可燃有毒气体检测报警控制系统设计.pdf

第 4 7卷第 3期 2 0 1 1年 6月 石油化工 自动化 AUT0M ATI ON I N PETR( ) _ CHEM I CAL I NDUSTRY VoI _ 47，NO 3 J u n e ，2 0 1 1 可燃 有毒气 体检测报警控制 系统设计 刘 定伦 ( 深 圳 特 安 电 子有 限 公 司 研 发 中心 ， 深 圳 5 1 8 0 0 0 ) 摘 要 ：针对可燃 有 毒气体检测报 警在 石化行业 中的高端需 求 ， 引进失 效安全 与容错 的设计 思路 。介绍 了 S 1 L 3等级气体 监控系统在某碱 厂丁辛 醇项 目可燃有 毒气体报警系统中的应用 ， 并分别从软件和硬件方面阐述了该系统的实现方 法， 对系统模 块配鼍 、 P L C程序的组态和编程以及工作站软件的组态作了描述 。 关 键 词 ：冗余 ； 安 全完整性等级 ； 可编程控制器 中图分类号 ：T P 2 7 3 文献标 志码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 7 7 3 2 4 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 3 9 0 3 T h e De s i g n o f Fl a mma b l e T o x i c Ga s De t e c t i o n Al e r t Con t r d S y s t e m Li u Di n gl un ( R& D o f S h e n z h e n Ex S a f El e c t r o n i c s Co L t d ，S h e n z h e n，5 1 8 0 0 0， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： Re s po nd i ng t o hi gh t r e qu i r e me nt o n f l a mma bl e a nd t oxi c g a s d e t e c t i on a n d a l a r m f r o m pe t r o c he m i c a l i ndus t r y， i nt r o du c e f a i l ur e s a f e t y a nd f a u l t t ol e r a nc e de s i g n t he o r y， t he a pp l i c a t i o n of S I I 3 s y s t e m i n f l a mma b l e t o x i c g a s d e t e c t i o n a n d a l a r m f o r b u t y l a l c o h o l p r o j e c t i n a n a l k a l i p l a n t i s i l l us t r a t e d，r e s pe c t i ve l y i l l us t r a t e s t he r e a l i z a t i o n m e t ho ds o f t he s ys t e m i n r e s p e c t s i n s of t wa r e a nd ha r dwa r e，a nd d e s c r i be s s y s t e m mod ul e c on f i gu r a t i o n，PLC p r o gr a m c on f i g ur a t i on a n d c o nf i gu r a t i o n of c on s o l e s o f t wa r e Ke y wo r ds ：r e du nda n t ；SI L3；PLC O 引 言 可燃 有 毒气 体检 测是 石 油化工 装 置 的重要 组 成部 分 ， 精 确 、 稳 定 的 检 测 系统 对 设 备 、 工 作 人员 、 安全 生产起 着 举 足 轻 重 的 作用 。传 统 的 气 体 检 测 采用 探 测 器加 二 次仪 表 或 者探 测 器 直接 按 到 D C S 的方 式 。二次 仪表 单采 样模 块 ， 单通 道硬 件 电路 及 采样 电路本 身 易 出现 问题 无法 正常 工作 ， 并 且不 易 进行数 据 分析 ； 采用 D C S的方式 系 统 复杂 ， 不 能 将 气体检测系统独立出来 ， 在响应时间、 设备可靠性 和人员 安全 上 都 存 在 隐 患 。 以上 两 种 方 案 在 检修 或维 护 时系统 都必 须停 止 工作 ， 现场 是 否 出现 险 情 无法知 晓或者 现场 必须停 止 生产 ， 所 以设 计一 套新 的安 全 、 稳 定可 靠 的气体 检 测 系统 十分必 要 。 1 系统概 述 该 系统 由深圳 特 安 电子有 限公 司成 熟 的 可燃 气体 报 警 系 统 构 建 ， 采 用 了 现 场 气 体 探 测 器 + P I C三冗 余 监 控 模 式 ， 其 中 P L C 作 为 控 制 的 核 心 ， 同时采 用 以太 局域 网技 术 构 架 ， 实现 了 与工 作 站 的数 据交 换 。在 现场 ， 隔爆 型探 测 器采 集气 体浓 度信 息 ， 在 控制 室 使 用 P L C构 成 三 冗 余 数 据 采集 控制 系统 ， 同时 P L C所 采 集 到 的浓 度 和控 制 输 出 信 息通 过冗 余 的 以太 网络传 送到监 控 计算 机 ， 显 示 现场情 况 或发 出报 警 提 示 并 把 报 警信 息 和恢 复 正 常时间等记录在本地硬 盘 中， 便于查询和统 计分 析 。同时 P L C 提 供 双 冗 余 RS一 4 8 5接 口和 上 位 DC S进行 通 信 。该 控 制 系统 的双 冗 余 C P U， 2 x 3 冗余通信控制器、 三冗 余 AI 模块 、 双冗余 D O， 以 及相应 附件 配 置数 量 严 格按 照 S I L 3等 级配 置 ， 该 配置 经 过 TUV 认 证 ， 可 达 到 S I L 3 TUV6等 级 。 该 系统 为 高安全 等级 系统 ， 在 功能 上完 全取代 并 优 越 于传 统 多线制 、 多 报警 控制 器构 架模 式 。 2 系统架 构 气 体监 控 系统 由过程 控制 单元 和 上位机 构成 。 上 位机 与 过程控 制 单 元 通 过冗 余 以太 网相 连 且 交 换 数据 ， 主 要完 成对 现场 探 测 器 浓 度 、 状 态 的 显示 与 报警 ， 以及 对 每个探 测器 报警 点 、 量程 、 测量 气体 类 型 、 屏 蔽 等操 作 。同 时实 现 报警 记 录 ， 历 史 数据 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 23 1 ( 修 改稿 ) 。 作者简介 ：刘定伦 ( 1 9 7 7年一) ， 男 ， 2 0 0 0年毕业于南昌大学电 子信息工程专业 ， 现工作 于深圳市 特安 电子有 限公 司研 发 中心气 体报警器产品线 ， 任经理 。 4 0 石油 化工 自动化 第 4 7卷 的存储 查询 功 能 。系 统运 行 主要 有 以下 五个 部分 组成 。 a )内部故障检测。采用 了安全 P L C冗余配 置， 具有故障 自动识别功能并 自动对其补偿。系统 中所 有智能 模块 都持 续 运 行 且允 许 在 不 中断 系统 运行的情况下对其实施维修和更换部件 。 b )现场浓度 采集 。来 自现 场气 体浓 度 探测 器 的 4 2 O mA 电流 信 号 经 过 特 制 的 隔 离栅 进 入 三 冗 余 AI 卡件 ， 使 用 “ 三 取二 ” 表 决 机 制 。隔离 栅 中 设 计有 防雷 、 防 短路 、 滤 波 保 护 器 件 ， 及 I V 信 号 转 换 电路 ； 系统的硬 件采 用 了物理上 无耦合 设计 和 分离式结构保护， 通道间完全独立， 任一通道发生 电源、 信号等短路或其他故障， 都不会影响其他通 道 正常工 作 。因此 用 户 一般 不 用 担 心 出现 硬 件 故 障影 响操 作 。 c ) 逻 辑运算 。使 用安 全 C P U 双冗 余 ， 正 常情 况两个 C P U 同时运 行 。C P U 问有 同步表 决 机制 ， 当一个 C P U 出现故障时， 另一个 C P U 系统仍可 单独完 成逻辑 处理 任务 。 d )控制输 出。该系统 中使用双冗 余 DO模 块 ， 组成 T型输出， 也被称为保生产型。模块并联 在负载的一端 ， 负载的另一端和 0 VD C相连 ， 适用 于有 效性 高 的安 全应 用 环境 。如 果 T 型输 出模 块 的两路总线之一 出现故障， 输出端 口的二极管特性 发挥 作用 ， 有效模 块 的输 出 即为 实际输 出。 e )数据处理 。P L C的逻辑控制核心 C P U 通 过冗余的以太网模块 、 工业交换机组成通信网络 ， 和工控机之间进行数据交换 ， 由工控机来完成后台 数据处 理 、 存 储及 显示 工作 。 3系统软件 设计 3 1 P L C程序 设计 软件设计包括 P L C程序设计和上位机人机交 互 界 面程 序 两 部 分 。P L C 逻 辑 程 序 及 组 态 采 用 P r o f i c y Ma c h i n e E d i t i o n软件 开 发 ， 该软 件 是针 对 GE系列 P L C的软 件编程 包 ， 提 供 了一个完 整 的系 统 用 于解 决 自动 化 系 统 方 案 ， 运 行 于 Mi c r o s o f t Wi n d o ws 操作系统 ， 该厂 P L C程序主要分为以下 几 部分 ： a )在 G MR C o n f i g u r a t i o n中实现 对系统 的冗 余配 置 ， 通 过 该 软 件 可 以设 置 系 统 中 C P U 的数 量 、 类 型 、 同步数 据 区间等信 息 ， 总线控 制器 在机架 中的位 置 ， 以及 AI ， D O 模 块 的表决 方式 等 相关 信 息 ， 取 中间值 的表决方 法如 图 1 所 示 。 b )在硬 件组态 中完成对 电源模 块 、 C P U、 总线 控制 器 、 以 太 网模 块 、 AI 模 块 、 D O 模 块 的 组 态 。 在 C P U模 块 中主要 配置 AI ， R寄存 器 等 的空 间大 小， 在总线控制器中按照 GMR组态生成文件信息 配置每 个控 制器之 间交换 数 据 的空间 ， 在 以太 网模 块 中需 设置 该站在 网络 中的 I P地址 。 输 入A 输 入B 输 Ac 通道 现 场 仪 表 值 图 l AI 表 决方式 c J在主程 序 块 中采 用 梯 形 图 编 写逻 辑 ， 实 现 状态 判 断 、 报 警功 能 。 主要 包括 数 据采 集 、 数 据处 理 、 输 出三大功 能 块 。数 据 采集 通 过 读 取 AI 通 道 的数字， 经过线性、 死区、 斜坡 、 滤波、 阻尼处理， 将 探测器 输 出的 电流 转 换 为 电压 值 。数 据 处 理 根据 采集 的电压 值 ， 高 低报 警设 定值 ， 判断 出探测 器 的 当前状 态 。动作输 出根 据探 测器 的状态 ， 输 出相应 的控制 状态 ， 其单 通道 的程序 流程 如 图 2所示 。 图 2 单 通道 的程序 流程 示意 3 2上位 机程序 设计 上 位机 软件选 用经 过 TUV 认证 的 C i mp l i c i t y 平 台开发 ，C i mp l i c i t y监视 和控 制软 件可 以 为多用 户监控 和数据 处理 提供 一个 高速信 息处 理 的平 台。 它使用 了各种 通信 方 法 来 收 集用 于设 备 管 理 和逻 第 3期 刘 定 伦 可 燃 有 毒 气 体 检 测 报 警 控 制 系统 设 计 4 1 辑错误 的实时 数据 ， 并 实现 了历史 记 录分 析