安全繼電器在安全儀表系統中的應用
應用案例 安全繼電器在安全儀表系統中的應用 2021-01-22 安全繼電器在安全儀表系統中的應用 6879

對工廠或裝置的安全來說,安全儀表系統的設計以及系統安全性評估與驗證是流程自動化行業中安全生命周期管理工作的重點。結合IEC 61508和IEC 61511標準中的功能安全要求,本文著重針對安全繼電器在安全儀表系統中的應用,安全儀表系統的概念,主要分析其在選型過程中的注意事項,并基于典型案例完成某安全儀表功能的安全完整性等級定級與驗算實踐。


 



近幾年,流程行業生產安全事故頻發,給企業、社會及自然環境等都帶來了嚴重的負面影響。安監總管三〔2014〕116號文件第十三條提出,自2020年1月1日起,不僅要求涉及“兩重點一重大”的化工裝置和危險化學品儲存設施,同時要求其他新建化工裝置、危險化學品儲存設施安全儀表系統,都應執行功能安全相關標準要求,設計符合要求的安全儀表系統。如何應用安全繼電器正確執行標準要求,設計出符合要求的安全儀表系統迫在眉睫。


安全儀表系統 

 

按功能的不同,安全儀表系統(以下簡稱SIS系統)可分為安全連鎖系統、緊急停車系統、火災及氣體檢測系統等。SIS系統能夠實現一項或多項安全儀表功能(以下簡稱SIF),其構成如下圖所示,主要包括檢測部分、控制部分和執行部分。


安全繼電器在安全儀表系統中的應用

圖 SIF的基本構成

安全繼電器在安全儀表系統中的應用

 

 

安全繼電器是一種連接控制器與執行機構的接口部件,主要起到電氣隔離和功率驅動的作用。模塊內部電路的設計導向故障安全,輸出回路采用多重冗余,使得外部輸入切斷或內部元器件故障后,輸出回路均能可靠斷開,從而保證切斷執行機構的動力源。



 

 

 
安全繼電器的必要性  


依據IEC 61511,并未規定SIS系統中的元器件均為安全類產品或帶有安全完整性等級(以下簡稱SIL,其從1到4分為四級)認證,但選用的元器件必須構成經驗使用,即基于在以往的操作環境和應用場合的使用記錄,評估表明該設備有足夠低的危險失效率,才適合用于安全儀表系統中。


同時,規定經驗使用需要有相應的證據能夠證明這些部件和子系統適用于SIS系統,證據的適用性應該包括:

制造商有完善的質量控制和管理體系;

| 該部件或子系統有適當的標識和技術說明;

| 有在類似的工藝操作狀態和獨立環境下的良好績效表現;

以上內容需要整理并總結成文檔,用作保管。


原則上來說,經驗使用的評估不適用于SIL3的系統。但根據現狀調查,普通繼電器未經過系統性的安全評估,無法歸納出用來進行安全完整性等級計算的λ類及相關的各類參數;普通繼電器廠家并未跟蹤其產品在特定工藝操作狀態和獨立環境下的績效表現,不能提供其產品表現良好的有效證據。


然而,帶有SIL認證的安全繼電器產品則全然不同。這類產品:

| 從設計之初便考慮導向故障安全;

| 采用高于普通類產品的加強測試標準;

| 提供相應文件,明確完備的安裝、操作、維護說明與要求;

| 對制造商有定期的質量控制和管理體系審核;

| 文檔管理覆蓋產品的全生命周期。


因此,在化工事故不斷發生,且嚴格檢查116號文的大背景下,使用帶SIL認證的安全繼電器,更符合規范性要求,降低使用風險。



 

 

 
安全繼電器的選型注意事項  


安全繼電器的失效率需要參與整個系統的SIL驗算,在選型時作為重要依據。此外,作為中間關聯部件,與上級控制設備及下級執行機構之間,電氣連接上的匹配性與兼容性也需要兼顧。下表列舉某廠家SIS控制器DO卡件的部分電氣性能參數。


表 某廠家SIS控制器DO卡件的電氣性能參數:

輸出

24 V d.c. 固態源極輸出,耐短路

最大阻性負載

500 mA

最大鎢絲燈負載

125mA (3 W)

最小負載

1 mA

最大場電容

1 μF

最大感性負載

10 H

電壓降

< 1.5 V (@ 500 mA)

關斷電流

< 0.1 mA

斷線檢測電流

約5 mA



 
1
沖擊電流    

增加安全繼電器信號輸入端口的容性,可提高EMC抗擾性能,但會導致信號接通的瞬間存在一個大于卡件要求最大負載的沖擊電流。SIS控制器的DO卡件可能檢測到這一過流信號,并進入故障報警狀態而無法正常工作。因此,在卡件性能參數中沒有對沖擊電流有明確要求,在選型時,對安全繼電器的這一指標還是需要重點關注。


2
診斷測試脈沖濾波    

DO卡件會不間斷發出動態診斷測試脈沖,以檢測回路中是否有短路等故障。此時,安全繼電器應起到一定的濾波作用,即輸出需保持在吸合(或釋放)狀態,而不應對特定寬度的測試脈沖有所響應。通過增加安全繼電器端口的容性或感性進行濾波,或是現場過長的走線導致感性增加,都會使診斷測試脈沖快速衰減,導致測試脈沖無法被卡件回讀,卡件進入故障報警狀態。


3
輸出觸點切換容量    

安全繼電器輸出觸點的切換容量體現與下級執行機構的匹配性。切換容量設置不足,會導致觸點出現碳化、熔接等故障失效。因此,切換容量的合理選用,是其自身壽命及可靠性的保證。在觸點回路中加裝合適的熔絲保護,也是觸點保護的一種方式。




 

 

 
安全繼電器的應用案例  


下圖為某典型的高高液位聯鎖SIF,經過評估,要求達到SIL1的等級。

安全繼電器在安全儀表系統中的應用

圖 高高液位聯鎖SIF的SIS系統


為了達到要求,選用了下表中的相關儀表來構建SIS系統。


類別

部件

型號

SIL認證

λs (FIT)

λd (FIT)

PFD

檢測部分

音叉液位開關

2310

SIL2

247

333

-

安全柵

GS8512-EX.11

SIL3

165

5.36

-

控制部分

DI輸入模塊

1734-I8BS

SIL3

-

-

2.18E-6

CPU處理器

1756-L71S

SIL3

-

-

2.85E-6

DO輸出模塊

1734-OB8S

SIL3

-

-

2.13E-6

執行部分

安全繼電器

CZSR8401-1A

SIL3

212

0.4

-

電磁閥

-

未認證

-

1400

-

切斷閥

-

未認證

-

2400

-

根據IEC 61508.6的馬爾可夫模型計算公式,可對PFDSIF = PFD檢測+ PFD控制 + PFD執行 進行計算(此處不贅述計算過程),得出PFDSIF = 4.93E-2,滿足SIL1的要求。


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