基于IEC61508标准的功能安全型安全栅的设计研究

发布时间：2017-09-04 03:08

  本文关键词：基于IEC61508标准的功能安全型安全栅的设计研究

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【摘要】：随着工业的发展,生产装置的复杂性日益增加,如何确保安全逐渐成为研究热点。功能安全的提出革新了安全仪表系统的设计方法,使得安全系统从过去基于“故障”的安全设计过渡到了基于“功能”的安全设计。IEC61508标准的出台使得功能安全得到了规范化,同时也给功能安全设计提供了理论依据与应用指导。 本文首先对功能安全的发展概况,包括功能安全标准的发展,功能安全型产品的发展进行了介绍。对功能安全基础标准IEC61508的基本内容做了分析研究,在此基础上,提出了功能安全型安全栅的基本功能要求和功能安全要求,即接收热电阻RTD和热电偶TC信号,转化为4-20mA标准电流输出。满足SIL2等级要求,单通道loo1D结构,安全失效分数SFF为90%～99%,低要求操作模式下安全功能平均失效率PFD达到10-4-10-3。 本文从硬件、软件两部分分别进行设计。硬件上确立了安全栅功能的实现方案,选择各类芯片,并完成了各个模块的电路设计。采用24位高精度AD转换器实现信号采样,利用MSP430系列单片机进行数据处理,处理结果以PWM波的形式输出,通过模拟滤波电路实现DA转换,得到最终需输出的电流值。软件部分通过在单片机中利用C语言编程,实现AD采样的电压信号到温度值,再到电流值,最后到待输出PWM码的转换过程,此外还结合硬件电路,通过编程进行单片机自诊断和其他主要功能的监测。 最后,利用FMEDA的方法分析每个元件、每个模块以及安全栅整体的安全失效率、可诊断危险失效率、不可诊断危险失效率,据此计算SFF、PFD,验证最终设计结果在一定检验测试时间间隔内符合SIL2的设计要求。
【关键词】：功能安全 安全栅 IEC61508 SIL FMEDA
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH702
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第1章 绪论9-20
• 1.1 课题研究背景及意义9-11
• 1.1.1 课题研究背景9-10
• 1.1.2 课题研究意义10-11
• 1.2 功能安全发展概况11-19
• 1.2.1 功能安全国内外发展概况11-13
• 1.2.2 功能安全型仪表的发展13-14
• 1.2.3 功能安全标准概述14-19
• 1.3 论文主要内容及章节安排19-20
• 第2章 功能安全型安全栅的设计要求20-25
• 2.1 安全栅的功能要求20
• 2.2 安全栅的功能安全要求20-24
• 2.2.1 安全功能的确定21
• 2.2.2 SIL等级的确定21-22
• 2.2.3 结构的选取22
• 2.2.4 其他参数的确定22-24
• 2.3 本章小结24-25
• 第3章 功能安全型安全栅的硬件设计25-44
• 3.1 安全栅总体设计25-26
• 3.2 数据处理模块设计26-28
• 3.3 信号采集模块设计28-34
• 3.3.1 信号采集模块总体结构设计28-29
• 3.3.2 三线制测量电阻29-30
• 3.3.3 热电偶冷端温度补偿30-31
• 3.3.4 AD芯片的选择31-34
• 3.4 输出模块设计34-36
• 3.5 电源模块设计36-40
• 3.6 通信接口模块设计40-41
• 3.7 诊断模块设计41-43
• 3.8 本章小结43-44
• 第4章 功能安全型安全栅的软件设计44-62
• 4.1 安全栅软件总体设计44-47
• 4.2 软件模块设计47-55
• 4.2.1 初始化模块48
• 4.2.2 采样模块48-51
• 4.2.3 断线报警模块51
• 4.2.4 数据转换模块51-52
• 4.2.5 数据输出模块52-54
• 4.2.6 MCU2与上位机通讯模块54-55
• 4.2.7 MCU2与MCU1通讯模块55
• 4.3 诊断内容及措施55-60
• 4.3.1 上电诊断56-60
• 4.3.2 在线诊断60
• 4.4 本章小结60-62
• 第5章 功能安全型安全栅的验证62-71
• 5.1 基本功能及性能测试62-63
• 5.2 FMEDA分析63-70
• 5.2.1 FMEDA方法简介64
• 5.2.2 FMEDA分析结果64-70
• 5.3 本章小结70-71
• 第6章 总结与展望71-73
• 6.1 总结71
• 6.2 展望71-73
• 参考文献73-77
• 致谢77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：788967