火氣系統(tǒng)監(jiān)測(cè)評(píng)估技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

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

目前，海洋石油平臺(tái)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)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(cè)技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)方案，將海洋石油平臺(tái)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(cè)設(shè)備，構(gòu)成一套結(jié)構(gòu)完整、規(guī)模適中的火氣探測(cè)系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。硬件試驗(yàn)平臺(tái)可以將其本身的自診斷數(shù)據(jù)傳送至風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)，作為其分析、診斷和評(píng)估的依據(jù)，兩者有機(jī)結(jié)合，形成一個(gè)完善的、對(duì)火氣監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)與診斷的系統(tǒng)。基于對(duì)主流SIS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(yàn)平臺(tái)。

1 硬件試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

1.1 硬件試驗(yàn)平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)

海上平臺(tái)火氣監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)研究硬件試驗(yàn)平臺(tái)的組成如圖1所示。

圖1 海上平臺(tái)火氣監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)研究硬件試驗(yàn)平臺(tái)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(gè)部分構(gòu)成：

1）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(cè)和報(bào)警設(shè)備（包括火焰探頭、可燃?xì)怏w探頭和聲光報(bào)警裝置），以及信號(hào)模擬PLC——Control-Logix5000。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)火氣系統(tǒng)是平臺(tái)火氣系統(tǒng)的核心，一般具備SIL3的安全完整性等級(jí)，負(fù)責(zé)平臺(tái)或處理廠的整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的火災(zāi)及氣體泄漏的監(jiān)控和防護(hù)。

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(dòng)報(bào)警站等）。室內(nèi)火氣控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)生活區(qū)（有的也包含MCC 間、變壓器間等現(xiàn)場(chǎng)房間）的火氣監(jiān)測(cè)與保護(hù)，一般具備SIL2的安全完整性等級(jí)，與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)火氣系統(tǒng)相互配合實(shí)現(xiàn)整個(gè)平臺(tái)或處理廠的火氣監(jiān)測(cè)與保護(hù)。

3）上位機(jī)系統(tǒng) 包含工程師站和操作員站，負(fù)責(zé)艾默生SIS的監(jiān)測(cè)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(gè)電源模塊、1個(gè)MD 網(wǎng)絡(luò)控制器、1個(gè)M系列串口模塊、10個(gè)SLS 1508 羅輯控制器、1個(gè)終端電阻，以及2個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)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(jī)。在此，診斷數(shù)據(jù)為主要研究對(duì)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?jǐn)?shù)據(jù)需要參與羅輯運(yùn)算及關(guān)斷輸出，對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性要求較高。該總線的性能決定著該SIS的運(yùn)行質(zhì)量，因此其可靠性和可用性也是被關(guān)注對(duì)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(jī)操作軟件實(shí)現(xiàn)針對(duì)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(jì)的規(guī)則，通信數(shù)據(jù)不能作為火氣系統(tǒng)邏輯動(dòng)作的依據(jù)。所以，火災(zāi)盤與SIS之間應(yīng)通過硬線進(jìn)行聯(lián)系，將其作為邏輯動(dòng)作的依據(jù)。

1）火災(zāi)控制器BS-420 整個(gè)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(dòng)卡，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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(fù)責(zé)聯(lián)系回路驅(qū)動(dòng)卡、DI/DO 卡及鍵盤和顯示屏等人機(jī)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(jìn)行監(jiān)控，其內(nèi)部的通信機(jī)制及內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完全遵循IEC-61508 來進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，具備SIL2的安全完整性等級(jí)。

2）回路驅(qū)動(dòng)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(dòng)可尋址設(shè)備的工作和通信，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的主要節(jié)點(diǎn)，具有回路短路和斷路功能，故障安全的設(shè)計(jì)保證持續(xù)的通信模式。在此重點(diǎn)研究該模塊針對(duì)回路斷路和短路的診斷情況，探尋可尋址探頭運(yùn)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(shí)現(xiàn)形式及其可靠性對(duì)整個(gè)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(tái)和處理廠中一般用作與SIS 主系統(tǒng)之間的通信，接收對(duì)方的DO信號(hào) （一般為無源信號(hào)），作為自身動(dòng)作的邏輯依據(jù)。在此重點(diǎn)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(cè)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(hào)的輸出，與SIS 主系統(tǒng)信號(hào)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(bào)警及相關(guān)級(jí)別的關(guān)斷等）動(dòng)作，或者直接驅(qū)動(dòng)可尋址火災(zāi)盤的保護(hù)區(qū)域內(nèi)的消防設(shè)備（如風(fēng)閘、FM200 滅火系統(tǒng)、平臺(tái)狀態(tài)燈和聲光報(bào)警裝置等）。在此重點(diǎn)研究該類模塊的可靠性參數(shù)，并對(duì)其可靠性進(jìn)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(jìn)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(duì)系統(tǒng)的保護(hù)性能并無實(shí)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(jī)及故障診斷計(jì)算機(jī)

上位機(jī)及故障診斷計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 上位機(jī)及故障診斷計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(jī)2臺(tái)，ProPlus 操作站1臺(tái)，操作員站1臺(tái)和故障診斷計(jì)算機(jī)1臺(tái)以及DeltaV 系統(tǒng)中的增強(qiáng)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(jī)實(shí)現(xiàn)個(gè)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(gè)有機(jī)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(shí)組態(tài)、操作盒組態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)節(jié)點(diǎn)的典型功能，又可以作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)驗(yàn)室的總體規(guī)劃

火氣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃如圖6所示。

圖6 火氣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)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(jī)制都通過DeltaV SIS 設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，診斷計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)多套系統(tǒng)同時(shí)接入，同時(shí)做出診斷操作。

1.5.2 可尋址火災(zāi)探測(cè)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(hù)邏輯。火災(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(yùn)行狀態(tài)（如正常、報(bào)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，從而使診斷系統(tǒng)得到現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并以此作為診斷依據(jù)之一。另外，對(duì)于特定的可尋址系統(tǒng)，將探頭的探測(cè)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(jì)算機(jī)。還可以對(duì)可尋址火災(zāi)盤的分析軟件進(jìn)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(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)完善的可尋址火災(zāi)盤的內(nèi)部診斷和評(píng)估。

2 軟件管理系統(tǒng)

以在此所搭建的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，建立軟件管理系統(tǒng)。火災(zāi)報(bào)警和氣體檢測(cè)系統(tǒng)FGS（Fire alarm and Gas detector System）簡(jiǎn)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(xiǎn)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(shí)現(xiàn)規(guī)范的系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)，并制定科學(xué)合理的檢測(cè)維護(hù)策略，實(shí)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(kù)體系，定期對(duì)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的診斷數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將其作為安全評(píng)估系統(tǒng)的評(píng)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(tái)在役火氣系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信功能，為平臺(tái)現(xiàn)役火氣系統(tǒng)遠(yuǎn)程診斷操作可行性做出探索；④建立平臺(tái)火氣系統(tǒng)的基本信息數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使該數(shù)據(jù)庫(kù)方既適用于硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，又適用于評(píng)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(cè)評(píng)估技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)的搭建，將現(xiàn)場(chǎng)SIS、火災(zāi)控制盤，與各種典型的火氣探測(cè)設(shè)備結(jié)合起來，深入挖掘各種控制和探測(cè)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(jì)算機(jī)對(duì)這些狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出整個(gè)火氣系統(tǒng)的有效性分析結(jié)果。所搭建的整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)，可以為各種分析算法的編制工作提供貼切的試驗(yàn)場(chǎng)景，對(duì)于海洋石油生產(chǎn)裝置中火氣探測(cè)系統(tǒng)的性能優(yōu)化具有重要意義。