自诊断功能与故障输出信号在智能仪表中的应用
引言
随着工业自动化和智能化的快速发展，智能仪表在工厂过程控制、安全监测以及关键工艺管理中的应用越来越广泛。与传统非智能仪表相比，智能仪表具备远程监控、自诊断、数据记录及报警管理等多项先进功能。其中，自诊断功能能够在检测到故障或异常状态时及时响应，帮助操作人员及系统迅速识别问题，确保工艺过程的安全性和连续性。
依据 SH/T 3005-2016 和 GB/T 20438.4-2017 等相关标准，安全仪表系统（SIS）和气体检测系统（GDS）中的变送器，要求在自诊断检测到故障后，能够将输出信号自动调整至最高、最低或保持状态，以保证工艺过程处于安全状态。不同工况对仪表故障输出信号的要求存在差异，因此在实际应用中，需要在仪表可靠性与系统可用性之间找到平衡，合理设置故障输出模式。
一、自诊断功能的重要性
智能仪表相比传统非智能仪表，具有显著优势，其中自诊断功能是保障系统安全运行的核心特性。当前常见的自诊断技术主要包括参比诊断和对比诊断，其功能覆盖以下几个方面：
- 开机自诊断：仪表在上电启动时自动检查内部电子模块及传感器状态，确保系统硬件处于正常运行状态。
- 周期性自诊断：仪表在工作过程中周期性对内部组件进行自检，确保传感器、放大器及处理模块的持续可靠性。
- 手动触发自诊断：允许操作人员在维护或关键工艺阶段主动触发自诊断程序，对设备状态进行实时检查。
通过自诊断，仪表能够识别包括传感器故障、放大器失效、量程超限、通讯异常等多种潜在问题。为衡量自诊断功能的有效性，引入 诊断覆盖率（Diagnostic Coverage, DC） 概念，用于描述仪表在线检测危险失效的能力。根据 GB/T 20438.4-2017，诊断覆盖率越高，仪表的 安全失效分数（SFF） 也越高，有助于提升设备整体的 安全完整性等级（SIL）。
因此，自诊断不仅能减少人工巡检和维护频次，还能在设备出现异常时自动引导系统进入安全状态，降低事故风险，提高生产连续性。
二、故障输出信号的设定原则
智能仪表在自诊断发现故障后，输出信号的设置是工艺安全的重要保障。依据 SH/T 3005-2016 4.18，变送器故障时可根据内置故障选择开关设定输出为最高、最低或保持状态。具体设置原则如下：
- 根据工艺安全需求设定
- 在某些工况下，如燃料气压力监控系统，低压力为安全状态，则故障输出应保持低信号；
- 在压力容器监控系统中，高压力为安全状态，则故障输出应保持高信号。
- 兼顾系统可靠性与可用性
- 若故障输出未按工艺要求设置，可能导致系统误动作或工艺停机；
- 合理的故障输出模式可在保障安全的同时，最大限度维持系统可用性，减少不必要的停产或报警。
- 结合冗余结构优化输出模式
- 对于2oo3、1oo2、2oo2等冗余结构系统，故障输出设置影响系统降级模式及整体SIL等级。
通过科学设置故障输出模式，智能仪表能够在出现故障时，引导系统进入预期的安全状态，避免事故或误操作对生产造成影响。
三、SIS系统中的应用
化工及能源行业的安全仪表系统（SIS）通常包括安全联锁系统、紧急停车系统以及有毒有害气体、可燃气体和火灾检测系统。变送器在这些系统中故障输出信号的配置，对于工艺安全及系统可用性均具有直接影响。
以2oo3结构为例：
- 故障输出设为非安全状态：当一个变送器故障时，系统降级为2oo2模式，降低子系统可靠性。
- 故障输出设为安全状态：系统降级为1oo2模式，在保证安全的前提下，也会影响整体可用性。
在实际项目中，需要根据具体工艺和系统设计，合理设置故障输出信号，以确保在任何单点故障情况下，系统仍能维持安全运行，同时兼顾可用性，避免因误报或误动作造成不必要停机。
四、可用性与延时保护
在工程应用中，故障输出不仅要保证安全，还需考虑系统可用性。部分企业要求：
- 单点联锁测量仪表：故障后信号朝联锁方向动作；
- 二取二联锁结构：故障信号仍朝联锁方向动作；
- 二取一联锁结构：故障信号朝联锁反方向动作，以防止误动作触发系统。
此外，为进一步提高可用性，工程中可对变送器故障后的输出信号设置延时保护。延时机制可以防止瞬时信号抖动误触发联锁系统，有效降低误报警率，同时确保系统安全性。延时保护的引入，对提高SIS整体可靠性和操作连续性具有显著意义。
五、案例分析与应用价值
以某大型化工厂SIS系统为例，安装智能变送器后，通过合理设置自诊断功能和故障输出模式：
- 在检测到单点传感器故障时，系统自动将输出信号调整至安全状态，防止误动作；
- 利用延时设置过滤瞬时信号干扰，保证联锁系统稳定响应；
- 通过高诊断覆盖率，系统整体SIL等级得到提升，同时减少了人工巡检频次，降低维护成本。
此案例表明，智能仪表结合自诊断和合理的故障输出设置，不仅能显著提升工艺安全性，还能在保证安全的前提下提高系统可用性和运行效率。
六、结论
智能仪表的自诊断功能是现代工业自动化系统的重要组成部分，其故障输出信号的合理设置直接影响工艺安全和系统可用性。在实际应用中，应综合考虑工况需求、冗余结构、安全完整性等级和可用性要求，科学设定故障输出模式：
- 安全优先：确保故障情况下系统进入安全状态；
- 兼顾可用性：降低误报和停机频次，提升系统运行效率；
- 延时保护：有效抑制瞬时信号干扰，提高系统稳定性。
通过这种综合优化策略，智能仪表能够在化工、能源、石化、电力等行业中实现长期稳定、安全和高效的工艺控制，为工业自动化提供可靠保障。
参考文献
- GB/T 20438.4-2017. 电气/电子/可编程电子安全相关系统功能安全 第4部分：定义和缩略语
- SH/T 3005-2016. 石化行业安全仪表系统技术规范
- 安监总管三〔2014〕116号. 化工安全仪表系统指导文件
