仪表系统防雷工程

仪表系统防雷工程（精选10篇）

仪表系统防雷工程 第1篇

打雷下雨是自然界再普遍不过的现象, 雷电是一种自然现象, 但是有时它所释放出的巨大能量具有很大的破坏能力。近年来, 随着经济的发展, 科技的进步, 石油化工企业迅速的发展, 仪表系统的设备装置也更加的先进, 为了保证石油化工企业先进的仪表系统能够正常的运行, 对这些仪表设施进行防雷保护越来越重要。防雷措施的实施能够规避雷击自然灾害遭成的损失, 提高石油化工企业的经济效益。本文就通过雷击对石油化工仪表系统的影响、以及如今防雷的现状进行分析, 提出相应的防雷措施, 展望以后未来的石油化工企业的仪表系统的防雷技术发展。

1 雷击对石油化工仪表系统的危害

石油化工的生产依托着仪表系统, 石油化工的仪表系统的仪表设备或者是相关的管路在日常的工作中主要受到雷击的危害, 具体如下:

1.1 直接遭受雷击

石油化工企业的仪表设备和在仪表系统中相互连接的管道路线有可能被雷电直接的击中, 当这种情况发生时会使仪表上的相应的传感器件产生故障, 或者更为严重的是使相关的电子线路发生短路的情况, 甚至会引起火灾等状况。有的还会产生这些危险以外的更多意想不到的负面影响, 比如在雷电发生时, 产生的电流被引入到地面, 形成磁感应场, 使仪表设备的信号装置遭到损害, 不能正常工作。

1.2 雷电导致过电压的侵入损害

石油化工的仪表设备所采用的一般都是过电压, 当石油化工仪表系统遭遇到雷击时就会因为雷电的影响形成相应的电磁感应的电流, 在工作时这些感应电流便会沿着仪表设备的导线或者是其他的连接物进入到仪表内。在过电压的影响下, 石油化工的仪表系统和仪表设备或受到不同程度的干扰和破坏性的影响, 使得仪表系统不能正常的工作, 给石油化工产业的经济效益造成损失。

1.3 雷电产生的静电感应和电磁脉冲辐射对仪表设备的损害

在生活常识中大家都知道在雷电来临的时候或者是天气发生变化的时候, 地面上的所有物体都会相应的聚集电荷, 越是形状呈现出尖尖的状态的实物, 月比较容易积累电荷。根据物理学知识, 电荷积累到一定的程度就会放电, 如果这些物体的放电电流流入到石油化工的仪表系统的仪表设备中, 就会对仪表设备造成危害。当然雷电发生的时候也会有雷电流的经过, 在雷电流经过的地方或者是附近的区域会形成一定的磁场, 并且出现很大的电磁波现象, 如果出现巧合, 恰巧这一电磁波的形成区域内有石油化工的仪表系统的设置, 那么仪表设备极有可能被这一电磁波所影响发生电磁感应现象, 发生这一现象后如果形成回路的话, 就会产生不稳定的电流, 这样的电流会对仪表系统产生损害, 严重的还会使仪表设备失灵, 发生一些损失严重的安全事故。

1.4 形成反击电流干扰仪表设备

在我国进行防雷的设备一般采用的也就是引雷的方式, 主要就是通过设置相应的导线, 在雷电经过时把产生比较强的电流引入到地面, 但是地面是电阻比较大的一个导体, 当雷电强电流产生后并流入大地时就会有一定的延迟, 电流也不会很快的散去。自然在地面会形成局部的电位高达到上百万伏, 此时石油化工的仪表系统的仪表设备在这一高电伏的区域, 那么这一电流就会返流回仪表, 形成反击电流, 严重影响仪表的正常工作, 使仪表受到不可逆转的干扰和破坏。

2 石油化工仪表系统的防雷现状

石油化工产业有一定的生产模式和相应的生产控制系统, 如图所示的这项被称作DCS控制系统, 这个系统结构中仪表的设备很多, 是石油化工企业生产流程的总指挥部, 这一系统能否正常的运行关系着整个石油化工企业的正常生产和运行。

但是这一控制系统存在着一定的弱点, 可以从图中看出, 这一系统存在着一些仪表和电源的设备, 容易受到外界环境的影响, 特别是雷电发生时产生的颠簸的影响, 通过分析就会发现:如果图形中的现场仪表和智能仪表发生相应的雷电的干扰或是损害会影响到网络部分和变送器的工作, 又因为这些设备互相连通就会发生整体的瘫痪, 使整个控制系统产生故障, 严重的情况下有可能使整个生产工程被迫叫停。根据我国的数据分析显示每年因为这一系统遭受雷电的侵入而造成的损失极为严重, 所以在国内的石油化工产业中进行仪表系统的防雷措施显得极为重要。这一系统的设备和结构也有待改进, 是指具有防雷电效果, 更好的实现石油化工产业的生产和经济效益。

3 石油化工仪表系统防雷的主要措施

石油化工产业中对仪表系统的防雷保护目的很明确, 并且根据不同的具体情况, 采取的防雷措施也是不尽相同的, 应该确定合适的防护方案和标准进行适宜的防护措施, 既经济又有效的减少因为雷电的影响造成的不必要的经济损失。这里介绍的是仪表系统的综合防雷工程, 如下图所示:

通过示意图进行分析石油化工仪表系统的主要防雷措施有以下几个内容:接闪;均压;接地;屏蔽;分流。

3.1 接闪

进行雷电防护时的设备是避雷的装备, 同时也是引雷的装备, 石油化工的仪表系统中仪表设备安装的地方要进行防雷设施的布置, 并结合周围的环境, 进行接闪的主要步骤, 确定接闪器的位置。

3.2 引下线进行分流均压

通过以上的雷电对仪表设备产生的影响可以知道, 当雷电经过时会产生瞬间很高的电压, 同时仪表设备工作时有电流流过的地方电位也会很高, 这样容易形成一定的电位差, 虽然设备会存在着绝缘层但是如果电位差超过了绝缘层的耐受程度, 也会产生击穿电压, 在这种条件下的电流强度很大, 流经仪表就会破坏仪表的正常工作。因此为了避免这一现象的产生就要进行引下线的设置, 进行分压分流, 避免高电压强电流的影响。

3.3 接地系统的保护

石油化工仪表系统的防雷策略主要就是对其中的仪表设备进行保护, 让仪表设备免受雷电的影响, 能够正常的进行相应的工作。所以在这一保护过程中, 让仪表系统中的仪表设备与它的安装所在地或建筑物的接地系统形成一个绝缘关系, 切断闭合回路, 如此这般在建筑物或者是仪表周围的场所形成的电磁波就不会再轻易的干扰石油化工的仪表系统, 也能够保证仪表设备的正常工作。不过在这一过程中要注意的内容是进行仪表的外壳的接地保护, 并将仪表设备的工作接地和雷电保护的接地分开进行, 这样是为了能够就进接地, 这样产生的寄生电感就会变得比较小。或者是进行俩个接地保护接地相连接, 同时接入防雷的接地系统, 这样也能够比较高效的解决问题。

3.4 屏蔽措施的应用

在石油化工的仪表系统的结构中, 大都是采用的一系列的集成电路、半导体元件和一些输送信号的电缆线组成的框架系统结构。由于这些材料都属于极易导电的和传输电磁波的元器件, 因此在雷电电磁波的影响下也极易受到相应的影响。但是如果尝试使用屏蔽体来进行减慢和阻止这些有害电磁波的传播, 保护仪表设备的正常工作环境和状态, 未必不是一种有效的防护方法。所以在这方面石油化工的仪表系统的防雷屏蔽主要有现场仪表的屏蔽、信号线的屏蔽, 还有电源线和控制室的屏蔽。

3.5 合理布线的措施

物理上的常识众所周知, 在电流流经电线时会产生一定的磁场, 电线或者是传输电缆线如果混放在一起或是相距较近的话, 这些磁场的影响会互相波及, 因此在进行石油化工仪表系统的结构规划时要进行合理的布线, 将强弱电缆分开铺设不同的管道内, 并且各种电线或是电缆尽量不出现在架空的情况, 尽量装入相应的管道内埋入地下, 进行这样的合理布线能够避免一些直击的雷电防护, 减少对石油化工仪表设备正常工作的影响。

4 强化石油化工仪表系统防雷技术未来的发展

石油化工仪表系统防雷措施的实施, 对整个石油化工的发展影响很大, 结合目前我国石油化工产业体系的发展和仪表系统防雷措施的应用, 对石油化工行业的仪表系统的仪表设备的防雷的技巧和方法上有所建议和创新。总结石油化工的发展趋势和仪表的系统结构, 发现石油化工产业在整个生产设备上根据防雷的相应原则进行的设计, 主要从控制室、现场仪表、或者是仪表的信号和电源线等, 综合发现需要建筑、计算机、电气、自控等各个专业的合同协作共同完成。在今后的石油化工产业结构中防雷策略要不断的从各个角度来深入挖掘, 在仪表系统的结构上进行优化, 也采用招标工程的手段与建筑工程一起在施工的时候就对防雷工程做一个完整而且详细的策划, 并且结合防雷过程中遇到的难题进行图纸的优化, 力求在石油化工产业的仪表系统的防雷策略更加的优化, 最大限度的规避或者是杜绝因为疏忽或者是施工的原因造成的自然灾害, 影响到石油化工产业正常的经济效益和发展。也要从技术领域不断改进防雷措施, 加强石油化工仪表系统防雷措施重要性的认识。

5 结束语

随着科学技术的快速发展, 如今的石油化工产业仪表系统大部分都是采用比较先进的仪表设备, 为了保证这些先进的仪表设备能够长期的使用, 并安全的运行, 做好仪表系统的防雷工作, 严格执行安全生产的管理规定, 采取具体的防雷措施极为必要。石油化工企业也要重视仪表系统的防雷问题, 正确实施防雷措施, 规避因为雷击而产生的损失, 提高企业的经济效益。在雷雨天气时, 石油化工企业要做好防雷防电的工作, 进行防雷设施的基础性建设, 不断增强员工的防雷意识。

参考文献

[1]陈艺友.浅谈石油化工仪表系统的防雷策略[J].电源技术应用, 2012 (10) .

[2]陈建华.化工企业雷电防护对策[J].中国石油和化工标准与质量, 2012 (8) .

[3]沈锦晨.仪表设备的防雷击保护措施[J].石油化工自动化, 2012 (1) .

[4]胡勇.雷击致雷达液位计损坏的防范对策[J].石油化工自动化, 2011 (5) .

现场仪表系统常见故障浅析 第2篇

关键词 生产工艺 温度 压力 流量 液位

一、现场仪表系统故障的基本分析步骤

现场仪表测量参数一般分为温度、压力、流量、液位四大参数。

现根据测量参数的不同，来分析不同的现场仪表故障所在。

1.首先，在分析现场仪表故障前，要比较透彻地了解相关仪表系统的生产过程、生产工艺情况及条件，了解仪表系统的设计方案、设计意图，仪表系统的结构、特点、性能及参数要求等。

2.在分析检查现场仪表系统故障之前，要向现场操作工人了解生产的负荷及原料的参数变化情况，查看故障仪表的记录曲线，进行综合分析，以确定仪表故障原因所在。

3.如果仪表记录曲线为一条死线（一点变化也没有的线称死线），或记录曲线原来为波动，现在突然变成一条直线；故障很可能在仪表系统。因为目前记录仪表大多是PLC或DCS计算机系统，灵敏度非常高，参数的变化能非常灵敏的反映出来。此时可人为地改变一下工艺参数，看曲线变化情况。如不变化，基本断定是仪表系统出了问题；如有正常变化，基本断定仪表系统没有大的问题。

4.变化工艺参数时，发现记录曲线发生突变或跳到最大或最小，此时的故障也常在仪表系统。

5.故障出现以前仪表记录曲线一直表现正常，出现波动后记录曲线变得毫无规律或使系统难以控制，甚至连手动操作也不能控制，此时故障可能是工艺操作系统造成的。

6.当发现上位显示单一检测点仪表不正常时，可以检查同一工艺系统中相关联的其他仪表数据，如果它们与正常时的数据基本一致，则很可能是此仪表仪表出现故障。

总之，分析现场仪表故障原因时，要特别注意被测控制对象和控制阀的特性变化，这些都可能是造成现场仪表系统故障的原因。所以，我们要从现场仪表系统和工艺操作系统两个方面综合考虑、仔细分析，检查原因所在。

二、四大测量参数仪表控制系统故障分析步骤

1.温度检测仪表系统故障分析步骤。分析温度控制仪表系统故障时，首先要注意两点：该系统仪表多采用PLC或DCS系统控制；

（1）温度仪表系统的指示值突然变到最大或最小，一般为仪表系统故障。因为温度仪表系统测量滞后较大，不会发生突然变化。此时的故障原因多是热电偶、热电阻、补偿导线断线或变送器故障造成。

（2）温度控制仪表系统指示出现快速振荡现象，多为控制参数PID调整不当造成。

（3）温度控制仪表系统指示出现大幅缓慢的波动，很可能是由于工艺操作变化引起的，如当时工艺操作没有变化，则很可能是仪表控制系统本身的故障。

2.压力检测仪表系统故障分析步骤。（1）压力检测系统仪表指示出现快速振荡波动时，首先检查工艺操作有无变化，这种变化多半是工艺操作和PID参数整定不好造成。

（2）压力检测系统仪表指示出现死线，工艺操作变化了压力指示还是不变化，一般故障出现在压力测量系统中，首先检查测量引压导管系统是否有堵的现象，不堵，检查压力变送器输出系统有无变化，有变化，检查配电器输出是否与输入变化一致，如有变化故障出在模块输入通道故障。

3.流量检测仪表系统故障分析步骤。（1）流量检测仪表系统指示没有流量时，首先检查介质压力是否正常，控制阀门是否打开，如正常，到现场检查流量仪表，如果正常，则故障在信号传输电缆或模块输入通道故障。若是仪表方面的故障，原因有：孔板差压流量计可能是正压引压导管堵；差压变送器正压室漏；电磁流量计转换器坏等。

（2）流量检测仪表系统指示值达到最大时，可控将制调节阀关小，如果流量能降下来则一般为工艺操作原因造成。若流量值降不下来，则是仪表检测系统的原因造成，检查流量控制调节阀是否动作；检查差压变送器测量引压管路是否正常，电磁流量计是否正常，检查仪表信号传送系统是否正常。

（3）流量控制仪表系统指示值波动较频繁，可将控制改到手动，如果波动减小或消除，则是仪表方面的原因或是仪表阀门控制参数PID不合适。

4.液位测量仪表系统故障分析步骤。（1）液位测量仪表系统指示值变化到最大，到现场与实际液位进行比对，如实际液位没有到达最大，可以先检查检测仪表看是否正常，平衡容器负压室是否缺水，取压管路是否正常，有无堵塞或者泄露。

（2）液位测量仪表系统指示值变化到最小，到现场与实际液位进行比对，如实际液位没有到达最低点，可以先检查检测仪表看是否正常，平衡容器正压室取压管是否堵塞，仪表是否正常，线路是否短路。

（3）差压式液位控制仪表指示和现场实际液位（玻璃管）指示对不上时，检查差压式液位仪表的负压导压管封液是否有渗漏；若有渗漏，重新灌封液，取压管路是否堵塞，管路及平衡容器均正常可能是仪表的负迁移量不对了，重新调整迁移量使仪表指示正常。

（4）液位控制仪表系统指示值变化波动频繁时，首先要分析液面控制对象的容量大小，来分析故障的原因，容量大一般是仪表故障造成。容量小的首先要分析工艺操作情况是否有变化，如有变化很可能是工艺造成的波动频繁。如没有变化可能是仪表故障造成。

5.执行单元故障分析步骤。对于执行单元的阀门而言，主要从阀门本生执行动作上判断，对气动调节阀检查，将上位控制画面的调节阀控制转为手动控制，分别设定阀门开度（0%～100%），在现场核对阀门从0%变化到100%满行程动作时，在动作过程中是否有停顿，卡塞现象，如果有则阀门阀芯，阀杆有问题，另外如果阀门动作行程正常，但是控制介质的流量没有变化可能阀芯脱落，须更换阀门。检查阀门开度与控制（4～20）mA是否一致，如果不一致，检查阀门定位器和阀门本身（阀门是否有卡塞，执行器薄膜、托盘、弹簧是否损坏）如果阀门没有问题则阀门定位器故障，则需调整阀门定位器的零点与量程，使阀门能够达到相应开度。调整阀门定位器与阀门的线性关系仍然处理不好则需更换。

三、结束语

仪表系统防雷工程 第3篇

本文归纳总结了安全仪表系统在工程上应用遇到的问题及解决办法,希望能为安全仪表系统在工程上应用提供一些有益帮助。

1安全仪表功能的介绍

1. 1安全仪表功能的概念

安全仪表功能( Safety Instrumented Functions, SIF) 是为了防止、减少危险事件发生或保持过程安全状态,用测量仪表、逻辑控制器、最终元件及相关软件等实现的安全保护功能或安全控制功能。安全仪表系统是实现一个或多个安全仪表功能的仪表系统。

SIF功能是众多风险降低手段之一,是通过仪表设施来实现的一种安全保护功能。既然是一种安全保护功能,则应保证当需要这种安全功能时,必须有足够的可靠性能保证这种功能能够启动。衡量这种 “可靠性” 则用安全完整性等级( Safety Integrity Level,SIL) 来表示。安全完整水平是IEC61511中非常重要的一个概念,它通过对安全功能的失败概率进行目标化的方法来定义安全完整水平SIL。

1. 2安全仪表系统与基本过程控制系统的区别

基本过程控制系统( BPCS) 对来自过程的、系统相关设备的、其它可编程系统的和/或某个操作员的输入信号进行响应,并产生使过程和系统相关设备要求方式运行的系统,但它并不执行任何SIL≥1的仪表安全功能。BPCS是活动的、动态的,需要人工干预。使生产工艺参数维持在规定的范围内,以保证产品的产量与质量。SIS是静态的、被动的,不需要人为干预。在危险情况出现时必须由静变动,正确完成功能。安全仪表系统与基本过程控制系统的区别见表1。

2安全仪表系统的应用

进行过程工艺系统HAZOP分析时,如果发现了现有安全措施不足以防范的严重的风险隐患,采用安全仪表系统是常见的一种手段。安全仪表系统的应用主要分两个步骤:

步骤1: 根据风险分析确定必要的风险降低指标,采用不同安全完整性等级的安全仪表系统,实现控制风险的目的,根据风险降低要求确定SIL等级。

步骤2: 综合考虑系统的安全性与可靠性, 对系统的结构进行合理配置。

安全仪表系统工程设计工作程序见图1。

2. 1根据过程工艺的安全要求制定安全仪表回路的安全完整性等级( SIL)

确定SIL等级主要解决两个问题: 1) ,确定什么地方采用SIF; 2) ,采用几级的SIL。即通过工艺过程风险分析,确定某个工艺过程存在的风险及风险等级,采用必要的风险降低手段保证特定情况下不超过允许风险。

安全仪表系统与风险降低的关系见图2。

2. 1. 1安全完整性等级分析方法介绍

1) 定性分析方法。 在HAZOP审查过程中, 可通过HAZOP审查集体讨论确定SIL等级,确定标准如表2所示。假设安全仪表系统的设置用于防范较少的财产损失,那么SIL1即满足要求。如果安全仪表系统的设置用于防范对工厂职工生命及对社会造成的影响,那么SIL3才可以满足降低风险的要求。石油化工企业一般不采用SIL4的SIF功能。

2) 风险矩阵法。是一种半定量方法,可以根据危害程度和事故频率细化风险降低要求。采用风险矩阵法确定SIL等级示意图见图3。

3) 风险图法。 《电气/ 电子/ 可编程电子安全相关系统的功能安全第5部分: 确定安全完整性等级的方法示例》( GB /T 20438. 5—2006) 中提供了使用图形矩阵方式对可能发生的事故进行综合分析,得出安全仪表系统等级,其主要考虑如下几方面因素: 事故后果( C) ; 职工可能的暴露概率及时间( F) ; 职工可能避免受伤害的可能性( P) ,事故发生的概率( W) 。使用风险图法确定SIL等级示意见图4［1］。

4) 独立保护层法。利用HAZOP辨识的数据, 量化原因和后果的等级,确定风险降低的总量及是否需要进一步降低风险。根据附加的风险降低需求确定SIL等级。独立保护层示意见图5,独立保护层工作表示例见表3［2］。

以上几种方法均已在工程上广泛应用。

2. 1. 2安全完整性等级分析方法的应用性分析

确定风险降低要求是制定SIL等级的重要因素,对于一个特定应用允许风险可综合考虑以下因素,例如国家法律法规、国行标要求,专利商、风险分析专家建议,同行业著名企业的成功经验,企业风险接受能力等。在满足国行标和风险评估的基础上,业主可根据企业的风险接受程度和自身的管理水平、企业形象、社会责任道德操守等相关政策规定适当提高SIL等级要求。

SIL确定的方法较多,有定性法、半定量法和定量法,企业可根据自身的特点选择适合的一种。一般来讲,涉及参数较多的定量分析方法,考虑问题较全面,使用较为复杂; 涉及参数较少的半定量分析方法,应用较为简便。不论何种方法均需要有丰富工程经验的资深人员来判定。

2. 2核算安全仪表回路是否达到制定的SIL等级

根据安全仪表回路的设置情况( 包括: 仪表采购标准、仪表设置情况、企业关键设备交验管理要求) 核算安全仪表回路是否达到制定的SIL等级。

若设计回路不满足风险降低要求,可以通过采购高等级认证设备( 元件) 或采取局部冗余设计,加强定期校验等措施提高系统的安全等级。

2. 2. 1安全完整性校验方法介绍

1) 《石油化工安全仪表系统设计规范 》 ( GB /T 50770—2013) 中定性的对安全仪表系统配置提出了基本要求,安全仪表系统基本配置要求见表4［3］。

2) 《电气/ 电子/ 可编程电子安全相关系统的功能安全第6部分: GB /T 20438. 2和GB /T 20438. 3的应用指南》 ( GB / T 20438. 6—2006 ) 中提出定量计算方法［4］:

式中: PFDsys———安全仪表系统的安全功能在要求时的平均失效率;

λ 为仪表元件的失效率( undetected failure rate) ,( 每小时) ; β 共因失效分数; MTTR平均恢复时间,h; T1为检测时间间隔,h; DC诊断覆盖率。

GB / T 20438. 6—2006提供了不同冗余结构、 不同检测间隔、不同失效率元件、不同诊断覆盖率下的失效概率数据表,可根据具体安全仪表功能的配置情况查阅数据表,并通过简单计算得出安全仪表系统的失效概率。也可以采用市场认可的软件来进行SIL等级验证计算,安全仪表等级与可靠性及失效概率的关系见表5。

将计算结果与上表对比,确定是否满足SIL要求,不满足要求的可根据企业的情况调整参数进行试算,直至满足SIL等级要求为止。

2. 2. 2安全完整性等级校验应用性分析

对于简单回路,单一传感器、逻辑控制器、 最终元件组成的SIS回路,可按照GB /T 50770— 2013的规定执行。

对于复杂回路,例如一个回路同时包括液位、压力、流量、温度等几种传感器,它们都采用冗余设计,最终的执行动作除了关闭切断阀外,还包括停泵、停压缩机等动作时,通过经验判断这些复杂回路是否达到SIL要求就会存在一定的困难,对于不满足要求的回路如何改进措施,也无从下手。GB /T 20438. 6—2006提出的通过进行PFD计算,进行定量分析,提供了解决问题的办法。

影响安全仪表系统的因素较多,过程工业安全仪表系统的配置多为传感器及最终元件的设计配置,因为逻辑控制器作为SIS的核心设备一般采用三重冗余或四重冗余的IEC认证产品,具有较高的可靠性,可是影响安全仪表功能回路的传感器及最终元件为满足特定工艺过程的要求,具有复杂性、多样性和不确定性,传感器及最终元件的设计配置是SIS系统工程应用的重点。

对于不满足SIL要求的回路,可采取以下手段提高回路的可靠性。

1) 选择高可靠性的传感器和最终元件; 尽量采购有IEC认证的产品。

2) 对传感器和最终元件进行冗余配置,传感器的配置可采取2oo3冗余设置; 最终元件的配置可考虑双切断阀设置或为每个切断阀提供双电磁设置。

3 ) 设置仪表自动检测功能, 扩大诊断覆盖率。

4) 加强生产管理,缩短人工检测时间间隔。

不论采取哪种方式方法提高安全仪表系统的可靠性,都要增加一定的资源投入,如选择高可靠性设备元件,采取冗余配置或设置仪表自动检测功能将产生设备费用的投入; 缩短人工检测时间间隔,需要人力资源的投入。不同的设计方案产生的资源投入不同,企业可根据自身的情况来制定适合的配置方案。

3行业内安全仪表系统工程应用问题及原因分析

相对于国外而言,安全仪表系统在国内石化行业的应用起步较晚,推广程度相对不足,因此,行业安全仪表系统的设计评估工作还存在着一定的问题,针对存在的问题分析如下:

1) 跨专业工程技术人员短缺

由于专业跨度过大,能够同时具备工艺风险评估、仪表配置、生产管理的综合型技术人才较为稀缺,导致安全仪表功能设置的技术问题不能有效解决。安全仪表的设置应该在了解生产工艺和装置关键风险点以后,组建综合技术团队根据企业风险策略,提出针对性方案,综合技术团队也应了解设备采购、生产管理,并能够进行资源投入对比平衡,并对系统维护管理提出要求并且进行实施性监督。

2) 安全仪表系统的应用与生产管理结合

过程安全管理体系的建立亟待加强,应加快建立企业过程安全管理体系,制定企业风险目标,将安全仪表系统SIL分级,安全仪表系统设备采购和安全仪表系统生产维护管理一体化,有效降低工程建设费用。现阶段由于仪表元件故障率和诊断覆盖率数据的缺失,安全仪表系统的配置多采取冗余设计,这将造成工程建设的投资增加,强化管理是降低工程投入的一种手段。

加强过程安全管理,积累企业内部设备失效的数据,同时加强非安全仪表功能的风险降低程度,也可在一定程度上分担安全仪表功能风险降低的要求。只有企业自身将风险管理与关键的安全监控点结合起来才能解决安全仪表的设计和使用中存在的问题。

3) 安全仪表系统的应用与产品生产厂商的结合不到位。

加强产品标准化建设,扩大安全联锁仪表设备的取证,市场上能够提供可靠性数据的产品有限,同质量的仪表元件价格,若是进行安全认证,就要增加相当的费用,仪表设备出厂可靠性数据缺失,这也是安全仪表系统标准化的一大障碍。

4安全仪表系统工程应用问题的解决方案

根据多年工程实践中遇到的具体问题及解决办法,总结出安全仪表系统技术工程应用推广方案:

1) 加强企业自身的风险管理, 制定企业标准,大型国有企业应率先开展企业安全仪表管理标准化,根据企业情况,制定有针对性的SIL评定原则,选择合适的SIL审查、SIL验证方法。

2) 加强跨专业的安全技术人员的培养,开展技术培训,使安全专业人员或安全管理人员尽快了解安全仪表功能的作用。工程投入与装置安全关键环节的关系,并能够应用到实际生产过程中。

3) 结合企业自身的PSM过程安全管理体系, 将设备的采购、维修、检验方案与设备安全管理相结合,从管理维护方面加强并维护安全仪表系统的可靠性。

4) 加强安全仪表功能应用性推荐标准的编制,强化对安全仪表功能的认识。

随着企业过程安全管理体系的建立,设备失效率等基础资料的累积,存在的问题会逐步解决, 国内安全仪表系统的应用环境会很快得到改善。

参考文献

[1]GB/T 20438.5—2006电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全第5部分:确定安全完整性等级的方法示例[S].

[2]IEC 61511 Functional safety of electrical/electronic/pro-grammable electronic safety-related systems,international electro-technical commission[S].

[3]GB/T 50770—2013石油化工安全仪表系统设计规范[S].

现场仪表系统常见故障的分析 第4篇

【摘 要】目前，随着电力企业自动化水平的不断提高，对现场仪表维护人员的技术水平提出了更高要求。为缩短处理仪表故障时间，保证安全生产提高经济效益，发表一点仪表现场维护经验，供仪表维护人员参考。

【关键词】仪表；故障；维护

1.现场仪表系统故障的基本分析

现场仪表测量参数一般分为温度、压力、流量、液位四大参数。

现根据测量参数的不同，来分析不同的现场仪表故障所在。

（1）首先，在分析现场仪表故障前，要比较透彻地了解相关仪表系统的生产过程、生产工艺情况及条件，了解仪表系统的设计方案、设计意图，仪表系统的结构、特点、性能及参数要求等。

（2）在分析检查现场仪表系统故障之前，要向现场操作人员了解生产的负荷及原料的参数变化情况，查看DCS的记录曲线，进行综合分析，以确定仪表故障原因所在。

（3）如果仪表记录曲线为一条死线（一点变化也没有的线称死线），或记录曲线原来为波动，现在突然变成一条直线；故障很可能在仪表系统。因为目前记录仪表大多是DCS计算机系统，灵敏度非常高，参数的变化能非常灵敏的反应出来。此时可人为地改变一下工艺参数，看曲线变化情况。如不变化，基本断定是仪表系统出了问题；如有正常变化，基本断定仪表系统没有大的问题。

（4）变化工艺参数时，发现记录曲线发生突变或跳到最大或最小，此时的故障也常在仪表系统。

（5）故障出现以前仪表记录曲线一直表现正常，出现波动后记录曲线变得毫无规律或使系统难以控制，甚至连手动操作也不能控制，此时故障可能是工艺操作系统造成的。

（6）当发现DCS显示仪表不正常时，可以到现场检查同一直观仪表的指示值，如果它们差别很大，则很可能是仪表系统出现故障。

总之，分析现场仪表故障原因时，要特别注意被测控制对象和控制阀的特性变化，这些都可能是造成现场仪表系统故障的原因。所以，我们要从现场仪表系统和工艺操作系统两个方面综合考虑、仔细分析，检查原因所在。

2.四大测量参数仪表控制系统故障分析

2.1温度控制仪表系统故障分析

现在工厂所用温度测量元件主要为：热电偶、热电阻、温度变送器。

热电偶故障分析：

热电阻故障分析：

热电阻使用注意事项：

（1）注意热电阻最高使用温度和工作压力不可超过它的额定值。

（2）如在腐蚀性、易损性的介质中使用，应采用合适的保护套管。

（3）根据配接显示仪表的种类选择不同的接线方法。

（4）连接铜导线的电阻值应按显示仪表技术条件规定的数据选配，一般为2Ω～5Ω。

（5）不能把一个热电阻与两个显示仪表并联使用。

（6）用来测量热电阻测温元件的电桥精确度必须满足要求，并且电桥工作电流不得大于5mA。

（7）若热电阻值不正确时，应从下部端点电阻丝交叉处增减电阻丝，而不应从其它处调整；调整后的电阻丝应排列整齐，不得有碰接现象。

（8）改变热电阻长度时，只允许改变引线长度，不得改变热电阻的长度。

热电偶测温使用补偿线时，必须注意以下几点：

（1）补偿导线必须与相应型号的热电偶配用。

（2）补偿导线在与热电偶、仪表连接时，正、负极不能接错，两对连接点要处于相同的温度。

（3）补偿导线和热电偶连接点温度不得超过规定使用的温度范围。

（4）要根据所配仪表的不同要求选用补偿导线的线径。

2.2压力控制仪表系统故障分析

故障分析：

2.3流量控制仪表系统故障分析

（1）流量控制仪表系统指示值达到最小时，首先检查现场检测仪表，如果正常，则故障在显示仪表。当现场检测仪表指示也最小，则检查调节阀开度，若调节阀开度为零，则常为调节阀到调节器之间故障。当现场检测仪表指示最小，调节阀开度正常，故障原因很可能是系统压力不够、系统管路堵塞、泵不上量、介质结晶、操作不当等原因造成。若是仪表方面的故障，原因有：孔板差压流量计可能是正压引压导管堵；差压变送器正压室漏；机械式流量计是齿轮卡死或过滤网堵等。

（2）流量控制仪表系统指示值达到最大时，则检测仪表也常常会指示最大。此时可手动遥控调节阀开大或关小，如果流量能降下来则一般为工艺操作原因造成。若流量值降不下来，则是仪表系统的原因造成，检查流量控制仪表系统的调节阀是否动作；检查仪表测量引压系统是否正常；检查仪表信号传送系统是否正常。

（3）流量控制仪表系统指示值波动较频繁，可将控制改到手动，如果波动减小，则是仪表方面的原因或是仪表控制参数PID不合适，如果波动仍频繁，则是工艺操作方面原因造成。

2.4液位控制仪表系统故障分析步骤

（1）液位控制仪表系统指示值变化到最大或最小时，可以先检查检测仪表看是否正常，如指示正常，将液位控制改为手动遥控液位，看液位变化情况。如液位可以稳定在一定的范围，则故障在液位控制系统；如稳不住液位，一般为工艺系统造成的故障，要从工艺方面查找原因。

（2）差压式液位控制仪表指示和现场直读式指示仪表指示对不上时，首先检查现场直读式指示仪表是否正常，如指示正常，检查差压式液位仪表的负压导压管封液是否有渗漏；若有渗漏，重新灌封液，调零点；无渗漏，可能是仪表的负迁移量不对了，重新调整迁移量使仪表指示正常。

（3）液位控制仪表系统指示值变化波动频繁时，首先要分析液面控制对象的容量大小，来分析故障的原因，容量大一般是仪表故障造成。容量小的首先要分析工艺操作情况是否有变化，如有变化很可能是工艺造成的波动频繁。如没有变化可能是仪表故障造成。

3.结束语

现场四大参数单独控制仪表的现场故障分析，实际现场还有一些复杂的控制回路，如串级控制、分程控制、程序控制、联锁控制等等。这些故障的分析就更加复杂，要具体分析。

【参考文献】

[1]DLT 5190.5-2004电力建设施工及验收技术规范.第5部分：热工仪表及控制装置.

[2]DLT 1056-2007发电厂热工仪表及控制系统技术监督导则.

[3]DLT 589-1996火力发电厂燃煤电站锅炉的热工检测控制技术导则.

[4]DLT 657-2006火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程.

仪表着陆系统监控技术 第5篇

一个完整的仪表着陆系统主要包括发射机、监控器、本地/远程接口、电源和天线系统。发射机和监控器都被独立特定的微处理器控制。其中监控器处理器的主要任务就是处理和评估内部的、整体的和近场偶极子的检测信号, 在发现故障时执行适当的动作 (台站转换或关台) , 同时, 确保监控器自身的性能不受环境条件、元件老化的影响。因此, 监控器是确保仪表着陆系统为飞机提供的引导信息准确可靠不可或缺的组件。

2 监控器的功能

仪表着陆系统的监控器有两个功能, 首先监视实际的外场信号, 检测外场信号不允许的改变, 如果不正确的引导信号被发现, 监控器装换到备用发射机, 在没有备用系统可用的情况下关闭系统。其次, 要确保环境条件改变和器件的老化不影响监控器本身的性能 (故障安全特征) 。

监视过程由硬件和软件两个模块实现, 被选的射频信号 (内部、整体和外场检测) 被放大, 校正到一个被定义的确定电平, 再由精密度检测器解调。在取样 (取样率960Hz) 和A/D转换信号之前, 复合视频信号被滤波并且被转换成单独的数字值, 避免在随后的监视器微处理器离散傅里叶变换算法 (DFT) 中出现假信号, 借着筛选算法, 直流成份和导航频率的调制成份被得到, 通过与编程并且储存的告警门限比较, 信号成份被检查是否在容限以内。如果参数是在容限以外, 告警被检测到, 就会启动初始执行动作 (转换或关闭) 。同时监测结果可在本地或远程连接装有软件的电脑上读出, 简单的状态指示也会在本地面板上显示。

3 监控器的组成

监控器有它自己的微处理器, 监视辐射的信号, 同时检测任何可能引起航空危险的错误或故障。另外, 监控器数据可用来早期识别任何偏离或性能上较小的不足, 预防在连续的服务或系统有效性的范围内可能引发的有害影响 (警告监视) , 对一个告警的响应是一个逻辑控制的装换或发射机的切断。

监控器主要由监控信号处理器、控制和选择逻辑、监控器分配开关和检测接口适配器四个模块组成

3.1 监控信号处理器

监控信号处理器 (MSP) 是监控器的核心部分, 它确保只有正确的导航信号才被辐射。如果导航信号被发现包含错误, 监视器处理器启动对备用发射机的一个转换而且断开当前在用的发射机, 如果备用发射机也发射不正确的导航信号, 它同样被断开。MSP的测量单元包含解调、取样和射频信号的转换、测试产生器信号的处理和BIT信号的测量。其主要功能单元包括监控器的射频通道部分、标准信道的射频部分、AF信号处理、数字部分的输入/输出口、监控处理器及外围设备。

检测ILS信号有三种方式:

(1) 发射机输出信号的部分被耦合出来并且供应到监控器作为内部信号;

(2) 整体网络混合从发射天线单元耦合的信号形成等同于空间的信号;

(3) 借着近场的一个偶极子天线接收到的ILS信号。

两个监控器信号来自在监控器分配开关的信号源开关, 开关是双路冗余并且独立运作的, 它们分别被两个监控器控制。每个监控器放大输入信号到一个固定的电平, 然后解调它而且将它转换成离散的数字值。这些值被计算而且与参考值比较。结果送到LCSU (指示) 或连接的本地/远端个人计算机。监控器交换状态信号。如果一个监控器故障, 完好的监控器立刻决定不等侯来自另一个故障监控器的回应。这保障监控器在所有的情况下可以快速而正确地起作用。发射机和监控器彼此间是独立的。

3.2 其它部分

控制和选择逻辑有五个主要的功能单元:发射机1和2 ON/OFF逻辑、同轴继电器的控制、电池监视和过放电保护、和DME (测距器) 适配的DME接口和测试信号产生器。

监控器分配开关分配所有监视信号到两个监控器信号处理器。每个监控器控制解码器经由通道选择开关轮流询问信号用于计算。解码器选择来自8个独立的监控信号之一, 而且连接这个信号的监控信号处理器1或2的路径。

监控器接口适配器为备用发射机的射频信号在MSP中处理做好准备和混合。航道和余隙的载波/边带信号在射频转换开关中耦合而且送到检测接口适配器, 航道和余隙处理分支是统一的设计。

4 监控器软件

监控软件用英特尔PL/M86高级语言编写。监控器软件运行监控器控制功能, 可粗略地分成“系统初值设定”和“系统监视”。主要工作就是确保发射机辐射的信号的正确性。如果监控器发现有故障的信号和已经过它的告警延时, 就关闭故障的发射机并让备用发射机运行, 如果这台发射机也故障, 则台站关闭。

有两种运行模式:监视模式和旁路模式。两个模式的状态略有不同, 在旁路模式中, 监控器接受输入指令, 用于调整监控器的设置和发射机调整或维护, 监视程序同样也被运行, 除非在存在告警的状况, 执行的工作被中止;在监视模式中, 不接受输入指令, 发射机状态全在监视控制下。然而, 数据输出在两个模式中都被运行, 当监控器被打开时, 默认进入旁路模式, 可以手动从一个模式变更到另一个。

5 结束语

软件和硬件的完美结合形成了完整的仪表着陆系统监控技术, 简单便捷的操作界面是该监控系统的另一优点, 通过它技术人员可以科学、直观的了解设备的工作状态, 同时还可以在出现细微偏差时及时调整, 保证为飞机提供的引导信息的精准可靠。该技术是比较先进完整的设备监控技术, 可为国内同行业产品设计时提供参考。

摘要：监控器是仪表着陆系统的重要组成部分, 对确保设备正常工作以及辐射信号准确可靠至关重要。本文从仪表着陆系统监控器的功能入手, 详细描述了监控器的组成和工作机理, 为技术人员的测试维护工作提供帮助。

燃气管道仪表计量系统研究 第6篇

目前应用最广泛的计量燃气管道变形量的方法耗时长且耗费人工成本, 不能满足对燃气管道信息实时性的需求。因此, 本文将仪表引入传统计量方法, 应用仪表的强定向性、消耗缓慢、传输距离远的特性, 设计了一种新型计量燃气管道计量的系统, 改进了以往计量方法的弊端, 满足了计量实时性的需求, 使得计量精度提高。

一、相关理论

二、工作原理

基于上述理论基础, 本研究的系统默认的操作模式是自动, 此外还有手动操作模式, 可以根据用户实际需要进行设置。操作过程如下:

(1) 发射电路接收单片机输入的方波信号, 该信号的频率是固定的, 因此需要借由脉冲变压器的作用驱动发射器的发射口发送仪表, 发射一经启动则计时开始;

(2) 回波信号经接收电路接收后, 经放大器放大后传输到检波电路, 检波电路检测信号后, 如果确定其为回波信号, 则会发送信号至单片机, 表示收到信号;

(3) 单片机收到检波电路发出的回波接收信号后, 计时停止, 则可知仪表往返用时;

(4) 温度传感器计量仪表传输的环境温度, 计算出传播速度, 并进一步测算燃气管道左右两帮之间的距离, 结果储存与单片机中;

(5) 数据经过单片机汇总后, 传递给上位机, 留待以后分析使用。

三、系统设计

3.1发射电路。本系统的发射驱动选用的是脉冲变压器, 这是因为仪表在传播过程中会有非常大的能量衰减, 普通电路功率和驱动能力都比较低, 这样会对不利于仪表的接收, 而利用脉冲变压器后, 可以提高电压值, 增强回波能量, 提高接受成功率, 通过该驱动的作用。

3.2接收电路。接收端在收到回波信号后, 由于存在压电效应, 会极大地降低回波信号的电压, 电压值甚至低于毫伏级。这种极低压信号不能直接传输到检波电路中, 必须经过放大器的进行一步放大, 如图本系统的放大器为TL082, 这种放大器带宽和速度都很高, 满足系统要求, 在检波电路中可以识别到。

3.3检波电路。该电路的核心部件是LM567, 其带宽和频率可以通过增加或者减少外部电阻和电容调配出来。如果输入检波电路的频率与LM567的中心频率一致, 则会产生高电平, 通过如图的引脚8传出, 否则会有低电平传出。

四、系统测试

测试中选取燃气管道设置了三个观测点, 测试持续两个月, 得到系统所需的全部计量数据, 经过测试数据得出本系统的计量精度非常高, 本系统所得的计量精度与用户的实际需求相符合, 可以应用于实际燃气管道的计量。

结论

本文基于仪表以及燃气管道测量的理论, 设计了计量燃气管道计量系统, 并对系统进行了测试, 结果表明本系统不仅实时性强, 而且具有很高的计量精度。

参考文献

[1]贾增科.城市燃气管道风险评价研究[D].河北工程大学, 2008.

飞机综合应急仪表系统设计 第7篇

1.系统设计需求

航向、姿态、空速、高度等参数是飞机最基本的飞行参数,当飞机(特别是按仪表飞行规则飞行的飞机)各种主要的仪表显示失效,处于应急状态时,若飞机仍能为驾驶员提供一组备用的仪表显示的航向、姿态、空速、高度等参数信息,驾驶员可以依靠这组基本飞行参数尽快安全着陆。应急备份仪表系统与机上其他系统和设备相对独立,且使用自动仪表进行信息指示,能在机上主要的仪表系统发生任何单个故障或故障组合后,无需增加机组成员的动作,提供一组由仪表提供的对飞行安全必不可少的,包括航向、姿态、空速、高度等参数的信息显示。因此,为了让驾驶员在应急状态下能驾驶飞机尽快安全着陆,保障飞行安全,中国民用航空规章对应急备份仪表系统需求做出了明确规定。

2.系统基本组成

传统的应急备份仪表系统包括磁罗盘、地平仪、空速表和高度表四个分离式的机械或机电仪表,以及一个空速管(或者全压受感器和静压受感器)和相应的全静压管路,整个系统简单成熟经济,在轻小型飞机上仍广泛使用,如海鸥300、小鹰500、SR22 等飞机。但四个传统仪表不仅重量大,包含膜盒和陀螺等运动部件,可靠性低故障多,而且占用仪表板空间大,无法满足现代飞机减重、高可靠性和玻璃化座舱设计要求。因此,在快速发展的微电子技术、微型传感器技术和显示技术的推动下,欧美航空强国率先研制出采用液晶显示器显示的综合了地平仪、空速表和高度表三个仪表功能的数字化综合应急仪表,使传统应急备份仪表系统演变为满足玻璃化座舱设计要求的综合应急仪表系统,如下图1 所示。

综合应急仪表的结构紧凑,表盘面积与地平仪相当;没有膜盒和陀螺等运动部件,可靠性高,抗振动性好,能适应一定倾斜角度的安装;重量比地平仪、空速表、高度表的总重量轻。因此,综合应急仪表迅速取代地平仪、空速表和高度表,广泛运用于大中型飞机上,如A380、B787 等大中型民航飞机和湾流G650、挑战者650 等大中型公务机。在新近研制的高端的小型飞机和直升机上,综合应急仪表也开始获得广泛应用,如西瑞S F -50、贝尔429、阿古斯塔AW139 等高端机型。

3.综合应急仪表

综合应急仪表内置大气数据测量模块和姿态测量模块,运用微处理器进行数据解算和处理,通过液晶显示器实现信息显示,主要功能是提供姿态(横滚角、俯仰角)、空速(指示空速或校正空速、最大使用空速提示)、气压高度显示,并具备场压装订、姿态校准、亮度调节及昼夜切换、自检与故障诊断功能。根据需要,综合应急仪表还可以显示真空速、马赫数、升降速度、公制空速、公制高度、侧滑指示等信息,同时还具备丰富的总线和离散接口,可与外部的数据记录器、控制盒等设备交联。部分厂家的综合应急仪表能与外部的捷联磁传感器或机上惯性导航系统、航向姿态系统、GPS定位系统、VOR/ADF/ILS导航系统等交联,显示接收的航向信息和位置、地速、VOR/ADF导航、ILS着陆指示等导航信息,并可通过内置构型数据模块存储各种构型选项的方式获得良好的构型设置能力,使用户能通过软件进行构型设置更改显示内容,实现同一型号仪表适用于不同的机型。

综合应急仪表的主要结构组成如下图2 所示,主要包含大气数据测量模块、姿态测量模块、信号处理模块、图形处理模块、液晶显示模块、电源模块、转接板、底板和导光板等。

大气数据测量模块采用硅压阻传感器代替空速表的开口膜盒和高度表的真空膜盒,将全静压管路采集的全压和静压压力信号转换为数字信号,输出给数据处理模块。硅压阻传感器的全静压测量精度优于0.03% F S,长期稳定性优于0.02% F S / 年,耐压能力可达数百兆帕,过压保护能力强,具有体积小、重量轻、精度高、抗振性能良好等特点。

姿态测量模块采用高精度的微机电姿态传感器代替地平仪中的机械式垂直陀螺,可测量飞机的俯仰角、横滚角和加速度信息,输出给数据处理模块。姿态模块包含微机电陀螺和加速度计,陀螺精度可达1° / 小时,加速度计精度可达100μ g,俯仰角和横滚角动态精度可达 ±3°(2σ),具有体积小、重量轻、精度高等特点,没有运动部件,可靠性高。

数据处理模块包括信号处理模块和图形处理模块。信号处理模块负责仪表内各模块以及外部交联设备的通信,通过数字信号处理器对大气数据测量模块、姿态测量模块和外部交联设备传来的各种数字和离散信号进行处理,将处理后的数据传递给图形处理模块或外部交联设备。图形处理模块通过图形芯片对接收的数据进行运算处理,生成绘图指令,将绘图指令转换为RGBW四色信号及显示控制信号发送至液晶显示器显示,并及时响应仪表面板的各种控制信号。

液晶显示模块用于显示图形处理模块传来的R G B W四色信号和显示控制信号,采用机载多功能液晶显示器(AMLCD)代替传统仪表的指针式和机电式指示方式,性能稳定可靠,且具有与飞行显示器相似的图形显示,增大了显示数据信息量,直观丰富易于识别,视觉感观性好。部分综合应急仪表的液晶显示模块还包含环境光线传感器,可以根据飞机驾驶舱内的环境光线自动调整显示器的亮度。

电源模块由DC/DC模块、电压转换器、前端稳压模块、滤波器、高容量钽电容、TVS管等构成,对外部输入的28VDC电源进行滤波、稳压、变换,为仪表内部各模块提供所需的24V、±15V、5V、3.3V等直流电源。

4.主要机型的系统方案

综合应急仪表系统已广泛应用于大中型民航飞机和公务机上,在高端的小型飞机和直升机上也开始推广使用。早期的A320、B737 和B777 采用传统备份仪表系统,后期改进版则采用综合应急仪表系统。国内的新舟60 使用传统备份仪表系统,但新舟600、A R J21-700 和C919 上已采用综合应急仪表系统。大中型公务机为了吸引大众客户,普遍采用综合应急仪表系统。

综合应急仪表系统的主流设计方案是配置1 块磁罗盘、1 块综合应急仪表、1 个全压受感器和1对静压受感器,并可与惯性导航系统、航向姿态系统、G P S系统、I L S系统等交联, 提供航向、G P S数据、I L S着陆信息的备份显示。但在A380和A350X W B飞机上配备了2 块综合应急仪表,互为备份,分别备份飞行数据和备份导航数据。另外,奖状X L S +、湾流G650、环球6000 等公务机以及Y8F600 采用了更为激进的综合应急仪表系统设计方案,已经不再配置独立的磁罗盘,而采用其他技术方法实现磁航向的备份显示,且湾流G650 等机型还使用了大屏幕的综合应急仪表。

传感器配置方面,综合应急仪表系统只配置全静压测量传感器,不配置总温传感器、迎角传感器和侧滑角传感器,因为总温、迎角、侧滑角传感器不是综合应急仪表系统所必须的。总温传感器测量的总温虽然能提高的空速和高度信息的精度,但当飞机必须依靠综合应急仪表系统飞行时,这已经不重要;迎角和侧滑角不是民航规章所要求的对飞行安全必不可少的信息,综合应急仪表系统不需要提供迎角和侧滑角的备份显示。

综合应急仪表不是机上最有效地指示姿态、空速、高度、航向的仪表,因此不必安装在驾驶员向前视线所在的垂直平面附近、仪表板上部中心位置处,但应尽可能地安装在最有效的姿态指示仪表的附近,使驾驶员尽可能少地偏移正常姿势和视线即可看清仪表,且综合应急仪表显示的信息应按中间姿态、左边空速、右边高度、下边航向的T字组合要求排列。综合应急仪表的安装位置有三种,最主要的一种是安装在主仪表板中线或偏左位置处,夹在大尺寸显示器中间,如A380、B787、C919 等;第二种是安装在主仪表板中线附近,大尺寸显示器下边,如A350X W B、湾流G450、湾流G550 等;第三种是安装在主仪表板中线附近,大尺寸显示器上边,如Hawker 900XP、飞鸿300。因为目前安装综合应急仪表的飞机几乎都是双驾驶体制,所以上述三种安装位置都在主仪表板中线附近,从而使两个驾驶员都能看清该仪表,但以左驾驶为主。对于安装2 块综合应急仪表且并非分别显示备份飞行信息和备份导航信息的飞机,则可将综合应急仪表安装在驾驶员正前方仪表板的上部,如湾流G650、湾流G650ER等。

5.总结

本文论述了民航规章对应急备份仪表系统设计要求、综合应急仪表的构成和特点、主要机型上的系统设计方案,并结合某型机的设计实例讨论了综合应急仪表系统设计中要考虑的相关问题。综合应急仪表系统以其信息显示丰富直观易于识别、占用空间小、能实现玻璃化座舱设计等优点获得普遍应用,必将在国产飞机上得到推广应用,并向更可靠、更综合化和更大尺寸方向发展。

参考文献

[1]宫经宽,刘樾.MEMS传感器在航空综合电子备份仪表中的应用.航空精密制造技术2009(12)

[2]李元华.电子飞行仪表系统(EFIS)的发展.航空电子技术1988(07).

安全仪表系统的安全生命周期 第8篇

安全仪表系统(SIS)是由国际电工委员会(IEC)标准IEC61508及IEC61511定义的独立于DCS/PLC的专门用于工业过程的安全系统,其对装置可能发生的危险或不采取措施将继续恶化的状态进行及时地响应和保护,使生产装置按照规定的条件或程序退出运行,从而使危险降低到最低程度,以保证人员、设备的安全和避免工厂周边环境的污染。安全仪表系统主要由检测部分(传感器、变送器)、逻辑运算部分、执行动作部分(阀门、泵、电机)等三部分组成。一个安全仪表系统从开始设计到最终停用要经过许多阶段,在安全仪表系统的设计和执行过程中需要考虑其整个生命周期。

2 安全仪表系统的安全生命周期模型

安全仪表系统的生命周期(SLC)模型对安全仪表系统项目的设计和执行有非常重要的指导意义。IEC61508和IEC61511定义的安全仪表系统的生命周期模型与ISA S84.01定义的安全仪表系统的生命周期模型有相似之处,其自始至终大致可以分为工艺设计、危险学习及评估、安全功能分配、系统设计、系统集成、现场安装、调试和验证、系统投运及维护、系统升级或更新换代等阶段[1]。图1给出了基于ISA S84.01的安全仪表系统的生命周期模型,它是最早的安全仪表系统的生命周期模型,现已逐渐被IEC61511安全生命周期模型所取代,但其对安全仪表系统项目的执行仍具有重要的指导意义。

2.1 工艺设计中应注意的问题

安全仪表系统的建立是为了保证人员、设备的安全或避免工厂周边环境的污染。然而其只能降低风险发生的概率,或者减轻风险发生后果的严重性,并不能完全抑制风险的发生。为降低生产过程中风险发生的概率,应保证工艺设计的固有安全性,即在工艺设计中尽可能地采用低压、低容量的设计方案。

2.2 工艺过程的危险学习、分析及评估

危险学习主要分为六个阶段:

(1)第一阶段即概念危险分析。

主要是根据工艺设计,学习和发现会导致风险发生的原料及操作,分析风险发生的形式,如爆炸、毒气泄漏污染环境等等,收集先前生产过程中危险发生的经验,但并不涉及重要的自动化工程设计。

(2)第二阶段又称为初步工艺风险分析(PHA,Process Hazard Analysis)。

在这一阶段,依据工艺流程及第一阶段的学习结果,通过依次提出典型风险然后分析引起风险原因的方法,以表格或者矩阵的方式记录风险以及引起危险的事件的顺序(SOE,Sequence Of Event),并注明危险发生的频率(frequency)及后果(consequence)。根据可以接受的危险频率及后果,利用故障树分析(Fault Tree Analysis)等方法估计出风险减少因子(RRF),并说明所采用的包括机械设施、电气设施及仪表设施在内的所有保护措施。

(3)第三阶段即工厂的危险与可操作性分析阶段(HAZOP)。

HAZOP是以系统工程为基础的一种可用于定性分析或定量评价系统危险性的方法,用于解决危险识别与安全操作两方面的问题,探明生产装置和工艺过程中的危险及其原因,寻求必要对策。通过从工艺流程、状态及参数、操作顺序、安全措施等方面着手,分析生产运行过程中工艺状态参数的变动,操作控制中可能出现的偏差,以及这些变动与偏差对系统的影响及可能导致的后果,找出出现变动和偏差的原因,明确装置或系统及生产过程中存在的主要危险、危害因素,找出装置在工艺设计、设备运行、操作以及安全措施等方面存在的不足,并针对变动与偏差的后果提出应采取的措施,为装置的安全运行与安全隐患整改提供指导。

(4)第四、第五和第六阶段分别在SIS硬件安装完成后,SIS现场软件调试前和SIS运行一段时间后进行。第四阶段学习主要是确保现场设备安装符合设计要求,并且安全仪表系统的设计涵盖了所有PHA及HAZOP中确定的危险。第五阶段的学习则是为了确保安全仪表系统全面地进行操作测试和验证,并要求第三方对安全仪表系统的设计和执行给出合格的功能安全评估(FSA)。第六阶段的学习则主要是为验证安全仪表系统的性能指标可以满足期望风险减小(desired risk reduction)的要求。

图2给出了危险学习、风险管理列表和安全系统之间的关系,其中风险管理列表中的风险及初始频率通过危险学习的前三阶段得到,通过可以接受的风险频率确定风险减少因子,并编写安全需求说明书,设计SIS的和非SIS的降低风险的方法和动作,最终得到可以接受的风险频率。在项目执行的过程中通过验证(IQ,OQ,PQ)来确保安全仪表系统可以实现期望的风险减小目标,风险管理列表的维护和升级贯穿工厂安全仪表系统的整个生命周期。

2.3 安全功能的分配

工艺过程风险评估之后,应当针对计划采用的保护层分配风险减少任务。安全功能的分配涵盖了基于ISA S84.01的安全仪表系统的生命周期模型的第三、第四及第五步。如果非安全仪表系统保护层可以将风险发生的频率降低到可以接受的范围,则没有必要采用价格昂贵的安全仪表系统。图3给出了安全仪表系统在减少风险的保护层中的位置。如非安全仪表系统不能将风险发生的频率降到可以接受的范围,则一定要采用安全仪表系统。在根据工艺定义完安全仪表系统中所有安全仪表功能(SIF)后,在这一阶段最重要的就是根据IEC61511定义的相关方法定义安全仪表功能的安全完整性等级和子系统结构,并进行可靠性分析。

2.3.1 安全完整性等级(SIL)的定义方法

安全完整性等级是指在一定时间内、一定条件下,安全相关系统执行其所规定的安全功能的可能性[2,3]。安全完整性等级与风险减少因子和平均失效概率之间的关系如表1所示。

IEC61151-3附件中(B、C、D、E、F)共定义了四种常用的定义安全完整性等级的方法:半量化方法(附件B)、安全保护层矩阵法(附件C)、风险图法(附件D,E)和保护层分析法(LOPA,附件F)[3,4]。

(1)半量化方法(Semi quantitative method)。

它是根据所有保护层的总风险减少因子(Total RRF)及其它非SIS保护层的风险减少因子,推算出SIS的风险减少因子,SIS的平均失效概率(PFDAVG)即为其风险减少因子的倒数,再根据表1所示RRF和PFDAVG与安全完整性等级之间的关系,确定SIS的SIL。图4给出了根据半量化方法计算SIS安全完整性等级的过程。图5所示的事件树(Event Tree)清晰记录了一个防止有毒气体泄漏的系统各保护层的平均失效概率及安全完整性等级,在用半量化方法确定SIS的SIL时,事件树为SIS的SIL的最终确定提供了重要依据。但是,在很多场合下很难精确地确定非安全仪表系统的风险减少因子(或安全完整性等级),因而无法精确得到SIS的安全完整性等级,这就为使用其它方法来确定SIS的SIL提供了重要的前提。

(2)基于IEC61151-3附件C的安全保护层矩阵法(Safety Layer Matrix Diagram)。

首先将危险事件的后果分为轻微、严重和重大三类,将危险事件的概率分为低、中、高三类,将独立保护层的数量定义为1、2、3等三层(SIS为其中的一层)。其中,要求针对危险学习中的危险所设计的每一保护层的风险减少因子至少在10以上,保护层之间没有公共的失效原因(Common Cause)且保护层的功能可以进行独立验证(Validation)[5]。将保护层的数量作为纵坐标,将危险事件的后果及概率作为双横坐标就得到了图6所示的安全风险矩阵,其中每一个矩阵元素代表一个安全完整性水平,这个安全完整性水平代表SIS使一个具有相应后果和可能性的事件的风险降低到允许范围所必需的安全完整性等级。安全保护层矩阵法在使用中应根据工厂实际情况,确定危险的后果、概率及独立保护层的层数后,再根据图6所示的矩阵图定出SIS的安全完整性等级。

(3)基于IEC61151-3附件D的校准风险图法(Calibrated risk graph)。

SIS的安全完整性等级(SIL)蕴涵在风险图的结构中。校准风险图使用4个参数来确定SIS的SIL:后果C,处于危险区域的时间F,避开危险的概率P和要求频率W。图7为校准风险图法的示意图,在使用过程中,从评估起点开始,根据工艺及危险学习结果,参照图7中后果的分类参数、处于危险区域的时间的分类参数、避开危险的概率的分类参数[6],最终找到要求频率矩阵中对应的SIS的安全完整性等级。

(4)基于IEC61151-3附件E的保护层分析法(LOPA,Layers Of Protection Analysis)。

它是严格依据工厂的危险与可操作性分析(HAZOP)结果的一种安全完整性等级评定方法[5]。该方法要求设计人员制作一张表格,分12栏分别列出危险事件的名称及后果描述、危险后果的严重性及可容忍的风险概率、导致风险发生的原因(SOE)、导致危险发生的原因的概率、减小风险发生的工艺设计或装置及其对应的PFD、减小风险发生概率的BPCS控制回路及其对应的PFD、减小风险发生的各类报警和操作员反应及其对应的PFD、减轻风险后果的缓解保护层及其对应的PFD、其它完全独立的保护层(IPL)及其对应的PFD、导致风险发生的初始原因的发生频率与各保护层的PFD的乘积、SIF的PFD以及导致风险发生的初始原因发生的最终频率。其中,每一个SIF的PFD都是根据可容忍的风险频率和导致风险的原因的初始频率与其它保护层的PFD的乘积的商来确定的。目前,LOPA越来越多地被美国及其它欧洲国家的大型工程公司所采用。

注:CA——轻微伤害;CB——严重伤害:致命率小于0.1;CC——少数致命;CD——多人致命;FA——处于受风险影响的区域的时间少于总时间的10%;FB——经常到持续处于受意外影响的区域;PA——操作人员有足够的反应撤离时间;PB——操作人员无足够的反应撤离时间;W1——小于0.03次每年;W2——介于0.03次和0.3次之间每年;W3——介于0.3次和3次之间每年;-——没有安全需求;a——没有特别的安全需求;b——单独E/E/PES达不到预期效果;1,2,3,4——需要的安全完整性等级

2.3.2 子系统结构及失效裕度的确定

当安全仪表系统的安全仪表功能和安全完整性等级确定以后,可以采用不同冗余结构和失效裕度(FT,Fault Tolerance)的子系统结构来实现SIF期望的安全完整性等级。在确定子系统冗余结构的过程中要折中考虑安全性(PFDAVG)与可用性(错误停车率),因为单纯追求安全性致使错误停车率太高会降低工厂的生产效益。在实际过程中常见的冗余结构有1oo1(FT=0),1oo2(FT=1),2oo3(FT=1),1oo2D(FT=1)和2oo4D(FT=2)。在通常情况下,安全失效分数(SFF,Safe failure fraction)越大,使相关子系统达到期望SIL的失效裕度(FT)越小。表2给出了一个逻辑控制器子系统的SIL与SFF及FT之间的关系。同理,对于检测部分和执行器部分,如果设备满足使用经验总结,设备密码保护,SIL4要求以下且设备只能设置与过程相关的参数,那么同样SIL要求的情况下,设备的失效裕度(FT)可以减少1。通常在SIS的设计过程中,设备冗余结构采用最多的是2oo3(FT=1)和1oo2D(FT=1)。

2.3.3 安全仪表系统的可靠性分析

在安全仪表系统的安全仪表功能设计完成、安全仪表等级确定且各个SIF的子系统结构确定以后,应当对SIS(所有SIF)进行可靠性分析以确保其满足设计的要求。安全仪表系统的可靠性分析包括对错误停车率(spurious trips)和平均失效概率(PFDAVG)进行计算,如果每一个安全仪表功能的错误停车率和平均失效概率都好于或等于设计的期望值,才能根据之前的设计编写安全需求说明书(SRS,Safety Requirement Specification)。安全仪表功能的子系统结构可靠性功能结构如图8所示,其分析计算公式如表3所示。

注:MTBFsp——两次错误停车之间的时间;MTTF——两次失效之间的时间;λs——显性失效导致的错误停车率;λd——隐性失效的危险失效率;DC——诊断覆盖率;λDD——通过自诊断方式发现的危险失效率;λDU——通过手动测试方式发现的危险失效率;λD——可检测的危险失效率

一个完整的SIF的PFDAVG应当为检测部分(Sensor)、逻辑运算部分(Logic Solver)和执行动作部分(Actuator)三部分的PFDAVG之和,同样一个完整的SIF的错误停车率(Spurious trip rate)也应当为检测部分、逻辑运算部和执行动作部分三部分的错误停车率之和。

注:MTTR——平均修复时间;Ti——连续两次手动测试之间的时间

2.4 安全仪表系统的设计

安全功能分配好之后,安全仪表系统项目的执行会由工艺部门交接给自动化部门,由工程公司或设计院的自动化部门进行安全仪表系统的设计。安全仪表系统的设计一般分为概念设计、初步设计及细节设计三个阶段。工程公司或设计院的自动化部门在设计阶段需要编写安全需求说明书、仪表需求说明书及逻辑运算器的需求说明书,绘制每一个SIF的P&ID,制作I/O及仪表清单,招标并选择承包商,然后由承包商完成安全仪表系统的集成、安装、调试。

2.4.1 安全需求说明书(SRS)的编写

安全需求说明书(SRS,Safety Requirement Specification)是一份由工程公司或设计院编写的详细定义工厂安全仪表系统的功能和要求的书面文档。SRS根据安全功能分配阶段定义的SIF及相应的SIL等文档,针对每一个SIF,详细定义其工艺的安全状态、导致停车的原因(SOE)、停车逻辑及停车时执行器的动作(得电或失电状态),同时要定义要求该SIF实现的风险减少和SIL以及对错误停车率的限制等等。此外,还要求在P&ID上详细体现出每一个SIF,并绘制停车的因果矩阵图及逻辑图。表4、图9分别给出了一个停车因果矩阵表及逻辑图典型示例。

注意:停车设备只有在操作员确认后才能重启

2.4.2 安全仪表系统概念设计、初步设计及细节设计

国外大型工程公司一般将自动化项目的设计分为概念设计(Concept Design)、初步设计(Preliminary Design)和细节设计(Detail Design)三步。安全仪表系统SIS的概念设计只需较为准确地给出系统结构图,这一阶段的I/O、仪表设备清单只能作为初步设计的参考,具有很大的不确定性。初步设计则需要准确地绘制出系统结构图,较精确地绘制每一个SIF的P&ID,此外还需要较精确地编写仪表需求说明书(包括SIL及相关的评估报告和认证证书、使用经验总结、设备密码保护、信号输出、过程连接、供电方式、测量介质、抗压能力及防爆要求等等)及逻辑运算器Logic Solver的需求说明书(包括SIL及相关的评估报告和认证证书、系统软件、应用软件、Logic Solver的运算速度、Logic Solver的负载能力、Logic Solver的安装环境、LVL的编程方式、控制模块的搭建方式、上位机的硬件配置、图形界面的要求、仿真要求、FAT要求等等),并统计I/O、仪表数量,列出I/O及仪表清单,初步设计的准确度应当达到80%以上。细节设计则要求精确给出系统结构图、P&ID、仪表需求说明书及逻辑运算器的需求说明书、I/O清单、仪表清单,细节设计的准确度应当达到100%。每一阶段的设计完成后,工程公司都会进行招标并评估承包商的方案及报价,并在细节设计完成之后的招标中依据承包商的方案、报价及业主的倾向确定最终的承包商。

2.5 安全仪表系统的集成、安装、调试及验证

当承包商选定之后,由承包商最终完成安全仪表系统(逻辑运算器和仪表)的集成、安装、调试。当逻辑运算器的承包商(HIMA等等)集成完毕并由工程公司和业主在FAT报告上签字后,逻辑运算器及仪表的承包商(E+H,EMERSON等等)应当在现场进行(指导)安装,在工程公司或第三方的监督下完成IQ并提供相应的IQ报告。此后,由逻辑运算器及仪表的承包商共同完成安全仪表系统的调试,在工程公司或第三方的监督下完成OQ并提供相应的OQ报告。最后再在工程公司或第三方的监督下由承包商进行试运行,确保安全仪表系统的安全性及可用性达到了设计的要求后才能交接给业主进行使用。

2.6 安全仪表系统的投运、维护、周期性功能测试、PQ及变更(停运)

当承包商完成与业主的交接后,业主依据承包商提供的操作及维护手册对安全仪表系统进行使用和维护,并周期性地进行功能测试以保证安全仪表系统的安全性。每隔一段时间后,还应当对安全仪表系统的性能进行评估(PQ)。

当业主有新的使用要求时,需从工艺设计开始重新进行以上所有步骤。当使用一定阶段后,系统及仪表老化,PQ不能达到业主与设计的要求时,应当对该安全仪表系统进行升级或废弃处理。

3 小 结

目前安全仪表系统产品的安全性能已日趋提高,很多承包商的产品采用1oo1结构就可以达到SIL3的要求,如恩德斯豪斯自动化设备有限公司Liquiphant M系列音叉(FTL50、FTL51,PFM输出)、Liquiphant S系列音叉(FTL70、FTL71,PFM输出)等产品。但是,单纯靠使用高安全性能产品来提高安全仪表系统的安全性,代价往往会比较昂贵,在国外增加安全仪表系统的SIL的一般费用是一个回路增加一级约增加9×104 US$[7]。如何在保证安全的基础上尽可能少投入,是所有需要使用安全仪表系统的企业所关注的。符合IEC标准的安全生命周期对安全仪表系统项目设计及执行具有极其重要的意义,依据IEC61511和IEC61508定义的方法,按照安全生命周期模型定义的工艺设计、危险学习及评估、安全功能分配、系统设计、系统集成、现场安装、调试和验证、系统投运及维护、系统升级或更新换代等步骤一步一步去规划和执行安全仪表系统项目,才能使安全仪表系统项目的设计和执行达到最优化,以最低的项目成本实现工厂的安全需求。

摘要：阐述了基于ISA S84.01的安全仪表系统的安全生命周期。对安全仪表系统在设计和执行过程中的危险学习、安全完整性等级的评定、子系统结构的选择、可靠性分析等关键技术的主要过程和方法进行了详细的介绍。

关键词：安全仪表系统,安全仪表功能,安全完整性等级,安全生命周期

参考文献

[1]ANSI/ISA-84.01,Application of Safety Instrumented Systemsfor Process Industries,Instrument Society of America[S].

[2]IEC61508,Functional Safety of Electrical/Electronic/Pro-grammable Electronic Safety-Related Systems,InternationalElectro-technical Commission[S].

[3]IEC61511,Functional Safety of Electrical/Electronic/Pro-grammable Electronic Safety-Related Systems,InternationalElectro-technical Commission[S].

[4]MARSZAL E,SCHARPFE.Safety Integrity Level Selection:Systematic Methods Including Layer of Protection Analysis[M].US:ISA,2002:165-177.

[5]STAVRIANIDIS P,KBHIMAVARAPU K.Performance-basedStandards:Safety Instrumented Functions and Safety IntegritLevels[J].Journal of Hazardous Materials,2000,71(1):449-465.

[6]郭海涛,阳宪惠.一种安全仪表系统SIL分配的定量方法[J].化工自动化及仪表,2006,33(2):65-67.

自动化仪表控制系统探析 第9篇

【关键词】自动化仪表；计算机控制系统；嵌入式

目前，在我国电力、石油、冶金、化工、建材、轻工等工业领域的企业新建和改造过程中，除工艺流程和工艺设备外，企业更重视自动化仪表和控制系统，以增加产品品种，提高产品质量，降低成本，获取更多利润。而且企业要安全地生产，达到国家对环保的要求，需要用新的检测技术，功能更强的控制方法来控制生产过程，对系统的可靠性、精确度、乃至操作和维护以及节省投资方面提出了更高的要求。因此企业用户需要了解国际上新的检测技术和控制系统的发展状况及其新产品在应用方面的经验；而仪表制造厂则必须研究、开发与生产适销对路的产品，并要在改造现有企业方面提供系统集成解决方案。

自动化仪表通常包括流量、压力、温度等各种仪表。自动化仪表通常同时具备几种功能，比如测量或者记录、显示、控制以及自动报警等，普遍用于石化、冶金、电力、科学研究以及国防等领域的自动化控制。自动化仪表控制系统是各类生产装置的神经中枢，一方面对设备运转进行监测，另一方面对装置的基本参数进行调整和控制。

一、自动化仪表行业的主要发展趋势

随着现代科学技术的不断发展进步，企业对自动化仪表提出了更高更新的要求。伴随着新的工作原理和新材料的出现，催生出新的自动化仪表，例如利用超声波、微波、射线、红外线、核磁共振、超导、激光等原理和采用各种新型半导体敏感元件、集成电路、集成光路、光导纤维等元器件，生产出各种新型的测控仪表，为企业实现生产精细化、管理标准化提供了支撑。

1、智能化

从工业自动化仪表的发展趋势看，智能化是其核心部分。所谓智能化表现在其具有多种新功能。在工控方面，过去控制的算法，只能由调节器或DCS 来完成，如今一台智能化的变送器或者执行器，只要植入PID模块，就可以与有关的现场仪表在一起实现自主调节，提高了整个系统的可靠性。

2、高精度化

由于工业生产对成品质量的要求日益提高，国家的政策和法令对节能减排也有更高的要求，因此提高测量仪表与控制系统的精度就被提上了议事日程。例如用于贸易交换计量的科氏质量流量计，精度已达到百分之零点零五，部分气体超声波流量计的准确度已达到百分之零点五，同时新一代的DCS也以此作为一个重要的指标。当前一些新建的大型项目，在招标时，对有关产品的精度已提出明确的要求。这既是一个门槛，也是一种对制造厂商的资源的要求。

3、无线化

现场总线本来是一种非常有前途的技术，理应得到迅速的发展和推广，但由于国际标准的过多，影响了推广，例如第一代总线型的现场总线的国际标准已达到10多种，加上第二代的实时工业以太网，其国际标准可能会有20多种，而第三代的总线通信方案又在兴起，而且各大跨国公司和有关组织都在制定各自的标准，目前知道的就有HART、ISA的SP100、IEC、还有艾默生、西门子等一些大公司都在制定各自的标准。标准过多，对用户来讲，实在不是一个好兆头，用户希望能够通过努力，制订出单一的国际的标准。

工业生产要求高产，稳定，优质，低耗，安全，环保。随着生产规模越来越大，如火电机组已有100万KW的超临界机组；炼油企业达到了1000万吨级，乙烯装置也达到了100万吨的规模，测量和控制的点数不断增加，一般已达万点以上。如果现场仪表能够实现通信无线化，电缆和维护的工人量都会大大减少，施工设计部门和最终用户都是会欢迎的，因此研发近距离，低功耗可靠的无线通信是当前的一个亮点。

4、网络化

现场总线技术采用计算机数字化通信技术，使自动控制系统与现场设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层，可使智能仪表的作用得以充分发挥。随着工业信息网络技术的发展，有可能不久将会出现以网络结构体系为主要特征的新型自动化仪表，即IP智能现场仪表，如：基于嵌入式Internet的控制网络体系结构，其特点是：首先Ethernet贯穿于网络的各个层次，它使网络成为透明的，覆盖整个企业范围的应用实体。它实现了真正意义上的办公自动化与工业自动化的无缝结合，因而我们称它为扁平化的工业控制网络。其良好的互连性和可扩展性使之成为一种真正意义上的全开放的网络体系结构，一种真正意义上的大统一。因此，基于嵌入式Internet的控制网络代表了新一代控制网络发展的必然趋势，新一代智能仪表一IP智能现场仪表的应用将越来越广泛。

5、开放性

现在的测控仪器越来越多采用以Linux、VxWork等嵌入式操作系统为系统软件核心和高性能微处理器为硬件系统核心的嵌入式系统技术，未来的仪器仪表和计算机的联系也将会日趋紧密。Agilent公司表示仪器仪表设备上应当具备计算机的所有接口，使用这样的仪器仪表设备和操作一台简易电脑简直是如出一辙。通过网络形成具有特定功能的测控系统，实现了多种智能化现场测控设备的开放式互连系统。

二、自动化仪表控制系统的主要发展趋势

工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。工业控制自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要解决生产效率与一致性问题。虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。

分布式控制系统为一种全新的计算机控制系统，它是基于集中式控制系统逐步发展与演变出来的。它是主要由一个过程控制级以及过程监控级所构成的利用通信网络作为其纽带的系统，将现代计算机技术、现代通信技术、现代图形显示技术以及现代控制技术即4C技术进行综合，其指导思想是集中操作与分散控制与集中操作、分级管理以及配置灵活等。

仪表控制系统接地问题阐述 第10篇

随着我国工业的迅速发展, 仪表控制系统已在国内许多大中型化工企业中广泛采用。控制系统接地设计好坏, 是生产装置安全稳定运行的有力保证。近期我厂三聚氰胺装置改造增加了一套小型西门子PLC系统S7 200, 在使用中发现部分运行参数显示频繁闪动, 影响工艺人员对现场情况的准确判断, 从而严重影响了系统的安全稳定运行。根据西门子提供的技术资料并结合这次改造系统的接地情况, 正是用于控制系统在安装时并没有注意系统接地情况, 信号受到干扰引起显示波动。经过重新对接地线的紧固, 消除了数据波动的情况。现结合我厂改造的实际情况, 具体阐述控制系统的接地问题。

2. 控制系统接地的目的和方式

2.1 接地目的

控制系统采用接地就是为了保证系统正常稳定工作, 消除电子噪音干扰, 并出现故障时承受过载电流, 将其迅速导入大地中, 从而确保控制系统不受到不可逆的伤害。如果当控制系统中接地不当或因接地电阻过大或者地线断线等问题出现时, 则会造成诸如设备故障甚至控制系统设备着火等情况。因此, 完善合理的接地是控制系统能够安全稳定运行的关键。

2.2 接地方式

2.2.1 串联式单点接地

用一根接地线将多个低压设备的接地端子连接在一起, 然后通过这根接地线与接地装置连接。优点:接地方式简单易行, 可以节省大量人力物力;缺点:当公用的接地线出现断路时, 如果接地系统中有一台设备漏电, 就会引起其它设备的外壳上带电, 严重时甚至会对人员生命安全造成威胁。

2.2.2 并联式单点接地

从所有的设备的接地端子上都引出一根接地线, 然后将这若干条线同时接到接地装置上。优点:可靠稳定, 不会因其中一台设备接地线出现断路时, 造成其它设备外壳出现带电情况。缺点:耗费大量人力物力, 而且接地线多不容易判断故障情况, 增加排查隐患的时间

2.2.3 多分支单点接地

将每个设备的接地端子单独接到接地装置上, 它与并联式接地的区别就是每个设备都有单独的接地装置。优点:有效的避免了设备之间的相互电磁干扰。缺点:这种接地方式需要每个设备都必须具有单独的接地装置, 每个工厂并不能真正保证多个接地装置。

3. 信号屏蔽及其接地

3.1 屏蔽原理

屏蔽电缆的屏蔽层主要由铜、铝等非磁性材料制成, 并且厚度很薄, 远小于使用频率上金属材料的集肤深度, 屏蔽层的效果主要不是由于金属体本身对电场、磁场的反射、吸收而产生的, 而是由于屏蔽层的接地产生的, 接地的形式不同将直接影响屏蔽效果。对于电场、磁场屏蔽层的接地方式不同。

3.2 故障原因

在这次改造中, 我们主要使用的仪表控制系统是西门子S7 200系列, CPU型号为CPU 224XP AC/DC/RLY, AI卡型号为EM231。具体接线图如图1、图2所示:

通常低频得到模拟信号采用单端接地, 以防产生地环流, 单端接地应保证屏蔽层与信号间的电压降相等, 而错误的屏蔽层连接会造成屏蔽层和信号源的地之间有电位差, 从而在分布电容上就会产生一个变化的电流。而我们在改造恰恰忽略了这一点, 在改造过程中我们对都没有用导线连接到导电点上, 同时我们也忽略了将传感器的供电M端子接到地上以获得最佳的噪声抑制, 最终导致PLC因电子干扰引起运行数据闪烁波动的情况出现。

3.3 解决办法

西门子PLC安装手册中规定:将S7-200的所有地线端子和最近接地点相连接, 建议所有都使用1.50mm2的电线连接到独立导电点上。如图3所示, 我们将CPU的220VAC供电端和AI卡的24VDC供电端的地线端子相连在一起, 然后共同接到PLC S7 200所在的控制柜的外壳上。再次测试模拟信号输入回路数据时, 回路电子干扰消失, 数据运行平稳。

4. 控制系统对接地的具体要求

4.1 接地电阻

当采用单独接地时, 接地电阻应小于4欧姆。

4.2 接地地极

在一般的条件下, 推荐采用4根2m长的50mm*50mm的角钢, 呈边长为5m的正方形打入地下70cm以上, 再用镀锌扁铁焊接起来, 然后用大于16mm2的导线引到控制室接地铜排的方式。而如果没有条件单独打地桩的情况下, 可以采用电气地作为系统的接地, 但要注意控制系统接地接入电气地时, 接地地极与其他电气专业接地地极相距需保持在5m以上, 与防雷击接地地极相距需保持在20m以上。

4.3 控制站和操作台

当两个控制站之间或者控制站与操作台之间的距离大于等于30m的情况下, 可以采取分别接地的原则进行接地。系统的控制站和操作台应作为保护接地, 它们的接地线应该统一连接到一个保护接地铜条上。如图4所示:

5. 建议

⑴接地系统的导线应采用多股绞合铜芯电缆, 这样可以有效消除电子干扰。

⑵接地系统的各种连接应牢固、可靠, 保证良好的导电性。必要时可以选择放松部件或直接焊接。

⑶为了防止静电干扰, 控制系统的机柜下的抗静电地板也应接地, 保证出现静电时及时将其导向大地端。

⑷建议控制系统厂商在为工厂提供系统时, 应结合每个工厂的实际特点, 制定相关的接地标准, 要求其严格按照标准执行, 可以有效因施工不当引起的控制系统故障。

摘要：结合我厂三聚氰胺装置改造中碰到的因系统接地问题引起数据波动的实际情况, 有针对性的对我国化工企业中的仪表控制系统接地问题进行阐述。从接地方式、信号屏蔽以及控制系统对接地的要求等几个方面系统全面地介绍仪表控制系统接地的重要性, 并且提出自身建议, 和广大因控制系统接地问题而困扰的企业进行交流, 有效地消除故障, 确保生产装置平稳、长效地运行。

关键词：控制系统,信号屏蔽,接地要求

参考文献

[1]西门子 (中国) 有限公司自动化驱动集团.深入浅出西门子S7-200PLC.北京航空航天大学出版社, 2007年

[2]王森.仪表工试题集.化学工业出版社, 2003年