شركة HIMA Safety PLC ونظام Yokogawa CENTUM: تنفيذ منطق التصويت 1oo2 و2oo3 في نظام SIS

ما منطق التصويت في الأنظمة المزودة بأجهزة السلامة؟

يحدد منطق التصويت كيفية استجابة المستشعرات والعناصر النهائية عند اختلاف القياسات. في بنية 1oo2 (واحد من اثنين)، يمكن لأي مستشعر من المستشعرين بدء الإيقاف. أما في بنية 2oo3 (اثنان من ثلاثة)، فيجب أن يتفق مستشعران على الأقل من أصل ثلاثة قبل بدء الإيقاف.

غالبًا ما تُستخدم وحدة التحكم بالسلامة HIMA Prizm ونظام Yokogawa CENTUM DCS معًا في محطات الطاقة ذات الدورة المركبة ووحدات معالجة سخانات المصافي. تتولى HIMA طبقة SIS، بينما يدير Yokogawa CENTUM طبقة BPCS ويوفر واجهة المشغل عبر تكامل ProSafe-RS. وتُعد وحدة المعالجة المركزية HIMA F8640 منصة أجهزة مجرّبة لهذه البنى عالية التوافر لأنظمة SIS.

متطلبات IEC 61511 لبنى التصويت

يحدد المعيار IEC 61511 القيود المعمارية للوظائف المزودة بأجهزة السلامة (SIFs). ويجب أن يتوافق تحمّل أعطال الأجهزة (HFT) لكل قناة مع مستوى السلامة المستهدف (SIL). بالنسبة إلى SIL 2، يتطلب HFT = 1 قناتين على الأقل (1oo2). وبالنسبة إلى SIL 3، يتطلب HFT = 2 ثلاث قنوات على الأقل (2oo3)، أو نظامين فرعيين من نوع 1oo2 موصولين على التوازي.

علاوة على ذلك، يجب حساب احتمال الفشل عند الطلب (PFD) لحلقة التصويت كاملة. ويشمل ذلك أجهزة الإرسال، ومعالجة وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة للسلامة، والعناصر النهائية. وتكون صيغة PFD المبسطة لتصويت 1oo2 كما يلي:

PFD₁oo₂ = 2 × λ_DU² × TI² / 3 + λ_DU × MTTR

حيث إن λ_DU هو معدل الأعطال الخطرة غير المكتشفة، وTI هو الفاصل الزمني لاختبار الإثبات (عادةً سنة واحدة)، وMTTR هو متوسط زمن الاستعادة.

خطوة بخطوة: تهيئة التصويت 2oo3 على وحدة تحكم HIMA للسلامة

فيما يلي الإجراء العملي لتهيئة إيقاف ضغط بتصويت 2oo3 على وحدة تحكم HIMA Prizm متصلة بثلاثة أجهزة إرسال ضغط عبر بروتوكول HART:

• الخطوة 1 — تعيين قنوات أجهزة الإرسال. صِل ثلاثة أجهزة إرسال HART بتيار 4-20 mA بوحدات الإدخال التناظرية من HIMA (مثل HIQUAD 4AI). عيّن عناوين القنوات PT-101-A وPT-101-B وPT-101-C في HIMA Engineering Studio.
• الخطوة 2 — تهيئة كتلة التصويت. أدرج كتلة وظيفة تصويت 2oo3 في منطق وحدة التحكم المنطقية للسلامة. عيّن علامات الإدخال إلى PT-101-A وPT-101-B وPT-101-C. اضبط نقطة ضبط الإيقاف على 150 psi. اضبط نوع التصويت على "2oo3 MAJORITY".
• الخطوة 3 — تهيئة اتصال HART. فعّل بروتوكول HART على كل قناة إدخال تناظرية. اضبط المتغير الأساسي (PV) للضغط بوحدة psi. اضبط معدل التحديث على 100 ms للاستجابة السريعة في حلقة السلامة.
• الخطوة 4 — برمجة خرج الإيقاف. وجّه خرج كتلة التصويت إلى وحدة الخرج الرقمي التي تقود صمام الملف اللولبي EBV. يجب أن يكون الخرج منزوع التنشيط (إيقاف) عندما يتجاوز الضغط المصوّت 150 psi لأكثر من 500 ms (زمن إزالة الارتداد). وتُعد وحدة الخرج الرقمي (DO) Yokogawa ADV559-P01 مناسبة لتوصيل العناصر النهائية في جانب CENTUM من البنى الهجينة SIS-BPCS.
• الخطوة 5 — التكامل مع Yokogawa CENTUM. استخدم واجهة Modbus TCP لتمرير حالة الإيقاف المصوّت إلى محطة تشغيل Yokogawa CENTUM. تأكد من ظهور إنذار SIS على شاشة CENTUM خلال ثانية واحدة من تحقق حالة الإيقاف. وتوفر وحدة التحكم الميداني المزدوجة Yokogawa CENTUM VP AFV10D-S41201 العمود الفقري المكرر لوحدة FCU لتشغيل بوابة Modbus TCP بصورة موثوقة.

الأخطاء الشائعة في تصميم تصويت SIS (ISA-84 / IEC 61511)

تكشف الخبرة الميدانية وفقًا للمعيارين ISA-84 وIEC 61511 عن عدة أخطاء تصميم متكررة. أولًا، يؤدي استخدام مستشعرات من الشركة المصنعة نفسها في قنوات التصويت الثلاث إلى حدوث عطل ذي سبب مشترك. فإذا احتوت البرامج الثابتة للمستشعر على خلل، فقد تتعطل القنوات الثلاث في الوقت نفسه. لذلك، استخدم مستشعرات من شركتين مصنعتين مختلفتين لتلبية متطلبات التنوع.

ثانيًا، يؤدي تمرير كابلات المستشعرات الثلاثة عبر القناة نفسها إلى حدوث عطل نمطي مشترك. إذ إن الانسكابات أو أضرار الحريق التي تصيب تلك القناة تؤدي إلى تعطيل التكرار. مرّر الكابلات في حوامل كابلات منفصلة مع فصل مادي لا يقل عن 300 mm.

ثالثًا، يؤدي عدم إجراء اختبارات إثبات سنوية إلى إفساد حساب PFD. فإذا مُدّد الفاصل الزمني لاختبار الإثبات (TI) من سنة واحدة إلى ثلاث سنوات من دون إعادة حساب PFD، فقد لا يعود النظام مستوفيًا لمستوى SIL المستهدف.

العطل ذو السبب المشترك في البنى 2oo3

يُعد العطل ذو السبب المشترك (CCF) نقطة الضعف الرئيسية في بنى التصويت. ويحدث CCF عندما يؤدي حدث واحد إلى تدهور عدة قنوات في الوقت نفسه. وتُعد درجة الحرارة والرطوبة والاهتزاز والتداخل الكهرومغناطيسي من مسببات CCF الشائعة.

للحد من CCF، اتبع الممارسات الميدانية التالية. أولًا، ركّب المستشعرات في حاويات منفصلة أو في مواقع متباعدة ماديًا على وعاء العملية. ثانيًا، استخدم مصادر طاقة منفصلة لكل قناة إدخال تناظرية. وتدعم وحدة إمداد الطاقة المترددة Yokogawa SPW481 توزيع طاقة مخصصًا لكل قناة في خزائن إدخال/إخراج CENTUM. ثالثًا، أجرِ عمليات تدقيق سنوية للتنوع. وتأكد من أن المستشعرات الثلاثة تستخدم إصدارات مختلفة من البرامج الثابتة أو إصدارات مختلفة من الأجهزة.

عند تصميم نظام 2oo3 بصورة صحيحة، يبقى PFD لديه أقل من 0.001 (SIL 3) حتى مع تضمين معامل CCF بنسبة 5%. ومن دون الحد من CCF، قد يتدهور PFD الفعلي بمقدار 3 أضعاف، مما يهدد بالامتثال غير الكافي لمستوى SIL.

الخلاصة والنصائح العملية

يوفر منطق التصويت في وحدة HIMA للتحكم بالسلامة، والمتكامل مع Yokogawa CENTUM، حماية قوية ومعتمدة وفق SIL لوحدات العمليات الحرجة. ومع ذلك، لا تكون البنية أقوى من أضعف تفاصيل تصميمها. ويُعد العطل ذو السبب المشترك، وتمرير الكابلات، والانضباط في اختبارات الإثبات، المجالات الثلاثة التي تقصر فيها فرق العمل الميدانية غالبًا.

نصيحة عملية: حدّد موعدًا لمراجعة منطق التصويت مع فريق هندسة النظام المزود بأجهزة السلامة (SIS) لديك خلال هذا الربع. تحقق من أن جميع قنوات المستشعرات 2oo3 منفصلة ماديًا وموصولة بمصادر طاقة منفصلة. وإذا كانت أي قناة تشترك في قناة كابلات أو قضيب طاقة، فأدرج بندًا في قائمة الأعمال التصحيحية قبل عملية التوقف والصيانة التالية.