可燃氣體報警控制器改造及通訊實踐

薛延成，郭小川

［陜西延長石油（集團）有限責任公司永坪煉油廠，陜西延安 717208］

1 背景概述

隨著社會的發(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號文中第一條明確要求：可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)應(yīng)按安全儀表系統(tǒng)進行管理，可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)宜獨立設(shè)置。2018年4月省安監(jiān)局來某廠檢查時提出可燃氣體檢測必須與控制系統(tǒng)分離的要求。為了滿足上級部門對某廠安全環(huán)保要求，提高煉化生產(chǎn)的安全性，增加可燃氣體及有毒氣體檢測報警控制器勢在必行。

2 改造方案確定

常規(guī)方案：常規(guī)方案就是為可燃氣檢測報警配置獨立的SIS系統(tǒng)（安全儀表系統(tǒng)），以達到省安全部門對某廠提出的改造要求。SIS系統(tǒng)安全級別高，完全滿足聲光報警的要求，具有報警信息歷史記錄功能，同時也可以繪制可燃氣報警分布圖，現(xiàn)場可燃氣報警分布情況一目了然。但是所需費用較高，需要購置SIS系統(tǒng)機柜、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罐增設(shè)獨立SIS系統(tǒng)項目作為基準，以最節(jié)約成本方案，一套裝置按照64個可燃氣體檢測儀表改造需求（如果可燃氣體檢測數(shù)量多則需要多增加AI卡安全柵等）保守估算，一套可燃氣體報警獨立GDS系統(tǒng)約需54.7萬元：

由于某廠每個裝置都有自己的可燃氣、有毒氣檢測，且各個裝置的可燃氣體檢測數(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，對于一套裝置來說，增加獨立的GDS系統(tǒng)大約需要人民幣54.7萬元。這里對每個裝置按平均估算費用50萬元計算。

根據(jù)某廠各個裝置的可燃氣具體數(shù)量統(tǒng)計情況（按具體操作室劃分），通過整理可燃氣體數(shù)量統(tǒng)計表，總共需要增加10套獨立的GDS系統(tǒng)，所需費用為50×10=500萬元。

改革創(chuàng)新方案：

為了節(jié)約成本，同時滿足省安全部門對某廠可燃氣檢測增設(shè)獨立于GDS系統(tǒng)的聲光報警系統(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，選定哈爾濱東方報警設(shè)備開發(fā)有限公司的KB-2000N32B氣體報警控制器，作為某廠獨立于DCS系統(tǒng)的可燃氣體檢測報警控制器。KB-2000N32B氣體報警控制器具有國家安全認證資質(zhì)，滿足作為可燃氣體檢測獨立控制器的要求，且有聲光報警功能。

一個KB-2000N32B氣體報警控制器有32個通道，最多可以同時監(jiān)控32個現(xiàn)場可燃氣探測儀表，約需人民幣3萬元，按照每個裝置必須有氣體報警控制器且必須滿足所有可燃氣體檢測均接入獨立的氣體報警控制器的原則。根據(jù)需求得出某廠共需要17個氣體報警控制器，就可以滿足某廠對可燃氣改造的要求，共需費用17×3=51萬元。

將常規(guī)方案（設(shè)置獨立的SIS系統(tǒng)）與改革創(chuàng)新方案（安裝獨立的氣體報警控制器）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警設(shè)備開發(fā)有限公司的KB-2000N32B氣體報警控制器，作為某廠獨立于DCS系統(tǒng)的可燃氣體檢測報警控制器。在控制室配置安裝氣體報警控制器，現(xiàn)場所有可燃氣探測儀表送出的4～20mA電流信號先接入可燃氣報警控制器，由控制器集中控制管理，并進行聲光報警。同時在DCS系統(tǒng)中增加RS485通信卡，利用氣體報警控制器的RS485（ModBus RTU）信號上傳輸出功能與DCS控制系統(tǒng)進行通信，將可燃氣測量信號同時送給DCS系統(tǒng)進行顯示記錄。

3 DCS系統(tǒng)與可燃氣體報警控制器介紹

3.1 可燃氣體警報器的設(shè)計

在對可燃氣體報警器設(shè)計中，可以通過對單片機控制技術(shù)的應(yīng)用，按照一定程序制作可燃氣體報警器。可燃氣體報警器在實際應(yīng)用期間，重點對甲烷實時監(jiān)控。如果甲烷的濃度超出一定限定數(shù)值，在單片機控制電路中，將發(fā)出報警信息。這時候，利用外接排風扇，將避免安全事故的發(fā)生。AT89C51具備較高的性價比，通過AT89C51單片機對電路進行有效控制。在可燃氣體報警器中，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，也有較長的使用壽命，對其有效應(yīng)用能保證我國先進傳感器制造水平的提升。使用該材料制作可燃氣體報警器，對有毒氣體和易燃易爆的檢測，可以在礦山油田或者國防領(lǐng)域有效應(yīng)用。在實際設(shè)計期間，還可以使用GS系列傳感器，以ADC0809實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。這種設(shè)計方法能實現(xiàn)檢測功能，加強事故處理功能。

系統(tǒng)以單片機控制模塊為核心，探測器放置在鍋爐廠房的檢測位置，在信號檢測模塊檢測到可燃氣體之后，聲音及閃爍報警及時報警。在出現(xiàn)系統(tǒng)故障時，自動檢測故障部位，若是軟件故障，系統(tǒng)自動復(fù)位修復(fù)，硬件故障及時報告控制臺，以完成整個火災(zāi)自動系統(tǒng)的工作過程。

3.2 DCS系統(tǒng)與可燃氣體報警控制器簡介

DCS（Distributed Control System）是分散控制系統(tǒng)的簡稱，國內(nèi)一般習慣稱之為集散控制系統(tǒng)。DCS是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機、通信、顯示和控制等技術(shù)。具有分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便，具有歷史數(shù)據(jù)記錄功能、擁有可燃氣報警器分布圖顯示功能等優(yōu)點。通過DCS流程圖繪制工具，可以詳細繪制現(xiàn)場可燃氣體檢測儀表的分布情況。

KB-2000N32B（壁掛式）氣體報警控制器是一個獨立的氣體報警控制系統(tǒng)，是根據(jù)國家標準而設(shè)計制造的新一代氣體報警器。它將探測器從現(xiàn)場檢查傳回的信號顯示在報警器的液晶屏幕上，并根據(jù)信息內(nèi)容進行實時處理：正常、報警、錯誤。每個可燃氣報警控制器有32個信號檢測通道，從CH01至CH32，對應(yīng)的實時數(shù)據(jù)存儲地址為A40001至A40032。它是獨立的監(jiān)視報警系統(tǒng)，具有聲光報警功能、報警信息實時準確等優(yōu)點，此外它還具有RS485信號上傳輸出功能。

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)標準。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)，進行集中監(jiān)控。

為了方便工藝操作人員對可燃氣體的監(jiān)控操作，充分利用DCS系統(tǒng)和可燃氣體報警控制器各自的優(yōu)點，實現(xiàn)全方位的可燃氣體信號監(jiān)測、報警。通過MODBUS通信協(xié)議進行可燃氣體報警控制器和DCS系統(tǒng)的信號通信，將可燃氣體檢測信息直觀地顯示在DCS操作畫面上，并記錄其歷史信息，圖1是可燃氣改造前后對比圖。

圖1 可燃氣改造前后對比圖

3.3 可燃氣體警報器在DCS中的應(yīng)用

（1）將現(xiàn)場檢測元件與控制器正確連接后，上電調(diào)試，確保檢測數(shù)據(jù)準確無誤。

（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“一對一冗余”模式。

（4）打開“通信組態(tài)”功能，進入串口通信組態(tài)軟件，對模塊進行屬性配置，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。

校驗方式：無校驗。

（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：讀AO（FC03 ）

開始地址：1

數(shù)量：112

信號類型：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，并進行“組態(tài)更新”。

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

（8）當所有設(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)，選擇進行編譯與下載。下載完成后，就能在位號表里看到實時數(shù)據(jù)了。

（9）把這些位號，添加到畫面組態(tài)上，加上趨勢，就能在DCS的監(jiān)控畫面上查看了。可燃氣體報警器在DCS的應(yīng)用后，每個氣體檢測探頭都可以在DCS上可實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示、報警分級分類、歷史數(shù)據(jù)查看，故障判斷，設(shè)置報警墻等一系列更加安全便捷的操作，更有利于工藝人員對于現(xiàn)場氣體情況的分析判斷掌握。現(xiàn)場和控制室的雙向監(jiān)控，對于企業(yè)的安全生產(chǎn)起到了巨大的促進作用。

4 改造過程及通訊實現(xiàn)方法

以油品調(diào)和車間的可燃氣體改造為例，在操作室墻面上采用打孔的方式安裝固定KB-2000N32B（壁掛式）氣體報警控制器。從現(xiàn)場可燃氣體檢測報警儀來的信號線經(jīng)槽盒直接接入氣體報警控制器，作為信號采集處理報警的控制單元；再利用MODBUS協(xié)議將其可燃氣檢測實時信息接入DCS控制系統(tǒng)CENTUM VP中。

4.1 硬件接線

現(xiàn)場來的可燃氣體檢測信號首先接入KB-2000N32B（壁掛式）氣體報警控制器的各個通道上，且氣體報警控制器自帶有RS485（ModBus RTU）信號上傳功能，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警控制器的485通訊端口即可。

4.2 可燃氣體檢測調(diào)試設(shè)置

4.2.1 可燃氣體報警控制器的設(shè)置

現(xiàn)場可燃氣體檢查信號通過三根信號線接入可燃氣體報警控制器中相應(yīng)的通道中，其中供電負和信號負公用一根信號線。在工程師權(quán)限下，通過觸摸屏分別設(shè)置可燃氣體報警控制器每個通道的地址、可燃氣體檢測的量程、報警限。對于沒有信號接入的通道，將該通道的地址改為0，屏蔽掉該通道的報警。

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擊屬性，會顯示有關(guān)此卡的用途，型號及安裝位置。屬性中有關(guān)通訊端口的通信協(xié)議：奇偶校驗方式為無校驗、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，雙擊鼠標左鍵，進入通訊數(shù)據(jù)設(shè)置區(qū)，定義好緩沖區(qū)、站號、數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)地址等。數(shù)據(jù)類型：16為有符號數(shù)；寄存器地址：A40001—A40032；站號根據(jù)KB-2000N32B（壁掛式）氣體報警控制器自行設(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，就可以進行數(shù)據(jù)的實時通訊，數(shù)據(jù)在CENTUM VP系統(tǒng)中組態(tài)后就可以監(jiān)測到數(shù)據(jù)的接收。

4.3 舉例實踐

以可燃氣體報警控制器存儲地址為4001的數(shù)據(jù)為例（它檢測的是編號為AI-001的可燃氣體實時檢測數(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通訊實時二進制數(shù)據(jù)）中對應(yīng)的為WB003700中的數(shù)據(jù)，WB003700中為帶符號的十六位二進制數(shù)：0000000000000101。

首位符號位為0，即該數(shù)據(jù)位正數(shù)，按二進制讀數(shù)為5，由于數(shù)據(jù)從可燃氣體報警控制器引入DCS系統(tǒng)后在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中擴大了10倍。所有需要給每個采集到DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)除以10，故該位置的實際數(shù)據(jù)是0.5。

經(jīng)過和可燃氣體報警控制器的數(shù)據(jù)對照測試，準確無誤，完全滿足工藝的正常使用。

5 結(jié)束語

至今已經(jīng)完成了對油品調(diào)和車間成品罐區(qū)、油氣儲運車間液化氣站罐區(qū)、動力站氣柜裝置、聯(lián)合三車間重整航煤裝置的可燃氣體改造工作。其他裝置待條件具備將陸續(xù)進行改造。

此次可燃氣報警控制器改造的順利完成填補了某廠可燃氣體檢測沒有獨立安全儀表系統(tǒng)的空白，達到了安全環(huán)保要求；與單獨增加獨立的SIS系統(tǒng)（安全儀表系統(tǒng)）相比，極大地節(jié)約了成本費用，節(jié)約費用約449萬元；統(tǒng)籌兼顧地利用了可燃氣體報警控制器與DCS系統(tǒng)各自的優(yōu)點，實現(xiàn)了操作人員對裝置現(xiàn)場可燃氣體濃度信息的全方位監(jiān)測，同時可以實時準確掌握可燃氣體報警信息；操作人員的人身安全可以得到極大地提高，同時為裝置的安全平穩(wěn)運行提供了有力保障。