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被控變量的限制檢測(cè)

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發(fā)布時(shí)間：2025-08-05 18:59:04 更新時(shí)間：2025-08-04 18:59:04

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測(cè)中心

被控變量的限制檢測(cè)：保障系統(tǒng)安全與穩(wěn)定的關(guān)鍵

在自動(dòng)化控制系統(tǒng)（如過程控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)等）中，被控變量（Controlled Variable, CV）是系統(tǒng)需要保持在其期望值或設(shè)定值（Setpoint, SP）附近的關(guān)鍵參數(shù)。它直接反映了被控對(duì)象的狀態(tài)，例如溫度、壓力、液位、流量、速度、位置、濕度或化學(xué)成分濃度等。被控變量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能、效率、產(chǎn)品質(zhì)量以及安全性至關(guān)重要。

然而，由于各種內(nèi)部擾動(dòng)（如負(fù)載變化、設(shè)備老化）和外部干擾（如環(huán)境變化、人為操作失誤）的存在，被控變量存在偏離其正常工作范圍，甚至超出安全限制的風(fēng)險(xiǎn)。這種超限可能引發(fā)設(shè)備損壞、生產(chǎn)中斷、產(chǎn)品質(zhì)量不合格，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故（如爆炸、泄漏、機(jī)械故障）。因此，對(duì)被控變量進(jìn)行限制檢測(cè)（也稱為超限檢測(cè)或報(bào)警檢測(cè)）是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可或缺的安全保障環(huán)節(jié)。它旨在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被控變量的值，一旦檢測(cè)到其接近或超過預(yù)設(shè)的安全上限（High Limit）、安全下限（Low Limit）、高高限（High-High Limit）或低低限（Low-Low Limit），立即觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)和/或聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作，將系統(tǒng)引導(dǎo)至安全狀態(tài)，防止事態(tài)惡化。

檢測(cè)項(xiàng)目

被控變量限制檢測(cè)的核心項(xiàng)目就是判斷被控變量的實(shí)時(shí)測(cè)量值是否超出了為其設(shè)定的安全操作范圍。具體包括：

1. 上限檢測(cè) (High Limit Check): 檢測(cè)CV是否達(dá)到或超過預(yù)設(shè)的安全操作上限值 (High Limit)。
2. 下限檢測(cè) (Low Limit Check): 檢測(cè)CV是否達(dá)到或低于預(yù)設(shè)的安全操作下限值 (Low Limit)。
3. 高高限檢測(cè) (High-High Limit Check): 檢測(cè)CV是否達(dá)到或超過預(yù)設(shè)的、比High Limit更嚴(yán)格的緊急安全上限值 (High-High Limit)。此限值通常直接關(guān)聯(lián)到最終的、急?；虬踩?lián)鎖動(dòng)作。
4. 低低限檢測(cè) (Low-Low Limit Check): 檢測(cè)CV是否達(dá)到或低于預(yù)設(shè)的、比Low Limit更嚴(yán)格的緊急安全下限值 (Low-Low Limit)。同樣，此限值通常直接關(guān)聯(lián)最終的、急?；虬踩?lián)鎖動(dòng)作。
5. 變化率限制檢測(cè) (Rate-of-Change Limit Check): 除了絕對(duì)值超限，有時(shí)還需檢測(cè)CV的變化速度是否超過允許的閾值（如升溫/降溫過快、壓力驟升/驟降），這可能是故障或危險(xiǎn)過程的早期征兆。

檢測(cè)儀器

實(shí)現(xiàn)被控變量限制檢測(cè)依賴于可靠的測(cè)量儀表和邏輯處理單元：

1. 傳感器/變送器 (Sensors/Transmitters): 這是最前端的關(guān)鍵設(shè)備。根據(jù)被控變量的物理性質(zhì)（溫度、壓力、液位等）選擇相應(yīng)的傳感器（如熱電偶、RTD、壓力傳感器、差壓變送器、流量計(jì)、液位計(jì)、位置編碼器、分析儀等），它將物理量轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)（如4-20mA, 0-10V）或數(shù)字信號(hào)。傳感器的精度、量程、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性和可靠性直接決定了限制檢測(cè)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。
2. 安全儀表系統(tǒng) / 可編程邏輯控制器 (Safety Instrumented System / Programmable Logic Controller - SIS/PLC): 現(xiàn)代控制系統(tǒng)通常由DCS/PLC負(fù)責(zé)常規(guī)控制，而專門的安全儀表系統(tǒng)（SIS，通?；诟呖煽啃缘腜LC或?qū)Ｓ冒踩刂破鳎┴?fù)責(zé)執(zhí)行安全聯(lián)鎖功能（SIF），其中就包括限制檢測(cè)和聯(lián)鎖觸發(fā)。SIS/PLC接收來自傳感器的信號(hào)。
3. 輸入模塊 (Input Modules): SIS/PLC的組成部分，用于接收傳感器/變送器送來的模擬量信號(hào)（AI）或開關(guān)量信號(hào)（DI）。
4. 中央處理單元 (CPU): SIS/PLC的核心，運(yùn)行預(yù)設(shè)的控制和邏輯程序，執(zhí)行被控變量值與設(shè)定限值的實(shí)時(shí)比較運(yùn)算。
5. 輸出模塊 (Output Modules): 當(dāng)檢測(cè)到超限時(shí)，CPU通過輸出模塊（AO/DO）發(fā)出報(bào)警信號(hào)（驅(qū)動(dòng)報(bào)警燈、報(bào)警器、HMI顯示）和執(zhí)行聯(lián)鎖動(dòng)作（如關(guān)閉閥門DO、停運(yùn)電機(jī)DO、打開安全閥DO、切換到安全模式AO）。
6. 人機(jī)界面 (Human Machine Interface - HMI) / 監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (Supervisory Control and Data Acquisition - SCADA): 為操作員提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警信息、歷史趨勢(shì)記錄和操作界面，是監(jiān)控限制狀態(tài)和報(bào)警響應(yīng)的窗口。

檢測(cè)方法

被控變量限制檢測(cè)的核心方法是實(shí)時(shí)比較：

1. 信號(hào)采集與處理： 傳感器持續(xù)感知被控變量，變送器（或智能傳感器自身）將物理量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。信號(hào)通過電纜或總線網(wǎng)絡(luò)傳輸至SIS/PLC的輸入模塊。系統(tǒng)對(duì)原始信號(hào)可能進(jìn)行濾波（消除噪聲）、線性化（如熱電偶）、工程單位轉(zhuǎn)換等處理，得到代表被控變量實(shí)際值的工程數(shù)值。
2. 實(shí)時(shí)比較： 在SIS/PLC的CPU中運(yùn)行的邏輯程序，持續(xù)地將處理后的被控變量實(shí)時(shí)值（PV）與預(yù)先組態(tài)好的各個(gè)限值（High Limit, Low Limit, High-High Limit, Low-Low Limit）進(jìn)行數(shù)值比較。
3. 狀態(tài)判斷：

如果 PV < Low Limit? 觸發(fā)低限報(bào)警/動(dòng)作。
如果 PV > High Limit? 觸發(fā)高限報(bào)警/動(dòng)作。
如果 PV < Low-Low Limit? 觸發(fā)低低限聯(lián)鎖（通常是最終安全動(dòng)作）。
如果 PV > High-High Limit? 觸發(fā)高高限聯(lián)鎖（通常是最終安全動(dòng)作）。
如果 |d(PV)/dt| > Rate Limit? 觸發(fā)變化率超限報(bào)警/動(dòng)作。

4. 報(bào)警與聯(lián)鎖動(dòng)作觸發(fā)： 一旦比較結(jié)果為真（即超限條件滿足），程序立即：

在HMI/SCADA上生成相應(yīng)的報(bào)警信息（視覺、聽覺），通知操作員。
根據(jù)預(yù)設(shè)的安全邏輯，觸發(fā)預(yù)定義的聯(lián)鎖動(dòng)作序列。這可能包括：啟動(dòng)/停止泵或電機(jī)、打開/關(guān)閉閥門、切斷進(jìn)料、啟動(dòng)泄壓裝置、緊急停機(jī)（ESD）等。對(duì)于SIS，這是其核心的安全儀表功能（SIF）。
可能記錄事件發(fā)生的時(shí)間、變量值、觸發(fā)動(dòng)作等信息，用于后續(xù)分析和事故調(diào)查。

5. 復(fù)位與恢復(fù)： 在超限狀態(tài)消除（即被控變量回到安全范圍內(nèi)）且故障原因排除后，通常需要操作員進(jìn)行手動(dòng)確認(rèn)（復(fù)位），才能解除報(bào)警狀態(tài)和/或允許系統(tǒng)恢復(fù)正常操作。聯(lián)鎖復(fù)位通常有嚴(yán)格的安全規(guī)程。

檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

被控變量限制檢測(cè)的設(shè)計(jì)、實(shí)施和維護(hù)需要遵循嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以確保其有效性和可靠性，特別是在涉及功能安全的領(lǐng)域：

1. IEC 61508 / IEC 61511 (Functional Safety): 這是功能安全的國際核心標(biāo)準(zhǔn)。IEC 61508是基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，適用于所有行業(yè)的安全相關(guān)電氣/電子/可編程電子系統(tǒng)（E/E/PE）。IEC 61511是專門針對(duì)過程工業(yè)（如化工、石化、油氣）的安全儀表系統(tǒng)（SIS）的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。它們規(guī)定了安全生命周期管理、安全完整性等級(jí)（SIL）的確定和分配、SIS的設(shè)計(jì)（包括傳感器、邏輯控制器、執(zhí)行元件）、測(cè)試、維護(hù)、驗(yàn)證等全過程要求。限制檢測(cè)作為SIF的核心部分，必須符合相應(yīng)SIL等級(jí)的要求（如架構(gòu)約束、硬件故障裕度、診斷覆蓋率、檢驗(yàn)測(cè)試周期等）。
2. ISA 84.00.01: 美國儀表協(xié)會(huì)（ISA）制定的標(biāo)準(zhǔn)，在北美廣泛采用，內(nèi)容與IEC 61511基本一致。
3. API Recommended Practices (e.g., API RP 14C): 美國石油協(xié)會(huì)（API）針對(duì)海上和陸上油氣生產(chǎn)設(shè)施的安全系統(tǒng)推薦規(guī)程，包含了具體的壓力、液位、溫度等關(guān)鍵參數(shù)的保護(hù)層級(jí)設(shè)計(jì)和關(guān)斷邏輯要求。
4. NFPA Standards (e.g., NFPA 85, 86): 美國國家消防協(xié)會(huì)（NFPA）制定的標(biāo)準(zhǔn)，涉及鍋爐、燃燒爐、烤箱等設(shè)備的安全保護(hù)要求，對(duì)溫度、壓力、火焰、燃料流量等參數(shù)的限制檢測(cè)有詳細(xì)