可能产生诸如火灾、爆炸、辐射超剂量、机械卷入等危险事件,对人员和环境产生一定风险,轻者设备损坏,重者机毁人亡。 自动控制系统中这种电气、电子及可编程电子设备的失效既可能因为器件的物理故障(随机硬件失效),也可能因为系统性故障(在系统的设计和规范中人为错误在一些特别输入组合的情况下导致的系统性失效)或者因为某个环境条件而产生。为了确保装置和设备安全的自动运行,防止和/或控制电气、电子或者可编程电子设备的失效,能提供一个基于风险方法的整体框架的安全相关系统就显得非常有必要了。 2 功能安全IEC与GB标准 2.1 IEC-61508 2000 年5 月,国际电工委员会 (IEC)正式发布了IEC-61508标准,名为“电气/电子/可编程电子安全系统的功能安全”。该标准共计七个部分,涉及到1000多个规范。该标准针对起安全作用的电气/电子/可编程电子系统(E/E/PE)提出了一个基础、合理的技术方案,并建立一个相应的评价方法,综合考虑如传感器、通信系统、控制装置、执行器等元器件与安全系统组合的问题。 2.2 IEC-61511 2003年1月,在IEC-61508的基础上,IEC又发布了IEC-61511“过程工业部门仪表型安全系统的功能安全”。对过程工业领域中安全相关系统的设计、安装、调试、运行和维护等一系列的要求进行标准化,并对应用和安全整体级别的确定方面提供指导。 2.3 GB/T 20438 我国标准GB/T 20438就是与IEC-61508标准相对应的关于针对所有以电为基础的安全相关系统提出的通用方法。在自动化设备控制系统中安全相关系统的设计、安装、调试、运行和维护有着重要的指导意义。 3 安全相关系统的设计原则 由于自动化设备控制系统高度集成和自动,其安全相关系统的设计就显得至关重要。根据我关于电梯控制、自动化码头、智慧物流等系统的设计经验,总结了以下关于安全相关系统设计时应能满足相关标准以外还应充分考虑的设计原则。 3.1 独立设置原则 安全相关系统应独立于自动化控制的过程控制系统,以降低控制功能和安全功能同时失效的概率,使安全相关系统不依附于过程控制系统就能独立完成自动保护和联锁的安全功能。 设计时必须考虑配置相应的通讯接口,使得过程控制系统也能够监视安全相关系统的运行状态。 需要独立设置的部件包括检测元件、执行元件、逻辑运算器、安全控制器件,以及与过程控制系统之间或其他设备的通讯组件。 对于较为复杂装置的安全相关系统适合分解为若干子系统,各子系统相对独立且分别设置后备手动功能。 3.2 结构选用的原则 安全相关系统应采用容错系统。在一个或多个元件发生故障时,系统仍然具有继续运行的能力。对于以逻辑运算器为基础的容错系统来说,一般都会采用冗余结构,并可参考采用以下方法: ● 对于有相互关系的参数之间可以使用不同的测量方法(如压力和温度); ● 对于同一变量采用不同的测量技术(如涡街流量计和电磁流量计); ● 对于冗余结构的每一个通道采用不同类型的可编程电子系统; ● 对于冗余的通讯结构来说可以使用不同的地址。 3.3 技术选用的原则 安全相关系统可以采用电气、电子或可编程技术,也可以采用电气、电子和可编程技术混合的方案。 在高负荷周期性的频繁改变状态时,作为定时器或锁定功能使用和复杂的逻辑应用场合时均不可以使用继电器。这时候可以考虑选用固态继电器,但也需恰当处理好故障安全模式。 另外要注意的是对于安全相关系统一般不推荐使用固态逻辑,即将内部逻辑元件(与、或、非等)用直接连线的方式来获得逻辑功能,而一般这些功能在故障安全方面是受限制的。 3.4 故障安全原则 安全相关系统必须是故障安全型的。所谓故障安全是指检测元件和最终执行元件在系统正常时应该是励磁的,即得电状态;在系统故障时应是非励磁的。这也称之为非励磁停车设计。 3.5 中间环节最少原则 自动化控制系统作为一个高效的系统,安全相关设计的中间环节越少越好,尽可能地采用最直接的测量和最可靠的执行方式,避免繁琐复杂和不必要的设计以及过多的电-气、气-电转换环节,另外在运行时也要考虑对人员干预和选择环节的需求是最少的或者没有。 针对上面描述的安全相关系统的设计原则,以下就关于自动化控制系统中具体的安全相关系统设计的几种方法做详细分析。 4 安全特殊器件 随着恶劣工作环境下的人工成本的增加,自动化程度较高设备在这类场合的应用最为广泛,控制系统的安全也最为重要。在这种多粉尘、含有易燃易爆气体环境下的控制系统设计时必须使用特殊器件。这些器件能直接在不安全环境下运行或者将不安全环境下的信号处理后进入自动化设备的控制系统。 4.1 防爆电气设备 市场上的防爆仪器仪表、防爆开关、防爆启动器等防爆电气设备是不会引起周围爆炸性混合物爆炸的电气设备,算是比较特殊的安全设备了。防爆电气设备是用隔离的方式来从控制易爆源、控制爆炸范围、控制引爆源来实现安全控制的。这种防爆电气设备能直接安装在不安全环境下运行,我们在相关系统设计时可参照国家标准GB3836-2000体系环境来选择这些防爆电气设备。GB3836-2000标准体系把防爆电气设备分为以下类型: (1)隔爆型a:隔爆外壳既能承受内部爆炸混合物的爆炸压力,也能阻止内部的爆炸向外壳周围爆炸性混合物传播。 (2)增安型b:在其结构上采取措施,提高安全程度,以避免在正常或规定的过载条件下出现电弧、火花或可能点燃爆炸性混合物的高温。 (3)本质型c:在规定条件下,在正常工作或规定的故障状态下,产生的电火花和热效应均不能点燃爆炸性混合物的电路 (4)正压型d:向外壳内通入保护性气体,保持内部保护性气体的压力高于周围爆炸性环境的压力,以阻止外部爆炸性混合物进入壳内的外壳。 (5)充油型e:将全部部件、可能产生电火花或过热的部分部件浸在油内,使

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