功能安全在工业过程安全仪表中的运用分析

黎存华

广东华晟安全职业评价有限公司?广东广州?510650

摘要：随着科学技术的发展，促进了石油、冶金和化工行业的快速发展，油气泄漏和轨道安全事故成为当前最为严峻的问题，功能安全成为人们密切关注的问题，对功能评估有着强烈的要求。但是受外界因素影响，我国的功能安全处于起步阶段，整体发展水平与国外相差甚远，加强对功能安全的控制成为当前工业领域需要重点解决的问题。本文主要针对功能安全在工业过程安全仪表中的运用进行深入分析。

关键词：功能安全；安全仪表；故障

前言：工业生产是国民经济的重要组成部分，工业生产是由简单到复杂，由低级到高级的生产过程，离不开自动化技术。工业生产在实际的应用过程中，需要建立开放化、智能化和数字化的控制系统，对确保生产过程的安全性、稳定性和可靠性具有重要作用，对提升劳动生产率和产品质量，促进企业经济效益的提升发挥了重要的作用。安全仪表是工业过程安全生产中的重要举措，但是安全仪表无法在每次发生故障时，都快速执行安全功能。因此，加强安全执行能力成为当前的研究重点。

一、安全仪表概述

安全仪表在生产过程中的应用，能够实现对生产状态的监控，通过执行安全仪表功能，能够防止在生产过程中出现潜在危险事件给工业生产带来的安全隐患，减轻危险事件造成的影响，导致风险降低。安全仪表具有安全完整性等级、容错能力、实时性好、信息记录功能和故障诊断能力等特征。安全仪表主要是由逻辑控制器和传感器构成的，在实际的运用过程中主要使用冗余结构，能够确保安全仪表正常执行安全功能，对降低系统的安全失效率具有重要作用。安全仪表在实际的应用过程中，分为多种类型，主要包括可燃、有毒气体监测系统、紧急停车系统、高完整性压力保护系统和移动危化品源跟踪监测系统等[1]。

二、安全功能故障分析与诊断设计

（一）故障分析方法

故障分析主要是指确定故障原因、收集和分析数据所总结出系统失效故障激励和消除引起特定器件的过程，故障会产生于设计、工艺、元件和制造的过程中。故障分析方法主要包括故障树分析、事件树分析和可靠性框图等。其中，故障树分析法主要是对复杂系统中的设计问题进行分析，运用推理方法找出问题所在，及时解决存在的系统故障。需要对工程设计阶段潜在的缺陷进行合理设计，对系统如何工作和运行方式进行深入研究。事件树分析需要以初始事件为起点，按照事故发生顺序进行逐层分析，有助于了解整个事件的动态发展过程，该方法使用简单。主要的步骤为：确定初始事件、判定安全功能、绘制事件树、简化事件树和事件树分析等。可靠性框图是系统可靠性研究中的重要手段，方框中的排列代表着潜在风险设备的可靠性关系[2]。

（三）故障诊断设计

在诊断技术分析中，主要包括两方面的内容：第一，参比诊断技术。需要对故障诊断技术进行分析，需要将检测到的实际值与参考值进行系统比较，结合比较的结果，执行相关的动作。对于存储器中的数据，可以通过计算校验的方式来判断数据是否失效。第二，对比诊断。对比诊断主要是指对两个单元动态计算结果进行比较，该项技术对识别技术故障具有重要作用。主要是用来判断一个通道与其他两个通道计算结果是否一致，如果计算结果不一致，说明通道存在故障。在诊断测试中，需要判断功能能否正常执行，通常情况下，安全仪表不会轻易出现故障，容易受到外界因素影响，导致故障产生。在对故障进行测试时，需要采用自动或者手动的形式，来元件上用导线短接来模拟短路失效。

三、功能安全在工业过程安全仪表中的运用分析

（一）安全需求分析

安全仪表系统总体安全要求规范是整个生命周期中的重要活动，设计者可以将安全仪表功能集成到相关的安全系统中去，安全仪表功能需要满足以下几方面的内容：第一，需要确保安全仪表功能和非安全仪表功能的独立性，需要将具有负面影响的软件作为安全仪表中的重要组成部分，确保安全仪表功能执行的安全性和完整性。第二，需要在同一个安全仪表系统中实现不同安全完整性等级的安全仪表功能，防止对安全仪表功能产生的负面影响。第三，需要确保过程控制系统不符合功能安全标准要求，需要确保安全仪表的独立性，不会对于安全仪表系统的功能造成危及[3]。

（二）功能分析及安全评估

第一，模块功能分析。传感器信号输入模块在实际的应用过程中，需要通过传感器来将信号输入电路中，再通过传感器将信号放大后输入到单片机的AD输入引脚，来进行模拟信号值的读取。在处理器接口电路中，需要将AD采样到的模拟信号数字化，对数字量进行运算处理，需要将浓度值和状态转换为4-20mA，需要通过红外遥控器来控制。第二，FMEDA故障识别及SFF计算。需要对各功能模块进行分析，将该方法应用到识别系统中来，对安全危险中潜在的风险进行分析。控制器模块需要由单片机的最小系统构成，单片机失效会占据模块失效的绝大部分，需要通过单片机诊断来降低失效率。第三，声光报警功能主要是通过单通道结构来实现的，如果单通道失效将会导致安全功能无法合理运用。继电器和声光报警输出安全功能需要通过传感器和控制器来实现，需要对其进行改进设计，来降低系统危险指数。第四，可靠性框图建模。需要将安全功能划分为信号调理电路、控制器模块、传感器、声光报警器和继电器输出模块等，需要确保各子系统之间呈现出串联关系，如果一个模块出现危险失效现象，将会导致安全功能出现危险失效现象[4]。

结论：安全控制系统在工业过程中得到了良好的应用效果，具有划时代的意义。本文主要是对功能安全在工业过程安全仪表中的运用情况进行系统分析，对安全功能故障分析与诊断设计，有助于确保功能系统的安全完整性，对降低安全完整性等级与降低风险具有重要作用。本文主要针对模块功能、FMEDA故障识别及SFF计算、声光报警功能和可靠性框图建模等在工业过程安全仪表中的运用情况进行分析，为系统应用的安全性和完整性指明了方向，增强了数据的可靠性和安全性，为环境适应性能力提供性能和指标判据。

参考文献：

[1]沈学强,白焰.安全仪表系统的功能安全评估方法性能分析[J].化工自动化及仪表,2012,06:703-706.

[2]施建设.基于因果表的安全仪表功能分析方法探讨[J].石油化工自动化,2012,04:6-10.

[3]陶丞.仪器仪表产品功能安全评估测试技术研究与分析[J].通信电源技术,2014,04:52-55+64.

[4]史威,熊文泽.第四十七讲:过程工业安全仪表系统离线检验测试浅析[J].仪器仪表标准化与计量,2015,03:20-23.