GDS指示報警設(shè)備設(shè)計方案探討

張少鵬，霍光學(xué)，馬濤，劉健

(中國石油工程建設(shè)公司 華東設(shè)計分公司，山東 青島 266071)

GB 50493—2009《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范》[1]中規(guī)定可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)GDS(combustible and toxic gas detection and alarm system)宜獨立設(shè)置，要求GDS具備檢測和發(fā)出報警信號的功能，不受對應(yīng)生產(chǎn)裝置過程控制系統(tǒng)故障的影響。

GDS包括可燃、有毒氣體檢測探頭和指示報警設(shè)備兩部分，指示報警設(shè)備又由報警控制器、指示器、報警器等設(shè)備組成?？扇己陀卸練怏w不是生產(chǎn)過程的控制目標，所以檢測探頭功能獨立，通常不會與過程控制系統(tǒng)共用；而指示報警設(shè)備卻與過程控制系統(tǒng)的指示報警設(shè)備功能相同，甚至可以使用相同的硬件設(shè)備。

文獻[1]第5.3.1條要求GDS指示報警設(shè)備能為氣體檢測器供電；能夠接受探測器報警信號并發(fā)出聲光報警；按規(guī)定量程顯示可燃氣體和有毒氣體的體積分數(shù)；具有開關(guān)量輸出；顯示和報警中能夠區(qū)分不同報警點；符合要求的報警觸發(fā)、保持和消除程序；具有智能故障診斷功能；具有報警時間和順序記錄功能。這些要求與一般過程控制系統(tǒng)、安全儀表系統(tǒng)的要求類似，因而GDS的指示報警設(shè)備可以通過DCS，SIS等系統(tǒng)實現(xiàn)，也存在與相關(guān)系統(tǒng)共用的可能性。

文獻[1]第5.3.2條說明根據(jù)工廠的規(guī)模和特點，GDS的指示報警設(shè)備可按以下4種方式設(shè)置：

1) 與火災(zāi)檢測報警系統(tǒng)合并設(shè)置。

2) 采用獨立的工業(yè)程序控制器、可編程序控制器。

3) 采用常規(guī)的模擬儀表。

4) 當(dāng)與生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)(包括DCS，SCADA等)合并設(shè)計時，輸入/輸出卡件應(yīng)獨立設(shè)置。

第2)種和第3)種方式的GDS指示報警設(shè)備是獨立于過程控制系統(tǒng)設(shè)置的，其他2種則與控制系統(tǒng)合并設(shè)置。

在文獻[1]發(fā)布以后，行業(yè)內(nèi)又陸續(xù)發(fā)布了GBZ/T 223—2009《工作場所有毒氣體檢測報警裝置設(shè)置規(guī)范》[2]、HG/T 20573—2012《分散型控制系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》[3]、GB 50116—2013《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[4]、SH/T 3092—2013《石油化工分散型控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[5]等規(guī)范，這些規(guī)范均對相關(guān)問題做出了規(guī)定。

在這種情況下，有必要研究文獻[1]規(guī)定的GDS指示報警設(shè)備的4種設(shè)置方式與相關(guān)規(guī)范的差異，以及在石油化工工程設(shè)計中，如何根據(jù)具體工程的特點在這4種方式中選擇合理的設(shè)計方案。

1 采用獨立的工業(yè)程序控制器或可編程序控制器

采用獨立的工業(yè)程序控制器或可編程序控制器，可設(shè)計成專用GDS指示報警設(shè)備，滿足文獻[1]第5.3.1條對GDS指示報警設(shè)備功能的要求。

GBZ/T 223—2009《工作場所有毒氣體檢測報警裝置設(shè)置規(guī)范》適用于工作場所有毒氣體檢測報警裝置的設(shè)置、使用和管理，是GDS設(shè)計中需要執(zhí)行的另一項規(guī)范，其6.4條對有毒氣體報警控制器的功能要求與文獻[1]一致。

需要注意的是，文獻[1]要求指示報警設(shè)備應(yīng)能記錄可燃氣體和有毒氣體報警時間，并且能區(qū)分最先報警點，即需要GDS指示報警設(shè)備具有順序事件記錄(SOE)功能，并要求其具有故障智能診斷功能，能夠識別探測器故障和回路斷線故障。文獻[2]也要求報警控制器具有斷線、探測器失效和電源欠壓等故障的診斷功能。

在使用可編程序控制器構(gòu)成GDS指示報警設(shè)備時，軟硬件系統(tǒng)需要進行專門的設(shè)計，才能滿足上述要求，應(yīng)參照DCS和SIS，由專業(yè)制造商生產(chǎn)專用系統(tǒng)，保證GDS的可靠性和完整性。

2 采用常規(guī)的模擬儀表

用于GDS指示報警的模擬儀表一般采用模塊化設(shè)計，通常會根據(jù)檢測回路的數(shù)量和控制室的設(shè)置情況，采用盤裝、柜裝或壁掛式安裝。過去一般用于控制水平要求較低，檢測回路較少，或業(yè)主有特殊要求的場合，現(xiàn)在已很少采用。

常規(guī)模擬儀表獨立于過程控制系統(tǒng)，能夠為可燃和有毒氣體檢測探頭供電，并可實現(xiàn)每回路獨立工作，將報警信號輸出到過程控制系統(tǒng)。

由于常規(guī)模擬儀表一般是單回路儀表，不具備SOE功能，如果需要嚴格滿足文獻[1]的規(guī)定，就需要在常規(guī)模擬儀表以外，另外配置1套SOE 設(shè)備，失去了常規(guī)模擬儀表簡單經(jīng)濟的優(yōu)點，并且從模擬儀表輸出報警信號到SOE設(shè)備的過程中，增加了故障環(huán)節(jié)，可能會影響SOE設(shè)備對報警時間的記錄可靠性。

因此，除非檢測點非常少而且判定為不需要區(qū)分報警順序的場合，一般不應(yīng)采用這種方式。

3 與火災(zāi)檢測報警系統(tǒng)合并設(shè)置

對于大規(guī)模的GDS，文獻[1]推薦與火災(zāi)報警系統(tǒng)FAS(fire alarm system)合并設(shè)置，即構(gòu)成了火災(zāi)報警和氣體檢測系統(tǒng)F&GS(fire alarm and gas detector system)。F&GS屬于工廠多層安全防護系統(tǒng)中的緩解層，其安全功能獨立于DCS和SIS，可以在工藝過程失控，火災(zāi)或油氣泄漏發(fā)生后，減少事故擴大，降低資產(chǎn)損失的風(fēng)險。

目前，國內(nèi)尚未發(fā)布以F&GS為主體的設(shè)計規(guī)范。對于F&GS的2個組成部分，GDS的主要設(shè)計規(guī)范是文獻[1]，F(xiàn)AS的主要規(guī)范是文獻[4]。該規(guī)范規(guī)定FAS由火災(zāi)探測器、手動火災(zāi)報警按鈕、火災(zāi)聲光報警器、消防應(yīng)急廣播、消防專用電話、消防控制室圖形顯示裝置、火災(zāi)報警控制器、消防聯(lián)動控制器等組成，不包括GDS。文獻[4]第8.1.2條進一步要求“可燃氣體探測報警系統(tǒng)應(yīng)獨立組成，可燃氣體探測器不應(yīng)接入火災(zāi)報警控制器的探測器回路；當(dāng)可燃氣體的報警信號需接入火災(zāi)自動報警系統(tǒng)時，應(yīng)由可燃氣體報警控制器接入。”第8.1.4條規(guī)定在消防控制室圖形顯示裝置或起集中控制功能的火災(zāi)報警控制器上，顯示的可燃氣體報警信息和故障信息應(yīng)區(qū)別于火災(zāi)報警信息。

因此，如果設(shè)計F&GS，應(yīng)分為GDS和FAS兩個相對獨立的子系統(tǒng)。GDS的探測器、輸入輸出卡件和報警控制器均獨立于FAS，其報警信息和故障信息應(yīng)接入火災(zāi)報警控制器顯示和報警。可燃氣體報警控制器發(fā)出報警信號時，應(yīng)能通過FAS啟動保護區(qū)域的火災(zāi)聲光警報器。如需要消防聯(lián)動相關(guān)受控設(shè)備時，應(yīng)通過可燃氣體報警控制器或消防聯(lián)動控制器實現(xiàn)。

4 與生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)合并設(shè)計

在這種方式中，GDS直接作為DCS或SCADA等過程控制系統(tǒng)的一部分，采用相同的系統(tǒng)硬件和軟件。文獻[1]要求GDS要考慮保證其功能獨立的安全措施，最少要采用獨立的I/O卡件，也可以考慮設(shè)置獨立的DCS控制器和操作站。文獻[2]對報警控制器的選用要求與文獻[1]類似，第6.4.5條要求“報警控制器宜獨立于生產(chǎn)工藝控制儀表，配置在有人員值守的位置”。文獻[3]第4.2.4條要求DCS采用通信方式與GDS聯(lián)用，這種情況下GDS自成獨立系統(tǒng)，僅報警信號在DCS上顯示。如果GDS報警設(shè)備與DCS控制器組成功能更完善的過程控制系統(tǒng)(PCS)，各自的現(xiàn)場儀表和I/O卡件應(yīng)獨立設(shè)置。文獻[5]第10.2條允許可燃氣體和有毒氣體檢測信號直接接入DCS，但要求用于GDS的I/O卡件應(yīng)獨立配置，并且為安全責(zé)任人員設(shè)置單獨的操作站。

石化和化工行業(yè)分散型控制系統(tǒng)設(shè)計標準均要求DCS能夠記錄報警順序或區(qū)分第一事故報警，與文獻[1]對GDS指示報警設(shè)備的要求一致。

綜上所述，DCS的性能完全滿足GDS指示報警設(shè)備的要求，GDS可以和DCS合并設(shè)計，甚至組成PCS。但是，考慮到GDS屬于工藝過程的保護層，用于GDS的I/O卡件、控制器等應(yīng)獨立設(shè)置，保證其功能獨立。與DCS合并設(shè)計時，GDS實際是作為DCS的一個子系統(tǒng)，采用DCS的硬軟件組成相對獨立的系統(tǒng)。

5 指示報警設(shè)備的選擇

根據(jù)石油化工廠或裝置的多保護層結(jié)構(gòu)，GDS功能獨立于DCS和SIS等系統(tǒng)，宜獨立設(shè)置，或者與FAS構(gòu)成F&GS。

采用獨立的GDS是工程設(shè)計的首選方案，也是最靈活的方案。從前面的分析可以看出，文獻[1]規(guī)定的4種方式，都需要設(shè)計成獨立或相對獨立的GDS。工程設(shè)計中，應(yīng)該根據(jù)生產(chǎn)過程需要的安全完整性等級，結(jié)合性價比參數(shù)等在可編程序控制器、DCS和SIS等產(chǎn)品中選用合適的系統(tǒng)硬件和軟件構(gòu)建獨立的GDS。當(dāng)工程項目規(guī)模較大，可燃和有毒氣體檢測點數(shù)、火災(zāi)報警點數(shù)較多，安全、消防和聯(lián)動控制要求較高時，應(yīng)設(shè)計F&GS。這2種方式中，GDS的各部分設(shè)備基本都是獨立的，區(qū)別僅在于顯示和報警設(shè)備是否與FAS合用。

常規(guī)模擬儀表的方案可以實現(xiàn)GDS指示設(shè)備的主要功能，但由于其本身結(jié)構(gòu)限制，不能實現(xiàn)SOE功能。當(dāng)現(xiàn)場報警點數(shù)很少，不需要區(qū)分報警順序時，可以采用這種方案，否則不宜采用。

當(dāng)然，對于一些檢測點較少的生產(chǎn)過程單元，單獨設(shè)置報警控制器的投資相對較高，控制器的負載也較低，造成浪費。該情況下，可以多個單元共同設(shè)置GDS報警控制器，在各單元只設(shè)置GDS的遠程I/O，然后將GDS報警輸出通信至過程控制系統(tǒng)，在未設(shè)置GDS指示報警設(shè)備的單元控制室或值班室，通過過程控制系統(tǒng)的顯示設(shè)備實現(xiàn)相應(yīng)的指示報警。

當(dāng)工程要求不獨立設(shè)置GDS或F&GS時，與DCS合并設(shè)置也是目前經(jīng)常選擇的一種方案。該方案可以較好地利用DCS在企業(yè)內(nèi)覆蓋廣泛的通信網(wǎng)絡(luò)和顯示操作站，更好地傳送GDS報警信息。需要注意的是，GDS的I/O卡件和報警控制器必須獨立，才能滿足GDS保護功能的需要。與采用DCS硬件獨立設(shè)置GDS的方案相比，該方案中GDS的通信網(wǎng)絡(luò)和顯示屏幕與DCS共用，直接作為DCS網(wǎng)絡(luò)(或PCS網(wǎng)絡(luò))的一部分，而不是通過RS-485，OPC等通信方式與DCS傳送信息。但如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題，會導(dǎo)致操作站無法顯示報警信息。

6 結(jié)束語

文獻[1]提出的GDS指示報警設(shè)備4種設(shè)置方式中，推薦采用獨立的GDS。無論是在可編程序控制器、DCS和SIS等產(chǎn)品中選擇合適的軟硬件配置成獨立的GDS，還是與其他系統(tǒng)合并設(shè)計成F&GS或PCS，GDS指示報警設(shè)備中的I/O卡件、報警控制器等都應(yīng)獨立設(shè)置，但指示器和報警器可以獨立設(shè)置，也可以與其他系統(tǒng)共用。在工程設(shè)計中，應(yīng)結(jié)合工程特點，對GDS指示報警設(shè)備的設(shè)計方案做出具體的選擇。

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