可燃(有毒)氣體檢測(cè)系統(tǒng)上層結(jié)構(gòu)的探討

張韶煜

(洛陽(yáng)三隆公司保運(yùn)中心,河南洛陽(yáng) 471012)

0 引 言

石油化工行業(yè)很多場(chǎng)所都容易發(fā)生可燃(有毒)氣體泄漏,當(dāng)達(dá)到一定濃度時(shí),就會(huì)發(fā)生爆炸和中毒。為確保安全生產(chǎn),在石油化工生產(chǎn)裝置中,采用固定式可燃(有毒)氣體檢測(cè)器連續(xù)地監(jiān)測(cè)生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境中可燃(有毒)氣體的泄漏情況,及時(shí)發(fā)出報(bào)警,使作業(yè)人員采取有效措施,防止爆炸、火災(zāi)、中毒事件的發(fā)生。

1 相關(guān)問(wèn)題討論及建議

可燃(有毒)氣體系統(tǒng)一般由現(xiàn)場(chǎng)的可燃(有毒)氣體檢測(cè)器和室內(nèi)的報(bào)警顯示部分組成。該文主要對(duì)可燃(有毒)氣體系統(tǒng)的上層結(jié)構(gòu),即室內(nèi)的報(bào)警顯示部分進(jìn)行探討。

1.1 可靠性和經(jīng)濟(jì)性

可燃(有毒)氣體系統(tǒng)的報(bào)警顯示部分在整個(gè)系統(tǒng)中占有重要的地位。報(bào)警顯示部分的可靠性是首先需要關(guān)注的,經(jīng)濟(jì)性則是另一個(gè)重要影響因素。從整體看,系統(tǒng)可靠性是由系統(tǒng)中最不可靠的部分決定的,在整個(gè)系統(tǒng)中,現(xiàn)場(chǎng)可燃(有毒)氣體檢測(cè)器的可靠性是最差的,甚至比現(xiàn)場(chǎng)廣泛使用的普通變送器還差,以某擁有近千臺(tái)檢測(cè)器的工廠為例,其年更換的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)器有幾十臺(tái),誤報(bào)等故障處理更是更換數(shù)量的幾倍。在檢測(cè)器的測(cè)量原理等沒(méi)有根本性的改善之前,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)器可靠性差的問(wèn)題無(wú)法根本解決。

在可燃(有毒)氣體檢測(cè)器可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后現(xiàn)有普通變送器的情況下,過(guò)分強(qiáng)調(diào)報(bào)警顯示部分的可靠性是不合理,也是不經(jīng)濟(jì)的。由于可燃(有毒)氣體檢測(cè)器問(wèn)題,造成系統(tǒng)不能保證100%完好的情況在實(shí)際工作中經(jīng)常出現(xiàn)。作為一種安全儀表,檢測(cè)器的可靠性連普通變送器都比不上,是可燃(有毒)氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)不得不面對(duì)的問(wèn)題,在報(bào)警顯示部分的可靠性和經(jīng)濟(jì)性之間找到平衡點(diǎn)是十分重要的。

裝置出現(xiàn)供電故障時(shí),極易出現(xiàn)設(shè)備、流程的異常,可燃(有毒)介質(zhì)泄漏的危險(xiǎn)性也隨即提高,這時(shí)保證可燃(有毒)氣體報(bào)警檢測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著重要的意義。在實(shí)際使用過(guò)程中,由于供電故障造成系統(tǒng)停車的現(xiàn)象多有發(fā)生,為提高控制系統(tǒng)可靠性,現(xiàn)在對(duì)DCS,SIS,CCS等系統(tǒng)都要求支持雙路供電,確保在一路電源消失的情況下,系統(tǒng)仍能保證控制功能。作為安全儀表的可燃(有毒)氣體報(bào)警檢測(cè)系統(tǒng)也理應(yīng)如此,報(bào)警顯示部分在完成顯示報(bào)警功能的同時(shí),也擔(dān)負(fù)著現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)器的供電任務(wù),確保報(bào)警顯示部分支持雙路供電,就可以確保可燃(有毒)氣體報(bào)警檢測(cè)系統(tǒng),在一路電源消失的情況下,仍能保證實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、顯示、報(bào)警功能。

1.2 可維護(hù)性

從維護(hù)角度看,報(bào)警顯示部分要有一定的通用性,不能太過(guò)特殊,應(yīng)該滿足技術(shù)的普遍性和發(fā)展趨勢(shì),信號(hào)接口應(yīng)能適應(yīng)不同廠家的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)器,并在今后幾年間不會(huì)被淘汰,便于采購(gòu)和替換,這對(duì)減少備件種類和數(shù)量,降低維護(hù)成本,提高維護(hù)效率有著實(shí)際意義。另外,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)器每個(gè)季度都要按規(guī)定進(jìn)行校驗(yàn),同時(shí)報(bào)警檢測(cè)部分需要確保不過(guò)分干擾系統(tǒng)的正常使用。比如,在系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí),要求DCS會(huì)自動(dòng)彈出報(bào)警畫(huà)面,發(fā)出聲光報(bào)警,而如果沒(méi)有考慮校驗(yàn)的問(wèn)題,在進(jìn)行季度校驗(yàn)時(shí),DCS就會(huì)不斷彈出報(bào)警畫(huà)面并發(fā)出聲光報(bào)警,對(duì)工藝操作造成直接的影響,特別是部分裝置的檢測(cè)器近百臺(tái),這種情況就更為突出。

另外,由于裝置規(guī)模的改造擴(kuò)建,適用標(biāo)準(zhǔn)的提高,就需要報(bào)警顯示部分的人機(jī)界面可以靈活地進(jìn)行增減修改,以滿足新的需要。

1.3 可用性和數(shù)據(jù)追憶

在實(shí)際使用中,由于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)器誤報(bào)造成的干擾,需要進(jìn)行合理的處置設(shè)計(jì),過(guò)多的誤報(bào)必然導(dǎo)致系統(tǒng)的癱瘓,即使勉強(qiáng)使用,也會(huì)由于麻木,喪失必要的警惕性;避免報(bào)警被隨意關(guān)閉,也是實(shí)際應(yīng)用中需要考慮的。

可燃(有毒)氣體報(bào)警檢測(cè)系統(tǒng)最終的目的是供人員使用,保證人員安全的,所以報(bào)警顯示部分的人機(jī)界面是必須進(jìn)行考慮的。出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí),及時(shí)準(zhǔn)確地讓人員知曉危險(xiǎn)出現(xiàn)、區(qū)域及程度,對(duì)人員的危險(xiǎn)避讓、危險(xiǎn)處理是十分關(guān)鍵的。

按照現(xiàn)在的管理規(guī)定,在裝置出現(xiàn)事故后,需要對(duì)事故原因進(jìn)行分析,追查責(zé)任,這樣就要求可燃(有毒)氣體報(bào)警檢測(cè)系統(tǒng)有完善的數(shù)據(jù)追憶功能,提供歷史數(shù)據(jù)、歷史報(bào)警、操作記錄等真實(shí)信息,供事故分析使用。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的探討

2.1 現(xiàn)有幾種結(jié)構(gòu)的介紹

2.1.1 檢測(cè)器+盤(pán)裝表

檢測(cè)器+盤(pán)裝表結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)是最悠久的一種模式,使用時(shí)間最長(zhǎng),范圍最廣,價(jià)格便宜,易于實(shí)施;但也存在沒(méi)有數(shù)據(jù)追憶功能、危險(xiǎn)區(qū)域顯示不直觀、不支持雙路供電等缺點(diǎn)。

圖1 檢測(cè)器+盤(pán)裝表結(jié)構(gòu)示意

2.1.2 檢測(cè)器+盤(pán)裝表+DCS/PLC

檢測(cè)器+盤(pán)裝表+DCS/PLC結(jié)構(gòu)有部分?jǐn)?shù)據(jù)追憶功能,危險(xiǎn)區(qū)域顯示可以做得比較直觀,易于實(shí)施;但也存在一次投入多、沒(méi)有實(shí)質(zhì)的雙路供電和自診斷功能等缺點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)有兩種形式:由盤(pán)裝表傳到DCS/PLC的是開(kāi)關(guān)量信號(hào),DCS只能顯示記錄報(bào)警情況,如圖2所示;由盤(pán)裝表傳到DCS/PLC的是4～20 mA信號(hào),DCS/PLC可以顯示記錄具體的檢測(cè)數(shù)據(jù)。這兩種形式,由于還是利用盤(pán)裝表給檢測(cè)器供電,不支持雙路供電,盤(pán)裝表和檢測(cè)器的供電可靠性都比不上DCS/PLC;但另一方面,盤(pán)裝表在DCS/PLC進(jìn)行點(diǎn)檢、停電檢修時(shí)還可以進(jìn)行顯示報(bào)警。

圖2 檢測(cè)器+盤(pán)裝表+DCS/PLC結(jié)構(gòu)示意

2.1.3 檢測(cè)器+DCS/PLC

檢測(cè)器+DCS/PLC結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)將檢測(cè)器以三線制的形式直接作為DCS/PLC的模擬量輸入,直接在DCS/PLC中顯示、記錄、報(bào)警,利用DCS/PLC軟件功能,可以方便地實(shí)現(xiàn)歷史趨勢(shì),報(bào)警記錄等功能,利用強(qiáng)大的流程圖組態(tài)功能,可以將可燃(有毒)氣體檢測(cè)器分布直觀地顯示出來(lái),同時(shí)顯示危險(xiǎn)區(qū)域位置,便于人員快速定位,支持雙路供電,有自診斷功能,便于判斷故障,支持在線更換和在線組態(tài)下裝,還可以方便地將數(shù)據(jù)上傳到全廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù);但也存在一次投入較多等缺點(diǎn)。另外,PLC的配置和工程實(shí)施如果不合適的話,會(huì)使以上部分優(yōu)點(diǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

圖3 檢測(cè)器+DCS/PLC結(jié)構(gòu)示意

2.1.4 檢測(cè)器+GDS+DCS/PLC

檢測(cè)器+GDS+DCS/PLC結(jié)構(gòu)如圖4所示。GDS實(shí)際是以PLC為核心的專用系統(tǒng),通過(guò)配置的上位機(jī)及其軟件實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的顯示、報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄等功能,同時(shí)通過(guò)通信將可燃(有毒)氣體檢測(cè)報(bào)警信息傳給DCS,使DCS也可以對(duì)可燃(有毒)氣體進(jìn)行監(jiān)視,并通過(guò)DCS將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳給全廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。但部分GDS也存在配置偏低,CPU,網(wǎng)絡(luò)均沒(méi)有進(jìn)行冗余配置,不支持雙路供電,沒(méi)有獨(dú)立的硬聲光報(bào)警,只有1臺(tái)操作站進(jìn)行顯示報(bào)警,可靠性低于DCS;由于獨(dú)立設(shè)置一套系統(tǒng),一次投入較多。

圖4 檢測(cè)器+GDS+DCS/PLC結(jié)構(gòu)示意

2.2 結(jié)構(gòu)探討

2.2.1 比較分析

a)現(xiàn)有可燃(有毒)氣體檢測(cè)報(bào)警二次盤(pán)裝表,價(jià)格低,技術(shù)成熟,但不支持雙路供電;沒(méi)有數(shù)據(jù)追憶能力;自診斷功能不完善,甚至沒(méi)有;出現(xiàn)報(bào)警時(shí),不能十分直觀地向人員展示危險(xiǎn)區(qū)域。但具有成本優(yōu)勢(shì)。如果二次盤(pán)裝表擴(kuò)充功能,使之可以支持雙路供電和數(shù)據(jù)追憶能力,具有完善的自診斷功能,可以直觀地向人員展示危險(xiǎn)區(qū)域,數(shù)據(jù)可以上傳工廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng),在可靠性和功能提高的同時(shí),成本優(yōu)勢(shì)可能也會(huì)喪失。

b)現(xiàn)有的DCS本身的CPU、電源、節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)就是冗余配置,支持雙路供電和數(shù)據(jù)追憶功能;具有完善的自診斷功能;利用流程圖和邏輯組態(tài)功能,可以直觀地顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息,直觀地向人員展示危險(xiǎn)區(qū)域的位置;可以方便地將數(shù)據(jù)上傳到工廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)器可以三線制的形式作為模擬信號(hào)引入DCS。從系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠、使用的方便靈活、維護(hù)的方便快捷看,DCS是有優(yōu)勢(shì)的。

c)現(xiàn)有的PLC種類很多,配置十分靈活,具有比較完善的自診斷功能?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)器也可以三線制的形式作為模擬信號(hào)引入PLC,軟件也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、流程畫(huà)面顯示、報(bào)警信息顯示、數(shù)據(jù)上傳等功能。但由于具體配置和工程實(shí)施的不統(tǒng)一,使CPU、電源、節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)的冗余配置,雙路供電的支持,在線組態(tài)下裝等要求在實(shí)際使用中無(wú)法滿足。由于可燃(有毒)氣體檢測(cè)器的特性,PLC運(yùn)算速度快的特點(diǎn)也無(wú)從發(fā)揮。甚至由于種類、配置的不同,在單點(diǎn)成本上也不一定比DCS低。

d)現(xiàn)有的GDS基本上都是以PLC作為控制核心,獨(dú)立進(jìn)行可燃(有毒)氣體的顯示報(bào)警。繼承了PLC的特點(diǎn),配置十分靈活,有些 GDS突出安全性,采用硬件三重化的 PLC作為核心;有些GDS根據(jù)實(shí)際點(diǎn)數(shù),采用小型PLC作為核心。同時(shí)通過(guò)通信將數(shù)據(jù)傳給DCS,使DCS也可以監(jiān)視檢測(cè)數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)上傳到全廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。GDS上位基本上都是采用一臺(tái)PC機(jī)作為人機(jī)界面,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示報(bào)警記錄。

從現(xiàn)有的情況看,硬件三重化的PLC可靠性高于DCS,單點(diǎn)成本高于DCS;小型PLC可靠性低于DCS,單點(diǎn)成本低于DCS;小型PLC的可靠性高于盤(pán)裝表,單點(diǎn)成本與盤(pán)裝表相比相差不大。由于系統(tǒng)的可靠性是由系統(tǒng)中最不可靠的部分決定的,在整個(gè)可燃(有毒)氣體檢測(cè)系統(tǒng)中,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)器的可靠性是最差的,一般使用時(shí)間為3年左右,長(zhǎng)的可以用5年,短的只有1年,在顯示報(bào)警部分使用盤(pán)裝表就可以基本滿足需要;使用硬件三重化的PLC就整個(gè)系統(tǒng)看,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正面影響還無(wú)法體現(xiàn)出來(lái),費(fèi)效比最差;就系統(tǒng)整體看,小型PLC的可靠性是夠用的,但是,可燃(有毒)氣體檢測(cè)系統(tǒng)屬于安全儀表,有著一些特殊的要求。如何確保裝置檢修時(shí),可燃(有毒)氣體檢測(cè)系統(tǒng)仍能工作?如何確保裝置停電或UPS出現(xiàn)故障時(shí),可燃(有毒)氣體檢測(cè)系統(tǒng)仍能工作?如何確保某一部分出現(xiàn)故障時(shí),不會(huì)使可燃(有毒)氣體檢測(cè)系統(tǒng)全部癱瘓?如何直觀地顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)、泄漏區(qū)域?如何滿足數(shù)據(jù)追憶的需要?都是需要考慮的問(wèn)題。由于小型PLC無(wú)法滿足硬件硬冗余、電源雙路冗余供電等一些基本要求,在危險(xiǎn)時(shí)的應(yīng)用還有不足;如果提高PLC的配置,使其不低于DCS的可靠性,這樣一來(lái),其實(shí)際單點(diǎn)成本就會(huì)高于DCS,而且由于還要將檢測(cè)報(bào)警信息通信給DCS進(jìn)行顯示報(bào)警和上傳,還會(huì)增加不少DCS的工程量,同時(shí)還要增加軟硬件的學(xué)習(xí)培訓(xùn)成本、備品備件成本,從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度看,獨(dú)立設(shè)置GDS是不合適的;就目前看,DCS為應(yīng)對(duì)各類可能的危險(xiǎn),需要在工程設(shè)計(jì)和檢修作業(yè)中做一些特殊要求,但就可靠性、經(jīng)濟(jì)性、適用性、維護(hù)性等方面的平衡看,是目前最好的一種選擇。

當(dāng)然,隨著技術(shù)的發(fā)展,尤其是隨著現(xiàn)場(chǎng)可燃(有毒)氣體檢測(cè)器可靠性的提高,可燃(有毒)氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之發(fā)生變化,以適應(yīng)技術(shù)的進(jìn)步和使用要求的提高。但就目前的情況看,利用DCS作為報(bào)警顯示部分,比較好地平衡了系統(tǒng)可靠性、經(jīng)濟(jì)性、適用性、維護(hù)性等方面的需求。

2.2.2 選擇應(yīng)用

由于現(xiàn)場(chǎng)情況和客戶需求復(fù)雜多樣,不可能用一種結(jié)構(gòu)形式滿足各種需求,這就需要在應(yīng)用時(shí)根據(jù)具體情況進(jìn)行合理的選擇。

在點(diǎn)數(shù)很少,又沒(méi)有采用DCS,PLC監(jiān)控的情況下,宜于選用可燃(有毒)氣體檢測(cè)報(bào)警二次盤(pán)裝表結(jié)構(gòu)。

如果裝置采用DCS作為控制系統(tǒng),宜于直接將檢測(cè)器接入DCS(見(jiàn)圖3)。檢測(cè)信號(hào)要設(shè)置在獨(dú)立的一個(gè)或幾個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi),其他的信號(hào)不接入這個(gè)(些)節(jié)點(diǎn);在這個(gè)(些)節(jié)點(diǎn)內(nèi)配置1對(duì)冗余DO卡,設(shè)置輸出一個(gè)或幾個(gè)報(bào)警驅(qū)動(dòng)信號(hào),以硬接線的方式直接驅(qū)動(dòng)設(shè)置在控制室、現(xiàn)場(chǎng)的聲光報(bào)警設(shè)備,聲光報(bào)警設(shè)備應(yīng)分別驅(qū)動(dòng),避免聲報(bào)和光報(bào)同時(shí)故障,同時(shí)也便于在不影響報(bào)警效果的情況下,對(duì)聲報(bào)和光報(bào)進(jìn)行差異化設(shè)置,同時(shí)在指定操作站彈出顯示泄漏區(qū)域的畫(huà)面,對(duì)人員進(jìn)行提示。在裝置檢修期間,確?？扇?有毒)氣體檢測(cè)報(bào)警部分不斷電,如必須進(jìn)行斷電檢修,必須采取應(yīng)急替代措施,以保證檢修現(xiàn)場(chǎng)人員安全。如:在夜間檢修現(xiàn)場(chǎng)停止作業(yè),再對(duì)可燃(有毒)氣體檢測(cè)報(bào)警部分進(jìn)行斷電檢修;在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置臨時(shí)可燃(有毒)氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)施;攜帶便攜式可燃有毒氣體檢測(cè)報(bào)警儀。

如果裝置只采用PLC作為控制系統(tǒng),需要根據(jù)PLC的配置和危險(xiǎn)程度進(jìn)行選擇。如果PLC采取CPU,電源、節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)、操作站冗余的配置,支持雙路供電,支持在線組態(tài)下裝,直接將檢測(cè)器接入PLC(見(jiàn)圖3)是可行的。如果PLC沒(méi)采取以上配置,所轄區(qū)域危險(xiǎn)程度又高,那么采用盤(pán)裝表+PLC結(jié)構(gòu)是比較合理的,但要采取從盤(pán)裝表取4～20 mA信號(hào)到 PLC的方式,便于PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)追憶。如果PLC所轄區(qū)域危險(xiǎn)程度不高,直接將檢測(cè)器接入PLC也是可行的。不管采取哪種形式,獨(dú)立的聲光報(bào)警硬輸出、畫(huà)面提示、報(bào)警信息提示、數(shù)據(jù)記錄、檢修等基本要求與DCS是一樣的。

如果使用方要求必須在DCS外設(shè)置獨(dú)立的GDS,那么其軟硬件配置的可靠性要求必須不低于DCS,獨(dú)立的聲光報(bào)警硬接線輸出、支持雙路供電、支持在線更換硬件、即插即用、支持在線組態(tài)下裝、畫(huà)面提示、報(bào)警信息提示、數(shù)據(jù)記錄、趨勢(shì)顯示等基本要求一樣不能少,而且也需要在檢修作業(yè)中滿足一些特殊要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著安全理念的不斷進(jìn)步,生產(chǎn)條件的不斷變化,技術(shù)進(jìn)步的推進(jìn),可燃(有毒)氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也會(huì)不斷進(jìn)行完善,更好地承擔(dān)起保護(hù)生命的重任。

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