0 引 言

　　ESD紧急停车系统(Emergency Shut Down)是石油天然气行业不可缺少的安全仪表系统。ESD紧急停车系统按照安全独立原则要求设计，需要具备高度的可靠性 。随着自动化水平的逐步提高，ESD系统带回路检测功能的输入模块和带诊断电阻的ESD按钮逐步替代原有普通数字量输入模块和常闭(常开)按钮，其目的是通过引入回路检测功能提高ESD系统的可靠性 。

1 回路检测功能简介

　　回路检测的功能是当信号回路通道无故障时，在回路中存在区别与触发电流的诊断电流，当信号回路通道回路断路时，诊断电流消失，系统能清楚的区分诊断电流和触发电流，以便产生报警或改变回路信号。虽然其一定程度上避免了ESD系统的误触发，但是其诊断回路自身的可靠性也成为需要探究的问题。
　　部分ESD系统采用Safety Manager的SDIL一1608模块是16通道可提供8V回路电压的且具备接地检测功能的数字量输入模块。若需要通过该模块实现回路检测功能，则需要在Safety Builder中选择现场输入设备具备回路检测功能和当检测到回路故障时的信号通道反馈方式，同时还需要按照Safety Manager的用户手册针对SDIL一1608模块提供的两种带回路检测功能回路的接线方式正确接线，如图1所示。该两种接线方式各按照常闭和常开的方式编程组态，同时还可选择检测到回路故障时信号通道的不同反馈方式(反馈1或0)，这样便构成了多种常规使用方式。

2 诊断电阻的选型

　　电阻的可靠性直接关系到该通道回路和回路检测功能的可靠性。现市面上具备回路检测功能的ESD按钮都是采用常用阻值1 kΩ和10 kΩ的电阻构成的电路，因此不考虑其他阻值电阻构成类似电路实现回路检测功能的情况。
　　电阻的种类有很多，但市面上具备回路检测功能ESD的按钮都采用碳膜电阻或金属膜电阻。考虑到金属膜电阻的精度、长期稳定性、耐热性都比碳膜电阻好，所以选择采用金属膜电阻的ESD按钮。

3 诊断电阻的失效测试

　　测试过程中常开接法回路故障时的反馈值设置为“0”，常闭接法反之。若将常开接法的回路故障时的反馈值设置为“1”或将常闭接法的回路故障时的反馈值设置为“0”，则在当回路发生故障断开时，也会导致ESD误触发，不满足回路检测功能的原则。
　　采用1 kΩ电阻、10 kΩ电阻和标准电阻箱按照如图2所示常开方式接入信号回路，即在该方式下，回路信号为“0”时，为ESD不触发的常态状态；回路信号为“1”时，为ESD触发状态。先测试正常状态下是否具备回路诊断功能，然后将1 kΩ电阻替代为标准电阻模拟1 kΩ电阻失效情况下系统的响应，最后将10 kΩ电阻替代为标准电阻箱模拟10 kΩ电阻失效情况下系统的响应。

　　测试结果如表1所示，回路信号表示在常态下信号回路采集到的数据，通道绿灯是指该模块通道指示灯，若出现报警时不误触发ESD或不出现报警时ESD系统功能正常均视为对ESD系统无影响。

　　采用相同的方式测量如图3所示接入信号回路的常闭方式，即在该方式下，回路信号为“1”时，为ESD不触发的常态状态；回路信号为“0”时，为ESD触发状态。测试结果如表2所示。

　　采用相同的方式测量如图4所示接入信号回路的常开方式，即在该方式下，回路信号为“0”时，为ESD不触发的常态状态；回路信号为“1”时，为ESD触发状态。

　　测试结果如表3所示。

　　采用相同的方式测量如图5所示接入信号回路的常闭方式，即在该方式下，回路信号为“1”时，为ESD不触发的常态状态；回路信号为“0”时，为ESD触发状态。
　　测试结果如表4所示。

4 电阻失效导致的ESD系统失效分析

　　由于电阻不同的失效方式的概率是不一致的，所以对于这四种接法的系统响应概率也不一致。电阻失效时会出现失效机理有：电阻膜烧毁或大面积脱落，基体断裂，引线帽与电阻体脱落造成的开路 ；电阻膜有缺陷或退化，基体有可动钠离子，保护涂层不良，造成的阻值超规范漂移；电阻体焊接工艺缺陷，焊点污染，引线机械应力损伤造成的连接线断裂；银的迁移，电晕放电造成的短路，其各概率如表5所示 。

　　按照电阻失效的概率可计算出不同接法可靠性的概率，接线回路失效概率如下公式：
P =1一(1一P1P1k) (1一P2P10k) (1)
　　其中Plk 表示1kΩ电阻失效的概率，P10k表示10 kΩ 电阻失效的概率，P1表示l kΩ．电阻会对系统造成影响的失效方式所占概率，P2表示10 kΩ,电阻会对系统造成影响的失效方式所占概率。
　　公式(1)的含义为，1 kΩ电阻失效和10 kΩ电阻失效不影响该回路的概率之积的相反概率则为该回路失效的概率。鉴于阻值差距只有1个数量级的金属膜电阻失效概率较为接近，将1 kn电阻失效的概率和10 kΩ失效的概率假设为概率P(趋近于0的数)，同时综合上述5个表格数据代入公式(1)，得出数据如表6。

　　通过测算可以得出如图2所示的接法失效概率最小，因此建议采用如图2所示的回路接法的ESD按钮。

注：每种接法均按照失效最大概率计算，同时省略掉数量级过小的P2及其系数。

5 结束语

　　在通过实验和分析出合理可靠的回路接法后，带诊断电阻ESD按钮都将按此规则选型，并且将长期继续对该观察统计，验证实验分析的合理性。选择合适的带回路诊断功能的ESD按钮不仅可以提高系统可靠性，还保证了站场人员和设备的安全。同时，改善ESD按钮使用环境，降低电阻总体失效的概率等，也可以降低ESD系统谬误触发的可能性。