环境适应性设计：为产品提升适应环境能力

环境变量是影响系统可靠性和安全性的重要因素，研究可靠性必须研究系统的环境适应性。通常纳入考虑的环境变量有温度、湿度、气压、振动、冲击、防尘、防水、防腐、防爆、抗共模干扰、抗差模干扰、电磁兼容性（EMC）及防雷击等。下面简单说明一下各种环境变量对系统可靠性和安全性构成的威胁。

1.温度

环境温度过高或过低，都会对系统的可靠性带来威胁。低温一般指低于0℃的温度。我国境内的最低温度为黑龙江漠河，-52.3℃。低温的危害有电子元器件参数变化、低温冷脆及低温凝固（如液晶的低温不可恢复性凝固）等。低温的严酷等级可分为-5℃、-15℃、-25℃、-40℃、-55℃、-65℃、-80℃等。高温一般指高于40℃以上的温度。我国境内的最高温度为吐鲁番，47.6℃。高温的危害有电子元器件性能破坏、高温变形及高温老化等。高温严酷等级可分为40℃、55℃、60℃、70℃、85℃、100℃、125℃、150℃、200℃等。温度变化还会带来精度的温度漂移。设备的温度指标有两个，工作环境温度和存储环境温度。

（1）工作环境温度：设备能正常工作时，其外壳以外的空气温度，如果设备装于机柜内，指机柜内空气温度。

（2）存储环境温度：指设备无损害保存的环境温度。对于PLC和DCS类设备，按照IEC 61131-2的要求，带外壳的设备，工作环境温度为5～40℃；无外壳的板卡类设备，其工作环境温度为5～55℃。而在IEC 60654-1：1993中，进一步将工作环境进行分类为：有空调场所为A级20～25℃，室内封闭场所为B级5～40℃，有掩蔽（但不封闭）场所为C级-25～55℃，露天场所为D级-50～40℃。关于温度，在一些文章中，也经常看到商业级、工业级和军用级三种等级，这些说法是元器件厂商的习惯用语，一般并无严格定义。通常，按元器件的工作环境温度，将元器件按下列温度范围分别划分等级（不同厂家的划分标准可能不同）：商业级0～70℃，工业级-40～85℃，军用级-55～125℃。关于工业控制系统的温度分级标准，可以参见IEC 60654-1：1993（对应国标GB／T 17214.1—1998——工业过程测量和控制装置的工作条件第l部分：气候条件）或ISA 71.01—1985——Environmental Conditions for ProcessMeasurementand Control Systems：Temperature and Humidity。

2.湿度

湿度包括工作环境湿度、存储环境湿度、混合比和相对湿度。

（1）工作环境湿度：设备能正常工作时，其外壳以外的空气湿度，如果设备装于机柜内，指机柜内空气湿度。

（2）存储环境湿度：指设备无损害保存的环境湿度。

（3）混合比：是水汽质量与同一容积中空气质量的比值。

（4）相对湿度：是空气中实际混合比（r）与同温度下空气的饱和混合比（rs）之百分比。相对湿度的大小可以直接表示空气距离饱和的程度。在描述设备的相对湿度时，往往还附加一个条件——不凝结（Non-condensing），指的是不结露。因为当温度降低时，湿空气会饱和结露，所以不凝结实际上是对温度的附加要求。在空气中水汽含量和气压不变的条件下，当气温降低到使空气达到饱和时的那个温度称为露点温度，简称为露点。在气压不变的条件下，露点温度的高低只与空气中的水汽含量有关。水汽含量越多，露点温度越高，所以露点温度也是表示水汽含量多少的物理量。当空气处于未饱和状态时，其露点温度低于当时的气温；当空气达到饱和时，其露点温度就是当时的气温，由此可知，气温与露点温度之差，即温度露点差的大小也可以表示空气距离饱和的程度。

湿度对设备的影响有：

①相对湿度超过65%，就会在物体表面形成一层水膜，使绝缘劣化。

②金属在高湿度下腐蚀加快。

相对湿度的严酷等级可分为5%、10%、15%、50%、75%、85%、95%、100%等。关于工业控制系统的湿度分级标准，可以参见IEC 60654-1：1993（对应国标GB／T 17214.1—1998——工业过程测量和控制装置的工作条件第1部分：气候条件）或ISA 71.01—1985——Environmental Conditions for Process Measurement and Control Systems：Tem⁃perature and Humidity。

3.气压

空气绝缘强度随气压降低而降低（海拔每升高100 m，气压降低1%），散热能力随气压降低而降低（海拔每升高100 m，元器件的温度上升0.2～1℃）。气压的严酷等级常用海拔表示，比如海拔3 000 m。一个标准大气压等于气温在0℃及标准重力加速度（g＝9.806 65）下760 mmHg所具有的压强，即一个大气压等于1.359 51×104×9.806 65×0.76＝101 325（Pa）。海拔每升高100 m，气压下降0.67 kPa。

4.振动和冲击

振动（Vibration）是设备受连续交变的外力作用，可导致设备紧固件松动或疲劳断裂。设备安装在转动机械附近，即是典型的振动。DCS系统的振动要求标准主要是IEC 60654-3：1983《工业过程测量和控制装置的工作条件第3部分：机械影响》（等效国标为GB／T 17214.3—2000）。控制设备的振动分为低频振动（8～9 Hz）和高频振动（48～62 Hz）两种，严酷等级一般以加速度表示：0.1g、0.2g、0.5g、1g、2g、3g、5g。振动的位移幅度一般分0.35～15 mm等级。

冲击（Shock）是短时间的或一次性的施加外力。跌落就是典型的冲击。DCS系统的冲击要求标准也主要是由IEC 60654-3规定。冲击的严酷等级以自由跌落的高度来表示，一般分25 mm、50 mm、100 mm、250 mm、500 mm、1 000 mm、2 500 mm、5 000 mm和10 000 mm。

5.防尘和防水

防尘和防水常用标准为IEC 60529（等同采用国家标准为GB 4208—1993）——外壳防护等级。其他标准有NEMA 250、UL 50和508、CSAC 22.2No.94-M91。上述标准规定了设备外壳的防护等级，包含两方面的内容：防固体异物进入和防水。IEC 60529采用IP（Inter⁃national Protection）编码代表防护等级，在IP字母后跟2位数字，第1位数字表示防固体异物的能力，第2位数字表示防水能力，如IP55。IEC 60529／IP编码含义见表8-5。各种防护标准等级简易对照见表8-6。(www.xing528.com)

表8-5　IEC 60529／IP编码含义

续表

表8-6　各类防护标准等级简易对照表

6.防腐蚀

IEC 60654-4：1987将腐蚀环境分为了几个等级，主要根据硫化氢、二氧化硫、氯气、氟化氢、氨气、氧化氮、臭氧和三氯乙烯等腐蚀性气体，盐雾和油雾，固体腐蚀颗粒三大类腐蚀条件和其浓度进行分级。腐蚀性气体按种类和浓度分为四级：一级为工业清洁空气，二级为中等污染，三级为严重污染，四级为特殊情况。油雾按浓度分为四级：一级＜5μg／kg干空气，二级＜50μg／kg干空气，三级＜500μg／kg干空气，四级＞500μg／kg干空气。盐雾按距海岸线距离分为三级：一级为距海岸线0.5 km以外的陆地场所，二级为距海岸线0.5 km以内的陆地场所，三级为海上设备。固体腐蚀物未在IEC 60654-4：1987标准中分级，但该标准也叙述了固体腐蚀物腐蚀程度的组成因素，主要是空气湿度、出现频率或浓度、颗粒直径、运动速度、热导率、电导率及磁导率等。

上述规定可以参见IEC 654-4：1987（等效标准JB／T 9237.1—1999）《工业过程测量和控制装置的工作条件第4部分：腐蚀和浸蚀影响》。另外，ISA 71.04—1985——Environ⁃mental Conditions for Process Measurement and Control Systems：Airborne Contaminants也规定了腐蚀条件分级。

7.防爆

在石油化工和采矿等行业中，防爆是设计控制系统时关键安全功能要求。每个国家和地区都授权权威的第三方机构，制定防爆标准，并对申请在易燃易爆场所使用的仪表进行测试和认证。美国的电气设备防爆法规，在国家电气代码（National Electric Code，NEC，由NFPA负责发布）中，最重要的条款代码为NEC 500和NEC 505，属于各州法定的要求，以此为基础，美国各防爆标准的制定机构发布了相应的测试和技术标准，这些机构主要有国家防火协会（National Fire Protection Association，NFPA）、保险业者实验室（Underwriters Labo⁃ratories，UL）、工厂联研会（Factory Mutual，FM）和美国仪表协会（Instrumentation Systems and Automation Society，ISAS）。不过多数产品都选择通过UL或FM的认证。加拿大防爆标准的制定机构主要是加拿大标准协会（Canadian Standards Association，CSA）。

在欧洲，相应的标准由欧洲电工标准委员会（CENELEC）制定。国际标准中，主要遵循IEC 60079系列标准。在中国，国家制定了防爆要求的强制性标准，即GB 3836系列标准。检验机构主要是国家级仪表防爆安全监督检验站（National Supervision and Inspection Center for Explosion Protection and Safety of Instrumentation，NEPSI），设在上海自动化仪表所。各类防爆标准近似对应表见表8-7。

表8-7　各类防爆标准近似对应表

下面以GB 3836为例，简要介绍一下防爆的分类、等级和标记。

（1）场所分为3类，Ⅰ类为表示甲烷等气体的煤矿井下，Ⅱ类表示各种易燃易爆气体的工业场所，Ⅲ类表示有易燃易爆粉尘的场所。

（2）易爆等级分类（可燃物类型）。按易爆物质类型，其中Ⅰ类不再细分，Ⅱ类细分为A、B、C三级，Ⅲ类细分为A、B两级，A、B、C三级依次变得易引爆。

（3）温度分类。环境温度不一样，易爆程度也不同。Ⅰ、Ⅱ类分为6个级别：T1（300～450℃）、T2（200～300℃）、T3（135～200℃）、T4（100～135℃）、T5（85～100℃）和T6（低于85℃）。Ⅲ类分为三个级别：T1-1（200～270℃）、T1-2（140～200℃）和T1-3（低于140℃）

（4）类型标记符号。仪表和系统可以采用多种技术原理实现防爆功能，每种技术原理类型采用一个英文字符表示，如隔爆型“d”、冲油型“o”、正压型“p”、增安型“e”、冲砂型“q”、浇封型“m”、本安型“i”、火花型“n”、气密型“h”。其中增安型是在隔爆型的基础上再加上无火花设计形成的；本安型又分为ia和ib两级，ia安全系数更大。

（5）防爆仪表的标识。按“原理类型标记符号、场所类型、温度等级”的顺序，将上述的分类代号连成一串，组成防爆仪表的完整标识，如dⅡBT3，表示隔爆型仪表，可用于乙烯环境中，其表面温度不超过200℃；iaⅡAT5，表示本安ia型，可用于乙炔、汽油环境中，表面温度不超过100℃。

在实际应用中，本安（Intrinsic Safety）型仪表或安全栅（Intrinsic Safety Barrier）是最常见的选择。