HIMA H41q-HS B4237-1 997104237

一、产品概述

二、功能特点

• SIL 3级冗余容错控制架构：采用1oo2D（1取2带诊断）冗余容错硬件设计，内置双独立四核处理器单元（CPU A、CPU B）、双冗余电源模块、双通讯接口及双存储单元，两个处理器单元同步执行安全逻辑程序，实时交叉校验运算结果与运行状态。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逻辑运算异常时，内置诊断电路在5μs内识别故障并隔离故障单元，另一个单元无缝接管全部控制功能，核心安全逻辑无中断。冗余存储单元采用双端口RAM+Flash组合设计，程序与配置数据双份存储，支持故障后数据自动恢复，确保系统配置与运行数据的完整性。该架构故障覆盖率达99.99%，完全满足IEC 61508 SIL 3级安全认证要求，杜绝单点故障导致的安全风险。
• 高性能逻辑运算与多任务处理：搭载两颗ARM Cortex-A9四核处理器，单核心主频达1.2GHz，整体逻辑运算速度达1000万条指令/秒，支持多任务并行处理，可同时运行16个独立安全逻辑程序，任务调度周期最短达1ms。支持功能块图（FBD）、结构化文本（ST）、顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）四种国际标准编程方式，内置安全联锁、PID调节、趋势分析、事件记录等500+标准化功能块库，可快速构建复杂安全逻辑。具备逻辑程序在线修改与下载功能，修改过程中系统自动切换至冗余运行模式，下载完成后无缝恢复正常运行，不影响安全系统完整性；支持程序版本管理与回滚功能，可追溯10个历史版本，防止误操作导致逻辑失效。
• 多类型I/O模块适配与高精度信号处理：配备16个标准化I/O扩展插槽，支持热插拔功能，可无缝适配HIMA HIMax系列全型号安全I/O模块，包括模拟量输入（AI）、模拟量输出（AO）、数字量输入（DI）、数字量输出（DO）、脉冲量输入（PI）等模块，最多可扩展32个I/O模块，实现1024点信号接入与控制。内置高精度信号处理单元，支持4-20mA、0-10V、热电偶、热电阻、NPN/PNP等多类型信号采集，模拟量信号采集精度达±0.05% FS，数字量信号响应时间≤0.1ms。信号传输采用差分接线与光电隔离技术，隔离电压≥6kV AC，可有效抑制工业现场电磁干扰，确保信号采集的准确性与可靠性。
• 全协议通讯适配与数据交互能力：具备丰富的通讯接口，标配2路冗余以太网接口（支持EtherNet/IP、PROFINET、Modbus TCP）、4路RS485通讯接口（支持Modbus RTU）、2路HIMA专用安全总线接口（用于连接I/O模块），可选配EtherCAT、FF H1、Profibus PA等现场总线接口，满足不同工业场景的通讯需求。支持多主站通讯架构，可同时与PLC、SCADA系统、HMI人机界面、工业互联网平台及第三方设备进行数据交互，数据传输速率最高达1Gbps，传输延迟≤10μs。具备通讯冗余功能，当主通讯链路故障时，自动切换至备用链路，切换时间≤1ms，确保数据传输的连续性；支持通讯数据加密功能，采用AES-256加密算法，防止数据被篡改或窃取。
• 全生命周期智能诊断与运维：构建控制器级、模块级、通道级三级智能诊断体系，诊断覆盖率达99.99%。控制器级诊断实时监测双CPU运行状态、冗余电源电压、存储单元健康状态、通讯链路连通性；模块级诊断监测扩展I/O模块的运行状态、固件版本、温度参数；通道级诊断监测每路I/O通道的信号幅值、线路通断、负载状态、信号漂移趋势。诊断信息通过彩色LCD显示屏实时显示，支持故障代码、故障位置、故障时间等详细信息查询；同时通过通讯接口上传至运维平台，支持10000条故障历史记录存储与追溯，故障代码附带排查指南与维护建议。新增预测性维护功能，通过分析核心组件运行参数与老化趋势，提前6个月预警潜在故障，大幅降低非计划停机时间。
• 极端环境适应与高可靠性设计：采用全金属密封外壳，材质为316L不锈钢，表面经喷砂+钝化+PTFE涂层三重防腐处理，防护等级达IP67，可直接安装于Zone 2危险区域，有效抵御粉尘、高压水汽、油污、盐雾及弱腐蚀性气体侵蚀。内部电路采用四重电磁兼容设计，电源输入端配备EMC滤波器，信号回路采用光电隔离与屏蔽设计，可抵御±15kV空气放电静电、±8kV接触放电静电、±4kV浪涌冲击，符合IEC 61000-4系列电磁兼容标准。选用宽温域军工级元器件，工作温度范围覆盖-40℃~85℃，相对湿度适应范围5%-95%（凝露环境≤72小时）；双冗余电源模块支持DC 24V±20%宽范围输入，具备反接、过压、过流、过温保护功能。模块平均无故障运行时间（MTBF）≥2,500,000小时，设计寿命达20年，通过SIL 3、ATEX、IECEx、UL 61508、GB/T 21109等多项国内外安全认证。

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控制器，经反接保护二极管、过压保护晶闸管、过流保险丝及浪涌抑制器组成的四重防护电路后，进入双路独立智能电源管理单元。每个电源管理单元内置高精度电压传感器与电流传感器，实时监测输入电压、电流及模块温度状态并上传至双CPU；主CPU根据电压稳定性、电流负载率及温度参数综合判定主备电源，默认选择电压波动≤±5%、负载率≤60%的电源为主供电，另一路为热备状态，通过隔离二极管与磁珠实现电气与电磁双重隔离。当主供电电压低于19.2V、高于28.8V或负载率≥90%时，电源切换电路在5μs内快速切换至备用供电，切换过程中由超级电容与锂电池组合维持核心电路供电，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滤波与EMC屏蔽处理后为各功能单元供电，输出纹波≤5mV，确保电路稳定运行。
2. 程序加载与初始化环节：        控制器上电后，双CPU同步执行初始化程序，首先对自身处理器、内存、存储单元、通讯接口及I/O扩展插槽进行自检，自检通过后读取双Flash存储单元中的安全逻辑程序与系统配置参数。双CPU分别加载程序与参数后，对程序完整性与一致性进行校验，通过CRC32校验算法验证程序代码是否完整，对比双存储单元中的参数是否一致。若程序完整且参数一致，控制器进入正常运行状态；若检测到程序损坏或参数不一致，立即触发故障报警，通过LCD显示屏显示故障信息，并自动从备份存储单元中恢复程序与参数，恢复完成后重新进行校验，确保程序与参数的完整性。初始化完成后，控制器通过安全总线与扩展I/O模块建立通讯，完成模块识别与参数配置下发。
3. I/O信号采集与预处理环节：        现场传感器信号经I/O模块采集与调理后，通过HIMA专用安全总线传输至控制器，总线采用差分信号传输与加密通讯方式，确保信号传输的抗干扰性与安全性。控制器内置信号接收单元，对传输的数字信号进行解密与校验，剔除传输过程中受干扰的无效数据。对于模拟量信号，进一步进行卡尔曼滤波、温度漂移补偿及线性度修正处理，消除环境噪声与系统误差；对于数字量信号，进行噪声抑制与防抖处理，确保信号的准确性。处理后的I/O信号存储于双端口RAM中，双CPU同步读取信号数据，为逻辑运算提供精准的输入数据支撑。
4. 双机协同校验与逻辑运算环节：        双CPU（CPU A、CPU B）同步读取I/O信号数据，根据加载的安全逻辑程序执行运算，支持多任务并行处理，每个任务按照预设周期独立执行。运算过程中，双CPU实时交换运算中间结果与状态信息，采用“指令级同步”机制确保运算步骤的一致性。运算完成后，双CPU对最终运算结果进行交叉校验，若结果一致且符合安全逻辑要求，生成控制指令并存储于输出缓冲区；若结果不一致，双CPU立即启动交叉自检程序，通过内置测试（BIT）电路定位故障CPU，隔离故障单元并由正常CPU接管运算，同时触发冗余故障报警。逻辑运算支持在线修改功能，修改时控制器自动切换至冗余运行模式，新程序下载后双CPU同步加载并校验，校验通过后无缝切换至新程序运行，不影响系统安全运行。
5. 控制输出与I/O驱动环节：        经双CPU校验通过的控制指令，通过安全总线传输至对应的I/O输出模块，传输过程中采用加密与校验机制，防止指令被篡改或丢失。I/O输出模块接收指令后，由模块内置的驱动电路将数字指令转换为现场执行器可识别的信号（如4-20mA电流信号、24V DC开关信号），驱动执行器动作。输出模块实时监测执行器的反馈信号（如电流、电压、位置），并将反馈信息上传至控制器，形成输出闭环校验。控制器接收反馈信号后，与控制指令进行对比，验证执行器是否准确执行指令，若发现执行偏差超出允许范围，立即调整控制指令或触发故障报警，确保控制动作的可靠性。
6. 通讯交互与数据上传环节：        控制器通过冗余以太网、RS485等通讯接口与上位监控系统（SCADA）、HMI人机界面及第三方设备建立通讯连接，采用主从通讯模式或对等通讯模式实现数据交互。正常运行时，控制器周期性上传系统运行状态、I/O信号数据、逻辑运算结果及故障信息至上位系统，上传周期可配置（1ms-1s）；同时接收上位系统下发的控制指令、参数修改指令及程序下载指令，指令经双CPU校验通过后执行。通讯过程中具备冗余切换功能，当主通讯链路出现丢包率≥5%或延迟≥100μs时，自动切换至备用通讯链路，切换时间≤1ms，确保数据传输的连续性；采用AES-256加密算法对传输数据进行加密，防止数据被窃取或篡改，保障通讯安全。
7. 智能诊断与故障处理环节：        控制器构建三级智能诊断体系，实时监测各环节运行状态：①控制器级诊断：双CPU每1ms对自身处理器、内存、存储单元、电源模块及通讯接口进行自检，监测运行参数是否正常；②模块级诊断：通过安全总线每10ms对扩展I/O模块进行通讯巡检，读取模块状态、固件版本及温度参数，判断模块是否正常；③通道级诊断：通过I/O模块每1ms对各信号通道进行监测，检测信号幅值、线路通断、负载状态及漂移趋势。当检测到故障时，诊断系统立即定位故障位置与类型，生成故障代码并存储至故障历史记录；同时触发相应故障处理策略：轻微故障（如信号漂移预警）仅报警提示，不影响控制功能；严重故障（如CPU故障、电源故障）立即切换至冗余单元运行，确保安全逻辑无中断。故障信息通过LCD显示屏实时显示，并上传至上位运维平台，提供故障排查指南与维护建议。

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℃~85℃，相对湿度5%-95%（凝露环境≤72小时），无强腐蚀性气体、剧烈振动（振动加速度≤3g）及强电磁干扰源，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、防爆区域作业资质及HIMA产品认证资质，熟悉HIMA相关技术规范与安全操作规程。
• 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认证调试电缆、万用表（精度≥0.01%）、绝缘电阻测试仪（量程≥1000MΩ）、接地电阻测试仪、安装有HIMA Safe EYES V6.0及以上软件的笔记本电脑、HIMA专用屏蔽通讯线缆（截面积≥1.0mm²）、防爆密封接头、防水接头、绝缘胶带、标识牌、35mm标准重型导轨等；检查控制器、冗余电源、I/O模块、通讯模块等配件的型号、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，附带认证文件与校准证书齐全。
• 线缆与设备检测：用万用表检测供电线缆、通讯线缆与I/O信号线缆导通性，导通电阻≤0.3Ω；用绝缘电阻测试仪检测线缆绝缘性，绝缘电阻≥200MΩ；检测冗余供电电源电压，确保19.2-28.8V DC，两路电压差值≤1V；检测I/O模块与传感器、执行器的匹配性，确保信号类型与量程一致。

5.2 安装步骤

1. 控制器固定安装：将35mm标准重型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≥20cm，距离柜门≥15cm，便于散热、操作与维护。将控制器对准导轨卡扣，平行推入直至听到“咔嗒”锁定声，用扭矩扳手拧紧控制器两侧固定螺丝，扭矩值设定为1.5N·m，确保控制器稳固无松动，相邻设备间距≥15mm。若安装于潮湿或粉尘环境，需加装防护罩，确保防护等级不低于IP67。
2. 冗余供电连接：采用双路独立线缆连接冗余电源，线缆规格≥1.5mm²，将第一路电源正极接入控制器“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双端接地（接地电阻≤4Ω）。接线完成后用绝缘胶带与热缩管双重包裹端子裸露部分，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. I/O模块与信号连接：根据系统设计图纸，将HIMA HIMax系列I/O模块插入控制器扩展插槽，插入时确保模块对准插槽导轨，平行推入直至听到“咔嗒”锁定声，用螺丝固定模块。将现场传感器与执行器线缆接入对应I/O模块，模拟量信号采用差分接线方式，数字量信号采用屏蔽接线方式，所有信号线缆屏蔽层单端接地。接线完成后整理线缆并固定，做好模块与通道标识，确保接线牢固无松动。
4. 通讯线缆连接：采用HIMA专用屏蔽通讯线缆连接控制器与上位系统、HMI及其他设备：①冗余以太网：将两根以太网线缆分别接入控制器“ETH1”“ETH2”接口，另一端接入交换机或上位系统以太网接口，屏蔽层单端接地；②RS485通讯：将通讯线缆接入控制器“RS485-A”“RS485-B”端子，屏蔽层单端接地，另一端接入对应设备通讯接口；③安全总线：通过专用总线线缆连接控制器与I/O模块，确保总线终端匹配电阻（120Ω）安装到位，总线长度≤1500m。连接完成后检查通讯链路通断性，确保通讯畅通。

5.3 调试流程

1. 电源与初始化测试：接通冗余供电电源，观察控制器前面板电源指示灯，“P1”“P2”绿色常亮表示双电源正常；控制器自动执行初始化程序，LCD显示屏显示“初始化中”，完成后显示“运行正常”。若初始化失败，根据显示屏故障信息排查问题（如程序损坏、模块故障）。通过HIMA Safe EYES软件连接控制器，读取控制器型号、固件版本、CPU状态、电源参数等信息，验证通讯连接正常。
2. 程序下载与参数配置：在Safe EYES软件中创建项目，导入安全逻辑程序与系统配置参数，对程序进行逻辑一致性校验与语法检查，确保程序无错误。将程序与参数下载至控制器双Flash存储单元，下载过程中软件自动监测传输状态，若传输中断立即提示并支持断点续传。下载完成后，控制器双CPU对程序与参数进行校验，校验通过后软件显示“下载成功”，控制器进入运行状态。
3. I/O模块与信号测试：进入软件“I/O诊断”界面，对每个I/O模块与通道进行测试：①输入通道：通过标准信号源向模拟量输入通道施加0%、50%、100%量程信号，观察软件显示值与实际输入值是否一致，误差应≤±0.05% FS；向数字量输入通道施加通/断信号，观察软件中通道状态是否正确切换。②输出通道：通过软件向模拟量输出通道下发0%、50%、100%量程指令，用万用表测量输出信号值，误差应≤±0.05% FS；向数字量输出通道下发通/断指令，观察执行器动作是否正确。测试完成后记录测试数据，确保所有I/O通道工作正常。
4. 逻辑功能与冗余测试：模拟现场工况，触发安全逻辑条件（如传感器信号超阈值、限位开关动作），观察控制器逻辑运算结果与执行器动作是否符合设计要求，响应时间应≤1ms。进行冗余功能测试：①手动切断主电源，观察控制器是否切换至备用电源，运行状态是否正常；②通过软件模拟CPU A故障，观察控制器是否隔离故障单元，CPU B是否接管控制功能，逻辑运算与输出是否正常；③断开主通讯链路，观察控制器是否切换至备用链路，通讯是否连续。所有测试需重复3次，确保冗余功能可靠。