火氣系統(tǒng)監(jiān)測評估技術(shù)試驗平臺設(shè)計

（中國海油能源發(fā)展股份有限公司 邊際油田開發(fā)項目組，天津300452）

目前，海洋石油平臺、浮式生產(chǎn)儲卸油裝置FPSO（floating production storage and offloading）上的安全儀表系統(tǒng)SIS 與火氣系統(tǒng)絕大部分都是各司其職，數(shù)據(jù)不能共享的。故在此探索了一種火氣系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)試驗平臺的建設(shè)方案，將海洋石油平臺中常用的SIS 與火災(zāi)控制盤相結(jié)合，配置一定的火氣探測設(shè)備，構(gòu)成一套結(jié)構(gòu)完整、規(guī)模適中的火氣探測系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。硬件試驗平臺可以將其本身的自診斷數(shù)據(jù)傳送至風(fēng)險評估系統(tǒng)，作為其分析、診斷和評估的依據(jù)，兩者有機結(jié)合，形成一個完善的、對火氣監(jiān)測和報警系統(tǒng)進行檢驗與診斷的系統(tǒng)?；趯χ髁鱏IS的研究和分析，在此以艾默生的DeltaV SIS 和AUTRONICA的火災(zāi)尋址盤為核心，搭建試驗平臺。

1 硬件試驗平臺的搭建

1.1 硬件試驗平臺的整體結(jié)構(gòu)

海上平臺火氣監(jiān)測及報警系統(tǒng)檢測技術(shù)研究硬件試驗平臺的組成如圖1所示。

圖1 海上平臺火氣監(jiān)測及報警系統(tǒng)檢測技術(shù)研究硬件試驗平臺Fig.1 Hardware test platform for researching on fire and gas monitoring and alarm system detection technology on offshore platform

硬件系統(tǒng)主要由以下3個部分構(gòu)成：

1）點對點火氣系統(tǒng) 以艾默生的DeltaV SIS為基礎(chǔ)，主要包括SLS 1508 羅輯控制器、各類型火氣探測和報警設(shè)備（包括火焰探頭、可燃氣體探頭和聲光報警裝置），以及信號模擬PLC——Control-Logix5000。點對點火氣系統(tǒng)是平臺火氣系統(tǒng)的核心，一般具備SIL3的安全完整性等級，負責(zé)平臺或處理廠的整個生產(chǎn)系統(tǒng)的火災(zāi)及氣體泄漏的監(jiān)控和防護。

2）室內(nèi)火氣控制系統(tǒng) 以AUTRONICA的可尋址火災(zāi)盤為核心，主要包括火災(zāi)控制器BS-420 和可尋址探頭（包括感煙探頭、感溫探頭和手動報警站等）。室內(nèi)火氣控制系統(tǒng)負責(zé)生活區(qū)（有的也包含MCC 間、變壓器間等現(xiàn)場房間）的火氣監(jiān)測與保護，一般具備SIL2的安全完整性等級，與點對點火氣系統(tǒng)相互配合實現(xiàn)整個平臺或處理廠的火氣監(jiān)測與保護。

3）上位機系統(tǒng) 包含工程師站和操作員站，負責(zé)艾默生SIS的監(jiān)測和組態(tài)。

1.2 DeltaV SIS的硬件組成

DeltaV SIS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

DeltaV 系統(tǒng)的主要設(shè)備有1個電源模塊、1個MD 網(wǎng)絡(luò)控制器、1個M系列串口模塊、10個SLS 1508 羅輯控制器、1個終端電阻，以及2個以太網(wǎng)交換機和配套插槽。DeltaV 系統(tǒng)的工業(yè)模塊全部掛接在系統(tǒng)總線上（如電源模塊、羅輯控制器、M系列串口模塊和SLS 1508 羅輯控制器），總線可以分為2種：生產(chǎn)數(shù)據(jù)總線和安全數(shù)據(jù)總線。

圖2 DeltaV SIS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Network structure block diagram of DeltaV SIS

1）生產(chǎn)數(shù)據(jù)總線 DeltaV的普通模塊（一般用于過程控制系統(tǒng)PCS （process control systems））數(shù)據(jù)的輸入或者模塊（安全和非安全模塊）的診斷數(shù)據(jù)均由生產(chǎn)數(shù)據(jù)總線傳輸，通過MD 網(wǎng)絡(luò)控制器傳送至上位機。在此，診斷數(shù)據(jù)為主要研究對象之一。

2）安全數(shù)據(jù)總線 主要用于SLS1508 羅輯控制器之間的數(shù)據(jù)交換。該部分數(shù)據(jù)需要參與羅輯運算及關(guān)斷輸出，對數(shù)據(jù)的準確性和實時性要求較高。該總線的性能決定著該SIS的運行質(zhì)量，因此其可靠性和可用性也是被關(guān)注對象之一。

1.3 可尋址火災(zāi)盤的硬件組成

可尋址火災(zāi)盤的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 可尋址火災(zāi)盤的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Network structure block diagram for addressable fire panel

在以DeltaV SIS為核心的火氣系統(tǒng)中，可尋址火災(zāi)盤通過冗余RS-485的總線與DeltaV 系統(tǒng)建立通信聯(lián)系，由DeltaV的上位機操作軟件實現(xiàn)針對引入可尋址火災(zāi)盤的火氣設(shè)備監(jiān)視和部分設(shè)置操作，根據(jù)安全設(shè)計的規(guī)則，通信數(shù)據(jù)不能作為火氣系統(tǒng)邏輯動作的依據(jù)。所以，火災(zāi)盤與SIS之間應(yīng)通過硬線進行聯(lián)系，將其作為邏輯動作的依據(jù)。

1）火災(zāi)控制器BS-420 整個可尋址火災(zāi)網(wǎng)絡(luò)的控制核心，通過通信模塊及內(nèi)部通信電纜與IO模塊及回路驅(qū)動卡，實現(xiàn)現(xiàn)場信號的采集及部分火氣設(shè)備的控制，完成室內(nèi)火情的監(jiān)控及邏輯控制。其基本邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 可尋址火災(zāi)盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Internal structure block diagram for addressable fire panel

BS-420 作為核心部件，負責(zé)聯(lián)系回路驅(qū)動卡、DI/DO 卡及鍵盤和顯示屏等人機接口部件，并通過以太網(wǎng)/RS-485 協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至PCS 進行監(jiān)控，其內(nèi)部的通信機制及內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完全遵循IEC-61508 來進行設(shè)計和制造，具備SIL2的安全完整性等級。

2）回路驅(qū)動模塊BSD-310可尋址火災(zāi)盤的主要模塊之一。其功能是連接和驅(qū)動可尋址設(shè)備的工作和通信，是整個網(wǎng)絡(luò)中的主要節(jié)點，具有回路短路和斷路功能，故障安全的設(shè)計保證持續(xù)的通信模式。在此重點研究該模塊針對回路斷路和短路的診斷情況，探尋可尋址探頭運行狀態(tài)的表征參數(shù)。

3）通信模塊BSL-310所有IO模塊與火災(zāi)控制器BS-420之間的通信接口。由于本身具有接地故障監(jiān)控功能，故在此主要探索其故障監(jiān)控功能的實現(xiàn)形式及其可靠性對整個可尋址系統(tǒng)性能的影響。

4）數(shù)字量輸入BSE-320 8 通道非監(jiān)視型DI輸入功能，可自定義地址。該模塊在平臺和處理廠中一般用作與SIS 主系統(tǒng)之間的通信，接收對方的DO信號 （一般為無源信號），作為自身動作的邏輯依據(jù)。在此重點研究該模塊的失效率問題、應(yīng)用的可靠性問題。

5）數(shù)字量輸入BSJ-310 8 通道非檢測型集電極開路輸出模塊，可自定義地址。該模塊在系統(tǒng)中用作DO 信號的輸出，與SIS 主系統(tǒng)信號交換，將生活區(qū)的火災(zāi)狀況通知主SIS，由主SIS 完成相關(guān)的邏輯設(shè)備（如防火風(fēng)閘、聲光報警及相關(guān)級別的關(guān)斷等）動作，或者直接驅(qū)動可尋址火災(zāi)盤的保護區(qū)域內(nèi)的消防設(shè)備（如風(fēng)閘、FM200 滅火系統(tǒng)、平臺狀態(tài)燈和聲光報警裝置等）。在此重點研究該類模塊的可靠性參數(shù)，并對其可靠性進行分析。

6）協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊BSD-321 用于將可尋址火災(zāi)盤的內(nèi)部通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為RS-485 協(xié)議，與主SIS 進行通信。該模塊主要用于可尋址火災(zāi)盤內(nèi)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視，對系統(tǒng)的保護性能并無實質(zhì)性影響，為研究和查看火災(zāi)盤的內(nèi)部狀況提供了一扇窗。

1.4 上位機及故障診斷計算機

上位機及故障診斷計算機的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 上位機及故障診斷計算機的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.5 Network topology structure for host computer and fault diagnosis compute

系統(tǒng)主要配置：以太網(wǎng)交換機2臺，ProPlus 操作站1臺，操作員站1臺和故障診斷計算機1臺以及DeltaV 系統(tǒng)中的增強性控制器，所有設(shè)備均支持工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，通過交換機實現(xiàn)個站之間的數(shù)據(jù)交換，各站之間又有各自不同的傳輸協(xié)議共同組成一個有機的系統(tǒng)。

ProPlus 操作站的功能繼承了主工程師站和應(yīng)用站的所有基本功能，既可以實組態(tài)、操作盒組態(tài)數(shù)據(jù)庫節(jié)點的典型功能，又可以作為實時數(shù)據(jù)庫加用戶選擇的應(yīng)用，包括DeltaV Batch 軟件或與工廠業(yè)務(wù)系統(tǒng)接口的其它第三方OPC 應(yīng)用。

1.5 診斷網(wǎng)絡(luò)及診斷策略的建立

1.5.1 火氣系統(tǒng)診斷實驗室的總體規(guī)劃

火氣檢測實驗室的規(guī)劃如圖6所示。

圖6 火氣檢測實驗室規(guī)劃Fig.6 Planning diagram for fire and gas testing laboratory

診斷網(wǎng)絡(luò)的建立既有通過以太網(wǎng)設(shè)備的第三方通信網(wǎng)絡(luò)，又有SIS 內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，還包含可尋址盤及探頭回路的內(nèi)部通信回路和RS485 回路。各種不同的通信機制都通過DeltaV SIS 設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，診斷計算機可以通過以太網(wǎng)以第三方設(shè)備的方式接入系統(tǒng)，直接到DeltaV 系統(tǒng)中的Plus Station 中去提取相關(guān)數(shù)據(jù)，作為診斷依據(jù)。另外，診斷服務(wù)器內(nèi)配置了足夠的接口和空間，可以實現(xiàn)多套系統(tǒng)同時接入，同時做出診斷操作。

1.5.2 可尋址火災(zāi)探測系統(tǒng)診斷策略的建立

火災(zāi)盤通過其系統(tǒng)內(nèi)部總線，收集探頭的狀態(tài)信息，并根據(jù)狀態(tài)信息執(zhí)行相關(guān)的保護邏輯?；馂?zāi)盤通過冗余RS485 總線與SIS 建立通信，并依據(jù)ModBus 地址將探頭的運行狀態(tài)（如正常、報警、故障等）輸送至SIS 中，工作站和診斷服務(wù)器通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，從而使診斷系統(tǒng)得到現(xiàn)場的運行數(shù)據(jù)，并以此作為診斷依據(jù)之一。另外，對于特定的可尋址系統(tǒng)，將探頭的探測環(huán)境、所處的工藝狀況，以及可尋址探頭的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等參數(shù)輸入診斷計算機。還可以對可尋址火災(zāi)盤的分析軟件進行開發(fā)利用，將其分析結(jié)果和探頭狀態(tài)作為診斷依據(jù)之一輸入診斷計算機，實現(xiàn)完善的可尋址火災(zāi)盤的內(nèi)部診斷和評估。

2 軟件管理系統(tǒng)

以在此所搭建的硬件實驗平臺為基礎(chǔ)，建立軟件管理系統(tǒng)?；馂?zāi)報警和氣體檢測系統(tǒng)FGS（Fire alarm and Gas detector System）簡稱火氣監(jiān)控系統(tǒng)，F(xiàn)GS 軟件管理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 FGS 軟件管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig.7 Basic structure for FGS software management system

該系統(tǒng)主要包含以下功能：①將HazOp（危險與可操作性）和FMEDA（失效模式、影響及其診斷分析）等方式引入該系統(tǒng)，實現(xiàn)規(guī)范的系統(tǒng)安全評價，并制定科學(xué)合理的檢測維護策略，實現(xiàn)火氣系統(tǒng)的跟蹤和管理；②與硬件系統(tǒng)的信息交換，建立完善完整的數(shù)據(jù)庫體系，定期對硬件實驗平臺的診斷數(shù)據(jù)進行采集，并將其作為安全評估系統(tǒng)的評估依據(jù)；③在軟件管理系統(tǒng)中，設(shè)置開放性的通信接口及相關(guān)的，使之具備與平臺在役火氣系統(tǒng)進行遠程通信功能，為平臺現(xiàn)役火氣系統(tǒng)遠程診斷操作可行性做出探索；④建立平臺火氣系統(tǒng)的基本信息數(shù)據(jù)庫，設(shè)計合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使該數(shù)據(jù)庫方既適用于硬件實驗平臺數(shù)據(jù)的采集和存儲，又適用于評估系統(tǒng)數(shù)據(jù)的提取，還可以方便火氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)的檢索。

3 結(jié)語

通過火氣系統(tǒng)監(jiān)測評估技術(shù)試驗平臺的搭建，將現(xiàn)場SIS、火災(zāi)控制盤，與各種典型的火氣探測設(shè)備結(jié)合起來，深入挖掘各種控制和探測設(shè)備的故障診斷功能，并通過OPC 等非安全數(shù)據(jù)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)提取出來，由專門的故障診斷計算機對這些狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分析，得出整個火氣系統(tǒng)的有效性分析結(jié)果。所搭建的整個試驗平臺，可以為各種分析算法的編制工作提供貼切的試驗場景，對于海洋石油生產(chǎn)裝置中火氣探測系統(tǒng)的性能優(yōu)化具有重要意義。