可燃(有毒)氣體檢測系統上層結構的探討

張韶煜

(洛陽三隆公司保運中心,河南洛陽 471012)

0 引 言

石油化工行業很多場所都容易發生可燃(有毒)氣體泄漏,當達到一定濃度時,就會發生爆炸和中毒。為確保安全生產,在石油化工生產裝置中,采用固定式可燃(有毒)氣體檢測器連續地監測生產作業環境中可燃(有毒)氣體的泄漏情況,及時發出報警,使作業人員采取有效措施,防止爆炸、火災、中毒事件的發生。

1 相關問題討論及建議

可燃(有毒)氣體系統一般由現場的可燃(有毒)氣體檢測器和室內的報警顯示部分組成。該文主要對可燃(有毒)氣體系統的上層結構,即室內的報警顯示部分進行探討。

1.1 可靠性和經濟性

可燃(有毒)氣體系統的報警顯示部分在整個系統中占有重要的地位。報警顯示部分的可靠性是首先需要關注的,經濟性則是另一個重要影響因素。從整體看,系統可靠性是由系統中最不可靠的部分決定的,在整個系統中,現場可燃(有毒)氣體檢測器的可靠性是最差的,甚至比現場廣泛使用的普通變送器還差,以某擁有近千臺檢測器的工廠為例,其年更換的現場檢測器有幾十臺,誤報等故障處理更是更換數量的幾倍。在檢測器的測量原理等沒有根本性的改善之前,現場檢測器可靠性差的問題無法根本解決。

在可燃(有毒)氣體檢測器可靠性遠遠落后現有普通變送器的情況下,過分強調報警顯示部分的可靠性是不合理,也是不經濟的。由于可燃(有毒)氣體檢測器問題,造成系統不能保證100%完好的情況在實際工作中經常出現。作為一種安全儀表,檢測器的可靠性連普通變送器都比不上,是可燃(有毒)氣體檢測報警系統不得不面對的問題,在報警顯示部分的可靠性和經濟性之間找到平衡點是十分重要的。

裝置出現供電故障時,極易出現設備、流程的異常,可燃(有毒)介質泄漏的危險性也隨即提高,這時保證可燃(有毒)氣體報警檢測系統的正常運行有著重要的意義。在實際使用過程中,由于供電故障造成系統停車的現象多有發生,為提高控制系統可靠性,現在對DCS,SIS,CCS等系統都要求支持雙路供電,確保在一路電源消失的情況下,系統仍能保證控制功能。作為安全儀表的可燃(有毒)氣體報警檢測系統也理應如此,報警顯示部分在完成顯示報警功能的同時,也擔負著現場檢測器的供電任務,確保報警顯示部分支持雙路供電,就可以確?？扇?有毒)氣體報警檢測系統,在一路電源消失的情況下,仍能保證實現檢測、顯示、報警功能。

1.2 可維護性

從維護角度看,報警顯示部分要有一定的通用性,不能太過特殊,應該滿足技術的普遍性和發展趨勢,信號接口應能適應不同廠家的現場檢測器,并在今后幾年間不會被淘汰,便于采購和替換,這對減少備件種類和數量,降低維護成本,提高維護效率有著實際意義。另外,現場檢測器每個季度都要按規定進行校驗,同時報警檢測部分需要確保不過分干擾系統的正常使用。比如,在系統出現報警時,要求DCS會自動彈出報警畫面,發出聲光報警,而如果沒有考慮校驗的問題,在進行季度校驗時,DCS就會不斷彈出報警畫面并發出聲光報警,對工藝操作造成直接的影響,特別是部分裝置的檢測器近百臺,這種情況就更為突出。

另外,由于裝置規模的改造擴建,適用標準的提高,就需要報警顯示部分的人機界面可以靈活地進行增減修改,以滿足新的需要。

1.3 可用性和數據追憶

在實際使用中,由于現場檢測器誤報造成的干擾,需要進行合理的處置設計,過多的誤報必然導致系統的癱瘓,即使勉強使用,也會由于麻木,喪失必要的警惕性;避免報警被隨意關閉,也是實際應用中需要考慮的。

可燃(有毒)氣體報警檢測系統最終的目的是供人員使用,保證人員安全的,所以報警顯示部分的人機界面是必須進行考慮的。出現危險時,及時準確地讓人員知曉危險出現、區域及程度,對人員的危險避讓、危險處理是十分關鍵的。

按照現在的管理規定,在裝置出現事故后,需要對事故原因進行分析,追查責任,這樣就要求可燃(有毒)氣體報警檢測系統有完善的數據追憶功能,提供歷史數據、歷史報警、操作記錄等真實信息,供事故分析使用。

2 系統結構的探討

2.1 現有幾種結構的介紹

2.1.1 檢測器+盤裝表

檢測器+盤裝表結構如圖1所示。該結構是最悠久的一種模式,使用時間最長,范圍最廣,價格便宜,易于實施;但也存在沒有數據追憶功能、危險區域顯示不直觀、不支持雙路供電等缺點。

圖1 檢測器+盤裝表結構示意

2.1.2 檢測器+盤裝表+DCS/PLC

檢測器+盤裝表+DCS/PLC結構有部分數據追憶功能,危險區域顯示可以做得比較直觀,易于實施;但也存在一次投入多、沒有實質的雙路供電和自診斷功能等缺點。這種結構有兩種形式:由盤裝表傳到DCS/PLC的是開關量信號,DCS只能顯示記錄報警情況,如圖2所示;由盤裝表傳到DCS/PLC的是4～20 mA信號,DCS/PLC可以顯示記錄具體的檢測數據。這兩種形式,由于還是利用盤裝表給檢測器供電,不支持雙路供電,盤裝表和檢測器的供電可靠性都比不上DCS/PLC;但另一方面,盤裝表在DCS/PLC進行點檢、停電檢修時還可以進行顯示報警。

圖2 檢測器+盤裝表+DCS/PLC結構示意

2.1.3 檢測器+DCS/PLC

檢測器+DCS/PLC結構如圖3所示。該結構將檢測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、報警,利用DCS/PLC軟件功能,可以方便地實現歷史趨勢,報警記錄等功能,利用強大的流程圖組態功能,可以將可燃(有毒)氣體檢測器分布直觀地顯示出來,同時顯示危險區域位置,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下裝,還可以方便地將數據上傳到全廠實時數據庫;但也存在一次投入較多等缺點。另外,PLC的配置和工程實施如果不合適的話,會使以上部分優點無法實現。

圖3 檢測器+DCS/PLC結構示意

2.1.4 檢測器+GDS+DCS/PLC

檢測器+GDS+DCS/PLC結構如圖4所示。GDS實際是以PLC為核心的專用系統,通過配置的上位機及其軟件實現獨立的顯示、報警、數據記錄等功能,同時通過通信將可燃(有毒)氣體檢測報警信息傳給DCS,使DCS也可以對可燃(有毒)氣體進行監視,并通過DCS將相關數據上傳給全廠實時數據庫。但部分GDS也存在配置偏低,CPU,網絡均沒有進行冗余配置,不支持雙路供電,沒有獨立的硬聲光報警,只有1臺操作站進行顯示報警,可靠性低于DCS;由于獨立設置一套系統,一次投入較多。

圖4 檢測器+GDS+DCS/PLC結構示意

2.2 結構探討

2.2.1 比較分析

a)現有可燃(有毒)氣體檢測報警二次盤裝表,價格低,技術成熟,但不支持雙路供電;沒有數據追憶能力;自診斷功能不完善,甚至沒有;出現報警時,不能十分直觀地向人員展示危險區域。但具有成本優勢。如果二次盤裝表擴充功能,使之可以支持雙路供電和數據追憶能力,具有完善的自診斷功能,可以直觀地向人員展示危險區域,數據可以上傳工廠實時數據網,在可靠性和功能提高的同時,成本優勢可能也會喪失。

b)現有的DCS本身的CPU、電源、節點、網絡就是冗余配置,支持雙路供電和數據追憶功能;具有完善的自診斷功能;利用流程圖和邏輯組態功能,可以直觀地顯示檢測數據和報警信息,直觀地向人員展示危險區域的位置;可以方便地將數據上傳到工廠實時數據庫?，F場檢測器可以三線制的形式作為模擬信號引入DCS。從系統的穩定可靠、使用的方便靈活、維護的方便快捷看,DCS是有優勢的。

c)現有的PLC種類很多,配置十分靈活,具有比較完善的自診斷功能?，F場檢測器也可以三線制的形式作為模擬信號引入PLC,軟件也可以實現數據記錄、流程畫面顯示、報警信息顯示、數據上傳等功能。但由于具體配置和工程實施的不統一,使CPU、電源、節點、網絡的冗余配置,雙路供電的支持,在線組態下裝等要求在實際使用中無法滿足。由于可燃(有毒)氣體檢測器的特性,PLC運算速度快的特點也無從發揮。甚至由于種類、配置的不同,在單點成本上也不一定比DCS低。

d)現有的GDS基本上都是以PLC作為控制核心,獨立進行可燃(有毒)氣體的顯示報警。繼承了PLC的特點,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根據實際點數,采用小型PLC作為核心。同時通過通信將數據傳給DCS,使DCS也可以監視檢測數據,并將數據上傳到全廠實時數據庫。GDS上位基本上都是采用一臺PC機作為人機界面,實現數據顯示報警記錄。

從現有的情況看,硬件三重化的PLC可靠性高于DCS,單點成本高于DCS;小型PLC可靠性低于DCS,單點成本低于DCS;小型PLC的可靠性高于盤裝表,單點成本與盤裝表相比相差不大。由于系統的可靠性是由系統中最不可靠的部分決定的,在整個可燃(有毒)氣體檢測系統中,現場檢測器的可靠性是最差的,一般使用時間為3年左右,長的可以用5年,短的只有1年,在顯示報警部分使用盤裝表就可以基本滿足需要;使用硬件三重化的PLC就整個系統看,對整個系統的正面影響還無法體現出來,費效比最差;就系統整體看,小型PLC的可靠性是夠用的,但是,可燃(有毒)氣體檢測系統屬于安全儀表,有著一些特殊的要求。如何確保裝置檢修時,可燃(有毒)氣體檢測系統仍能工作?如何確保裝置停電或UPS出現故障時,可燃(有毒)氣體檢測系統仍能工作?如何確保某一部分出現故障時,不會使可燃(有毒)氣體檢測系統全部癱瘓?如何直觀地顯示檢測數據、泄漏區域?如何滿足數據追憶的需要?都是需要考慮的問題。由于小型PLC無法滿足硬件硬冗余、電源雙路冗余供電等一些基本要求,在危險時的應用還有不足;如果提高PLC的配置,使其不低于DCS的可靠性,這樣一來,其實際單點成本就會高于DCS,而且由于還要將檢測報警信息通信給DCS進行顯示報警和上傳,還會增加不少DCS的工程量,同時還要增加軟硬件的學習培訓成本、備品備件成本,從技術和經濟角度看,獨立設置GDS是不合適的;就目前看,DCS為應對各類可能的危險,需要在工程設計和檢修作業中做一些特殊要求,但就可靠性、經濟性、適用性、維護性等方面的平衡看,是目前最好的一種選擇。

當然,隨著技術的發展,尤其是隨著現場可燃(有毒)氣體檢測器可靠性的提高,可燃(有毒)氣體檢測報警系統的結構也會隨之發生變化,以適應技術的進步和使用要求的提高。但就目前的情況看,利用DCS作為報警顯示部分,比較好地平衡了系統可靠性、經濟性、適用性、維護性等方面的需求。

2.2.2 選擇應用

由于現場情況和客戶需求復雜多樣,不可能用一種結構形式滿足各種需求,這就需要在應用時根據具體情況進行合理的選擇。

在點數很少,又沒有采用DCS,PLC監控的情況下,宜于選用可燃(有毒)氣體檢測報警二次盤裝表結構。

如果裝置采用DCS作為控制系統,宜于直接將檢測器接入DCS(見圖3)。檢測信號要設置在獨立的一個或幾個節點內,其他的信號不接入這個(些)節點;在這個(些)節點內配置1對冗余DO卡,設置輸出一個或幾個報警驅動信號,以硬接線的方式直接驅動設置在控制室、現場的聲光報警設備,聲光報警設備應分別驅動,避免聲報和光報同時故障,同時也便于在不影響報警效果的情況下,對聲報和光報進行差異化設置,同時在指定操作站彈出顯示泄漏區域的畫面,對人員進行提示。在裝置檢修期間,確?？扇?有毒)氣體檢測報警部分不斷電,如必須進行斷電檢修,必須采取應急替代措施,以保證檢修現場人員安全。如:在夜間檢修現場停止作業,再對可燃(有毒)氣體檢測報警部分進行斷電檢修;在現場設置臨時可燃(有毒)氣體檢測報警設施;攜帶便攜式可燃有毒氣體檢測報警儀。

如果裝置只采用PLC作為控制系統,需要根據PLC的配置和危險程度進行選擇。如果PLC采取CPU,電源、節點、網絡、操作站冗余的配置,支持雙路供電,支持在線組態下裝,直接將檢測器接入PLC(見圖3)是可行的。如果PLC沒采取以上配置,所轄區域危險程度又高,那么采用盤裝表+PLC結構是比較合理的,但要采取從盤裝表取4～20 mA信號到 PLC的方式,便于PLC實現數據追憶。如果PLC所轄區域危險程度不高,直接將檢測器接入PLC也是可行的。不管采取哪種形式,獨立的聲光報警硬輸出、畫面提示、報警信息提示、數據記錄、檢修等基本要求與DCS是一樣的。

如果使用方要求必須在DCS外設置獨立的GDS,那么其軟硬件配置的可靠性要求必須不低于DCS,獨立的聲光報警硬接線輸出、支持雙路供電、支持在線更換硬件、即插即用、支持在線組態下裝、畫面提示、報警信息提示、數據記錄、趨勢顯示等基本要求一樣不能少,而且也需要在檢修作業中滿足一些特殊要求。

3 結束語

隨著安全理念的不斷進步,生產條件的不斷變化,技術進步的推進,可燃(有毒)氣體檢測報警系統的結構也會不斷進行完善,更好地承擔起保護生命的重任。

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