HART技术，部分行程阀门测试:提高工厂安全性的有力组合

从新的行业标准到全球政府机构不断增加的压力，以及从重大事故中吸取的经验教训，过程工业工厂运营商正感受到各种力量，将安全仪表系统(SIS)置于焦点位置，并在提高SIS性能方面给予紧急关闭(ESD)阀门的部分冲程测试(pst)重要作用。

HART技术的引入使得ESD阀门的pst更加有效，更容易实施，帮助工厂人员更好地平衡他们的需求，实现更高的工厂完整性和安全性，如假脱扣率、初始投资成本、持续运营成本、系统集成和文件需求。

本文阐述了如何实现hart功能的PST控制器来提高SIS性能，并概述了帮助工厂人员有效地将该技术应用于ESD阀的步骤。

功能安全设计要点

SIS由一个或多个安全仪表功能(sif)组成，每个sif保护一个特定的过程功能。SIF由三个关键元素-传感器，逻辑求解器和最终控制元件组成，并根据IEC 61508和IEC 61511设计，以满足所需的安全完整性水平(SIL)。

SIL在IEC 61508中定义，是一种必须消除的风险计算，以使过程处于可接受的安全水平。有四个SIL级别，对于给定的安全功能，SIL 4具有最高的可用性，而SIL 1具有最低的可用性。

保护层的SIL“预算”是通过计算每个SIF组件和整个SIF的按需故障概率(PFDavg)来确定的。PFDavg是对安全功能在紧急情况下不能按设计工作的可能性的评估。

经验表明——国际文献也支持——紧急关闭阀是SIF故障的主要来源。阀门的机械和静态特性使其成为系统中最容易发生故障的部分。然而，这也是最重要的;因此，在努力提高核电站的功能安全时，只有把精力集中在这一点上才有意义。

用于PST的数字关闭装置

使用hart关闭装置的主要优点包括能够远程启动部分冲程测试，并且易于配置确定测试模式和通过测试标准的参数。其他技术已经提供这些功能几十年了，但实施和维持成本很高。在这个应用程序中引入HART协议改变了这一点。

可以使用两种开放标准中的一种来配置具有数字功能的设备:EDDL(电子设备描述语言)或DTM(设备类型管理器)。这两个标准都支持hart设备和软件程序之间的通信，为设置和调试提供用户友好的界面。

配置完成后，数字关断装置可以接收来自hart手持设备、具有EDDL或DTM功能的控制系统或直接来自PST设备的命令。该命令将启动预先配置的测试，然后精确控制执行器腔内的压力，以在测试过程中实现平稳、一致的阀门前后运动。ESD阀以设定的速度关闭，直到达到最终用户指定的目标阀门开度(通常在ESD阀正常状态的5%到30%之间)，然后以设定的速度再次打开。ESD阀的安全功能在整个PST期间保持可用，继续保护工厂。

数据触手可及

数字关闭装置的引入使得系统地记录ESD阀门的完整性变得更加容易和更具成本效益。

安全系统(逻辑解算器)是典型的模拟系统，不能与现场设备进行双向通信。因此，在不使用HART或其他数字通信协议的情况下，必须手动在阀门上安装多个传感器，用于监测阀门位置、执行器压力和其他性能指标，然后分别连接到逻辑控制器。测试结果必须手工记录——这是一个高度劳动密集型和繁琐的过程。

支持hart的数字关断装置克服了这些挑战，消除了对外部传感器和单独布线的需求。一个内置多个传感器的可配置设备进行局部冲程测试并传输结果，将ESD健康信息放在工厂人员的指尖，简化了安装和维护。由于HART是一个开放协议，系统设计人员可以根据他们的特定需求和偏好灵活地指定来自多个制造商的设备，而无需开发专有软件来允许它们彼此通信。

记录保存可以简化，工作人员可以更容易地访问美国职业安全与健康管理局(OSHA)和其他审计组织要求的数据。这些数据还为工厂人员提供了一段时间内关键绩效指标的清晰图像。然后，团队可以计划适当的预测性维护活动，并避免与被动维护相关的额外中断和成本。

基于事实的方法

近年来，采用新的“第二代”数字关闭装置的控制器已经推出，具有强大的新诊断功能，并使工厂人员能够访问丰富的信息，帮助他们做出基于事实的决策。

一些数字关闭装置在与安全相关的事件中保持实时数字通信，使过程控制操作员能够持续监控ESD阀的运行状况。此类设备已获得SIL 3应用的A型认证，允许最终用户从基于螺线管的解决方案迁移到数字关断设备。使用HART，数字关闭装置还可以在紧急情况下为工厂人员提供各种有用的信息，包括实际阀门位置以及ESD阀门是否正确关闭。

图1:“阀门卡住打开”是当今新型数字关闭装置可以向工厂人员传递的重要警报之一。

此外，当阀门在紧急情况下关闭时，启用hart的数字关闭装置可以记录关闭信号。该装置的功能与飞机上的黑匣子非常相似，它可以捕获并传输阀门性能数据，以供以后分析。而且，由于阀门的关闭和复位都有文件记录，因此可以将其视为阀门的全面验证测试——重新开始倒计时，直到ESD阀门必须进行下一次全冲程测试。

图2和图3总结了第二代数字关闭装置的诊断能力，以及它们可以帮助工厂人员检测的阀门性能问题。

[图2和3:新一代智能阀门接口可以提供的诊断图表类型的示例。]在这种情况下，工厂人员得到保证，在不到两秒钟的时间内，阀门完全关闭。

HART技术还可以通过提供诊断和PST结果来帮助工厂人员保持SIF的完整性，这些结果可用于识别需要或即将需要维护的ESD阀门，使团队有机会在安全受到影响之前解决问题。许多阀门性能问题将产生分析，显示一段时间内的变化。例如，阀门内部导向表面的过程积累将导致摩擦稳步增加，这将在每次PST期间进行测量和记录。不断增加的摩擦对工厂工作人员来说是一个危险信号，因为它最终可能会达到阀门卡住的地步。使用HART协议提供的数据和诊断来识别该ESD阀，使工厂人员能够计划适当和及时的维护。

相反，使用HART数据开发的分析还可以帮助工厂人员避免对ESD阀进行不必要的维护，否则可能会因为距离上次维护已经过了指定的时间间隔而进行不必要的维护。这可以减少在IEC61508下必须执行的全冲程测试的频率。(pst并没有消除对全中风测试的需要。)

一个SIS内的pst

根据IEC 61508，只要满足以下两个标准，pst提供的诊断覆盖范围就可以用于计算PFDavg:

1.测试是完全自动化的。自动化确保在PFDavg计算中指定的时间间隔内执行测试，消除了由于工厂人员无意中未能完成计划测试而未检测到潜在不安全情况的风险。

2.测试结果(通过/失败)通过可靠且经过验证的技术传达给用户。(参见图4。)这种沟通是必不可少的，以便工厂人员了解需要干预的潜在不安全情况。就像汽车仪表盘上的“检查发动机”和“低油压”指示灯警告驾驶员潜在问题一样，这些通知使工厂人员意识到必须调查潜在的ESD阀性能问题。

[图4:该图说明了PST设备如何实现和集成各种类型的关闭信号，并展示了使用HART监测ESD阀状态的各种方法。]

使用遗留逻辑解算器…

新的hart数字关闭装置可以很容易地集成到使用0-24 Vdc信号的旧安全系统中，在某些情况下，可以集成到使用4-20 mA信号的系统中。在0-24 Vdc应用中，PST可以使用现场设备中的内置调度器，使用本地LCD(如果可用)或使用HART启动。

如果HART与传统系统一起使用，则可能需要信号调节器来增加电路的阻抗，并允许数字通信信号叠加在直流电流上。然而，使用WirelessHART，通过在数字关闭装置上安装无线适配器，可以保持系统与ESD阀之间的线路完整。适配器将HART诊断信息无线发送到连接到资产监控软件的网关，从而消除了对信号调节器的需求并简化了布线。

以及更新的安全系统

安全系统制造商已经开始提供支持hart的模拟输出卡，以便将数字关闭设备集成到系统中，使pst能够从通用用户界面执行，并允许测试结果自动存储在数据管理系统中。此外，大多数制造商现在提供具有SIL 3认证模拟输出的系统，允许用户使用单线对实现4-20 mA数字关断装置，简化了实施并有助于降低成本。

采用和使用HART的便利性及其灵活性帮助该协议被最终用户广泛接受，并成为现场设备和控制系统供应商最常用的产品之一。因此，这些因素帮助HART从控制应用扩展到安全系统也就不足为奇了。

多年来，维持工厂安全完整性的现状是昂贵的技术，难以实施和管理。用户友好且具有成本效益的hart ESD关断控制器的可用性意味着设施不再需要遵循现状。部分冲程测试可以帮助改善和记录ESD阀的性能，支持hart的数字设备可以使这一过程比以前更容易、更有效。

Sandro Esposito是GE能源公司Masoneilan和Consolidated产品线新产品的营销和商业化总监。他在控制阀和过程自动化行业有17年的经验，在紧急关闭阀诊断和系统集成方面拥有丰富的经验。可以联系到他sandro.esposito@ge.com。

也请阅读智能阀门技术和部分行程测试。

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