咨詢電話：RTO系統(tǒng)中ATEX與SIL及儀表認(rèn)證詳述
摘要：本文著重介紹了新的歐洲防爆標(biāo)準(zhǔn)ATEX和功能安全等級(jí)認(rèn)證SIL，并就這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)控制儀表設(shè)備中的應(yīng)用做了說(shuō)明。
關(guān)鍵字：防爆標(biāo)準(zhǔn)ATEX功能安全等級(jí)認(rèn)證應(yīng)用
引言
在近幾年的RTO氧化裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常常會(huì)碰到合作伙伴問(wèn)起SIL等級(jí)和SIS等等關(guān)聯(lián)問(wèn)題，由于氧化設(shè)備的普及，安全防爆要求愈發(fā)嚴(yán)格，對(duì)RTO系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全要求相應(yīng)提高，本文將著重從RTO系統(tǒng)中的儀表設(shè)備選型應(yīng)用、防爆等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、SIL和SIS的基本定義出發(fā)，將全面闡述RTO系統(tǒng)傳感器安全防爆的設(shè)計(jì)遵循原則。
儀表認(rèn)證在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在爆炸性環(huán)境主要應(yīng)用的認(rèn)證包含FM，CSA，ATEX，TIIS等防爆認(rèn)證；在電氣方面的認(rèn)證包含EMC，CE等；在食品制藥行業(yè)主要應(yīng)用的認(rèn)證包含FDA，3A等衛(wèi)生認(rèn)證。本文將著重介紹近幾年流行的ATEX防爆認(rèn)證和SIL安全認(rèn)證，以及它們?cè)?/span>儀表設(shè)備中的應(yīng)用。
一、新的歐洲防爆標(biāo)準(zhǔn)ATEX
ATEX是以“ATmosphereEXplosible”（爆炸性環(huán)境）命名的標(biāo)準(zhǔn)，由兩個(gè)歐盟指令組成：歐洲94/9/EC標(biāo)準(zhǔn)和1999/92/EC標(biāo)準(zhǔn)。1999/92/EC是針對(duì)具有潛在爆炸性氣體環(huán)境的公司，而94/9/EC是針對(duì)前者的儀表供應(yīng)商的。
ATEX認(rèn)證是防爆電氣產(chǎn)品在歐洲市場(chǎng)的強(qiáng)制認(rèn)證，其嚴(yán)格規(guī)定了防爆產(chǎn)品的特性和使用操作規(guī)范，自2003年7月1日起，只有擁有ATEX認(rèn)證的產(chǎn)品，才可以在歐盟國(guó)家內(nèi)被生產(chǎn)、制造、銷(xiāo)售、并應(yīng)用于易燃易爆危險(xiǎn)區(qū)域。也就是說(shuō)，任何在歐盟國(guó)家內(nèi)銷(xiāo)售同時(shí)在易燃易爆危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)應(yīng)用的防爆產(chǎn)品必須通過(guò)ATEX的認(rèn)證。該認(rèn)證取代了歐盟各國(guó)的地方認(rèn)證。
（一）“ATEX137(ATEX1999/92/ECart.137)directive”標(biāo)準(zhǔn)
“ATEX137(ATEX1999/92/ECart.137)directive”標(biāo)準(zhǔn)于2000年1月28日生效，2003年7月1日強(qiáng)制執(zhí)行。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣體和粉塵的爆炸性環(huán)境進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，定義了“區(qū)”的概念。
1.爆炸性混合物
爆炸性混合物是指在大氣條件下（-20°C<溫度<+60°C，0.8bar<壓力<1.1bar），氣體、蒸汽、薄霧、粉塵或纖維狀的易燃物質(zhì)與空氣混合，點(diǎn)燃后燃燒將在整個(gè)范圍內(nèi)傳播的混合物。
2.“區(qū)”（Zone）
“區(qū)”是指爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的區(qū)域。“區(qū)”的分類(lèi)是根據(jù)爆炸性混合物的發(fā)生概率來(lái)劃分的，按照爆炸性混合物出現(xiàn)的頻率和持續(xù)時(shí)間可分為不同危險(xiǎn)程度的若干區(qū)，如表1所示。
表1
（2）“ATEX95(ATEX94/9/EC)directive”標(biāo)準(zhǔn)
“ATEX95(ATEX94/9/EC)directive”標(biāo)準(zhǔn)于1996年3月生效，2003年7月1日強(qiáng)制執(zhí)行。該標(biāo)準(zhǔn)的推廣使用提高了儀表的安全性能，保護(hù)了現(xiàn)場(chǎng)工人的安全與健康；使得各國(guó)的取證程序一致化；方便了各國(guó)儀表的自由貿(mào)易。ATEX95標(biāo)準(zhǔn)與ATEX137標(biāo)準(zhǔn)相匹配，定義了與“區(qū)”相對(duì)應(yīng)的防護(hù)方式。
列舉一臺(tái)符合ATEX95安全標(biāo)準(zhǔn)的，恩德斯豪斯公司的桿式雷達(dá)液位計(jì)銘牌上的安全標(biāo)示如下：
ATEXII2(1)GEExd[ia]IICT6
這表明該儀表遵循ATEX標(biāo)準(zhǔn)，可用于常規(guī)行業(yè)1區(qū)的氣體防爆，防爆型式為EExd[ia]，易燃?xì)怏w類(lèi)別為IIC，溫度組別為T6。下面將分別介紹爆炸性環(huán)境類(lèi)別/級(jí)別，易燃?xì)怏w類(lèi)別，溫度組別，防爆型式等幾個(gè)概念。
1.爆炸性環(huán)境類(lèi)別/級(jí)別
ATEX95標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)儀表使用的爆炸性環(huán)境劃分類(lèi)別，類(lèi)別可再劃分為級(jí)別，如表2所示。
表2
2.易燃?xì)怏w類(lèi)別
在爆炸性環(huán)境里，可以引起爆炸的引燃源包括熱表面，火焰，機(jī)械摩擦火花，靜電火花，閃電，電磁輻射，超聲波輻射等。ATEX95標(biāo)準(zhǔn)按照熱表面的引燃溫度和電火花的引燃能量，對(duì)易燃?xì)怏w或蒸汽進(jìn)行了分類(lèi)，如表3所示。
表3
溫度組別是按儀表的表面溫度劃分的組別。溫度組別劃分方法如表4所示。
表4
在表4中，表面溫度指儀表在允許范圍內(nèi)的最不利條件下運(yùn)行時(shí)，暴露于爆炸性混合物的任何表面的任何部分，不可能引起儀表周?chē)ㄐ曰旌衔锉ǖ臏囟取?/span>
為了防止非導(dǎo)電（RS>1GW）塑料表面所積聚的靜電可能引起的爆炸性混合物引燃，ATEX95標(biāo)準(zhǔn)還對(duì)非導(dǎo)電表面需滿足的條件做出了規(guī)定，如表5所示。
表5
3.防爆型式
為防止點(diǎn)燃周?chē)ㄐ曰旌衔镄鑼?duì)儀表采取各種特定措施的防爆型式。“ATEX95(ATEX94/9/EC)directive”標(biāo)準(zhǔn)所劃分防爆型式包括：本安EExia/ib，隔爆Exd，增安Exe，填充Exq（電子部分浸沒(méi)于石英粉中），正壓Exp（空氣或惰性氣體加壓于電子部分），浸油Exo（電子部分浸沒(méi)于油中），封裝Exm（電子部分封裝在環(huán)氧樹(shù)脂中），粉塵隔爆ExtD，粉塵本安ExiD，粉塵封裝ExmD等。
歸納起來(lái)，這些防爆型式主要從以下3個(gè)方面采取安全防護(hù)措施：①避免爆炸性環(huán)境的產(chǎn)生和擴(kuò)散；②避免在爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所出現(xiàn)潛在引燃源；③減少爆炸所帶來(lái)的危害。下面將主要介紹本安EExia/ib，隔爆Exd，增安Exe，隔爆增安Exde這4種防爆型式。
（1） 本安EExia/ib(intrinsicalsafetyEExia/ib)
在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)條件下，正常工作或規(guī)定故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定爆炸性氣體的電路稱為本質(zhì)安全電路；電路為本質(zhì)安全電路的儀表稱為本安型儀表。
本安儀表必須連接在本安電路中。整個(gè)電路的本安是通過(guò)如下3個(gè)方面實(shí)現(xiàn)的：①本安型儀表；②電源的能量限制，如安全柵（使電源的電流、電壓指標(biāo)低于本安儀表的指標(biāo)）；③整個(gè)電路的低電容、電感以防止能量的儲(chǔ)存。
本安型儀表主要用于1區(qū)和0區(qū)。通過(guò)使用本安電路整個(gè)電路得到了保護(hù)，不再需要額外的機(jī)械保護(hù)。另外本安型儀表可以在現(xiàn)場(chǎng)帶電打開(kāi)。
依據(jù)EN50020標(biāo)準(zhǔn)，EExia和EExib的完整解決方案如圖1所示（注：圖中CerabarS為本安型壓力變送器）。由圖1可知EExia電路具有兩個(gè)故障的安全裕度，而EExib電路只有1個(gè)故障的安全裕度。EExia儀表可以用于0區(qū)，而EExib儀表只能用于1區(qū)。
圖1
（2）隔爆Exd(flameproofExd)
內(nèi)置能點(diǎn)燃爆炸性氣體的部件的一種防護(hù)外殼稱為隔爆外殼。隔爆外殼能承受內(nèi)部爆炸性混合物所產(chǎn)生的壓力，防止內(nèi)部爆炸向外殼周圍的爆炸性氣體傳播。具有隔爆外殼的儀表稱為隔爆型儀表。隔爆型儀表通過(guò)防爆穿線接頭、導(dǎo)線管系統(tǒng)（Conduitsystem）或增安接線端子來(lái)實(shí)現(xiàn)隔爆。RTO系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合中目前此種防爆型式最為常見(jiàn)。
（3）增安Exe(increasedsafetyExe)
增安專(zhuān)門(mén)為用于爆炸性氣體而設(shè)計(jì)，在正常工作條件下不會(huì)產(chǎn)生可能導(dǎo)致點(diǎn)燃爆炸性氣體的電弧、火花或高溫，且在儀表的結(jié)構(gòu)上采取措施提高了安全程度，以避免在正常工作狀態(tài)或認(rèn)可的過(guò)載狀態(tài)下出現(xiàn)這些現(xiàn)象。增安型
儀表通過(guò)增安纜塞和自動(dòng)防故障裝置實(shí)現(xiàn)防爆。
（4）如果在隔爆型儀表的電子腔室與接線腔室之間額外增加安全措施（例如隔爆穿線接頭），則這樣的儀表就稱為隔爆增安型儀表（Exde）。
二、“功能安全”等級(jí)認(rèn)證SIL
SIL是為工廠安全（PlantSafety）而引入的一個(gè)儀表“功能安全”等級(jí)的概念。在詳細(xì)闡述這個(gè)概念以前先闡述儀表的“功能安全”（FunctionSafety）和“安全性儀表系統(tǒng)”（SIS:SafetyInstrumentedSystem）的含義。
（一）SIL的含義
1.“功能安全”
儀表的“功能安全”旨在預(yù)防和處理由于控制系統(tǒng)或儀表的故障，或人員的誤操作而引起的風(fēng)險(xiǎn)。這些風(fēng)險(xiǎn)包括對(duì)人員健康的傷害，對(duì)環(huán)境的污染，及對(duì)儀表的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致RTO系統(tǒng)運(yùn)行故障，安全設(shè)計(jì)技術(shù)要求請(qǐng)關(guān)注合肥義禾YIHEAC微信公眾號(hào)進(jìn)行了解和查閱。。
為了達(dá)到“功能安全”的要求，必須控制隨機(jī)故障的發(fā)生，消除和控制系統(tǒng)故障的發(fā)生；而且當(dāng)某個(gè)故障發(fā)生時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)必須處于安全環(huán)境下，或轉(zhuǎn)入安全狀態(tài)（safestate）。
以前，“功能安全”主要通過(guò)用戶的“使用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)”（proven-in-use）來(lái)實(shí)現(xiàn)。即用戶通過(guò)對(duì)儀表長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用，總結(jié)出儀表可能發(fā)生故障的間隔并因此確定維護(hù)間隔，防止故障發(fā)生。這種“功能安全”的實(shí)現(xiàn)方法有很多弊端，用戶需要花費(fèi)很多精力和時(shí)間，并使用正確的方法論來(lái)進(jìn)行“使用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)”；而且如果儀表軟件更新或者功能擴(kuò)展，則需要重新進(jìn)行“使用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)”。請(qǐng)關(guān)注合肥義禾YIHEAC微信公眾號(hào)進(jìn)行了解和查閱。
2.“安全儀表系統(tǒng)”
儀表用戶根據(jù)一系列的條件（如危害程度、危害發(fā)生概率）對(duì)工廠整個(gè)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，然后確定其所使用的儀表所需的“功能安全”等級(jí)，即SIL等級(jí)。如果整個(gè)系統(tǒng)的儀表都滿足所要求的“功能安全”等級(jí)，那么我們就稱
這個(gè)系統(tǒng)為“安全儀表系統(tǒng)”。整個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程如圖2所示。
圖2
使用SIL標(biāo)準(zhǔn)以后，儀表設(shè)備制造商或認(rèn)證機(jī)構(gòu)（approvalagency）將對(duì)出廠儀表的“功能安全”進(jìn)行檢驗(yàn)，并根據(jù)其可靠性來(lái)劃分等級(jí)，如SIL1，SIL2，SIL3（參照IEC61508/61511標(biāo)準(zhǔn)）。使用帶有SIL認(rèn)證的儀表節(jié)省了用戶的時(shí)間，而且軟件更新后的SIL認(rèn)證也將由儀表制造商完成，節(jié)省了用戶的精力。當(dāng)前各國(guó)法規(guī)以及儀表購(gòu)買(mǎi)合同中對(duì)SIL認(rèn)證的需求越來(lái)越多，SIL認(rèn)證已成為一種趨勢(shì)。關(guān)于其他SIL相關(guān)介紹請(qǐng)關(guān)注合肥義禾YIHEAC微信公眾號(hào)進(jìn)行了解和查閱。
（二）SIL認(rèn)證的實(shí)現(xiàn)方法
SIL認(rèn)證的實(shí)現(xiàn)方法有兩種：①新產(chǎn)品的SIL認(rèn)證是儀表制造商或認(rèn)證機(jī)構(gòu)根據(jù)IEC61508標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)；②對(duì)于已經(jīng)應(yīng)用于市場(chǎng)上的儀表，按照IEC61511標(biāo)準(zhǔn)在經(jīng)過(guò)“使用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)”（proven-in-use）并符合一定條件后，也可以實(shí)現(xiàn)SIL認(rèn)證。整個(gè)SIL認(rèn)證過(guò)程如圖3所示。
圖3
1.IEC61508
根據(jù)IEC61508標(biāo)準(zhǔn)，儀表的整個(gè)R&D過(guò)程都有嚴(yán)格的規(guī)定。儀表制造商必須對(duì)產(chǎn)品的整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)
估，具體而言：
λ必須驗(yàn)證整個(gè)軟件系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。通過(guò)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)檢測(cè)確認(rèn)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、文檔管理等手段來(lái)減少系統(tǒng)故障的發(fā)生概率。
λ必須對(duì)整個(gè)電路板上的電子元件逐一進(jìn)行FMEA分析，計(jì)算MTBF、故障率等。在硬件上采取冗余、多樣化、自診斷、功能定時(shí)檢測(cè)等手段來(lái)減少隨機(jī)故障的發(fā)生概率。
λ必須根據(jù)傳感器的返修統(tǒng)計(jì)評(píng)估其故障率。
對(duì)于壓力儀表還要滿足其他的一些額外要求，如KTA認(rèn)證。λ
2. IEC61511
根據(jù)IEC61511標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)應(yīng)用于市場(chǎng)上的儀表如果要取得SIL認(rèn)證，需經(jīng)過(guò)“使用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)”，并滿足一些其他
要求，例如：
λ儀表必須應(yīng)用于在10個(gè)典型工況下，連續(xù)運(yùn)行100,000個(gè)小時(shí)，并提供1年的服務(wù)歷史記錄。儀表必須只能設(shè)置，無(wú)法編程。λ
λ儀表最多只能獲得SIL3認(rèn)證。
3.SIL等級(jí)的劃分
IEC61508標(biāo)準(zhǔn)對(duì)儀表“功能安全”的等級(jí)進(jìn)行了劃分，劃分的依據(jù)如圖4所示。
圖4
（三）故障模式影響分析（FMEA:FailureModeEffectAnalysis）
FMEA首先把儀表故障分類(lèi)，共分4種模式：①顯性安全故障（如：雷達(dá)物位計(jì)高頻模塊故障）；②隱性安全故障（如：電流輸出短路）；③顯性危險(xiǎn)故障（如：壓力傳感器損壞）；④隱性危險(xiǎn)故障（如：電流輸出“凍結(jié)”）。然后評(píng)估各類(lèi)故障的發(fā)生概率，如表6所示。再根據(jù)4個(gè)概率計(jì)算出PFD和SSF。
表6
1.要求的平均失效概率（
AverageProbabilityofFailureonDemand）
2.安全失效分?jǐn)?shù)（SFF：SafeFailureFraction:）
3.硬件故障裕度（HFT：HardwareFaultTolerance）
硬件故障裕度是對(duì)冗余程度的一種描述。
儀表的“功能性安全”等級(jí)（SIL等級(jí)）由PDF，SFF，HFT這3個(gè)安全參數(shù)決定。表7指明了SIL與PFD的關(guān)系。
表7
由表7可見(jiàn)，SIL等級(jí)越高則該儀表的故障概率越小，風(fēng)險(xiǎn)減少程度越高。另外，SIL等級(jí)還與SFF和HFT有關(guān)，如表8所示。
表8
綜合表7，表8可知，PFD越小，SFF越大，HFT越大，則所要求的SIL等級(jí)越高。另外需要說(shuō)明的是，某通道上的PFD是這一通道上所有PFD之和。
圖5
例如在圖5所示的通道上，其總的PFD為
綜上所述，在RTO系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮到RTO處理的有機(jī)廢氣絕大多數(shù)均為可燃有毒有害氣體，低爆炸下限普遍不高，這就增加了處理系統(tǒng)的安全要求，從本質(zhì)安全角度來(lái)講，我們只能通過(guò)提高儀表設(shè)備的安全等級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的安全性能，本文詳細(xì)的解釋了SIL和SIS以及各種防爆含義及選擇，希望能給您帶來(lái)幫助。
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