HIMA Z7116
一、产品概述
HIMA Z7116是一款高安全性数字量输入模块，隶属于HIMA HIQuad X或H41q等安全相关控制系统的I/O模块家族，专为石油化工、油气开采、化工过程、电力及轨道交通等对安全完整性要求极高的领域设计。其核心功能是精准采集现场安全相关数字量信号（如紧急停车按钮、安全门开关、压力开关跳闸信号等），经过安全级信号处理、隔离转换后传输至安全控制器，为安全仪表系统（SIS）、紧急停车系统（ESD）提供高可靠的原始信号支撑，确保在危险工况下实现精准监测与快速响应，保障人员、设备及环境安全。
该模块符合IEC 61508安全标准，安全完整性等级（SIL）达到SIL 3级，具备故障安全设计特性。采用冗余化硬件架构和严格的信号校验机制，支持在线诊断和热插拔功能，具备优异的抗电磁干扰性能和宽环境适应性。模块集成多通道独立采集电路，可适配不同类型的数字量输入信号，广泛应用于反应釜超压监测、油气管道泄漏检测、机组紧急停机控制等关键安全场景，是安全相关控制系统中不可或缺的核心感知组件。
二、技术参数
参数类别 | 参数名称 | 具体参数 | 单位 |
|---|
基本与安全参数 | 型号 | HIMA Z7116 | - |
产品类型 | 安全级数字量输入（DI）模块 | - |
适配系统 | HIMA HIQuad X、H41q等安全控制器系统 | - |
安全认证 | IEC 61508 SIL 3，ATEX、IECEx、UL 61508认证 | - |
外形尺寸（长×宽×高） | 140×100×50 | mm |
安装方式 | DIN导轨安装，兼容HIMA标准I/O机架 | - |
采集性能参数 | 采集通道数量 | 16路独立数字量输入通道 | 路 |
支持信号类型 | 干接点（通断信号）、湿接点（DC 24V/48V），可配置 | - |
输入电压范围 | DC 19.2~60V（湿接点模式） | V |
输入电流 | ≤10mA/通道（湿接点激活状态） | mA |
响应时间 | ≤1ms（信号变化至模块识别），可通过软件配置（1~100ms） | ms |
通道配置 | 16路通道可独立配置为正常/反向逻辑，支持分组诊断 | - |
电气参数 | 供电电压 | DC 24V ±20%（由HIMA安全I/O机架冗余供电） | V |
最大功耗 | ≤8W（16路通道满载运行） | W |
隔离性能 | 通道间隔离：1500VAC/1min；通道与背板间隔离：2500VAC/1min | VAC/min |
浪涌与ESD保护 | 符合IEC 61000-4-5（浪涌±2kV）、IEC 61000-4-2（ESD ±15kV空气） | kV |
环境参数 | 工作温度范围 | -20~60℃（工业宽温） | ℃ |
存储温度范围 | -40~85℃ | ℃ |
相对湿度 | 5%~95%（无凝露，符合IEC 60068-2-3标准） | % |
抗电磁干扰性能 | 符合IEC 61000-4-3/4标准，射频干扰屏蔽等级≥40dB | dB |
三、功能特点
- SIL 3安全等级，故障安全设计：模块严格按照IEC 61508标准设计，通过SIL 3级安全认证，具备故障安全（Fail-Safe）特性。采用双核心MCU冗余架构，两路核心电路并行采集同一信号并相互校验，若检测到两路数据偏差超过阈值，立即触发故障报警并将通道状态置为安全模式（如默认低电平）。硬件层面集成独立的故障检测电路，软件层面采用周期性自检和在线诊断机制，确保任何单一故障都能被及时检测，避免因模块故障导致安全功能失效，满足安全仪表系统对高可靠性的核心要求。
- 16路独立采集，灵活信号适配：配备16路全独立数字量输入通道，每路通道均可通过软件独立配置为干接点或湿接点模式，湿接点支持DC 19.2~60V宽电压输入，可直接对接紧急停车按钮、安全门限位开关、压力开关、液位开关等各类安全相关传感器。通道支持正常逻辑（高电平有效）和反向逻辑（低电平有效）配置，可根据现场传感器信号特性灵活调整。16路通道可分为4个诊断组，支持分组启动诊断，提升诊断效率，适配不同区域的信号采集需求。
- 多重隔离防护，抗扰性能卓越：采用全方位电气隔离设计，16路通道之间实现1500VAC/1min隔离，通道与模块背板及电源之间实现2500VAC/1min隔离，可有效阻断现场接地环路干扰、电磁辐射干扰及电源波动对采集精度的影响。输入回路集成浪涌抑制和ESD防护电路，能抵御±2kV浪涌冲击和±15kV空气静电干扰，符合工业现场严苛的电磁环境要求。模块外壳采用增强型金属屏蔽结构，射频干扰屏蔽等级达40dB以上，可在化工、油气等强电磁干扰场景中稳定运行。
- 在线诊断与故障预警，运维精准高效：具备全生命周期在线诊断功能，诊断覆盖率达99%以上，可实时监测模块内部核心电路（双MCU、AD转换器、隔离单元）、电源状态及输入通道异常（如断线、短路、过电压）。诊断信息通过安全总线实时上传至HIMA安全控制器，同时模块正面的LED指示灯（电源灯、运行灯、故障灯及每路通道状态灯）直观显示运行状态，便于现场运维人员快速定位故障类型（如模块故障、某通道短路）。支持通过HIMA HIMax Configurator组态软件查看历史诊断日志，助力预测性维护。
- 热插拔与冗余兼容，可用性倍增：支持热插拔功能，在安全控制器不停机、系统正常运行的情况下，可直接插拔模块进行更换或维护。模块拔出时，控制器自动识别并将对应通道状态置为安全模式，执行预设的安全逻辑（如触发报警但不误动作）；插入新模块后，自动完成初始化并与控制器同步配置参数，快速恢复采集功能，无需重启系统，大幅缩短维护时间。模块兼容HIMA安全系统的冗余架构，可与另一块同型号模块组成冗余采集对，实现“同源信号双采集”，进一步提升信号采集的可靠性。
- 快速响应与精准同步，安全控制保障：通道响应时间可通过软件配置，最小响应时间≤1ms，能快速捕捉现场传感器的状态变化，如紧急停车按钮的触发信号可在1ms内传输至控制器，为紧急停机等安全控制动作争取时间。模块通过HIMA专用安全总线与控制器通讯，数据传输速率达100Mbps，且具备时钟同步功能，16路通道的采集时间戳误差≤10μs，确保多通道信号的时间一致性，便于控制器进行逻辑联锁判断，避免因时间差导致的误判。
- HIMA系统无缝集成，组态便捷：完全兼容HIMA HIQuad X、H41q等安全控制系统的硬件架构和软件平台，通过系统背板安全总线与控制器高速通讯，支持控制器对模块的全参数配置和状态监控。支持HIMA HIMax Configurator和HIMA Planar Safety组态软件，工程师可通过图形化界面配置通道模式（干接点/湿接点）、响应时间、逻辑类型及诊断参数，无需编写底层驱动程序。组态参数可在线下载至模块，支持参数批量复制，提升多模块配置效率。
四、工作原理
HIMA Z7116数字量输入模块作为HIMA安全控制系统的核心感知单元，以“安全信号采集-双核心校验-隔离转换-数据传输-在线诊断”为核心工作链路，结合故障安全设计实现高可靠数据采集，具体工作流程如下：
- 模块初始化与组态加载：模块安装至HIMA安全I/O机架并接通冗余电源后，自动启动初始化流程。首先执行硬件自检，检测双MCU、隔离单元、电源电路及总线通讯接口的完整性；随后通过安全总线与安全控制器建立通讯，控制器读取模块ID信息并下发预设组态参数（通道模式、响应时间、逻辑类型、诊断周期等）。初始化完成后，模块通过LED指示灯显示“正常运行”状态，向控制器反馈“就绪”信号，进入采集待命状态。若自检或组态加载失败，立即触发故障报警并将通道置为安全模式。
- 安全信号接入与采集：现场安全相关传感器（如紧急停车按钮、安全门开关）的数字量信号通过接线端子接入模块16路独立通道。湿接点模式下，模块内部提供隔离电源为传感器供电，传感器通断产生的电压信号经浪涌抑制、滤波电路处理后，分别传输至双MCU的采集端口；干接点模式下，传感器通断直接控制采集回路的通断，产生的信号经隔离后传输至双MCU。双MCU同时对同一通道信号进行采集，确保采集数据的冗余性。
- 双核心校验与逻辑处理：双MCU采集到信号后，立即执行数据校验流程：两路MCU将采集的数字信号进行比对，若偏差在允许范围内（如≤1个LSB），则确认信号有效，按照组态的逻辑类型（正常/反向）转换为标准数字逻辑信号；若偏差超过阈值，立即判定为采集故障，触发内部故障处理机制，将该通道状态置为安全模式（如默认低电平），并记录故障信息。同时，MCU对信号进行周期性采样，采样频率根据响应时间配置（1~100ms可调），确保信号变化无遗漏。
- 隔离传输与安全通讯：校验后的有效信号经光电隔离单元传输至模块背板通讯接口，通过HIMA专用安全总线以100Mbps速率实时上传至安全控制器。通讯过程采用加密校验协议，每帧数据均包含CRC校验码和时间戳，控制器接收后验证数据完整性和时间一致性，确保数据传输无错误、无延迟。若模块处于冗余配置状态，两块冗余模块的采集数据会同时上传至控制器，控制器通过冗余校验算法选择有效数据，实现无扰冗余切换。
- 在线诊断与故障处理：模块在运行过程中，执行多层级在线诊断：①硬件诊断：双MCU相互监测运行状态，周期性执行自测试指令；②通道诊断：通过监测输入电流/电压识别断线（电流接近0）、短路（电流过大）、过电压等异常；③通讯诊断：通过与控制器的周期性心跳交互识别通讯中断。故障发生时，立即执行动作：①将通道置为安全模式；②向控制器上传故障代码和故障通道信息；③点亮对应LED故障指示灯；④冗余配置时，触发备用模块优先采集。
