嚴密，管文涌，田家興，彭太翀

(中國石油西氣東輸管道公司壓縮機處，湖北武漢430073)

0 引言

ESD緊急停車系統(tǒng)(Emergency Shut Down)是石油天然氣行業(yè)不可缺少的安全儀表系統(tǒng)。ESD緊急停車系統(tǒng)按照安全獨立原則要求設計，需要具備高度的可靠性［1］。隨著自動化水平的逐步提高，ESD系統(tǒng)帶回路檢測功能的輸入模塊和帶診斷電阻的ESD按鈕逐步替代原有普通數(shù)字量輸入模塊和常閉(常開)按鈕，其目的是通過引入回路檢測功能提高ESD系統(tǒng)的可靠性［2］。

為了保證西氣東輸二線SIS系統(tǒng)安全可靠地運行，需要采取各種合理有效的措施［3］，探究西氣東輸二線Safety Manager系統(tǒng)SDIL-1608模塊的帶診斷電阻的ESD按鈕的選型也非常重要。

1 回路檢測功能簡介

回路檢測的功能是當信號回路通道無故障時，在回路中存在區(qū)別與觸發(fā)電流的診斷電流，當信號回路通道回路斷路時，診斷電流消失，系統(tǒng)能清楚的區(qū)分診斷電流和觸發(fā)電流，以便產生報警或改變回路信號。雖然其一定程度上避免了ESD系統(tǒng)的謬誤觸發(fā)［4］，但是其診斷回路自身的可靠性也成為需要探究的問題。

西氣東輸二線部分ESD系統(tǒng)采用Safety Manager的SDIL-1608模塊是16通道可提供8 V回路電壓的且具備接地檢測功能的數(shù)字量輸入模塊。若需要通過該模塊實現(xiàn)回路檢測功能，則需要在Safety Builder中選擇現(xiàn)場輸入設備具備回路檢測功能和當檢測到回路故障時的信號通道反饋方式，同時還需要按照Safety Manager的用戶手冊針對SDIL-1608模塊提供的兩種帶回路檢測功能回路的接線方式正確接線，如圖1所示。該兩種接線方式各按照常閉和常開的方式編程組態(tài)，同時還可選擇檢測到回路故障時信號通道的不同反饋方式(反饋1或0)，這樣便構成了多種常規(guī)使用方式。

圖1 接線和組態(tài)方式

2 診斷電阻的選型

電阻的可靠性直接關系到該通道回路和回路檢測功能的可靠性?，F(xiàn)市面上具備回路檢測功能的ESD按鈕都是采用常用阻值1 kΩ和10 kΩ的電阻構成的電路，因此不考慮其他阻值電阻構成類似電路實現(xiàn)回路檢測功能的情況。

電阻的種類有很多，但市面上具備回路檢測功能ESD的按鈕都采用碳膜電阻或金屬膜電阻。考慮到金屬膜電阻的精度、長期穩(wěn)定性、耐熱性都比碳膜電阻好，所以選擇采用金屬膜電阻的ESD按鈕。

3 診斷電阻的失效測試

測試過程中常開接法回路故障時的反饋值設置為“0”，常閉接法反之。若將常開接法的回路故障時的反饋值設置為“1”或將常閉接法的回路故障時的反饋值設置為“0”，則在當回路發(fā)生故障斷開時，也會導致 ESD誤觸發(fā)，不滿足回路檢測功能的原則。

采用 1 kΩ 電阻、10 kΩ電阻和標準電阻箱按照如圖2所示常開方式接入信號回路，即在該方式下，回路信號為“0”時，為 ESD不觸發(fā)的常態(tài)狀態(tài);回路信號為“1”時，為ESD觸發(fā)狀態(tài)。先測試正常狀態(tài)下是否具備回路診斷功能，然后將1 kΩ電阻替代為標準電阻模擬1 kΩ電阻失效情況下系統(tǒng)的響應，最后將10 kΩ電阻替代為標準電阻箱模擬10 kΩ電阻失效情況下系統(tǒng)的響應。

測試結果如表1所示，回路信號表示在常態(tài)下信號回路采集到的數(shù)據(jù)，通道綠燈是指該模塊通道指示燈，若出現(xiàn)報警時不誤觸發(fā)ESD或不出現(xiàn)報警時ESD系統(tǒng)功能正常均視為對ESD系統(tǒng)無影響。

圖2 第一種常開狀態(tài)按鈕

表1 常開模式的第一種接法電阻失效測試結果

采用相同的方式測量如圖3所示接入信號回路的常閉方式，即在該方式下，回路信號為“1”時，為ESD不觸發(fā)的常態(tài)狀態(tài);回路信號為“0”時，為ESD觸發(fā)狀態(tài)。

測試結果如表2所示。

圖3 第一種常閉狀態(tài)按鈕

表2 常閉模式的第一種接法電阻失效測試結果

采用相同的方式測量如圖4所示接入信號回路的常開方式，即在該方式下，回路信號為“0”時，為ESD不觸發(fā)的常態(tài)狀態(tài);回路信號為“1”時，為ESD觸發(fā)狀態(tài)。

測試結果如表3所示。

圖4 第二種常開狀態(tài)按鈕

表3 常開模式的第二種接法電阻失效測試結果

采用相同的方式測量如圖5所示接入信號回路的常閉方式，即在該方式下，回路信號為“1”時，為ESD不觸發(fā)的常態(tài)狀態(tài);回路信號為“0”時，為ESD觸發(fā)狀態(tài)。

測試結果如表4所示。

圖5 第二種常閉狀態(tài)按鈕

4 電阻失效導致的ESD系統(tǒng)失效分析

由于電阻不同的失效方式的概率是不一致的，所以對于這四種接法的系統(tǒng)響應概率也不一致。電阻失效時會出現(xiàn)失效機理有:電阻膜燒毀或大面積脫落，基體斷裂，引線帽與電阻體脫落造成的開路［5］;電阻膜有缺陷或退化，基體有可動鈉離子，保護涂層不良，造成的阻值超規(guī)范漂移;電阻體焊接工藝缺陷，焊點污染，引線機械應力損傷造成的連接線斷裂;銀的遷移，電暈放電造成的短路，其各概率如表5所示［6］。

表4 常閉模式的第二種接法電阻失效測試結果

表5 各失效模式所占比例

按照電阻失效的概率可計算出不同接法可靠性的概率，接線回路失效概率如下公式:

其中P1k表示1 kΩ電阻失效的概率，P10k表示10 kΩ電阻失效的概率，P1表示1 kΩ電阻會對系統(tǒng)造成影響的失效方式所占概率，P2表示10 kΩ電阻會對系統(tǒng)造成影響的失效方式所占概率。公式(1)的含義為，1 kΩ電阻失效和10 kΩ電阻失效不影響該回路的概率之積的相反概率則為該回路失效的概率。鑒于阻值差距只有1個數(shù)量級的金屬膜電阻失效概率較為接近，將1 kΩ電阻失效的概率和10 kΩ失效的概率假設為概率P(趨近于0的數(shù))，同時綜合上訴5個表格數(shù)據(jù)代入公式(1)，得出數(shù)據(jù)如表6。

通過測算可以得出如圖2所示的接法失效概率最小，因此建議采用如圖2所示的回路接法的ESD按鈕。

表6 不同接線模式的失效概率對比

注:每種接法均按照失效最大概率計算，同時省略掉數(shù)量級過小的P2及其系數(shù)。

5 結束語

在通過實驗和分析出合理可靠的回路接法后，西氣東輸二線全線帶診斷電阻ESD按鈕都將按此規(guī)則選型，并且將長期繼續(xù)對該觀察統(tǒng)計，驗證實驗分析的合理性。選擇合適的帶回路診斷功能的ESD按鈕不僅可以提高系統(tǒng)可靠性，還保證了站場人員和設備的安全。同時，改善ESD按鈕使用環(huán)境，降低電阻總體失效的概率等，也可以降低ESD系統(tǒng)謬誤觸發(fā)的可能性。

［1］趙廉斌，朱金輝，張麗，等.以Safety Manager為控制核心的安全儀表系統(tǒng)在輸氣站場中的可用性和可靠性探討［J］.化工自動化及儀表，2014，41(11):1324-1326.

［2］王東峰.安全儀表系統(tǒng)回路設計探討［J］.石油化工自動化，2014，50(4):10-15.

［3］彭太翀，王海峰，王多才，等.關于西氣東輸ESD系統(tǒng)報錯的探討和可行性優(yōu)化建議［J］.工業(yè)控制計算機，2011，24(11):28-30.

［4］王書惠.ESD 按鈕的選型探討［J］.自動化博覽，2012，29(11):84-86.

［5］郜晉榮.探析金屬膜電阻器的可靠性［J］.安徽電子信息職業(yè)技術學院學報，2011，11(4):11-12.

［6］姚立真.可靠性物理［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.