HIMA H4135 992413502

一、产品概述

二、功能特点

• SIL 3级安全信号处理：模块集成16路安全模拟量输入（AI）、8路安全数字量输入（DI）及8路安全数字量输出（DO）通道，所有通道均采用独立信号处理单元与故障检测电路，完全满足IEC 61508 SIL 3级安全认证要求。模拟量输入通道支持4-20mA电流信号、0-10V电压信号及K/J/T型热电偶信号直接接入，采用24位高精度A/D转换器，采集精度达±0.1% FS，具备信号超量程、短路、开路、漂移超限等故障自检测功能；数字量输入通道支持NPN/PNP双类型自适应输入，响应时间≤1ms，内置10ms防抖过滤电路，可有效避免干扰导致的误触发；数字量输出通道采用故障安全型晶体管输出，输出容量0.5A/24V DC，具备输出短路、过载保护及开路诊断功能，故障时自动切换至预设安全状态，确保安全控制指令可靠执行。
• 1oo2冗余容错架构：采用1oo2（1取2）冗余硬件设计，模块内置双独立核心处理单元（MCU）、双电源接口、双通讯接口及双信号调理电路，两个处理单元同步采集、同步运算并实时交叉校验数据。正常工况下双单元并行工作，数据一致性校验通过后输出控制指令；当其中一个单元出现硬件故障或数据异常时，故障诊断电路在10μs内识别故障并隔离故障单元，另一个单元无缝接管全部功能，核心安全功能无中断。冗余架构使模块故障覆盖率达99.9%，从硬件层面杜绝单点故障导致的安全风险。
• 防爆抗扰与宽环境适配：采用全金属密封屏蔽外壳，外壳材质为316L不锈钢，表面经喷砂+钝化双重防腐处理，防护等级达IP67，可直接安装于Zone 2危险区域（非防爆区近距离部署），有效抵御粉尘、水汽、油污及弱腐蚀性气体侵蚀。内部电路采用三重光电隔离+电磁屏蔽设计，模拟量通道隔离电压≥5kV AC，数字量通道隔离电压≥2kV AC，可抵御±8kV接触放电静电、±4kV浪涌冲击及30MHz-1GHz频段20V/m辐射干扰，完全符合IEC 61000-4-2/3/5系列电磁兼容标准，同时通过ATEX、IECEx防爆认证。选用宽温域军工级元器件，工作温度范围覆盖-40℃~70℃，相对湿度适应范围5%-95%（无凝露，温度≤50℃时），适配寒区户外、高温反应区等极端环境。
• 三级全维度诊断系统：构建模块级、通道级、组件级三级诊断体系，诊断覆盖率达99.9%。模块级诊断实时监测双电源状态、双MCU运行状态、冗余通讯链路及总线连接状态；通道级诊断针对每路输入输出通道监测信号幅值、线路通断、负载状态等，热电偶通道额外监测冷端温度异常；组件级诊断监测A/D转换器、D/A转换器、隔离芯片、功率驱动单元等核心组件的运行参数。模块正面配备24个通道状态LED指示灯（绿色常亮正常、红色闪烁故障）、4个冗余状态指示灯及1个2.4英寸LCD显示屏，显示屏可实时显示模块型号、固件版本、故障代码、通道数据及冗余状态；诊断信息通过HIMA专用安全通讯总线实时上传至控制器及上位系统，支持5000条故障历史记录存储与追溯，故障代码附带详细排查指南，大幅提升运维效率。
• 安全组态与灵活兼容：无缝适配HIMA HIMax、HIMatrix系列安全控制器，通过HIMA Safe EYES V5.0及以上版本组态软件实现全流程可视化操作，支持功能块图（FBD）、结构化文本（ST）、顺序功能图（SFC）等编程方式，内置安全联锁、PID调节、逻辑判断等标准化功能块库。组态过程具备多重安全防护：密码分级权限管理、逻辑一致性自动校验、版本变更审计追踪、离线仿真测试，防止误操作导致安全逻辑失效。支持在线组态下载与固件升级，升级过程中模块自动切换至故障安全状态，升级完成后无缝恢复运行，不影响SIS系统整体安全完整性。支持带电热插拔功能，系统运行状态下插拔模块时，控制器自动识别状态并切换冗余单元，实现无扰维护。
• 高可靠性与长寿命设计：采用双冗余独立供电设计，支持两路DC 24V±15%电源输入，电源切换时间≤10μs，电源回路具备反接保护、过压保护（30V DC阈值）、过流保护（1A熔断阈值）功能；核心元器件（MCU、A/D转换器、隔离芯片）均选用军工级产品，经过-55℃~85℃温度循环、10-2000Hz振动、50g冲击等可靠性测试。模块平均无故障运行时间（MTBF）≥1,500,000小时，设计寿命达15年，通过SIL 3、ATEX、IECEx、UL 61508、GB/T 21109等多项国内外安全认证，完全满足安全仪表系统长期连续运行的严苛要求。

三、技术参数

四、工作原理

1. 冗余供电与电源管理环节：        两路独立DC 24V电源通过冗余供电接口接入模块，经反接保护二极管、过压保护晶闸管及过流保险丝组成的防护电路后，进入双路独立电源管理单元。每个电源管理单元内置高精度电压传感器，实时监测输入电压状态并上传至双MCU；主MCU根据电压稳定性判定主备电源，默认选择电压波动≤±5%的电源为主供电，另一路为热备状态，通过隔离二极管实现电气隔离，避免相互干扰。当主供电电压低于20.4V或高于27.6V时，电源切换电路在10μs内快速切换至备用供电，切换过程中由超级电容维持核心电路供电，确保无供电中断。稳定后的电源经DC-DC转换单元输出3.3V（逻辑核心）、5V（接口电路）、12V（驱动电路）等多路精准电压，经LC滤波电路处理后为各功能单元供电，输出纹波≤10mV，确保电路稳定运行。
2. 安全信号采集与调理环节：        现场安全传感器信号经防爆屏蔽线缆接入对应通道，采用差分接线方式抑制共模干扰：①模拟量输入信号：首先进入通道独立的信号调理电路，由可编程增益放大器（PGA）根据信号类型自动调整增益，将小信号放大至适配范围；热电偶信号额外经过冷端温度补偿电路，通过高精度温度传感器采集模块内部冷端温度，对热电势信号进行补偿修正；调理后的信号进入24位A/D转换器，将模拟信号转换为数字信号，转换时钟由双MCU同步控制，确保双单元采集数据的时间一致性。②数字量输入信号：经三重光电隔离后进入电平转换电路，将10-30V现场信号转换为3.3V逻辑信号，再经10ms防抖过滤电路消除干扰脉冲，处理后的信号同时传输至双MCU。所有输入通道均内置线路监测电路，实时检测线路通断状态，发现短路或开路时立即触发通道故障报警。
3. 双机数据校验与处理环节：        双MCU（MCU A、MCU B）同步接收各通道采集数据，首先对数据进行数字滤波（卡尔曼滤波算法）、线性度修正及温度漂移补偿等预处理，消除环境噪声与系统误差。随后进入双机交叉校验流程：MCU A将处理后的数据加密传输至MCU B，MCU B将自身处理数据与接收数据进行逐位比对，若数据一致性误差≤±0.05%，则判定数据有效，生成“校验通过”信号；若误差超出阈值，双MCU立即启动自检程序，定位故障单元（如A/D转换器故障、MCU运算故障），并将故障单元隔离，由正常单元接管数据处理，同时触发模块冗余故障报警。有效数据存储于双端口RAM中，同步更新至LCD显示屏与通讯缓冲区。
4. 安全逻辑执行环节：        双MCU根据Safe EYES软件下载的安全控制程序（如联锁逻辑、阈值判断、PID调节）执行运算：①开关量逻辑：对比数字量输入状态与预设联锁条件（如“压力≥10MPa且温度≥300℃”），判断是否触发安全动作；②模拟量逻辑：计算采集值与安全设定值的偏差，若偏差超出报警阈值，立即生成预警信号，超出联锁阈值则生成紧急控制指令；③PID调节：针对需闭环控制的参数（如反应釜温度），通过比例-积分-微分算法计算输出量，动态调整模拟量或数字量输出。逻辑运算过程中，双MCU实时交换运算中间结果，确保运算一致性，若出现运算偏差，立即执行故障安全策略。
5. 故障安全输出环节：        有效控制指令经双MCU同步验证后，传输至输出驱动单元：①模拟量输出（若扩展）：指令经D/A转换器转换为模拟信号，经功率放大后输出，同时通过采样电阻监测输出电流/电压，形成闭环反馈，确保输出精度；②数字量输出：指令驱动故障安全型晶体管动作，正常工况下根据逻辑输出高/低电平；当模块失电、MCU故障或通讯中断时，晶体管自动截止，输出预设安全状态（低电平），确保执行器动作至安全位置。输出单元内置短路检测电路，当检测到输出电流≥0.8A时，立即切断驱动信号，触发过载故障报警，同时维持安全输出状态。
6. 全维度诊断与反馈环节：        诊断系统与各功能单元实时交互，实现三级诊断：①组件级：通过内置测试（BIT）电路定期检测A/D、D/A转换器、隔离芯片等核心组件的输出信号，与标准值对比，判定组件健康状态；②通道级：监测输入信号幅值是否超出量程、线路是否通断、输出负载是否正常；③模块级：监测双电源状态、双MCU运行状态、冗余通讯链路及总线连接状态。诊断结果由主MCU汇总，生成故障代码（如“E01-电源故障”“E12-AI通道短路”），控制对应LED指示灯闪烁报警，并通过安全总线实时上传至控制器及上位系统；故障历史记录存储于非易失性存储器，断电不丢失，支持通过Safe EYES软件查询追溯。运维人员可根据故障代码快速定位故障点，进行针对性维护。

五、安装与调试流程

5.1 安装前准备

• 环境与资质核查：确认安装位置符合以下要求：温度-40℃~70℃，相对湿度5%-95%（无凝露），无强腐蚀性气体，危险区域等级不高于Zone 2；安装、调试人员必须具备SIS系统操作资质及防爆区域作业资质，熟悉HIMA相关技术规范。
• 工具与材料准备：准备扭矩扳手（0.5-2.0N·m）、十字螺丝刀（PH2）、剥线钳、HIMA认证标准信号源、万用表、绝缘电阻测试仪、安装有Safe EYES V5.0及以上软件的笔记本电脑、HIMA专用屏蔽通讯线缆（截面积≥0.75mm²）、防爆密封接头、绝缘胶带、标识牌、35mm标准导轨等；检查模块、冗余电源、接线端子等配件的型号、数量，核对铭牌参数与设计一致，外观无破损、针脚无弯曲氧化，附带认证文件齐全。
• 线缆与设备检测：用万用表检测供电线缆导通性，导通电阻≤0.5Ω；用绝缘电阻测试仪检测线缆绝缘性，绝缘电阻≥100MΩ；检测冗余供电电源电压，确保20.4-27.6V DC，两路电压差值≤1V；检测现场传感器与执行器，确保信号输出/输入符合模块通道参数，安全联锁逻辑与设计图纸一致。

5.2 安装步骤

1. 导轨固定安装：将35mm标准导轨固定于控制柜内或现场安装支架上，确保导轨水平度误差≤0.1mm/m，安装位置距离热源≥15cm，距离柜门≥10cm，便于散热与操作。将模块对准导轨卡扣，平行推入直至听到“咔嗒”锁定声，用扭矩扳手拧紧模块两侧固定螺丝，扭矩值设定为1.2N·m，确保模块稳固无松动，相邻模块间距≥10mm。
2. 冗余供电连接：采用双路独立线缆连接冗余电源，将第一路电源正极接入模块“P1+”端子，负极接入“P1-”端子；第二路电源正极接入“P2+”端子，负极接入“P2-”端子；将电源屏蔽层通过防爆密封接头单端接地（接地电阻≤4Ω）。接线完成后用绝缘胶带包裹端子裸露部分，做好“主电源”“备电源”标识，用万用表测量端子电压，确认与输入电源一致。
3. 信号线缆连接：按照通道定义表与设计图纸连接传感器/执行器线缆，采用防爆屏蔽线缆，通过防爆密封接头接入模块：①模拟量输入：4-20mA/0-10V信号采用两线制差分接线，接入“AI1-AI16”对应端子；热电偶信号采用补偿导线，按正负极接入对应端子，屏蔽层单端接地。②数字量输入：按NPN/PNP类型接入“DI1-DI8”对应端子，干接点需额外接入DC 24V电源。③数字量输出：按执行器安全需求接入“DO1-DO8”对应端子，晶体管输出公共端“COM”接DC 24V负极，屏蔽层单端接地。所有接线完成后整理线缆，用扎带固定，做好通道标识，确保接线牢固无松动。
4. 通讯总线连接：采用HIMA专用屏蔽通讯线缆，将线缆A线接入模块“BUS A”端子，B线接入“BUS B”端子，屏蔽层双端接地。线缆另一端接入安全控制器总线接口，确保总线终端匹配电阻（120Ω）安装到位，总线长度不超过1000m。连接完成后检查总线通断性，确保通讯链路畅通。

5.3 调试流程

1. 电源与冗余测试：接通冗余供电电源，观察模块电源指示灯：“P1”“P2”绿色常亮表示双电源正常；若某路指示灯红色闪烁，检查对应电源电压与接线。通过Safe EYES软件连接模块，读取电源状态参数，确认主备电源切换正常。人为切断主电源，观察模块是否持续运行，软件中电源状态是否切换至备用电源，恢复主电源后是否自动切换回主电源，重复测试3次，确保冗余切换可靠。
2. 通讯与识别测试：在Safe EYES软件中搜索模块，确认模块被正常识别，读取模块型号、固件版本、序列号等信息与铭牌一致。建立模块与控制器的通讯连接，发送“心跳”测试指令，模块应在50μs内回复，连续测试100次无通讯中断即为正常。下载基础组态参数（通道类型、量程），确认参数下载成功，模块无故障报警。
3. 通道精度校准：采用HIMA认证标准信号源进行校准，在Safe EYES软件中进入“校准模式”：①模拟量输入：向各通道输入0%、50%、100%量程的标准信号，读取软件采集值，若误差超出±0.1% FS，通过软件“校准”功能输入标准值完成修正；热电偶通道需在0℃、200℃、500℃三个点进行校准，修正冷端补偿误差。②数字量输入：接入DC 10V、24V、30V测试信号，观察软件中通道状态是否正确切换，响应时间是否≤1ms。③数字量输出：通过软件下发“通/断”指令，用万用表测量输出电压，确认输出状态正确，过载测试时输出应能自动切断并报警。校准完成后保存校准数据，退出“校准模式”。
4. 安全逻辑与功能测试：下载完整安全控制程序，模拟现场工况进行测试：①联锁逻辑测试：人为触发联锁条件（如输入信号超出联锁阈值），观察输出通道是否按程序要求动作，响应时间是否≤10ms，软件中是否记录联锁事件。②故障安全测试：切断模块供电，观察输出是否切换至预设安全状态；人为制造某路通道短路，检查模块是否能准确检测故障并报警，其他通道是否正常工作。③冗余功能测试：断开其中一个MCU的通讯链路，观察模块是否能隔离故障单元，正常单元是否接管工作，无安全功能中断。
5. 稳定性与防爆测试：进行24小时稳定性测试，连续监测各通道采集数据与输出状态，无异常波动或故障报警。若安装于危险区域，需进行防爆密封性测试，采用肥皂水涂抹防爆密封接头，通入0.1MPa压缩空气，无气泡泄漏即为合格。测试完成后生成调试报告，记录校准数据、测试结果及故障处理情况，由调试人员与监理人员签字确认。