智能阀门技术及局部行程测试

安全仪表系统(sis)已成为当今新工艺装置的重要组成部分。这一进步是由多种力量推动的，从新的行业标准到全球政府机构不断增加的压力，以及从引人注目的事故中吸取的教训。紧急关闭(ESD)阀门的部分冲程测试(PSTs)长期以来一直用于提高SIS性能。通过定期监测这些关键阀门，pst有助于确保系统在紧急情况下关闭流程的能力。

ESD阀门的数字技术的引入使得pst更有效、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。

本文将讨论pst如何提高SIS性能，回顾使用数字关闭设备进行pst的优势，并概述帮助工厂人员有效实施这项新技术的步骤。

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由三个关键元素组成:传感器，逻辑求解器和最终控制元件，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，是风险降低系数(RRF)的函数。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。

给定SIF所需的RRF由危害和可操作性(HAZOP)研究确定。在HAZOP研究中，危险事件根据潜在的严重伤害、设备损坏、生产损失和对环境的危害等因素进行识别和量化。如果研究表明这些事件发生的可能性太大，或者这种事件的后果将是无法容忍的，则计算RRF以使风险达到可接受的水平。

一旦指定了RRF，保护层的SIL预算将通过计算按需故障概率(PFD)来确定_avg)，以获取每个SIF组件和整个SIF。PFD_avg是对安全系统在紧急情况下不能按设计工作的可能性的评估，是RRF (PFD_avg= 1 / rrf)。然后设计SIF以满足期望的SIL。

实现较低的PFD_avg

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。阀门的机械特性和它所扮演的“随需应变”角色使它成为系统中最容易发生故障的部分。因此，为了提高核电站的功能安全，把精力集中在这方面是有意义的。

图1中的示例演示了如何在ESD阀上进行周期性pst来降低PFD_avg并有助于更高的SIL等级和改进的系统完整性。两个例子中的设备和系统是相同的，并且都考虑到每年的全冲程测试(fst)，因为pst并没有消除对全冲程测试的需求。第二个例子每60天将pst添加到等式中。

加上周期性pst, PFD_avg阀门/执行器组件从1.1E-03降至4.5E-04。根据IEC 61508，为了实现PFD的这种改进_avg，诊断测试的结果必须通过经过现场验证的机制传送给用户。这个要求非常有意义;如果用户不知道诊断结果，则不能用于计算RRF或PFD_avg．正在出现的数字通信标准允许以可靠的方式传输此类诊断。

图2进一步说明了周期性pst是如何降低PFD的_avg整个SIF，特别是PFD_avg防静电阀。

此外，运行pst可将ESD阀的安全失效率(SFF)提高约10%至20%，即安全故障或检测到的危险故障的故障比例。(参见图3。)这可能是实现SFF大于90%，并能够在硬件容错为零的SIL 3应用中使用该阀的最后障碍。

架构越简单通常越好

一些安全工程师主张使用冗余螺线管和复杂的ESD阀关闭面板来降低PFD_avg紧急隔离阀。然而，在大多数情况下，这些策略只会对PFD产生很小的改善_avg同时使系统设计复杂化，增加了成本，并提高了衡量误关井率的假起下钻率(STR)。(参见图4。)正如老仪器人反复说的，“更多的设备导致更多的故障!”

每个应用程序都是不同的，在某些情况下，使用额外的设备可能是实现指定SIL级别的最佳方法。然而，“最佳实践”正在向使用最少数量的设备构建体系结构的理念发展，以实现目标SIL。

选择PST技术

当然，有几种方法可以进行pst。由于需要更频繁地进行测试和存储测试数据，一种较新的技术(使用数字关闭装置)显然具有优势，但许多工厂操作员可能不太熟悉这种技术。

传统的PST技术，如使用机械干扰器、气动面板和电气动面板，可用于监测SIF的健康状况，但每种技术都有明显的缺点。机械干扰器是最简单、成本最低的选择，但在测试过程中，设备没有受到保护，需要手动放置干扰块，这为人为错误创造了机会。气动面板是一种经过验证的、可靠的、被广泛接受的选择，但价格昂贵，涉及复杂的测试程序，不允许远程测试，也不能提供确定的数据。同样，电动气动面板价格昂贵，要求测试人员在现场，并且不能提供确定的数据。

为关闭装置添加智能可以克服这些缺点，并有助于将其更容易地与安全系统集成。它还有助于更容易地实施pst，并提供更大的ESD阀诊断覆盖率(将检测到的危险故障的比例)。如图5所示，智能设备也是一个预算友好的选择，通常成本低于气动或电磁阀面板。

使用数字关闭装置

使用数字关闭装置的一个关键优点是能够根据具体情况和用户的偏好使用各种触发方法启动测试。选项包括:

• 本地测试启动使用内置LCD;
• 远程测试启动使用数字协议，如HART或新兴的基金会现场总线SIF;
• 使用4-20 mA模拟命令从逻辑求解器启动测试;和
• 使用内置调度器的完全自动化的测试启动。

一旦数字关闭装置接收到执行测试的命令，它就会精确控制执行器腔内的压力，以在测试过程中实现平稳和一致的阀门前后运动。这种可控的斜坡有助于确保测量的准确性，甚至更重要的是，减少了虚假跳闸和过程中断的机会。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。

现在，许多制造商都提供符合IEC 61508标准的SIL 3数字关闭装置，允许它们用于sif，即使是在炼油厂、海上平台和石化工厂等高风险设施中。这些智能设备通常比其他PST方法提供更大的诊断范围，因为嵌入式传感器(位置、执行器压力、空气供应等)可以精确检测ESD组件的故障模式。

图6总结了使用数字关闭装置的pst的主要特性及其优点。

此外，通过分析减速和加速过程中的行程与执行器压力的关系，数字停机装置可以捕获定位器下游附件的宝贵诊断信息，如螺线管、容积增压器和快速排气装置。(参见图7)

需要的数据

使用数字停机设备进行pst还可以将历史数据置于工厂人员的指尖，使他们能够更有效地管理资产，并有助于简化记录保存和其他合规工作。

员工可以更容易地访问美国劳工部职业安全与健康管理局(OSHA)和其他组织所要求的数据。

这些数据还为工厂人员提供了一段时间内kpi(关键绩效指标)的清晰图像。然后，运营商可以计划适当的预测性维护活动，避免与被动维护活动相关的额外中断和成本。

图8总结了这些与遵从性相关的好处。

强大灵活的工具

直到最近，管理ESD阀门的完整性都是一项劳动密集型工作，而且没有实现自动化。由此产生的成本和可能造成不必要的过程混乱导致许多工厂管理人员避免实施pst。如今的智能关机设备消除了这些障碍。

PST控制器的典型功能和特点包括:

•嵌入PST参数;
•嵌入式PST调度程序;
•pst可在本地或远程进行;
•内置存储的PST签名;
•内置存储安全需求签名;
•内置合格/不合格标准;
•诊断的离散或数字通知;和
•自动签名分析kpi，包括摩擦，突破力，填充/排气能力，弹簧范围，空气供应下垂等。

数字关闭装置可以编程自动进行pst，或者可以根据需要运行测试，为工厂人员提供最大的调度灵活性。数字关闭装置还允许使用HART或4-20 mA模拟信号远程执行pst，从而无需现场人员进行测试。

近年来，已经引入了数字关闭设备，可以在关闭期间保持实时数字通信，使工厂人员能够确认阀门已正确关闭，并确保捕获相关数据以供后期分析。

pst不能消除进行全冲程测试的需要，在此期间，整个过程被关闭。但是，用于进行pst的相同数字关闭设备可以执行双重任务，也可用于进行这些更全面的证明测试。

第二代的进步

近年来，引入了新的“第二代”智能关闭装置的控制器，提供了强大的新功能，解决了最终用户在使用数字关闭装置进行pst时可能面临的挑战。

首先，许多新设备定期进行自检，以检测任何可能危及安全功能的潜在问题，例如电子设备故障、通风口堵塞或空气管道限制。(参见图9。)

如前所述，一些数字关闭设备在进程关闭期间也保持实时通信。有些在SIL 3应用程序中被认证为A型，这意味着可能不需要冗余。它们还可以在紧急情况下为工厂人员提供各种有用的信息，包括当前行程反馈信号和限位开关。

最后，当阀门在紧急情况下关闭时，启用hart的数字关闭装置将记录关闭信号。该装置的功能与飞机上的“黑匣子”非常相似，它可以捕获阀门性能数据，供后期分析使用(见图7)。此外，由于阀门的关闭和复位都有记录，因此可以将其视为阀门的全面验证测试——重新开始倒计时，等待ESD阀门必须进行下一次全冲程测试。

图10和图11总结了第二代智能关闭设备的诊断能力，以及它们可以帮助工厂人员检测的阀门性能问题。

在SIS中实现pst

根据IEC 61508, pst提供的诊断覆盖范围可用于计算PFD_avg只要满足以下两个条件:

1.测试是完全自动化的。自动化确保按照PFD中指定的时间间隔执行测试_avg计算，消除由于工厂人员无意中未能完成计划的测试而导致潜在不安全情况未被发现的风险。

2.测试的结果(通过/失败)通过认可的技术传达给用户，例如离散信号(参见图12)。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”或“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解决的ESD阀性能问题。

遗留逻辑解决方案

数字关闭装置可以集成到使用0-24 V直流信号的旧安全系统中，在某些情况下，也可以集成到使用4-20 mA信号的系统中。在0-24 V直流应用中，PST可以使用现场设备中的内置调度器启动，使用本地LCD(如果可用)或HART。

如果要使用HART，可能需要一个信号调节器来增加电路的阻抗。随着最近无线通信的引入，可以在数字关闭装置上安装适配器，从而消除了对信号调节器的需要并简化了布线。

如果逻辑求解器具有模拟输出卡，则可以通过将回路电流设置为特定值来远程启动PST。通过调整信号，最终用户可以将部分行程测试集成到逻辑求解器中，并确保测试执行时间的可追溯性。

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，这样智能关机设备就可以轻松集成到系统中，使pst可以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，简化了实施过程并有助于降低成本。

实施的必备条件

图13至15显示了在部分冲程测试中实现智能关闭装置的三种常见设置。每种功能都具有以下特征，这些特征对于任何应用程序都是必不可少的:

• 集成:数字关闭装置与安全系统的其余部分集成在一起。它不是一个孤立的“自动化孤岛”。
• 自动化:PST执行完全自动化，防止人为错误。测试结果自动传达给用户，提供有关潜在阀门性能问题的可操作信息。
• 通用和可访问:pst可以安全地执行，并从逻辑求解器访问结果。
• 用户友好:测试易于执行，结果易于理解。用户不需要是ESD阀门或数字关闭装置的专家来完成测试并解释结果。

亚里士多德说:“我们不断重复的行为造就了我们。因此，卓越不是一种行为，而是一种习惯。”提高工厂的完整性需要一致地应用可靠的、集成的和自动化的解决方案，这些解决方案允许系统地监测关键设备。

定期pst计划可以通过解决SIF故障的最大单一原因(最终控制元件)，同时减少全冲程测试的频率，帮助确保SIS在紧急情况下正常工作。如今的智能停机设备使pst成为一个更强大的工具，使其实施变得更加容易和经济高效，使工厂人员能够达到高SIL 3水平，同时提供更大的诊断覆盖率，更大的实施和调度pst的灵活性，并且通过正确的软件，改善了沟通。

-另请阅读:

应急关闭阀与过程控制系统集成;

局部冲程试验

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——大卫·布兰比拉，波特。Eng。是Dresser Masoneilan的西欧、东欧和南欧的数字产品专家，Dresser Masoneilan是过程控制阀和解决方案的全球合作伙伴，已有超过125年的历史。www.dresser.com)。brambila先生在自动化和阀门行业拥有超过10年的经验，他是设计用于Dresser Masoneilan SMART阀门接口的新数字仪器架构的团队的一员。他毕业于意大利米兰的Politecnico大学，获得机械和工业工程学位。打电话给他。davide.brambilla@dresser.com．

- Sandro Esposito是Dresser Masoneilan数字和智能产品的全球营销经理。他在控制阀和过程自动化行业有16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。他是首款Dresser Masoneilan部分行程测试设备的设计师，该设备是市场上首款SIL 3认证的智能设备。他毕业于蒙特利尔的ahunsic学院，获得仪器和过程控制学位。打电话给他。sandro.esposito@dresser.com．

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