Come progettare una logica di voto per termocoppie ridondanti in un sistema di controllo di piastre riscaldanti?

Le termocoppie multiple sono solo una parte della soluzione. È inoltre necessario un quadro decisionale su come interpretare risultati contraddittori. Una logica di voto, una sorta di elezione digitale tra sensori, determina se l’operazione è sicura o è necessario uno spegnimento.

Scopo della logica di voto nei sistemi ridondanti
Un'architettura ridondante di piastre riscaldanti a termocoppie con una logica di votazione si basa su una serie di numerose letture di temperatura indipendenti piuttosto che su misurazioni individuali. L'affidabilità aumenta riducendo gli effetti dei difetti del sensore, del rumore o della deriva.

Il ragionamento è basilare in linea di principio, ma la sua affidabilità è dimostrata da un'analisi approfondita dei guasti. Gli schemi di voto rappresentano gli elementi fondamentali della progettazione della sicurezza funzionale e sono ampiamente utilizzati nei sistemi progettati secondo gli standard IEC 61508 e IEC 61511.

L'algoritmo di voto è solitamente implementato in un PLC-classificato di sicurezza o in un sistema a relè di sicurezza separato e funziona indipendentemente dal controller della temperatura PID principale.

Schemi di voto in comune
2oo2 (due su due)
In una configurazione 2oo2, sono presenti due termocoppie ed entrambe devono indicare una temperatura eccessiva-per poter avviare uno spegnimento-.

In questo modo otteniamo una buona protezione contro i fastidiosi scatti causati da un singolo sensore con lettura errata. Ma fornisce una vulnerabilità se un sensore si guasta in uno scenario di lettura bassa mentre l’altro mostra erroneamente una temperatura normale. Una condizione dannosa può passare inosservata in tale circostanza.

2oo3 (Due su tre)
2oo3 – Valutazione dell'accordo di 3 termocoppie. Se due o più sensori rilevano una condizione di surriscaldamento-, viene eseguito uno spegnimento. Se invece due o più sensori indicano condizioni normali, il funzionamento prosegue.

Questa architettura fornisce tolleranza ai guasti del singolo sensore (fail high o fail low) senza sacrificare la sicurezza o la disponibilità del processo. Questo è il motivo per cui 2oo3 è considerata l'architettura preferita per i sistemi di riscaldamento ad alta affidabilità e alta sicurezza.

Confronto tra architetture logiche di voto
Schema di votazione Numero di sensori Condizione di arresto Tolleranza agli errori Caso d'uso comune
2oo2 2 Entrambi i sensori sopra la temperaturaElevata resistenza ai viaggi molestiModerata sicurezza, scarsa tolleranza ai disturbi
2oo3 3 Due sensori qualsiasi rilevano la sovra-temperatura Un sensore tollerante ai guasti Sistemi ad alta sicurezza e alta disponibilità
Applicazione ai sistemi a piastre riscaldanti.
Nei progetti di piastre riscaldanti per termocoppie ridondanti con logica di votazione pratica, ciascuna termocoppia è collegata a un canale di ingresso di sicurezza dedicato. Il PLC di sicurezza legge costantemente tutti gli input ed esegue l'algoritmo di voto in tempo reale.

Il PLC fornisce un ordine di spegnimento alle uscite classificate di sicurezza quando si verifica la condizione di voto definita per la sovratemperatura, che generalmente diseccita i contattori del riscaldatore o i relè a stato solido.

È importante disconnettersi dal circuito di controllo PID. La temperatura di processo è normalmente controllata da un controller PID. Il sistema di sicurezza funziona in modo indipendente per rilevare deviazioni pericolose e adottare misure precauzionali.

Selezione in base al livello di integrità della sicurezza (SIL)
Il livello di integrità di sicurezza (SIL) necessario del sistema influisce direttamente sull'opzione logica di voto.

Requisiti SIL inferiori potrebbero aprire la strada ad architetture più semplici, ad esempio. 2oo2

Standard SIL più elevati spesso richiedono progetti con tolleranza ai guasti come 2oo3

Per raggiungere un obiettivo SIL è necessario valutare la tipologia di guasto, la copertura diagnostica e la probabilità di guasto pericoloso. La logica di voto è importante per soddisfare questi standard riducendo al minimo il rischio che condizioni pericolose non vengano scoperte.

Considerazioni sulla progettazione:
Posizione del sensore
Termocoppie da posizionare in modo da essere rappresentative delle zone termiche cruciali. Anche la logica di voto più potente può essere compromessa da un posizionamento inadeguato.

Indipendenza del canale
Ciascun ingresso del sensore dovrà essere elettricamente e concettualmente separato. La ridondanza può essere ridotta mediante cablaggio condiviso o fonti comuni di guasto.

Diagnostica e Manutenzione
Monitorare continuamente la discordanza, la deriva o il guasto del sensore. Le procedure di manutenzione dovrebbero comportare la valutazione e la calibrazione periodiche di tutti i canali.

Considerazioni finali
La logica di voto appropriata può essere utilizzata per trasformare misurazioni ridondanti di termocoppie in giudizi di sicurezza utili e affidabili. Lo schema scelto determina come il sistema reagisce all'incertezza e al fallimento, architetture 2oo2 o 2oo3.

Il robusto sistema di controllo della piastra riscaldante si basa su una base logica-safe. La ridondanza non significa semplicemente più hardware, ma un approccio strutturato al funzionamento sicuro e affidabile.