張金棟，李 光，姜久超

(1.滄州聚隆化工有限公司，河北省滄州市渤海新區(qū)臨港化工園區(qū)化工大道南側(cè) 061199；2.河北水利電力學(xué)院安穩(wěn)處，河北省滄州市重慶路1號(hào) 061001；3.河北水利電力學(xué)院自動(dòng)化與通信工程學(xué)院，河北省滄州市重慶路1號(hào) 061001)

化工企業(yè)由于化工產(chǎn)品種類繁多、產(chǎn)品多樣化，工藝繁簡(jiǎn)不一，化工生產(chǎn)裝置和輔助設(shè)施中有可能不可避免的會(huì)存在很多有毒/可燃?xì)怏w和液體?；て髽I(yè)排放的有毒/可燃?xì)怏w或液體不僅污染大氣影響生態(tài)環(huán)境，而且很容易引發(fā)火災(zāi)、人員中毒或爆炸等事故，嚴(yán)重的會(huì)危及到人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全。為了防止化工企業(yè)可能因泄露造成的人身傷害及火災(zāi)或爆炸等安全事故的發(fā)生，為了保障企業(yè)能正常安全生產(chǎn)，必須在有毒/可燃?xì)怏w和液體有可能泄漏的設(shè)備附近、可能聚集的場(chǎng)所，設(shè)置有毒/可燃?xì)怏w檢測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)化工場(chǎng)所各種氣體的濃度參數(shù)，并將信號(hào)上傳至顯示報(bào)警控制單元及操作員站，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)氣體濃度超標(biāo)存在危險(xiǎn)時(shí)，可以及時(shí)預(yù)警，這整套有毒/可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)稱為GDS(Gas Detection & Alarm System)系統(tǒng)。

1 GDS系統(tǒng)概述

以前化工企業(yè)的可燃/有毒氣體監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)是由可燃?xì)怏w及有毒氣體檢(探)測(cè)器和指示報(bào)警設(shè)備兩部分組成的，而在2020年1月1日起實(shí)施的《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50493-2019)增加了新的要求，可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警信號(hào)應(yīng)送至有人值守的現(xiàn)場(chǎng)控制室、中心控制室等進(jìn)行顯示報(bào)警，可燃?xì)怏w二級(jí)報(bào)警信號(hào)和報(bào)警控制單元的故障信號(hào)，應(yīng)送至消防控制室進(jìn)行圖形顯示和報(bào)警，可以設(shè)置一臺(tái)獨(dú)立的操作員站和顯示器[1]。

新的標(biāo)準(zhǔn)里要求GDS系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)氣體檢測(cè)報(bào)警儀(包括探頭、變送器、顯示器、聲光報(bào)警等)、機(jī)柜式氣體報(bào)警控制單元、數(shù)據(jù)采集模塊和工程師站、操作站等組成，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)通訊模件完成于操作員站或第三方系統(tǒng)(設(shè)備)之間的通訊，接受相關(guān)信息并傳遞實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)聲光報(bào)警、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、遠(yuǎn)程顯示報(bào)警、歷史記錄查詢等功能[2]。

可燃/有毒氣體檢測(cè)器負(fù)責(zé)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種氣體檢測(cè)，并將采集的氣體濃度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的信號(hào)，通過(guò)串行通訊的方式傳送至GDS控制單元上，GDS控制單元根據(jù)各點(diǎn)的檢測(cè)值分別與各自設(shè)定的報(bào)警上下限數(shù)值相比較，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)器測(cè)到的有毒或可燃?xì)怏w濃度超過(guò)設(shè)定的上限或低于下限時(shí)，GDS控制單元?jiǎng)t通過(guò)其DO模塊輸出或關(guān)閉報(bào)警信號(hào)，開啟或關(guān)閉聲光報(bào)警器及相關(guān)設(shè)備。

操作人員可以通過(guò)操作站的人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)監(jiān)視廠區(qū)內(nèi)所有檢測(cè)點(diǎn)的情況，包括探測(cè)器現(xiàn)場(chǎng)位置布置圖、氣體濃度值，報(bào)警上限值，實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線及數(shù)據(jù)等，當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)也可以通過(guò)操作站進(jìn)行消音和報(bào)警響應(yīng)。

2 GDS系統(tǒng)的功能與特點(diǎn)

2.1 GDS系統(tǒng)功能

通過(guò)GDS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警處理、遠(yuǎn)程控制、設(shè)備管理與一體化，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)廠區(qū)內(nèi)危險(xiǎn)氣體泄漏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并智能化判斷報(bào)警，支持聲光報(bào)警、視屏聯(lián)動(dòng)報(bào)警等多種報(bào)警功能?？捎行ьA(yù)防企業(yè)安全事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程氣體泄漏監(jiān)測(cè)與管理，保障企業(yè)安全生產(chǎn)運(yùn)行。GDS系統(tǒng)功能可分為4個(gè)層次。

(1)氣體檢測(cè)層：氣體檢測(cè)變送器固定安裝在車間、倉(cāng)庫(kù)、儲(chǔ)罐等區(qū)域，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)可燃、有毒氣體的濃度值。

(2)區(qū)域控制器：氣體檢測(cè)報(bào)警控制器集中顯示各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的濃度值，當(dāng)濃度值超過(guò)預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí)自動(dòng)聲光報(bào)警。

(3)連鎖控制器：自帶報(bào)警開關(guān)量輸出與故障輸出，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排風(fēng)、噴淋、切斷、停車、報(bào)警等安全連鎖功能。

(4)上位機(jī)層：完成數(shù)據(jù)采集顯示、邏輯運(yùn)算、動(dòng)作輸出、人機(jī)交互等功能，并具有數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)功能、自診斷功能、編輯畫面功能、閃爍報(bào)警、在線修改功能和時(shí)鐘同步等功能。

2.2 GDS系統(tǒng)的特點(diǎn)

為了保證GDS系統(tǒng)的安全性和可操作性,從硬件方面系統(tǒng)采用的是雙機(jī)架冗余結(jié)構(gòu)，其中電源、控制器和網(wǎng)絡(luò)全部采用雙冗余結(jié)構(gòu),冗余模式下，硬件發(fā)生單點(diǎn)故障系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行；并且具有響應(yīng)快(冗余切換時(shí)間典型值90 ms、任務(wù)調(diào)度最小時(shí)間不超過(guò)100 μs、系統(tǒng)最快回路控制周期50 ms)、容量大(單控制站可添加124個(gè)I/O從站、系統(tǒng)支持的I/O容量大于10 000點(diǎn))、維護(hù)方便(日志讀取工具可記錄異常操作、故障等日志信息超過(guò)10 000條、通過(guò)系統(tǒng)信息指令庫(kù)和系統(tǒng)狀態(tài)指令庫(kù)，分別獲取各模塊的信息和診斷信息、模塊支持熱插拔)等特點(diǎn)。

3 GDS系統(tǒng)的構(gòu)成

依據(jù)新的標(biāo)準(zhǔn)要求現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)要傳送至現(xiàn)場(chǎng)控制室、中心控制室等進(jìn)行圖形顯示及報(bào)警，即現(xiàn)場(chǎng)氣體探頭測(cè)量輸出的4～20 mADC電流信號(hào)，傳至機(jī)柜間控制柜，通過(guò)控制器的處理，以Modbus TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，通過(guò)以太網(wǎng)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳；如果機(jī)柜間和防爆控制室之間距離較遠(yuǎn)，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，采用光纖傳輸；在控制室上位機(jī)上進(jìn)行集中的顯示、報(bào)警、監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄。由工作站、控制柜、I/O柜、交換機(jī)、探測(cè)器、報(bào)警設(shè)備等構(gòu)成硬件構(gòu)架，示意圖如圖1所示。上位機(jī)軟件可以采用國(guó)內(nèi)成熟的力控科技的forcecontrol 7.2進(jìn)行組態(tài)開發(fā),上層應(yīng)用靈活性強(qiáng),可以圖形顯示、報(bào)警顯示、報(bào)警信息、查看實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史數(shù)據(jù)等功能，后期若需求變更可及時(shí)快速高效的更新應(yīng)用，也可進(jìn)行自定義的開發(fā)增加功能。

圖1 GDS系統(tǒng)硬件構(gòu)架Fig.1 GDS system hardware architecture

4 對(duì)GDS系統(tǒng)的要求及注意事項(xiàng)

4.1 GDS系統(tǒng)的硬件、軟件應(yīng)分別獨(dú)立設(shè)置

可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)不能和生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)合并設(shè)計(jì)和使用，是為了保證工藝裝置生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或停機(jī)時(shí)，GDS系統(tǒng)仍能正常工作。

4.2 GDS系統(tǒng)電源的要求

GDS系統(tǒng)作為裝置的安全獨(dú)立保護(hù)層，其可靠性是確保生產(chǎn)安全的基本要求。事故一旦發(fā)生，GDS系統(tǒng)能使工作人員及時(shí)監(jiān)測(cè)氣體泄漏點(diǎn)并做出相應(yīng)處理，防止事故擴(kuò)大，為了保障GDS系統(tǒng)能正常工作，因此系統(tǒng)應(yīng)采用兩段電源供電的雙UPS電源供電。

4.3 GDS系統(tǒng)接地要求

正常情況下，GDS系統(tǒng)要求機(jī)柜及背板外殼做保護(hù)接地和信號(hào)線纜屏蔽層做屏蔽接地這兩種接地，并保證單端接地，做接地時(shí)不能將GDS系統(tǒng)的接地線通過(guò)其它設(shè)備間接接地，接地線的線徑最低不能小于2.5 mm2，接地線標(biāo)識(shí)顏色應(yīng)為黃綠兩色，接地電阻要求小于4 Ω。

4.4 GDS系統(tǒng)SIL(Safety Integrity Level-安全完整性等級(jí))等級(jí)的要求

探測(cè)器信號(hào)用于警示報(bào)警時(shí)，GDS報(bào)警控制單元采用獨(dú)立設(shè)置的以微處理器為基礎(chǔ)的電子產(chǎn)品即可，既不需要取得SIL認(rèn)證，也不需要取得消防產(chǎn)品型式檢測(cè)報(bào)告；探測(cè)器信號(hào)用于消防聯(lián)動(dòng)時(shí)，GDS報(bào)警控制單元應(yīng)采用取得國(guó)家消防電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心型式檢測(cè)報(bào)告的專用可燃?xì)怏w報(bào)警控制器；探測(cè)器信號(hào)用于安全聯(lián)鎖時(shí)，根據(jù)《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T 50770有關(guān)規(guī)定，SIL1及以下安全等級(jí)的聯(lián)鎖信號(hào)可接入GDS，SIL2及以上安全等級(jí)的聯(lián)鎖信號(hào)應(yīng)接入SIS(安全儀表系統(tǒng))系統(tǒng)。

4.5 注意事項(xiàng)

探測(cè)器的檢測(cè)元件使用壽命在正常情況下，半導(dǎo)體式為3年，催化式為2年，電化學(xué)式為1年，要避免人為的經(jīng)常高濃度氣體的沖擊，這樣可能會(huì)降低元件的靈敏度；探測(cè)器不要安裝在有水蒸氣彌漫或長(zhǎng)期有水淋的場(chǎng)所，避免經(jīng)常斷電，經(jīng)常性的斷電將導(dǎo)致檢測(cè)元件工作不穩(wěn)定；在使用過(guò)程中要定期檢查儀表是否正常工作，調(diào)零與標(biāo)定周期至少每3個(gè)月1次[3]。

5 GDS系統(tǒng)故障及維護(hù)方法

GDS系統(tǒng)在使用中常會(huì)發(fā)生控制系統(tǒng)故障(即控制系統(tǒng)硬件或軟件產(chǎn)生的故障)和測(cè)量故障(即發(fā)生在探測(cè)器或者測(cè)量回路上的故障)兩種類型。出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，根據(jù)報(bào)警信息判斷是控制系統(tǒng)故障還是測(cè)量方面的故障，再做具體分析判斷。

當(dāng)GDS系統(tǒng)出現(xiàn)控制系統(tǒng)故障報(bào)警時(shí)，可以根據(jù)以下3種方式進(jìn)行排查故障。

(1)檢查模塊的狀態(tài)指示燈?，F(xiàn)場(chǎng)巡檢，當(dāng)冗余系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，請(qǐng)檢查模塊狀態(tài)指示燈，以確定發(fā)生故障的模塊。如有任何模塊的ERR指示燈呈紅色長(zhǎng)亮，則可通過(guò)查看診斷功能塊來(lái)獲取詳細(xì)的故障診斷信息，如控制器狀態(tài)指示說(shuō)明見表1所示。

表1 控制器狀態(tài)指示說(shuō)明

(2)查看系統(tǒng)診斷變量組SysDiagVar。在工程師站或操作站上通過(guò)全局變量節(jié)點(diǎn)下的變量組SysDiagVar查看雙機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及系統(tǒng)故障診斷，從機(jī)模塊的診斷信息需登陸到從機(jī)查看。

(3)查看診斷功能塊信息。在工程師站或操作站上通過(guò)診斷信息來(lái)確定模塊詳細(xì)的故障原因，需要用戶在AutoThink中組態(tài)各模塊的診斷。

通過(guò)模塊、卡件指示燈顯示，判斷是否異常，或通過(guò)上位機(jī)上報(bào)的模塊故障檢測(cè)代碼，確定故障類型，根據(jù)故障現(xiàn)象進(jìn)行相應(yīng)的處理方法，都能使系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)GDS系統(tǒng)出現(xiàn)測(cè)量方面的故障時(shí)，首先根據(jù)上位機(jī)畫面顯示的信息找到報(bào)警內(nèi)容、探測(cè)器的位號(hào)和現(xiàn)場(chǎng)安裝位置，其次根據(jù)報(bào)警的詳細(xì)信息、可能的故障原因做出不同的處理方法，如表2所示。

表2 故障信息、原因及處理方法

在工作中根據(jù)上述的處理方法能夠快速有效的查找出故障原因，消除故障點(diǎn)，使數(shù)據(jù)顯示正常，保障GDS系統(tǒng)運(yùn)行正常。

6 結(jié)束語(yǔ)

GDS氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)可連續(xù)嚴(yán)密監(jiān)視環(huán)境中可燃/有毒性氣體的濃度，及早發(fā)現(xiàn)隱患，提醒現(xiàn)場(chǎng)操作人員及時(shí)采取有效安全防范措施，對(duì)保證企業(yè)與人身的安全，避免事故的發(fā)生具有重要的作用。維護(hù)人員只有從基礎(chǔ)的故障入手，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)要仔細(xì)分析產(chǎn)生的原因并及時(shí)正確處理，對(duì)于遇到的新問(wèn)題吃透、摸透，才能保障GDS系統(tǒng)的正常運(yùn)行。希望本文中提到的GDS系統(tǒng)故障現(xiàn)象及維護(hù)方法對(duì)大家維護(hù)GDS系統(tǒng)能提供綿薄之力。