基于西門子PLC的GDS聯網升級改造及數據開發應用

黃 瑞

（中國石油寧夏石化分公司）

某公司煉油裝置共有生產裝置及公用工程15 套，各裝置相距較遠，故建設之初在相對集中的裝置現場機柜間各設立一套獨立的可燃、有毒氣體檢測報警系統（簡稱GDS），共計12 套，各系統自成一體，功能獨立，無法實現統一管控。 日常管理過程中，因地域分散，需耗費大量人力資源及時間成本。

針對當前GDS 管理日趨嚴格的現狀，為提高日常管理的便利性， 降低人力資源和時間成本，并考慮公司信息化、 智能化工廠建設的需要，亟需對GDS 進行升級改造。

1 GDS 簡介

GDS 主要用于現場可燃、 有毒氣體實時監測、報警、記錄，當檢測到現場濃度超標時發出報警，提醒操作、管理人員注意并采取相應措施，屬于化工安全儀表系統，是化工裝置安全生產的一道應急救援保護層， 為提前檢測現場設備泄漏、人員防護等方面提供可靠保障。

目前GDS 設計主要遵循GB/T 50493—2019［1］和原國家安全生產監督管理總局發布的《關于加強化工安全儀表系統管理的指導意見》（安監總管三〔2014〕116 號）。

某公司煉油裝置的GDS 是由西門子S7-300系列PLC 構建而成，主要由CPU、以太網模塊、模擬量輸入模塊、數字量輸出模塊、Modbus 通信模塊、工程師站、監控操作站及聲光報警設施等組成，每套系統各自獨立，分別位于現場12 個機柜間內，互不相連。

在實際應用中，需分別對各個機柜間的GDS安排人員進行巡檢， 或同一人員完成12 個GDS巡檢，耗時較長。 同時，工藝操作人員提出，在外操人員外出巡檢期間，現場GDS 將存在監控空白期，若發生意外泄漏情況無法第一時間響應。 系統實現聯網后， 可以有效降低人工和時間成本，同時避免現場監控出現空白期。

2 聯網升級改造

2.1 可行性分析

首先，GDS 聯網需要現場機柜間實現與中央控制室的網絡通信，對該煉油裝置區生產過程控制系統網絡拓撲結構進行了分析，該煉油裝置共有15 個現場機柜間， 各個機柜間網絡柜通過獨立的多芯光纜與710 中央控制室機柜間相連完成DCS、SIS 系統通信，形成了星型網絡結構。 同時，每個機柜間的多芯光纜均有富余的備用芯光纖，本項目無需單獨敷設光纜，利用備用芯光纖即可實現GDS 的聯網。

其次， 對12 套GDS 網絡設備現狀進行了分析， 其中11 套GDS 中均安裝有EDS-208A 型號的8 口網絡交換機，用以實現PLC 和現場上位監控操作站之間的通信，該型號交換機沒有光纖接口，要實現網絡通信，需將電信號轉換為光信號進行通信。 另外，712 單元GDS 安裝的是AR550C-2C6GE 型號的4 光8 電網絡交換機，有4 個光纖接口，無需光電信號轉換。 同時，各個單元的A/B CPU、工程師站、監控操作站的網絡IP地址均統一為192.168.0.101/102、192.168.0.100、192.168.0.200，系統聯網后，會造成IP 地址之間沖突。

最后， 由于煉油裝置區12 套GDS 均是基于西門子S7-300 系列PLC 和FameView 軟件開發的， 系統架構與軟件平臺均一致， 為實現全廠GDS 的聯網提供了可能性。

2.2 聯網升級方案

分析可知，要實現GDS 聯網，需要解決電信號和光信號轉換的問題，從而利用各個機柜間的備用芯光纖，將信號匯總至710 中央控制室實現聯網。 解決這一問題有兩種方案：一是將無光纖接口的11 個網絡交換機更換為4 光8 電的網絡交換機，利用光纖跳線與光纖盒相連，從而實現光纖連接； 二是在除712 單元以外的11 個GDS中加裝一個2 電2 光的光電轉換器，將電信號轉換為光信號， 再利用光纖跳線與光纖盒相連，從而實現光纖連接。 通過對比發現，方案一的成本較高，故選擇方案二，同時在710 中央控制室機柜間加裝一臺24 光8 電的網絡交換機， 用于將各個機柜間過來的GDS 光信號進行匯總，同時獨立的交換機使得GDS 和DCS 相互獨立， 避免了對DCS 的干擾，保障了兩個系統的相對安全。 另外， 需對每一個用網設備的網絡IP 地址進行重新規劃設置（表1），防止聯網后地址沖突。

表1 GDS IP 地址分配表

通過對GDS 組態的分析可知，硬件組態過程中，只需要對A/B CPU、現場工程師站和操作站的IP 地址進行更改即可。 上位監控軟件組態過程中，由于12 套系統架構一致，項目中的變量名稱命名規則也一致，變量名稱重復度在90%以上，為滿足710 中央控制室可以監視全廠區域范圍內的可燃、有毒氣體泄漏報警情況，需將12 套GDS 監控項目整合至1 個項目中， 故需對每個項目的變量進行重新組態， 以防止名稱沖突導致無法實現監控。 為區分變量名稱， 在原有變量名稱的基礎上，增加屬地機柜間的前綴，如原701 單元GDS項目中變量名稱為1101_1， 重新組態后變更為701_1101_1，原702 單元GDS 項目中變量名稱為1101_1，重新組態后變更為702_1101_1，以此進行區分。

2.3 聯網升級項目實施

首先，為保證現場生產裝置安全，在聯網升級過程中原有GDS 仍需正常工作，故在采購硬件設備的同時， 將12 套GDS 項目組態文件全部備份拷回，離線進行組態優化。

硬件安裝過程中，需對各個機柜間GDS 安裝光電轉換器并配置電源，敷設光纖跳線，安裝總交換機等，光纖路徑如圖1 所示。硬件安裝后首先應按照IP 地址分配表， 逐一對設備IP 地址進行更改，然后測試所有光纖鏈路是否連通無損壞，連接網絡進行組網，最后更新項目組態，測試數據通信是否正常。另外，在710 中央控制室放置了1 臺總工程師站、1 臺消防監控站和3 臺操作站，分別顯示全廠或各自屬地區域內的可燃、 有毒氣體泄漏報警情況，系統聯網示意圖如圖2 所示。

圖1 光纖路徑示意圖

圖2 系統聯網示意圖

2.4 項目實施過程中遇到的問題

項目實施后， 在通信調試過程中發現，701、703、263 單元需要退出一路HMI 上位機才可以監視程序，702 單元現場工程師站HMI 上位機通信不能建立。

通過分析，由于原GDS 配置的ETH(以太網)模塊的型號為CP343-1 Lean， 只允許4 臺上位機通信。 而本項目實施后，由于在710 中央控制室增加了5 臺上位機，造成同時訪問這4 個單元的操作站數量超過了4 臺，達到了5 臺。 最后通過更換型號為CP343-1 的ETH（以太網）模塊，成功解決了該問題。

2.5 項目實施效果

項目完成后， 通過一段時間的運行觀察，12套GDS 聯合組網后，未出現通信中斷或者沖突等現象，實現了項目預期。 該項目打破了12 套GDS之間相對獨立的壁壘，重新對系統組態進行整合優化，將所有GDS 數據匯總，進行集中統一管理，實現了在710 控制室一部、二部、三部操作臺及710 消防控制室集中顯示數據和報警， 消除了因外操人員外出巡檢造成的監控空白期。 儀表人員可實現在710 總工程師站對全廠12 套GDS 進行系統狀態查看、 數據監控統計及遠程組態等，降低了人工成本和時間成本。 同時， 數據匯總后，MES、 報警管理平臺等其他數據平臺可統一從710 中央控制室采集數據， 為后期進一步的數據開發和應用提供了可能。

3 GDS 報警數據的應用設想

通過本次聯網升級， 將GDS 連成一個大網，使數據匯總于一處，為數據的開發和應用提供了基礎，具體的應用有以下幾種設想。

3.1 預知性和預防性維護

根據每種可燃、有毒氣體檢測傳感器的使用壽命，基于現有軟件功能，為每一臺檢測器增加計時器，設置使用壽命倒計時，在倒計時結束之前，提前更換傳感器。 同時增加檢定時間計時器，在計時結束之前提前進行檢定，防止過期。 另外，每次更換傳感器之后，重置計時器，根據更換的周期以及安裝環境綜合分析檢測器的使用壽命，以達到儀表預知和預防性維護的目的，進而優化對儀表的全生命周期管理。

3.2 數據轉發及信息推送

數據匯總， 便于將報警數據轉發至MSE 系統、報警管理平臺等數據平臺，同時利用現有平臺的短信推送功能，可以及時將現場的氣體泄漏報警信息以短信的形式推送至相關人員，讓管理人員能及時清楚地了解現場的情況，使管理更加及時有效。 同時，生產車間每天可對各個崗位的報警記錄進行匯總，管理人員、技術人員和操作人員一起每周或每兩周對不能接受的報警進行進一步的處理，實施必要的優化變更，還可以統計平均報警率、 最大報警率及TOP10 報警等，對全年裝置報警優化成果進行分析，適時總結并制定未來的安全運行和管理計劃。

3.3 數據的深度開發利用

利用大數據技術， 對報警數據進行深度開發，根據固定式氣體報警器的安裝位置和測量氣體種類，制作三維立體效果圖，在現場發生泄漏報警時，第一時間確定發生地點、泄漏介質等。 同時可以引入氣體泄漏立體成像技術，采用獨特的算法， 在泄漏早期迅速發現并識別泄漏介質種類、濃度等，實時顯示泄漏氣體的羽流軌跡，協助相關人員盡快找到泄漏點，及時采取處置措施［2］。

4 結束語

GDS 是化工裝置安全生產的一道應急救援保護層，為提前檢測現場設備泄漏、人員防護等方面提供可靠保障。 通過對現代信息化、智能化技術的研究與探索， 可實現數據采集與集成、云數據共享、預警分析、預警互聯，利用終端配套設施，讓身處不同位置的人員甚至設施及時作出安全應急響應。