基于西門子PLC的GDS聯(lián)網(wǎng)升級(jí)改造及數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用

黃 瑞

（中國(guó)石油寧夏石化分公司）

某公司煉油裝置共有生產(chǎn)裝置及公用工程15 套，各裝置相距較遠(yuǎn)，故建設(shè)之初在相對(duì)集中的裝置現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間各設(shè)立一套獨(dú)立的可燃、有毒氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱GDS），共計(jì)12 套，各系統(tǒng)自成一體，功能獨(dú)立，無(wú)法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管控。 日常管理過(guò)程中，因地域分散，需耗費(fèi)大量人力資源及時(shí)間成本。

針對(duì)當(dāng)前GDS 管理日趨嚴(yán)格的現(xiàn)狀，為提高日常管理的便利性， 降低人力資源和時(shí)間成本，并考慮公司信息化、 智能化工廠建設(shè)的需要，亟需對(duì)GDS 進(jìn)行升級(jí)改造。

1 GDS 簡(jiǎn)介

GDS 主要用于現(xiàn)場(chǎng)可燃、 有毒氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)警、記錄，當(dāng)檢測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)濃度超標(biāo)時(shí)發(fā)出報(bào)警，提醒操作、管理人員注意并采取相應(yīng)措施，屬于化工安全儀表系統(tǒng)，是化工裝置安全生產(chǎn)的一道應(yīng)急救援保護(hù)層， 為提前檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備泄漏、人員防護(hù)等方面提供可靠保障。

目前GDS 設(shè)計(jì)主要遵循GB/T 50493—2019［1］和原國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見(jiàn)》（安監(jiān)總管三〔2014〕116 號(hào)）。

某公司煉油裝置的GDS 是由西門子S7-300系列PLC 構(gòu)建而成，主要由CPU、以太網(wǎng)模塊、模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、Modbus 通信模塊、工程師站、監(jiān)控操作站及聲光報(bào)警設(shè)施等組成，每套系統(tǒng)各自獨(dú)立，分別位于現(xiàn)場(chǎng)12 個(gè)機(jī)柜間內(nèi)，互不相連。

在實(shí)際應(yīng)用中，需分別對(duì)各個(gè)機(jī)柜間的GDS安排人員進(jìn)行巡檢， 或同一人員完成12 個(gè)GDS巡檢，耗時(shí)較長(zhǎng)。 同時(shí)，工藝操作人員提出，在外操人員外出巡檢期間，現(xiàn)場(chǎng)GDS 將存在監(jiān)控空白期，若發(fā)生意外泄漏情況無(wú)法第一時(shí)間響應(yīng)。 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)后， 可以有效降低人工和時(shí)間成本，同時(shí)避免現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控出現(xiàn)空白期。

2 聯(lián)網(wǎng)升級(jí)改造

2.1 可行性分析

首先，GDS 聯(lián)網(wǎng)需要現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間實(shí)現(xiàn)與中央控制室的網(wǎng)絡(luò)通信，對(duì)該煉油裝置區(qū)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，該煉油裝置共有15 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間， 各個(gè)機(jī)柜間網(wǎng)絡(luò)柜通過(guò)獨(dú)立的多芯光纜與710 中央控制室機(jī)柜間相連完成DCS、SIS 系統(tǒng)通信，形成了星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 同時(shí)，每個(gè)機(jī)柜間的多芯光纜均有富余的備用芯光纖，本項(xiàng)目無(wú)需單獨(dú)敷設(shè)光纜，利用備用芯光纖即可實(shí)現(xiàn)GDS 的聯(lián)網(wǎng)。

其次， 對(duì)12 套GDS 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備現(xiàn)狀進(jìn)行了分析， 其中11 套GDS 中均安裝有EDS-208A 型號(hào)的8 口網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，用以實(shí)現(xiàn)PLC 和現(xiàn)場(chǎng)上位監(jiān)控操作站之間的通信，該型號(hào)交換機(jī)沒(méi)有光纖接口，要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，需將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行通信。 另外，712 單元GDS 安裝的是AR550C-2C6GE 型號(hào)的4 光8 電網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，有4 個(gè)光纖接口，無(wú)需光電信號(hào)轉(zhuǎn)換。 同時(shí)，各個(gè)單元的A/B CPU、工程師站、監(jiān)控操作站的網(wǎng)絡(luò)IP地址均統(tǒng)一為192.168.0.101/102、192.168.0.100、192.168.0.200，系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后，會(huì)造成IP 地址之間沖突。

最后， 由于煉油裝置區(qū)12 套GDS 均是基于西門子S7-300 系列PLC 和FameView 軟件開(kāi)發(fā)的， 系統(tǒng)架構(gòu)與軟件平臺(tái)均一致， 為實(shí)現(xiàn)全廠GDS 的聯(lián)網(wǎng)提供了可能性。

2.2 聯(lián)網(wǎng)升級(jí)方案

分析可知，要實(shí)現(xiàn)GDS 聯(lián)網(wǎng)，需要解決電信號(hào)和光信號(hào)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，從而利用各個(gè)機(jī)柜間的備用芯光纖，將信號(hào)匯總至710 中央控制室實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。 解決這一問(wèn)題有兩種方案：一是將無(wú)光纖接口的11 個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)更換為4 光8 電的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，利用光纖跳線與光纖盒相連，從而實(shí)現(xiàn)光纖連接； 二是在除712 單元以外的11 個(gè)GDS中加裝一個(gè)2 電2 光的光電轉(zhuǎn)換器，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)， 再利用光纖跳線與光纖盒相連，從而實(shí)現(xiàn)光纖連接。 通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，方案一的成本較高，故選擇方案二，同時(shí)在710 中央控制室機(jī)柜間加裝一臺(tái)24 光8 電的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)， 用于將各個(gè)機(jī)柜間過(guò)來(lái)的GDS 光信號(hào)進(jìn)行匯總，同時(shí)獨(dú)立的交換機(jī)使得GDS 和DCS 相互獨(dú)立， 避免了對(duì)DCS 的干擾，保障了兩個(gè)系統(tǒng)的相對(duì)安全。 另外， 需對(duì)每一個(gè)用網(wǎng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)IP 地址進(jìn)行重新規(guī)劃設(shè)置（表1），防止聯(lián)網(wǎng)后地址沖突。

表1 GDS IP 地址分配表

通過(guò)對(duì)GDS 組態(tài)的分析可知，硬件組態(tài)過(guò)程中，只需要對(duì)A/B CPU、現(xiàn)場(chǎng)工程師站和操作站的IP 地址進(jìn)行更改即可。 上位監(jiān)控軟件組態(tài)過(guò)程中，由于12 套系統(tǒng)架構(gòu)一致，項(xiàng)目中的變量名稱命名規(guī)則也一致，變量名稱重復(fù)度在90%以上，為滿足710 中央控制室可以監(jiān)視全廠區(qū)域范圍內(nèi)的可燃、有毒氣體泄漏報(bào)警情況，需將12 套GDS 監(jiān)控項(xiàng)目整合至1 個(gè)項(xiàng)目中， 故需對(duì)每個(gè)項(xiàng)目的變量進(jìn)行重新組態(tài)， 以防止名稱沖突導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。 為區(qū)分變量名稱， 在原有變量名稱的基礎(chǔ)上，增加屬地機(jī)柜間的前綴，如原701 單元GDS項(xiàng)目中變量名稱為1101_1， 重新組態(tài)后變更為701_1101_1，原702 單元GDS 項(xiàng)目中變量名稱為1101_1，重新組態(tài)后變更為702_1101_1，以此進(jìn)行區(qū)分。

2.3 聯(lián)網(wǎng)升級(jí)項(xiàng)目實(shí)施

首先，為保證現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)裝置安全，在聯(lián)網(wǎng)升級(jí)過(guò)程中原有GDS 仍需正常工作，故在采購(gòu)硬件設(shè)備的同時(shí)， 將12 套GDS 項(xiàng)目組態(tài)文件全部備份拷回，離線進(jìn)行組態(tài)優(yōu)化。

硬件安裝過(guò)程中，需對(duì)各個(gè)機(jī)柜間GDS 安裝光電轉(zhuǎn)換器并配置電源，敷設(shè)光纖跳線，安裝總交換機(jī)等，光纖路徑如圖1 所示。硬件安裝后首先應(yīng)按照IP 地址分配表， 逐一對(duì)設(shè)備IP 地址進(jìn)行更改，然后測(cè)試所有光纖鏈路是否連通無(wú)損壞，連接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)，最后更新項(xiàng)目組態(tài)，測(cè)試數(shù)據(jù)通信是否正常。另外，在710 中央控制室放置了1 臺(tái)總工程師站、1 臺(tái)消防監(jiān)控站和3 臺(tái)操作站，分別顯示全廠或各自屬地區(qū)域內(nèi)的可燃、 有毒氣體泄漏報(bào)警情況，系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)示意圖如圖2 所示。

圖1 光纖路徑示意圖

圖2 系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)示意圖

2.4 項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中遇到的問(wèn)題

項(xiàng)目實(shí)施后， 在通信調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，701、703、263 單元需要退出一路HMI 上位機(jī)才可以監(jiān)視程序，702 單元現(xiàn)場(chǎng)工程師站HMI 上位機(jī)通信不能建立。

通過(guò)分析，由于原GDS 配置的ETH(以太網(wǎng))模塊的型號(hào)為CP343-1 Lean， 只允許4 臺(tái)上位機(jī)通信。 而本項(xiàng)目實(shí)施后，由于在710 中央控制室增加了5 臺(tái)上位機(jī)，造成同時(shí)訪問(wèn)這4 個(gè)單元的操作站數(shù)量超過(guò)了4 臺(tái)，達(dá)到了5 臺(tái)。 最后通過(guò)更換型號(hào)為CP343-1 的ETH（以太網(wǎng)）模塊，成功解決了該問(wèn)題。

2.5 項(xiàng)目實(shí)施效果

項(xiàng)目完成后， 通過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行觀察，12套GDS 聯(lián)合組網(wǎng)后，未出現(xiàn)通信中斷或者沖突等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目預(yù)期。 該項(xiàng)目打破了12 套GDS之間相對(duì)獨(dú)立的壁壘，重新對(duì)系統(tǒng)組態(tài)進(jìn)行整合優(yōu)化，將所有GDS 數(shù)據(jù)匯總，進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)了在710 控制室一部、二部、三部操作臺(tái)及710 消防控制室集中顯示數(shù)據(jù)和報(bào)警， 消除了因外操人員外出巡檢造成的監(jiān)控空白期。 儀表人員可實(shí)現(xiàn)在710 總工程師站對(duì)全廠12 套GDS 進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)查看、 數(shù)據(jù)監(jiān)控統(tǒng)計(jì)及遠(yuǎn)程組態(tài)等，降低了人工成本和時(shí)間成本。 同時(shí)， 數(shù)據(jù)匯總后，MES、 報(bào)警管理平臺(tái)等其他數(shù)據(jù)平臺(tái)可統(tǒng)一從710 中央控制室采集數(shù)據(jù)， 為后期進(jìn)一步的數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供了可能。

3 GDS 報(bào)警數(shù)據(jù)的應(yīng)用設(shè)想

通過(guò)本次聯(lián)網(wǎng)升級(jí)， 將GDS 連成一個(gè)大網(wǎng)，使數(shù)據(jù)匯總于一處，為數(shù)據(jù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，具體的應(yīng)用有以下幾種設(shè)想。

3.1 預(yù)知性和預(yù)防性維護(hù)

根據(jù)每種可燃、有毒氣體檢測(cè)傳感器的使用壽命，基于現(xiàn)有軟件功能，為每一臺(tái)檢測(cè)器增加計(jì)時(shí)器，設(shè)置使用壽命倒計(jì)時(shí)，在倒計(jì)時(shí)結(jié)束之前，提前更換傳感器。 同時(shí)增加檢定時(shí)間計(jì)時(shí)器，在計(jì)時(shí)結(jié)束之前提前進(jìn)行檢定，防止過(guò)期。 另外，每次更換傳感器之后，重置計(jì)時(shí)器，根據(jù)更換的周期以及安裝環(huán)境綜合分析檢測(cè)器的使用壽命，以達(dá)到儀表預(yù)知和預(yù)防性維護(hù)的目的，進(jìn)而優(yōu)化對(duì)儀表的全生命周期管理。

3.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及信息推送

數(shù)據(jù)匯總， 便于將報(bào)警數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至MSE 系統(tǒng)、報(bào)警管理平臺(tái)等數(shù)據(jù)平臺(tái)，同時(shí)利用現(xiàn)有平臺(tái)的短信推送功能，可以及時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)的氣體泄漏報(bào)警信息以短信的形式推送至相關(guān)人員，讓管理人員能及時(shí)清楚地了解現(xiàn)場(chǎng)的情況，使管理更加及時(shí)有效。 同時(shí)，生產(chǎn)車間每天可對(duì)各個(gè)崗位的報(bào)警記錄進(jìn)行匯總，管理人員、技術(shù)人員和操作人員一起每周或每?jī)芍軐?duì)不能接受的報(bào)警進(jìn)行進(jìn)一步的處理，實(shí)施必要的優(yōu)化變更，還可以統(tǒng)計(jì)平均報(bào)警率、 最大報(bào)警率及TOP10 報(bào)警等，對(duì)全年裝置報(bào)警優(yōu)化成果進(jìn)行分析，適時(shí)總結(jié)并制定未來(lái)的安全運(yùn)行和管理計(jì)劃。

3.3 數(shù)據(jù)的深度開(kāi)發(fā)利用

利用大數(shù)據(jù)技術(shù)， 對(duì)報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行深度開(kāi)發(fā)，根據(jù)固定式氣體報(bào)警器的安裝位置和測(cè)量氣體種類，制作三維立體效果圖，在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生泄漏報(bào)警時(shí)，第一時(shí)間確定發(fā)生地點(diǎn)、泄漏介質(zhì)等。 同時(shí)可以引入氣體泄漏立體成像技術(shù)，采用獨(dú)特的算法， 在泄漏早期迅速發(fā)現(xiàn)并識(shí)別泄漏介質(zhì)種類、濃度等，實(shí)時(shí)顯示泄漏氣體的羽流軌跡，協(xié)助相關(guān)人員盡快找到泄漏點(diǎn)，及時(shí)采取處置措施［2］。

4 結(jié)束語(yǔ)

GDS 是化工裝置安全生產(chǎn)的一道應(yīng)急救援保護(hù)層，為提前檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備泄漏、人員防護(hù)等方面提供可靠保障。 通過(guò)對(duì)現(xiàn)代信息化、智能化技術(shù)的研究與探索， 可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與集成、云數(shù)據(jù)共享、預(yù)警分析、預(yù)警互聯(lián)，利用終端配套設(shè)施，讓身處不同位置的人員甚至設(shè)施及時(shí)作出安全應(yīng)急響應(yīng)。