Wie entwirft man eine Abstimmungslogik für redundante Thermoelemente in einem Heizplatten-Steuerungssystem?

Mehrere Thermoelemente sind nur ein Teil der Lösung. Sie benötigen außerdem einen Entscheidungsrahmen für die Interpretation widersprüchlicher Ergebnisse. Eine Abstimmungslogik, eine Art digitale Wahl zwischen Sensoren, bestimmt, ob der Betrieb sicher ist oder eine Abschaltung erforderlich ist.

Zweck der Abstimmungslogik in redundanten Systemen
Eine redundante Thermoelement-Heizplattenarchitektur mit Abstimmungslogik basiert auf einer Reihe zahlreicher unabhängiger Temperaturmesswerte und nicht auf Einzelmessungen. Die Zuverlässigkeit wird erhöht, indem die Auswirkungen von Sensordefekten, Rauschen oder Drift reduziert werden.

Die Argumentation ist grundsätzlich grundlegend, ihre Zuverlässigkeit wird jedoch durch eine umfassende Fehleranalyse nachgewiesen. Abstimmungsschemata sind die Kernbausteine ​​des funktionalen Sicherheitsdesigns und werden häufig in Systemen eingesetzt, die gemäß den Normen IEC 61508 und IEC 61511 entworfen wurden.

Der Abstimmungsalgorithmus wird normalerweise in einer sicherheitsbewerteten SPS oder einem separaten Sicherheitsrelaissystem implementiert und läuft unabhängig vom Haupt-PID-Temperaturregler.

Gemeinsame Abstimmungssysteme
2oo2 (Zwei von zwei)
In einem 2oo2-Aufbau gibt es zwei Thermoelemente, und beide müssen eine Übertemperatur-zeigen, damit eine Abschaltung-eingeleitet wird.

Auf diese Weise erhalten wir einen guten Schutz vor lästigen Auslösungen, die durch einen einzelnen fehlerhaften Sensor mit hohem Messwert verursacht werden. Es stellt jedoch eine Schwachstelle dar, wenn ein Sensor bei niedrigen Messwerten ausfällt, während der andere fälschlicherweise die normale Temperatur anzeigt. Ein schädlicher Zustand kann unter solchen Umständen unbemerkt bleiben.

2oo3 (Zwei von drei)
2oo3 – Bewertung der 3-Thermoelement-Übereinstimmung. Wenn zwei oder mehr Sensoren eine Übertemperatur erkennen, wird eine Abschaltung durchgeführt. Melden hingegen zwei oder mehr Sensoren einen Normalzustand an, wird der Betrieb fortgesetzt.

Diese Architektur bietet Fehlertoleranz bei einzelnen Sensorausfällen (Fail High oder Fail Low), ohne dass die Sicherheit oder Prozessverfügbarkeit beeinträchtigt wird. Aus diesem Grund gilt 2oo3 als die am meisten bevorzugte Architektur für Heizsysteme mit hoher Zuverlässigkeit und Sicherheit.

Vergleich von Voting-Logik-Architekturen
Abstimmungsschema, Anzahl der Sensoren, Abschaltbedingung, Fehlertoleranz, allgemeiner Anwendungsfall
2oo2 2 Beide Sensoren liegen über der Temperatur. Hoher Widerstand gegenüber Fehlauslösungen. Mäßige Sicherheit, geringe Toleranz gegenüber Fehlauslösungen
2oo3 3 Zwei beliebige Sensoren erkennen Übertemperatur-. Ein Sensor ist fehlertolerant. Systeme mit hoher Sicherheit und hoher Verfügbarkeit
Anwendung auf Heizplattensysteme.
Bei praktischen Abstimmungslogik-Redundanz-Thermoelement-Heizplattenkonstruktionen ist jedes Thermoelement mit einem dedizierten sicherheitsbewerteten Eingangskanal verbunden. Die Sicherheits-SPS liest ständig alle Eingaben und führt den Abstimmungsalgorithmus in Echtzeit aus.

Die SPS erteilt einen Abschaltbefehl für sicherheitsrelevante Ausgänge, wenn die definierte Abstimmungsbedingung für Übertemperatur eintritt, die im Allgemeinen Heizschütze oder Halbleiterrelais abschaltet.

Es ist wichtig, die Verbindung zum PID-Regelkreis zu trennen. Die Prozesstemperatur wird normalerweise durch einen PID-Regler geregelt. Das Sicherheitssystem arbeitet eigenständig, um gefährliche Abweichungen zu erkennen und vorsorgliche Maßnahmen einzuleiten.

Auswahl nach Safety Integrity Level (SIL)
Der erforderliche Safety Integrity Level (SIL) des Systems wirkt sich direkt auf die Option der Abstimmungslogik aus.

Niedrigere SIL-Anforderungen könnten den Weg für einfachere Architekturen ebnen, z. B.. 2oo2

Höhere SIL-Standards erfordern häufig fehlertolerante Designs wie 2oo3

Um einen Ziel-SIL zu erreichen, müssen Fehlertypen, Diagnoseabdeckung und Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Fehlers bewertet werden. Die Abstimmungslogik ist wichtig, um diese Standards zu erfüllen, indem sie das Risiko minimiert, dass gefährliche Bedingungen unentdeckt bleiben.

Designüberlegungen:
Standort des Sensors
Thermoelemente müssen so platziert werden, dass sie wichtige thermische Zonen repräsentieren. Selbst das überzeugendste Abstimmungsprinzip kann durch eine schlechte Positionierung untergraben werden.

Kanalunabhängigkeit
Jeder Sensoreingang muss elektrisch und konzeptionell getrennt sein. Redundanz kann durch gemeinsame Verkabelung oder gemeinsame Fehlerquellen reduziert werden.

Diagnose und Wartung
Überwachen Sie kontinuierlich Sensorunstimmigkeiten, Abweichungen oder Ausfälle. Wartungsverfahren sollten die regelmäßige Bewertung und Kalibrierung aller Kanäle umfassen.

Letzte Gedanken
Mithilfe der entsprechenden Abstimmungslogik können redundante Thermoelementmessungen in nützliche und vertrauenswürdige Sicherheitsbeurteilungen umgewandelt werden. Das gewählte Schema bestimmt, wie das System auf die Unsicherheit und den Ausfall von 2oo2- oder 2oo3-Architekturen reagiert.

Das robuste Steuersystem der Heizplatte basiert auf einer ausfallsicheren Logikbasis. Redundanz bedeutet nicht nur mehr Hardware, sondern ein strukturierter Ansatz für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb.