咨詢電話：RTO系統(tǒng)中ATEX與SIL及儀表認證詳述
摘要：本文著重介紹了新的歐洲防爆標準ATEX和功能安全等級認證SIL，并就這兩個標準控制儀表設備中的應用做了說明。
關鍵字：防爆標準ATEX功能安全等級認證應用
引言
在近幾年的RTO氧化裝置系統(tǒng)設計中，常常會碰到合作伙伴問起SIL等級和SIS等等關聯(lián)問題，由于氧化設備的普及，安全防爆要求愈發(fā)嚴格，對RTO系統(tǒng)設計的安全要求相應提高，本文將著重從RTO系統(tǒng)中的儀表設備選型應用、防爆等級標準、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計遵循原則。
儀表認證在眾多領域有著廣泛的應用。在爆炸性環(huán)境主要應用的認證包含FM，CSA，ATEX，TIIS等防爆認證；在電氣方面的認證包含EMC，CE等；在食品制藥行業(yè)主要應用的認證包含FDA，3A等衛(wèi)生認證。本文將著重介紹近幾年流行的ATEX防爆認證和SIL安全認證，以及它們在儀表設備中的應用。
一、新的歐洲防爆標準ATEX
ATEX是以“ATmosphereEXplosible”（爆炸性環(huán)境）命名的標準，由兩個歐盟指令組成：歐洲94/9/EC標準和1999/92/EC標準。1999/92/EC是針對具有潛在爆炸性氣體環(huán)境的公司，而94/9/EC是針對前者的儀表供應商的。
ATEX認證是防爆電氣產(chǎn)品在歐洲市場的強制認證，其嚴格規(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認證的產(chǎn)品，才可以在歐盟國家內(nèi)被生產(chǎn)、制造、銷售、并應用于易燃易爆危險區(qū)域。也就是說，任何在歐盟國家內(nèi)銷售同時在易燃易爆危險區(qū)域內(nèi)應用的防爆產(chǎn)品必須通過ATEX的認證。該認證取代了歐盟各國的地方認證。
（一）“ATEX137(ATEX1999/92/ECart.137)directive”標準
“ATEX137(ATEX1999/92/ECart.137)directive”標準于2000年1月28日生效，2003年7月1日強制執(zhí)行。該標準對氣體和粉塵的爆炸性環(huán)境進行了風險評估，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，點燃后燃燒將在整個范圍內(nèi)傳播的混合物。
2.“區(qū)”（Zone）
“區(qū)”是指爆炸危險場所的區(qū)域。“區(qū)”的分類是根據(jù)爆炸性混合物的發(fā)生概率來劃分的，按照爆炸性混合物出現(xiàn)的頻率和持續(xù)時間可分為不同危險程度的若干區(qū)，如表1所示。
表1
（2）“ATEX95(ATEX94/9/EC)directive”標準
“ATEX95(ATEX94/9/EC)directive”標準于1996年3月生效，2003年7月1日強制執(zhí)行。該標準的推廣使用提高了儀表的安全性能，保護了現(xiàn)場工人的安全與健康；使得各國的取證程序一致化；方便了各國儀表的自由貿(mào)易。ATEX95標準與ATEX137標準相匹配，定義了與“區(qū)”相對應的防護方式。
列舉一臺符合ATEX95安全標準的，恩德斯豪斯公司的桿式雷達液位計銘牌上的安全標示如下：
ATEXII2(1)GEExd[ia]IICT6
這表明該儀表遵循ATEX標準，可用于常規(guī)行業(yè)1區(qū)的氣體防爆，防爆型式為EExd[ia]，易燃氣體類別為IIC，溫度組別為T6。下面將分別介紹爆炸性環(huán)境類別/級別，易燃氣體類別，溫度組別，防爆型式等幾個概念。
1.爆炸性環(huán)境類別/級別
ATEX95標準根據(jù)儀表使用的爆炸性環(huán)境劃分類別，類別可再劃分為級別，如表2所示。
表2
2.易燃氣體類別
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，機械摩擦火花，靜電火花，閃電，電磁輻射，超聲波輻射等。ATEX95標準按照熱表面的引燃溫度和電火花的引燃能量，對易燃氣體或蒸汽進行了分類，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)的最不利條件下運行時，暴露于爆炸性混合物的任何表面的任何部分，不可能引起儀表周圍爆炸性混合物爆炸的溫度。
為了防止非導電（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標準還對非導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
為防止點燃周圍爆炸性混合物需對儀表采取各種特定措施的防爆型式。“ATEX95(ATEX94/9/EC)directive”標準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（電子部分浸沒于油中），封裝Exm（電子部分封裝在環(huán)氧樹脂中），粉塵隔爆ExtD，粉塵本安ExiD，粉塵封裝ExmD等。
歸納起來，這些防爆型式主要從以下3個方面采取安全防護措施：①避免爆炸性環(huán)境的產(chǎn)生和擴散；②避免在爆炸危險場所出現(xiàn)潛在引燃源；③減少爆炸所帶來的危害。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)
在有關標準規(guī)定的試驗條件下，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均不能點燃規(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。整個電路的本安是通過如下3個方面實現(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、電壓指標低于本安儀表的指標）；③整個電路的低電容、電感以防止能量的儲存。
本安型儀表主要用于1區(qū)和0區(qū)。通過使用本安電路整個電路得到了保護，不再需要額外的機械保護。另外本安型儀表可以在現(xiàn)場帶電打開。
依據(jù)EN50020標準，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電路具有兩個故障的安全裕度，而EExib電路只有1個故障的安全裕度。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)置能點燃爆炸性氣體的部件的一種防護外殼稱為隔爆外殼。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。隔爆型儀表通過防爆穿線接頭、導線管系統(tǒng)（Conduitsystem）或增安接線端子來實現(xiàn)隔爆。RTO系統(tǒng)應用場合中目前此種防爆型式最為常見。
（3）增安Exe(increasedsafetyExe)
增安專門為用于爆炸性氣體而設計，在正常工作條件下不會產(chǎn)生可能導致點燃爆炸性氣體的電弧、火花或高溫，且在儀表的結構上采取措施提高了安全程度，以避免在正常工作狀態(tài)或認可的過載狀態(tài)下出現(xiàn)這些現(xiàn)象。增安型
儀表通過增安纜塞和自動防故障裝置實現(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”等級認證SIL
SIL是為工廠安全（PlantSafety）而引入的一個儀表“功能安全”等級的概念。在詳細闡述這個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險。這些風險包括對人員健康的傷害，對環(huán)境的污染，及對儀表的破壞，進而導致RTO系統(tǒng)運行故障，安全設計技術要求請關注合肥義禾YIHEAC微信公眾號進行了解和查閱。。
為了達到“功能安全”的要求，必須控制隨機故障的發(fā)生，消除和控制系統(tǒng)故障的發(fā)生；而且當某個故障發(fā)生時，整個系統(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”主要通過用戶的“使用經(jīng)驗總結”（proven-in-use）來實現(xiàn)。即用戶通過對儀表長時間的應用，總結出儀表可能發(fā)生故障的間隔并因此確定維護間隔，防止故障發(fā)生。這種“功能安全”的實現(xiàn)方法有很多弊端，用戶需要花費很多精力和時間，并使用正確的方法論來進行“使用經(jīng)驗總結”；而且如果儀表軟件更新或者功能擴展，則需要重新進行“使用經(jīng)驗總結”。請關注合肥義禾YIHEAC微信公眾號進行了解和查閱。
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）對工廠整個系統(tǒng)的風險進行評估，然后確定其所使用的儀表所需的“功能安全”等級，即SIL等級。如果整個系統(tǒng)的儀表都滿足所要求的“功能安全”等級，那么我們就稱
這個系統(tǒng)為“安全儀表系統(tǒng)”。整個風險評估過程如圖2所示。
圖2
使用SIL標準以后，儀表設備制造商或認證機構（approvalagency）將對出廠儀表的“功能安全”進行檢驗，并根據(jù)其可靠性來劃分等級，如SIL1，SIL2，SIL3（參照IEC61508/61511標準）。使用帶有SIL認證的儀表節(jié)省了用戶的時間，而且軟件更新后的SIL認證也將由儀表制造商完成，節(jié)省了用戶的精力。當前各國法規(guī)以及儀表購買合同中對SIL認證的需求越來越多，SIL認證已成為一種趨勢。關于其他SIL相關介紹請關注合肥義禾YIHEAC微信公眾號進行了解和查閱。
（二）SIL認證的實現(xiàn)方法
SIL認證的實現(xiàn)方法有兩種：①新產(chǎn)品的SIL認證是儀表制造商或認證機構根據(jù)IEC61508標準來實現(xiàn)；②對于已經(jīng)應用于市場上的儀表，按照IEC61511標準在經(jīng)過“使用經(jīng)驗總結”（proven-in-use）并符合一定條件后，也可以實現(xiàn)SIL認證。整個SIL認證過程如圖3所示。
圖3
1.IEC61508
根據(jù)IEC61508標準，儀表的整個R&D過程都有嚴格的規(guī)定。儀表制造商必須對產(chǎn)品的整個系統(tǒng)進行安全評
估，具體而言：
λ必須驗證整個軟件系統(tǒng)運行的可靠性。通過系統(tǒng)開發(fā)、系統(tǒng)檢測確認、質(zhì)量管理系統(tǒng)、文檔管理等手段來減少系統(tǒng)故障的發(fā)生概率。
λ必須對整個電路板上的電子元件逐一進行FMEA分析，計算MTBF、故障率等。在硬件上采取冗余、多樣化、自診斷、功能定時檢測等手段來減少隨機故障的發(fā)生概率。
λ必須根據(jù)傳感器的返修統(tǒng)計評估其故障率。
對于壓力儀表還要滿足其他的一些額外要求，如KTA認證。λ
2. IEC61511
根據(jù)IEC61511標準，已經(jīng)應用于市場上的儀表如果要取得SIL認證，需經(jīng)過“使用經(jīng)驗總結”，并滿足一些其他
要求，例如：
λ儀表必須應用于在10個典型工況下，連續(xù)運行100,000個小時，并提供1年的服務歷史記錄。儀表必須只能設置，無法編程。λ
λ儀表最多只能獲得SIL3認證。
3.SIL等級的劃分
IEC61508標準對儀表“功能安全”的等級進行了劃分，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，共分4種模式：①顯性安全故障（如：雷達物位計高頻模塊故障）；②隱性安全故障（如：電流輸出短路）；③顯性危險故障（如：壓力傳感器損壞）；④隱性危險故障（如：電流輸出“凍結”）。然后評估各類故障的發(fā)生概率，如表6所示。再根據(jù)4個概率計算出PFD和SSF。
表6
1.要求的平均失效概率（
AverageProbabilityofFailureonDemand）
2.安全失效分數(shù)（SFF：SafeFailureFraction:）
3.硬件故障裕度（HFT：HardwareFaultTolerance）
硬件故障裕度是對冗余程度的一種描述。
儀表的“功能性安全”等級（SIL等級）由PDF，SFF，HFT這3個安全參數(shù)決定。表7指明了SIL與PFD的關系。
表7
由表7可見，SIL等級越高則該儀表的故障概率越小，風險減少程度越高。另外，SIL等級還與SFF和HFT有關，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等級越高。另外需要說明的是，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)設計中，考慮到RTO處理的有機廢氣絕大多數(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)安全角度來講，我們只能通過提高儀表設備的安全等級來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的安全性能，本文詳細的解釋了SIL和SIS以及各種防爆含義及選擇，希望能給您帶來幫助。
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