0 引言

       随着我国经济水平不断提升，工业生产领域对生产安全越 来越重视。安全温度变送设备的重要性逐渐进入人们视野，需定期对其进行检测工作，以确保其安全运行，同时保障其具有 较高的工作效率。

1 功能安全温度变送器功能分析

      生产实际中，功能安全具体含义是诊断其是否能有效执行 安全功能。这往往受到外部风险降低设施与安全相关系统的正 确功能影响。对外部风险和安全相关系统实施合理的降低措 施，促使设施覆盖区域存在的某些风险得以降低到特定可接受 范围。进而有效保障温度变送器正常、安全运行。温度变送器的 安全功能主要包括两个方面。 

（1）监测温度与通信模块实际输出温度相一致。变送器在 进行测温工作时，测温功能有效执行，不存在失效现象。 

（2）变送器测温过程中若诊断出失效现象，则立即产生并 输出报警。 

      自诊断和失效模式作为最主要的两个因素，对温度变送 器的安全功能具有极其重要的影响。温度变送器具有自诊断功能，当其处于运行状态时，可以有效诊断自身工作状态。当 温度变送器出现故障，失效时，便会发出警告，及时降低危险 性，便于工作人员及时发现并修复故障。温度变送器具有自动 检测自身是否失效的能力，这一能力被定义为诊断覆盖率。诊 断覆盖率较低时，达不到安全完整性要求与安全功能要求。相 关工作人员需要修改其软件与硬件设计，直至其诊断覆盖率达 标，安全性得以保障。温度变送器失效模式主要由安全失效、 危险失效和无影响失效等 3 部分构成。当温度变送器在运行 过程中出现失效情况时，工作人员需要对变送器进行失效性分 析，从而确定单个部件的失效模式是否影响整个温度变送器的 运行状况。

2 功能安全温度变送器设计方案

2.1 系统设计

      温度变送器采用 1-out-of-1 diagnosis 系统机构，简称 1oo1 D 系统结构。系统设计了诊断通道和数据采集通道两个相对独 立的通道，不会发生冗余现象。安全温度变送器主要包括数据信 息采集、以及输出与通信两大部分。温度变送器运行过程中，温 度数据的采集主要由数据采集部分完成。数据采集完毕后，还会对其进行整理、计算，以串口为媒介发送到通信部分中。温度数 据的计算、通信和模拟量输出的部分则由输出通信部分完成。数 据信息采集部分和输出与通信部分的完美配合，可以实现安全 变送器的所有功能，确保其安全高效运行。安全温度变送器由以 下模块组成。 

（1）A/D 模块。主要功能是采集模拟量。 

（2）D/A 模块。主要负责内容是最后电流的模拟输出。 

（3）微控制器。主要功能是处理安全功能和数据采集功能的 数据。 

（4）通信模块，即串口通信（UART）模块。主要负责功能是 将 A/D 数据采集部分和 D/A 数据输出与通信部分进行交换。 

（5）诊断电路。主要功能是诊断温度变送器各组成部分安全有效性。

      温度变送器上电后，首先应该诊断其微控制器，使其实行自 检功能。自检过后，再按照顺序诊断其他模块。从前到后的顺序 为：传感器模块、A/D 模块、D/A 模块、信号输出模块。温度变送 器在自诊断过程中，诊断出自身存在风险，则立即产生报警指 示，并发出报警信号，控制器据此发现有失效情况。当温度变送 器无错误情况产生，安全稳定运行时，变送器便可开始有效采集 数据。另外，结合 HARA 总线分析，这一过程可以通过 D/A 转换 形式，完成信号传送。

2.2 诊断方式

      安全温度变送器的两个微控制器分别具有通信功能与数据 采集功能。根据这个特点，数据对比方法作为冗余结构常用方 法，将其引入到温度变送器中，可以有效提高数据采集与发送的 安全性与可靠性。同时，温度变送器的其他模块也需要定期进行 诊断，才能为温度变送器的安全性提供有力保障。主要诊断内容 如下

（1）A/D 模块的诊断。在进行A/D模块诊断过程中，微控制器会产生一个系统设定值，经过离散化程序后，通过D/A模块采回数据。将采回值与设定值作对比。若二者相同，则认为 A/D 模块运行正常；若二者不同，则判断为出现失效。 

（2）D/A 模块的诊断。同A/D诊断方式一样，同样比较设定 值与采回值。若检测出失效的情况，则D/A在电流环路上输出 报警电流。同时，D/A模块还具有其他功能，如通信计时功能和 监视环路电流的功能等。当D/A 模块与微控制器模块的通信超 时，或是环路电流超出规定范围时，都会产生警报。 

（3）微控制器的诊断。温度变送器由两个微控制器组成，两 个微控制器在完成各自功能的同时，还可以进行数据对比工作， 间接诊断CPU和数据采集通道整体是否存在失效性。温度变送器工作是由温度传感器获取温度信号，再经A/D采集，变送器的两个微控制器便开始对原始温度数据进行计算，再比较其计 算结果是否相同。若计算结果不同，则有报警电流输出，若计算 结果相同，则将计算结果经由通信模块输出。

3 功能安全温度变送器可靠性分析

      在安全温度变送器开发过程中，安全完整等级（SIL）指的是在一定条件下，安全功能正确执行的概率，是总体设计的一部分，用于衡量整个温度变送器安全性能是否达标，其数值表示变送器风险降低的数量级。在开发设计过程中，应在安全变送器中引入一定的安全措施，如诊断方法等，才能降低一些潜在风险， 进而提高诊断覆盖率。确保温度安全变送器各部分及整体都能 够符合要求，达到一定的安全完整性等级。安全完整性是评价安 全温度变送器安全功能的重要指标。同时，还可以通过一些统 计指标对安全温度变送器的可靠性进行分析，如时效效率 （PFD）和平均无障碍时间等。并且，安全完整性等级的确定还受 到安全失效分数（SFF）影响。综上，安全功能可靠性的评价需要 借助一些数据指标完成。

      首先，是Markov模型。这一模型通过分析系统在不同状态下的转换，来评估其安全性。在系统处于不同安全状态时，这一模型同时可为简单与复杂模型提供精准诊断评估结果。本文中安全温度变送器采用1oo1D系统结构，在行使诊断功能时，可将诊断到的危险失效转变为安全失效。Markov 模型在考虑到安 全失效与危险失效这两种模式的同时，考虑到故障状态下，变送器的修复率能够达到常数，并且经过重新启动，仍能正常运行。 建模假设在IEC 61508-6中有详尽描述。安全温度变送器采用的 1oo1D 体系结构中Markov的转移过程包含3个状态。 

（1）OK（0）状态，表示初始情况下的正常情况。 

（2）FS（1）状态，表示安全失效。 

（3）FDU（2）表示存在没有被检测到的危险失效情况。当数 据采集通道发生失效情况，变送器的状态就会由 0 转变为 1，表 示危险失效被转换成了安全失效。当变速器重新启动正常运行 时，其状态又会由 1 转变为 0。未能检测到失效时，状态又会由 0 变为 2。

      其次，是安全完整性评估。温度变送器失效模式和诊断分析 （FMEDA）对诊断覆盖率和失效率具有重要影响。失效模式影响 及其诊断分析能够对设备的诊断能力以及不同失效模式进行合 理有效的分析。它主要需要两方面信息。一方面，需要变送器所 有部件的失效数据，主要包括失效模式分布与失效率；另一方 面，需要诊断获得的内部失效能力信息。当失效模式影响及其诊 断分析较为详细时，就能为失效模式与诊断覆盖率提供相对准 确的分析。现场失效模式对这些信息进行报告工作，才能合理评 估温度变送器失效模式与失效率。通过整理分析这些信息数据， 以它为依据，可以准确计算安全评估参数，如安全失效分数和诊 断覆盖率等，进而实行安全评价。 

     通过失效模式和诊断分析，了解温度变送器的安全失效、危 险失效与无影响失效模式对整个温度变送器是否具有影响差 异，进而推导出安全失效与危险失效之间的比例，以及不同失效 模式下的失效率数值。就某些复杂器件而言，IEC 61508-2 列举 了一些情况下的诊断覆盖率。其中，主要强调针对一些复杂器 件，在计算其诊断覆盖率时，必须对其失效模式予以充分考虑， 高度重视。 

     通过对比较低要求下的操作模式安全完整性等级表，判断 温度变送器安全完整性。证明本研究所述诊断方案的温度变送 器具有可靠性。同时通过失效模式和诊断，分析各模式对温度变 送器的影响，提高了 Markov 模型有效性，使其应用优势得以全 面发挥，总体满足社会及相关企业需求。

4 结语

     研究中安全温度变送器采用的体系结构是 1oo1D 体系模式，主要由两个微控制端组成。能够有效将数据对比分析模式引 入到变速设备中。同时对各模块进行分析诊断，有利于保障安全 温度变送器可靠性。

参考文献

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