HIMA F7131 是德国黑马（HIMA）公司旗下F 71系列安全可编程逻辑控制器（Safety PLC）系统的一款安全型模拟量输入模块。该产品属于功能安全I/O模块类别，专为安全仪表系统（SIS）设计，用于高可靠性地采集来自现场变送器（如温度、压力、液位变送器）的4-20mA或0-10V DC等模拟量信号，并将这些信号安全地传输给安全控制器进行处理，是连接危险过程与安全大脑的关键“感官神经”。
应用场景：
在一座大型海上天然气处理平台的紧急关断（ESD）系统中，高压分离器的压力和低温分离器的温度是决定平台是否需紧急关停的关键安全参数。安装在设备上的安全型变送器将信号送入 HIMA F7131 模拟量输入模块。该模块采用双通道、带诊断的冗余设计，每个通道独立测量并相互校验。当压力信号超过高高限或温度低于低低限时，F7131 会将这些经过安全处理的信号可靠地传送给HIMA安全CPU。CPU执行预置的安全逻辑，瞬间发出关断指令，切断上游来气，防止超压爆炸或低温冻堵导致的设备损坏。在整个过程中，F7131 不仅要求测量精准，更重要的是必须杜绝因自身故障导致的误动作或拒动作，其可靠性直接关乎平台数百人的生命安全和数十亿的资产。这体现了其作为安全系统“可信赖感官”的至高价值。
核心参数速览：
主要参数 | 数值/说明 |
|---|
产品型号 | F7131 |
制造商 | 黑马 (HIMA) |
产品系列 | F 71 系列 安全PLC系统 |
产品类别 | 安全型模拟量输入模块 (Safety Analog Input Module) |
安全认证 | 通过 TÜV 认证，符合 IEC 61508 / IEC 61511 标准，支持最高达 SIL 3 的安全应用 |
通道数量 | 通常为2个或4个隔离的模拟量输入通道 (具体以手册为准) |
输入信号类型 | 4-20 mA (两线制/四线制) 或 0-10 V DC， 可通过软件/硬件配置 |
测量精度 | 高精度 (典型 ±0.1% 满量程)，确保安全测量的准确性 |
安全架构 | 冗余测量与诊断：每个通道采用双路A/D转换和连续自诊断 (如开路、短路、超范围检测) |
内部隔离 | 通道间、通道与总线间、通道与地之间电气隔离，防止干扰和故障蔓延 |
故障安全状态 | 可配置为安全值 (如0 mA, 22 mA) 或保持最后有效值，并上报诊断信息 |
诊断功能 | 强大的板级和通道级诊断，包括硬件故障检测、通讯监视等，诊断覆盖率 (DC) 高 |
通信总线 | 通过HIMA Safe Ethernet 或内部安全总线与F71系列CPU通信 |
工作温度 | 宽工业温度范围 (如 -40°C 至 +70°C) |
技术原理与创新价值：
创新点1：面向安全的冗余架构与高诊断覆盖率。 HIMA F7131 的核心设计哲学是 “故障安全” 。其内部每个模拟量输入通道并非简单的一个电路，而是包含两套独立的信号调理和模数转换（A/D）电路。这两套电路持续并行工作并比较结果。同时，模块集成了一系列在线自诊断功能，如信号线断线监测、短路检测、超量程检测、以及A/D转换器自身的周期性测试。这种“冗余+诊断”的设计确保了单点故障能被立即检测出来，并将模块导向预定义的安全状态，从而满足SIL 3对硬件安全完整性（HFT=1， SFF>90%）的严苛要求。
创新点2：精确的测量与完善的信号调理。 在确保安全的前提下，F7131 并未牺牲测量性能。它提供高精度的模数转换和低漂移的基准电压，确保过程变量的微小变化也能被准确捕获。其输入电路具备强大的抗电磁干扰（EMI）能力和过压/过流保护，能适应恶劣的工业现场环境。此外，它支持软件配置输入类型（电流/电压）和量程，并可能提供线性化和滤波功能，为安全逻辑运算提供高质量、可靠的输入数据。
创新点3：无缝集成于HIMA安全生态系统。 F7131 作为F 71系列的一部分，其硬件和软件与HIMA的安全CPU、工程工具（如Safety Manager）深度集成。配置、编程和诊断都在统一的环境下完成。模块能通过安全总线将丰富的诊断信息（如“Channel 1 wire break”、“硬件比较错误”）实时上报给CPU和上位监控系统，实现预测性维护。这种集成化设计简化了工程、调试和维护的全生命周期工作，提升了整个安全系统的可管理性。
应用案例与行业价值：
某大型化工园区的苯乙烯装置，其核心反应器设有基于HIMA安全系统的独立超压保护回路。
应用流程： 反应器压力由三台冗余的安全型压力变送器测量，信号分别接入三个独立的 HIMA F7131 模块通道。系统采用“2oo3”（三取二）投票逻辑。F7131 模块持续对自身和输入信号进行诊断。某日，其中一个变送器因引压管轻微堵塞导致信号漂移，其对应的 F7131 通道的自诊断功能检测到信号变化率异常，随即标记该通道为“可疑”并上报，但未触发跳车。维护人员根据报警信息，在计划停车时处理了该隐患。
带来的改进： 由于 F7131 的高诊断能力，系统成功区分了一次真实的潜在过程危险和一次仪表故障，避免了不必要的非计划停车，据估算单次避免的停车损失超过百万美元。安全工程师评价：“F7131 不仅是一个输入卡，更是一个智能的‘哨兵’。它的诊断功能让我们能提前发现仪表隐患，在安全的前提下最大化装置运行时间。其SIL 3认证也让我们在安全审计中充满信心。”
相关产品组合方案：
HIMA F71系列CPU模块： 如 F 35 或 F 37 安全控制器，是执行安全逻辑的大脑，与 F7131 等I/O模块协同工作。
其他HIMA安全I/O模块： 如 F 7121 (数字量输入)、F 7231 (数字量输出)、F 7331 (模拟量输出)，共同构成完整的SIS I/O站。
HIMA Safe Ethernet模块： 用于系统间安全通信或连接非安全网络。
安全型现场仪表： SIL 2/SIL 3认证的压力变送器、温度传感器、液位开关等，为 F7131 提供可靠信号源。
HIMA Safety Manager 工程软件： 用于对包括 F7131 在内的整个F71系统进行硬件配置、安全逻辑编程、测试和维护。
机架与电源模块： F 71 系列专用的机架底板和冗余电源，为所有模块提供稳定供电和背板通信。
TÜV认证的安全生命周期服务： 包括SIL验证、安全审计、维护培训等，确保整个安全系统合规。
安装维护与全周期支持：
安装与调试： 安装 HIMA F7131 必须由经过安全培训的专业人员按照安全规范进行。模块需正确插入F 71系列机架的指定槽位。现场信号电缆的接线需遵循隔离和屏蔽的最佳实践，并施加正确扭矩。调试阶段，使用 Safety Manager 软件对模块进行硬件配置（设置通道类型、量程、故障安全值等），并进行回路测试（Loop Check），包括信号校准和断线/短路模拟测试，以验证整个输入回路（从变送器到模块到软件显示）的功能和诊断的正确性。所有调试记录必须存档。
维护与全周期支持： 日常维护主要是通过系统诊断工具监控模块和通道的健康状态。定期（根据安全要求规格书确定）进行功能安全测试，包括对每个 F7131 输入通道模拟过程危险条件，验证其是否能正确触发安全动作。测试应覆盖正常范围、超限值和故障状态。
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