可燃?xì)怏w報(bào)警控制器改造及通訊實(shí)踐

薛延成，郭小川

［陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司永坪煉油廠，陜西延安 717208］

1 背景概述

隨著社會(huì)的發(fā)展，安全環(huán)保越來越受到人們和國家的關(guān)注與重視。2014年國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局下發(fā)的安監(jiān)總管三〔2014〕116號(hào)文中第一條明確要求：可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)按安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行管理，可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)宜獨(dú)立設(shè)置。2018年4月省安監(jiān)局來某廠檢查時(shí)提出可燃?xì)怏w檢測(cè)必須與控制系統(tǒng)分離的要求。為了滿足上級(jí)部門對(duì)某廠安全環(huán)保要求，提高煉化生產(chǎn)的安全性，增加可燃?xì)怏w及有毒氣體檢測(cè)報(bào)警控制器勢(shì)在必行。

2 改造方案確定

常規(guī)方案：常規(guī)方案就是為可燃?xì)鈾z測(cè)報(bào)警配置獨(dú)立的SIS系統(tǒng)（安全儀表系統(tǒng)），以達(dá)到省安全部門對(duì)某廠提出的改造要求。SIS系統(tǒng)安全級(jí)別高，完全滿足聲光報(bào)警的要求，具有報(bào)警信息歷史記錄功能，同時(shí)也可以繪制可燃?xì)鈭?bào)警分布圖，現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)鈭?bào)警分布情況一目了然。但是所需費(fèi)用較高，需要購置SIS系統(tǒng)機(jī)柜、控制器、卡件、工程師站以及軟件授權(quán)等。將某廠今年完成的液化氣儲(chǔ)罐增設(shè)獨(dú)立SIS系統(tǒng)項(xiàng)目作為基準(zhǔn)，以最節(jié)約成本方案，一套裝置按照64個(gè)可燃?xì)怏w檢測(cè)儀表改造需求（如果可燃?xì)怏w檢測(cè)數(shù)量多則需要多增加AI卡安全柵等）保守估算，一套可燃?xì)怏w報(bào)警獨(dú)立GDS系統(tǒng)約需54.7萬元：

由于某廠每個(gè)裝置都有自己的可燃?xì)狻⒂卸練鈾z測(cè)，且各個(gè)裝置的可燃?xì)怏w檢測(cè)數(shù)量不等，且操作室均分散分布（各裝置的操作室不在一起）。由表1可以看出，對(duì)于一套裝置來說，增加獨(dú)立的GDS系統(tǒng)大約需要人民幣54.7萬元。這里對(duì)每個(gè)裝置按平均估算費(fèi)用50萬元計(jì)算。

根據(jù)某廠各個(gè)裝置的可燃?xì)饩唧w數(shù)量統(tǒng)計(jì)情況（按具體操作室劃分），通過整理可燃?xì)怏w數(shù)量統(tǒng)計(jì)表，總共需要增加10套獨(dú)立的GDS系統(tǒng)，所需費(fèi)用為50×10=500萬元。

改革創(chuàng)新方案：

為了節(jié)約成本，同時(shí)滿足省安全部門對(duì)某廠可燃?xì)鈾z測(cè)增設(shè)獨(dú)立于GDS系統(tǒng)的聲光報(bào)警系統(tǒng)的要求。電儀車間DCS技術(shù)人員另辟蹊徑，查閱有關(guān)最新文檔，選定哈爾濱東方報(bào)警設(shè)備開發(fā)有限公司的KB-2000N32B氣體報(bào)警控制器，作為某廠獨(dú)立于DCS系統(tǒng)的可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警控制器。KB-2000N32B氣體報(bào)警控制器具有國家安全認(rèn)證資質(zhì)，滿足作為可燃?xì)怏w檢測(cè)獨(dú)立控制器的要求，且有聲光報(bào)警功能。

一個(gè)KB-2000N32B氣體報(bào)警控制器有32個(gè)通道，最多可以同時(shí)監(jiān)控32個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)馓綔y(cè)儀表，約需人民幣3萬元，按照每個(gè)裝置必須有氣體報(bào)警控制器且必須滿足所有可燃?xì)怏w檢測(cè)均接入獨(dú)立的氣體報(bào)警控制器的原則。根據(jù)需求得出某廠共需要17個(gè)氣體報(bào)警控制器，就可以滿足某廠對(duì)可燃?xì)飧脑斓囊螅残栀M(fèi)用17×3=51萬元。

將常規(guī)方案（設(shè)置獨(dú)立的SIS系統(tǒng)）與改革創(chuàng)新方案（安裝獨(dú)立的氣體報(bào)警控制器）相比較，可以節(jié)約成本約為500-51=449萬元。最終選定哈爾濱東方報(bào)警設(shè)備開發(fā)有限公司的KB-2000N32B氣體報(bào)警控制器，作為某廠獨(dú)立于DCS系統(tǒng)的可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警控制器。在控制室配置安裝氣體報(bào)警控制器，現(xiàn)場(chǎng)所有可燃?xì)馓綔y(cè)儀表送出的4～20mA電流信號(hào)先接入可燃?xì)鈭?bào)警控制器，由控制器集中控制管理，并進(jìn)行聲光報(bào)警。同時(shí)在DCS系統(tǒng)中增加RS485通信卡，利用氣體報(bào)警控制器的RS485（ModBus RTU）信號(hào)上傳輸出功能與DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，將可燃?xì)鉁y(cè)量信號(hào)同時(shí)送給DCS系統(tǒng)進(jìn)行顯示記錄。

3 DCS系統(tǒng)與可燃?xì)怏w報(bào)警控制器介紹

3.1 可燃?xì)怏w警報(bào)器的設(shè)計(jì)

在對(duì)可燃?xì)怏w報(bào)警器設(shè)計(jì)中，可以通過對(duì)單片機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用，按照一定程序制作可燃?xì)怏w報(bào)警器。可燃?xì)怏w報(bào)警器在實(shí)際應(yīng)用期間，重點(diǎn)對(duì)甲烷實(shí)時(shí)監(jiān)控。如果甲烷的濃度超出一定限定數(shù)值，在單片機(jī)控制電路中，將發(fā)出報(bào)警信息。這時(shí)候，利用外接排風(fēng)扇，將避免安全事故的發(fā)生。AT89C51具備較高的性價(jià)比，通過AT89C51單片機(jī)對(duì)電路進(jìn)行有效控制。在可燃?xì)怏w報(bào)警器中，最為主要的為傳感器，其內(nèi)部應(yīng)用材料為半導(dǎo)體敏感材料，該材料具備更高的靈敏度和穩(wěn)定性，能避免其干擾，也有較長(zhǎng)的使用壽命，對(duì)其有效應(yīng)用能保證我國先進(jìn)傳感器制造水平的提升。使用該材料制作可燃?xì)怏w報(bào)警器，對(duì)有毒氣體和易燃易爆的檢測(cè)，可以在礦山油田或者國防領(lǐng)域有效應(yīng)用。在實(shí)際設(shè)計(jì)期間，還可以使用GS系列傳感器，以ADC0809實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。這種設(shè)計(jì)方法能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能，加強(qiáng)事故處理功能。

系統(tǒng)以單片機(jī)控制模塊為核心，探測(cè)器放置在鍋爐廠房的檢測(cè)位置，在信號(hào)檢測(cè)模塊檢測(cè)到可燃?xì)怏w之后，聲音及閃爍報(bào)警及時(shí)報(bào)警。在出現(xiàn)系統(tǒng)故障時(shí)，自動(dòng)檢測(cè)故障部位，若是軟件故障，系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位修復(fù)，硬件故障及時(shí)報(bào)告控制臺(tái)，以完成整個(gè)火災(zāi)自動(dòng)系統(tǒng)的工作過程。

3.2 DCS系統(tǒng)與可燃?xì)怏w報(bào)警控制器簡(jiǎn)介

DCS（Distributed Control System）是分散控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，國內(nèi)一般習(xí)慣稱之為集散控制系統(tǒng)。DCS是一個(gè)由過程控制級(jí)和過程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)、通信、顯示和控制等技術(shù)。具有分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活以及組態(tài)方便，具有歷史數(shù)據(jù)記錄功能、擁有可燃?xì)鈭?bào)警器分布圖顯示功能等優(yōu)點(diǎn)。通過DCS流程圖繪制工具，可以詳細(xì)繪制現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w檢測(cè)儀表的分布情況。

KB-2000N32B（壁掛式）氣體報(bào)警控制器是一個(gè)獨(dú)立的氣體報(bào)警控制系統(tǒng)，是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)制造的新一代氣體報(bào)警器。它將探測(cè)器從現(xiàn)場(chǎng)檢查傳回的信號(hào)顯示在報(bào)警器的液晶屏幕上，并根據(jù)信息內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)處理：正常、報(bào)警、錯(cuò)誤。每個(gè)可燃?xì)鈭?bào)警控制器有32個(gè)信號(hào)檢測(cè)通道，從CH01至CH32，對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址為A40001至A40032。它是獨(dú)立的監(jiān)視報(bào)警系統(tǒng)，具有聲光報(bào)警功能、報(bào)警信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，此外它還具有RS485信號(hào)上傳輸出功能。

MODBUS協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。

為了方便工藝操作人員對(duì)可燃?xì)怏w的監(jiān)控操作，充分利用DCS系統(tǒng)和可燃?xì)怏w報(bào)警控制器各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)全方位的可燃?xì)怏w信號(hào)監(jiān)測(cè)、報(bào)警。通過MODBUS通信協(xié)議進(jìn)行可燃?xì)怏w報(bào)警控制器和DCS系統(tǒng)的信號(hào)通信，將可燃?xì)怏w檢測(cè)信息直觀地顯示在DCS操作畫面上，并記錄其歷史信息，圖1是可燃?xì)飧脑烨昂髮?duì)比圖。

圖1 可燃?xì)飧脑烨昂髮?duì)比圖

3.3 可燃?xì)怏w警報(bào)器在DCS中的應(yīng)用

（1）將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件與控制器正確連接后，上電調(diào)試，確保檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。

（2）通過控制器上的485接口，通過2芯電纜線，與中控DCS系統(tǒng)COM741-S的通訊卡上的485通訊端子連接。

（3）打開中控DCS的ECS-700管理組態(tài)軟件，在硬件組態(tài)軟件中，添加“COM741-S串行通信模塊”在窗口中選擇“一對(duì)一冗余”模式。

（4）打開“通信組態(tài)”功能，進(jìn)入串口通信組態(tài)軟件，對(duì)模塊進(jìn)行屬性配置，如圖1所示。

物理接口：RS485。

波特率：9 600。

數(shù)據(jù)位：8。

停止位：1。

校驗(yàn)方式：無校驗(yàn)。

（5）選中COM串口，增加設(shè)備，屬性頁中設(shè)置設(shè)備的參數(shù)。

功能號(hào)：讀AO（FC03 ）

開始地址：1

數(shù)量：112

信號(hào)類型：2字節(jié)整形模入

（6）完成串口、設(shè)備、命令的設(shè)置后，保存設(shè)置，并進(jìn)行“組態(tài)更新”。

（7）掃描新增位號(hào)，軟件將自動(dòng)掃描硬件配置并根據(jù)所組態(tài)的模塊自動(dòng)添加位號(hào)。完成位號(hào)掃描或修改后，關(guān)閉位號(hào)組態(tài)軟件窗口，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢查位號(hào)并退出。

（8）當(dāng)所有設(shè)置完成后，回到組態(tài)管理軟件界面，保存所設(shè)置的組態(tài)，選擇進(jìn)行編譯與下載。下載完成后，就能在位號(hào)表里看到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)了。

（9）把這些位號(hào)，添加到畫面組態(tài)上，加上趨勢(shì)，就能在DCS的監(jiān)控畫面上查看了。可燃?xì)怏w報(bào)警器在DCS的應(yīng)用后，每個(gè)氣體檢測(cè)探頭都可以在DCS上可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警分級(jí)分類、歷史數(shù)據(jù)查看，故障判斷，設(shè)置報(bào)警墻等一系列更加安全便捷的操作，更有利于工藝人員對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)氣體情況的分析判斷掌握。現(xiàn)場(chǎng)和控制室的雙向監(jiān)控，對(duì)于企業(yè)的安全生產(chǎn)起到了巨大的促進(jìn)作用。

4 改造過程及通訊實(shí)現(xiàn)方法

以油品調(diào)和車間的可燃?xì)怏w改造為例，在操作室墻面上采用打孔的方式安裝固定KB-2000N32B（壁掛式）氣體報(bào)警控制器。從現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀來的信號(hào)線經(jīng)槽盒直接接入氣體報(bào)警控制器，作為信號(hào)采集處理報(bào)警的控制單元；再利用MODBUS協(xié)議將其可燃?xì)鈾z測(cè)實(shí)時(shí)信息接入DCS控制系統(tǒng)CENTUM VP中。

4.1 硬件接線

現(xiàn)場(chǎng)來的可燃?xì)怏w檢測(cè)信號(hào)首先接入KB-2000N32B（壁掛式）氣體報(bào)警控制器的各個(gè)通道上，且氣體報(bào)警控制器自帶有RS485（ModBus RTU）信號(hào)上傳功能，有專用的485通訊端口。橫河的CENTUM VP系統(tǒng)DCS配置有通訊卡ALR121，用專用的RS485通訊電纜連接至氣體報(bào)警控制器的485通訊端口即可。

4.2 可燃?xì)怏w檢測(cè)調(diào)試設(shè)置

4.2.1 可燃?xì)怏w報(bào)警控制器的設(shè)置

現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w檢查信號(hào)通過三根信號(hào)線接入可燃?xì)怏w報(bào)警控制器中相應(yīng)的通道中，其中供電負(fù)和信號(hào)負(fù)公用一根信號(hào)線。在工程師權(quán)限下，通過觸摸屏分別設(shè)置可燃?xì)怏w報(bào)警控制器每個(gè)通道的地址、可燃?xì)怏w檢測(cè)的量程、報(bào)警限。對(duì)于沒有信號(hào)接入的通道，將該通道的地址改為0，屏蔽掉該通道的報(bào)警。

4.2.2 DCS系統(tǒng)中MODBUS通訊的設(shè)置

首先在橫河CENTUM VP軟件中打開到硬件組態(tài)頁面，在已建立硬件配置，選擇所要配置的控制站下NODE中的通訊卡，選擇通訊卡后右鍵點(diǎn)擊屬性，會(huì)顯示有關(guān)此卡的用途，型號(hào)及安裝位置。屬性中有關(guān)通訊端口的通信協(xié)議：奇偶校驗(yàn)方式為無校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位為8、停止位為2、波特率為9 600、DR檢查等參數(shù)為DR Chack。

設(shè)置完成后選中設(shè)置的通訊卡，雙擊鼠標(biāo)左鍵，進(jìn)入通訊數(shù)據(jù)設(shè)置區(qū)，定義好緩沖區(qū)、站號(hào)、數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)地址等。數(shù)據(jù)類型：16為有符號(hào)數(shù)；寄存器地址：A40001—A40032；站號(hào)根據(jù)KB-2000N32B（壁掛式）氣體報(bào)警控制器自行設(shè)置。

完成后在控制回路圖中做回路連接圖，將設(shè)置好的組態(tài)信息下裝到控制站中，就可以在流程圖畫面中顯示。所有設(shè)置完成后，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通訊，數(shù)據(jù)在CENTUM VP系統(tǒng)中組態(tài)后就可以監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)的接收。

4.3 舉例實(shí)踐

以可燃?xì)怏w報(bào)警控制器存儲(chǔ)地址為4001的數(shù)據(jù)為例（它檢測(cè)的是編號(hào)為AI-001的可燃?xì)怏w實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)），為該數(shù)據(jù)在DCS側(cè)的設(shè)置，類型是16位浮點(diǎn)數(shù)，通訊卡為DCS的NODE2中的第8塊卡，接收端口為2，通訊從站地址為1。

該數(shù)據(jù)在圖8（485通訊實(shí)時(shí)二進(jìn)制數(shù)據(jù)）中對(duì)應(yīng)的為WB003700中的數(shù)據(jù)，WB003700中為帶符號(hào)的十六位二進(jìn)制數(shù)：0000000000000101。

首位符號(hào)位為0，即該數(shù)據(jù)位正數(shù)，按二進(jìn)制讀數(shù)為5，由于數(shù)據(jù)從可燃?xì)怏w報(bào)警控制器引入DCS系統(tǒng)后在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中擴(kuò)大了10倍。所有需要給每個(gè)采集到DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)除以10，故該位置的實(shí)際數(shù)據(jù)是0.5。

經(jīng)過和可燃?xì)怏w報(bào)警控制器的數(shù)據(jù)對(duì)照測(cè)試，準(zhǔn)確無誤，完全滿足工藝的正常使用。

5 結(jié)束語

至今已經(jīng)完成了對(duì)油品調(diào)和車間成品罐區(qū)、油氣儲(chǔ)運(yùn)車間液化氣站罐區(qū)、動(dòng)力站氣柜裝置、聯(lián)合三車間重整航煤裝置的可燃?xì)怏w改造工作。其他裝置待條件具備將陸續(xù)進(jìn)行改造。

此次可燃?xì)鈭?bào)警控制器改造的順利完成填補(bǔ)了某廠可燃?xì)怏w檢測(cè)沒有獨(dú)立安全儀表系統(tǒng)的空白，達(dá)到了安全環(huán)保要求；與單獨(dú)增加獨(dú)立的SIS系統(tǒng)（安全儀表系統(tǒng)）相比，極大地節(jié)約了成本費(fèi)用，節(jié)約費(fèi)用約449萬元；統(tǒng)籌兼顧地利用了可燃?xì)怏w報(bào)警控制器與DCS系統(tǒng)各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了操作人員對(duì)裝置現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w濃度信息的全方位監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確掌握可燃?xì)怏w報(bào)警信息；操作人員的人身安全可以得到極大地提高，同時(shí)為裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行提供了有力保障。