一種易維護的有害氣體檢測報警系統(tǒng)設計

四川成享軟件股份有限公司 趙東

有害氣體檢測報警系統(tǒng)是油氣井場環(huán)境中必須存在的機電裝置，需要符合修訂后的GB/T 50493-2019標準。本文闡述了一種滿足該標準的有害氣體檢測報警系統(tǒng)的設計。考慮到井場大多偏僻，現(xiàn)場缺乏IT專業(yè)人員的情況，相應地重點論述了該系統(tǒng)的設計，尤其是軟件設計如何支持易維護性。

石油化工裝置在生產過程中，會產生或泄露有害氣體，包括可燃氣體和有毒氣體。例如，在油氣井鉆井、試油、井下作業(yè)施工及水井施工、酸化、酸洗的作業(yè)井現(xiàn)場常出現(xiàn)硫化氫。硫化氫中毒的歷史教訓是慘痛的，以重慶某天然氣井為例，該礦井因硫化氫泄露未及時發(fā)現(xiàn)，造成高濃度硫化氫擴散至大氣中，造成幾百人死亡，上千人中毒進院醫(yī)治，近萬人緊急疏散的特大事故；此外，硫化氫還會損壞鉆井設備／危害鉆井液，進而造成開采管道破裂，嚴重時還會造成石油井噴著火等安全事故，泄露時還會污染大氣乃至水源。因此，實時監(jiān)測這些可燃和有毒氣體并及時報警，能有效地預防人員傷害事故，避免人員和經濟損失。

相關的有害氣體檢測報警系統(tǒng)是石油化工生產中必須存在的機電裝置，之前已有過較多的研究與實現(xiàn)[1]，基于《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規(guī)范》GB 50493—2009[2]。中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部對該規(guī)范進行了修訂，于2019年9月25日頒布發(fā)布了《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》GB/T 50493—2019[3]，并于2020年1月1日起實施，原GB50493—2009規(guī)范被廢止。按照“老企業(yè)老規(guī)范、新企業(yè)新標準”的原則，石油化工行業(yè)的老企業(yè)仍可按照2009版規(guī)范設置可燃和有毒有害氣體場所檢測報警裝置；而2019版標準則適用于新建、擴建具有可燃和有毒有害氣體場所的企業(yè)，對于這類企業(yè)，相應的檢測報警系統(tǒng)的設計需要符合新標準。

1 檢測報警系統(tǒng)的設計

本節(jié)討論一種符合前述新標準，適用于石化行業(yè)井場環(huán)境的有害氣體檢測報警系統(tǒng)的設計，綜合運用了電子技術、測量技術和計算機技術，可實現(xiàn)如下目標：可遠程監(jiān)測、快速獲取井有害氣體濃度；可同時實現(xiàn)多路信號的監(jiān)測、顯示、記錄和報警；可以數字或曲線方式直觀、友好地顯示監(jiān)測參數的變化；多屏切換展示：定時切換不同的監(jiān)控屏幕信息，能在一個屏幕看到不同內容。

1.1 獨立系統(tǒng)設計

以往直接進DCS[1]的方式與GB/T 50493標準要求相比，缺點較多，如：裝置停產檢修時或DCS出故障時，會影響有害氣體檢測報警系統(tǒng)的運行；響應速度較遲緩，一旦有害氣體泄露，濃度超過閾值，不能在第一時間發(fā)出預警。

因此，再考慮到井場針對各種有害氣體報警點數較多的情況，且符合GB/T 50493對于GDS（可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)）的獨立性要求，本檢測報警系統(tǒng)采用獨立的系統(tǒng)設計，既方便集成各功能，又可更加有效地監(jiān)控有害氣體的泄露情況。

本系統(tǒng)按部署位置可分為兩部分：(1)探測器（包括各種有毒氣體的傳感器和可燃氣體的傳感器，可自帶警報器作為現(xiàn)場警報器）和現(xiàn)場區(qū)域警報器，安裝在釋放源附近，能在長期高腐蝕性氣體環(huán)境下工作，且符合現(xiàn)行國家標準[4]，探測器用于探測溫濕度、風速風向和有害氣體的濃度等指標；(2)主機系統(tǒng)，設在附近有人值守的機房里，負責收集傳感器采集的信號，并轉化為相應的數字信號，然后進行分析，將處理后的信息顯示在屏幕上，根據設定的規(guī)則采取相應的動作，如傳感器故障提示檢修相應的傳感器，信號超過設定閾值則控制相應的警報器進行報警，提醒作業(yè)人員采取安全措施，如迅速啟動排風機，打開噴淋系統(tǒng)等。探測器和主機系統(tǒng)可通過有線或無線方式進行連接。本系統(tǒng)具有歷史數據追溯和回訪功能，可進行數據分析、報表打印以及數據歸檔。系統(tǒng)也可按需通過網絡實時或批量地將采集到的各井有害氣體信息傳輸至遠程中心機房，用于進行實時處理或進行批量分析（相應地設置分析服務器）。

系統(tǒng)的整體示意圖如圖1所示。

圖1 有害氣體檢測報警系統(tǒng)配置示意圖Fig.1 Harmful gas detection alarm system configuration diagram

本文討論的系統(tǒng)設計為固定式，適用于在井場這樣的生產環(huán)境長期運行。實際上，本系統(tǒng)的設計也可以支持便攜式，例如主機系統(tǒng)可采用筆記本電腦實現(xiàn)，用于支持檢修檢測、應急檢測、進入檢測和巡回檢測等場景。

1.2 可靠性與經濟性

系統(tǒng)在設計時，還需要同時考慮滿足可靠性和經濟性。

可靠性：(1)根據GB/T 50493標準，供電宜采用UPS電源，支持雙路供電；(2)傳感器本身應進行容錯設計，例如針對硫化氫，每個井口附近可放置四個硫化氫探測器，分布在左前端、右前端、左后端、右后端四個方位，其中一個出故障并不會影響整體系統(tǒng)運行，但會在監(jiān)控大屏上顯示相關故障信息，提示現(xiàn)場監(jiān)督管理人員需要進行更換檢修；(3)如果要屏蔽主機系統(tǒng)硬件故障和操作系統(tǒng)故障，則需要設置備機，通過主/備切換來解決（應用軟件的設計原則上是無狀態(tài)的，本地寫操作僅限于順序寫采集到的信息到本地文件中，丟失少量檢測數據是允許的，不影響主/備切換）；(4)針對應用層軟件運行時可能因故障等退出的情況，設置一守護進程，通過定時（如每秒發(fā)送）信號檢查相應的進程是否正常運行，如果相應進程異常退出則重啟該進程，守護進程的實現(xiàn)本身無業(yè)務邏輯，較為簡單，可靠性很高。

經濟性：系統(tǒng)要有一定的通用性，不能太過特殊，應該滿足技術的普遍性和發(fā)展趨勢，造價合理且較易升級，因此本系統(tǒng)硬件選用X86架構，采用PC作為主機系統(tǒng)，再綜合考慮穩(wěn)定性和安全性等因素，操作系統(tǒng)則選用Linux。

本系統(tǒng)軟件設計采用主流的B/S架構，前端瀏覽器在顯示屏上顯示監(jiān)控信息，監(jiān)控顯示部分的人機界面可以靈活地進行增刪修改，通過下節(jié)所述的易維護性進行靈活升級，以滿足新的需要而無需IT專業(yè)人士介入來進行停機安裝。當未來系統(tǒng)部署方式需要發(fā)生改變時，如需采用無盤工作站，PC端可以只運行瀏覽器，而將Web端遷移至聯(lián)網的中心機房服務器上，只需更改相應的配置，無需修改程序。

2 系統(tǒng)的易維護性

井場通常位置較為偏僻，環(huán)境惡劣，交通條件較差，缺乏專業(yè)的IT技術人員，對于軟件就更不熟悉，而現(xiàn)在IT技術尤其是軟件技術飛速發(fā)展，升級更新較為頻繁。因此系統(tǒng)在進行設計，尤其是軟件設計時必須充分考慮到這一點，即系統(tǒng)應該是易維護的。易維護性也要求井場環(huán)境應具備基本網絡條件（例如支持4G／WiFi／有線網絡）。

系統(tǒng)要投入生產并支持長期運行，可分為安裝部署和運行維護兩個階段，以下針對這兩個階段分別論述。

2.1 安裝部署階段

每口井都需要安裝一套有害氣體檢測報警系統(tǒng)，如果相應的軟件都通過人工安裝的話，工作量較大，耗費時間較多，且因為疲勞等因素還可能產生差錯，也不利于維護。因此，需要考慮更便利的裝機方式，即從網絡引導啟動并自動安裝。

PXE（Preboot Execute Environment，預啟動執(zhí)行環(huán)境）是由Intel公司開發(fā)的技術，工作于Client/Server的網絡模式，支持PC通過網絡從遠端安裝服務器下載映像，并由此支持通過網絡啟動操作系統(tǒng)。嚴格來說，PXE并不是一種安裝方式，而是一種引導方式。進行PXE安裝的必要條件是在待安裝的計算機中必須包含一個PXE支持的網卡，即網卡中必須要有PXE Client，目前各廠家生產的PC都已支持PXE。

定制Linux的配置和安裝其他基礎軟件/應用軟件則需要用到KickStart，在安裝服務器上運行相應的圖形界面可以為每臺待安裝的PC定義相關的配置，包括但不限于如何分區(qū)、管理員口令、網絡地址、安裝后運行的自己編寫的腳本等。

結合PXE和KickStart，自動的安裝部署過程如下：

(1)設置待安裝的客戶機從PXE啟動，向本網絡中的DHCP服務器請求獲取動態(tài)IP地址和引導文件的位置；

(2)DHCP服務器下發(fā)IP地址、引導文件位置、TFTP服務器地址；

(3)客戶機請求TFTP服務器獲取引導程序到本機內存；

(4)執(zhí)行引導程序；

(5)請求TFTP服務器獲取配置文件；

(6)根據配置文件，客戶機再請求TFTP服務器，加載Linux內核和文件系統(tǒng)，并掛載各種各樣的模塊；

(7)客戶機啟動Linux內核；

(8)根據之前設定的KickStart文件中的配置，繼續(xù)自動執(zhí)行裝機步驟，并安裝指定的基礎軟件和應用軟件（如JDK/Java應用/ NGINX/瀏覽器等），替換默認的圖形桌面應用，設置應用的配置如各種傳感器的參數；

(9)隨后將客戶機設置為從本地啟動，再重啟系統(tǒng)，自動運行檢測報警系統(tǒng)相關的程序，全屏顯示檢測報警系統(tǒng)的界面，裝機完成，進入運行維護階段。

由上可見，采用PXE支持自動裝機，首先需要設置專門的安裝服務器。由于PXE客戶機通常是尚未裝系統(tǒng)的裸機，因此為了和安裝服務器取得聯(lián)系并正確下載相關引導文件，需要預先配置好服務器的DHCP服務來自動分配IP地址并告知引導程序的位置。隨后還需要安裝TFTP（如未裝），開啟TFTP服務，生成對應的配置文件，以供客戶機下載相關文件。

2.2 運行維護階段

本小節(jié)論述本系統(tǒng)投入運行之后，如何方便地運行維護，分為日常運行維護和軟件自動升級兩方面。

2.2.1 日常運行維護

PC端的顯示屏平常顯示監(jiān)控到的檢測信息，包括各個可燃/有毒氣體探測器的當前狀態(tài)，溫濕度探測器度數，風速風向級別等，通常無需用戶干預，正常情況下也忽略用戶的輸入（平時甚至可以不配置鍵盤之類的輸入設備），防止現(xiàn)場監(jiān)督管理人員誤輸入錯誤命令影響系統(tǒng)正常運行。系統(tǒng)自動定時進行多屏切換，可顯示監(jiān)控首頁/曲線圖/監(jiān)控記錄/報警圖等不同信息。

系統(tǒng)的界面設計必須進行仔細考慮，在有害氣體超過設定閾值時，及時準確地讓相關人員知曉危險出現(xiàn)、影響區(qū)域及程度，對人員的危險避讓、危險處理是十分關鍵的。本系統(tǒng)的報警級別按GB/T 50493標準設置二級報警，一級報警為氣體泄漏警示，表示指標超過第一級閾限值，提示操作人員及時到現(xiàn)場巡檢處理；二級報警為氣體泄漏緊急報警，表示指標超過第二級閾限值，通知現(xiàn)場區(qū)域警報器和中心機房警報器進行聲光報警，提示操作人員采取緊急處理措施，如立即撤離。

系統(tǒng)報警后，除了采取措施應對，還往往要對事故原因進行分析，追查責任，因此本系統(tǒng)在設計時也有完善的數據追憶功能，會將檢測到的傳感器數據保存下來，同時也可根據需要實時或批量地將數據上傳到中心機房，通過提供歷史數據、歷史報警等真實信息，供事故分析使用。

本系統(tǒng)相關的現(xiàn)場作業(yè)人員、現(xiàn)場監(jiān)督管理人員經簡單培訓后就可達到以下要求：能看懂顯示屏上顯示信息的主要含義，知道聲光報警器的不同報警信息對應的不同級別，明確區(qū)域內一旦出現(xiàn)危險，即有害氣體達到設定閾值時，發(fā)出不同級別的告警信息后所應采取的應對措施，例如到現(xiàn)場巡檢處理或緊急撤離等。此外，時常進行演練也是非常重要的，有助于保持安全生產，保持人和環(huán)境的和諧發(fā)展。

2.2.2 軟件自動升級

IT技術在不斷地發(fā)展，因此有害氣體檢測報警系統(tǒng)也有必要隨著發(fā)展，尤其是軟件必須方便地支持版本的升級，本系統(tǒng)的設計可支持無人值守升級，即PC端可自動檢測相關的軟件是否需要升級。整個檢測報警系統(tǒng)的軟件升級需要考慮兩方面：(1)基礎軟件和應用軟件版本的升級；(2)操作系統(tǒng)本身的升級更新。

本設計方案中，作為主機系統(tǒng)的PC端在持續(xù)工作時，其中運行的后端程序會根據前述安裝過程中設定的規(guī)則（例如每天、每周或每月等）檢查安裝服務器的相關信息，確定基礎軟件和／或應用軟件是否需要升級，這可以通過很簡單的方法實現(xiàn)，例如通過運行腳本比較本地某相關軟件的版本號是否小于服務器上對應軟件的版本號。如果需要升級，則后端程序會啟動一個升級程序進行相應的操作，根據需要從安裝服務器下載相關的軟件到本地，完成安裝（Linux下可以刪除／重命名正在運行的軟件程序，隨后再重命名安裝好的新版本軟件為該程序），然后關閉相關軟件的運行進程（會導致很短暫的檢測中斷，需在關閉前給出明顯的應用升級提示信息，包括但不限于屏幕信息和提示音）再重啟。

至于Linux系統(tǒng)的更新，由于它本身支持方便的自動更新，針對前述Linux的自動安裝過程，可以根據需求設定自動更新和相關的更新頻率，這樣它會按設定的頻率自動檢查系統(tǒng)更新，發(fā)現(xiàn)有更新時會下載這些更新并自行安裝。

如果后端程序檢查時發(fā)現(xiàn)還需要跨大版本升級Linux內核（一般不建議采用熱補丁，而且可能也需要升級對應的基礎軟件/應用軟件），則下載安裝完成后還需要重啟操作系統(tǒng)完成升級過程。為了保證安全可靠性，此過程設計為非全自動完成，要求有專業(yè)人士遠程指導一些基本操作。首先，屏幕上會給出明顯的信息提示要進行操作系統(tǒng)升級，本機會中斷服務一段時間，可能需要采取應對措施，如在隨后的升級期間現(xiàn)場暫時停止作業(yè)，以保證現(xiàn)場人員安全；其次，按需接入鍵盤和鼠標等輸入設備（若平時未接），以備授權（例如輸入口令）等操作需要；最后，重啟系統(tǒng)。

3 結語

隨著石油化工行業(yè)人員安全意識的提高，有害（可燃/有毒）氣體檢測報警系統(tǒng)在生產中的使用越來越廣泛，針對石油化工新建和擴建工程，有害氣體檢測報警系統(tǒng)是石油化工生產中必須存在的機電裝置，需要根據修訂后的GB/T 50493-2019標準進行設計。本文探討了一種有害氣體檢測報警系統(tǒng)的軟件設計，重點針對易維護性，以便適應井場位置多較偏僻，現(xiàn)場缺乏專業(yè)IT技術人員的場景，根據本設計方案實現(xiàn)的相應系統(tǒng)已在數十口井上安裝并持續(xù)運行，成為井場生產區(qū)域內工作人員人身安全的有力保障。本文還重點論述了系統(tǒng)的易維護性。至于系統(tǒng)還應具備的另一重要特性—安全性，與可靠性實現(xiàn)的細節(jié)（例如通過Linux-HA支持高可用性，在主機系統(tǒng)故障時自動進行主/備切換），以及各主機系統(tǒng)與中心機房間的信息傳輸過程等未及詳述，將另文加以論述。

引用

[1] 張韶煜.可燃(有毒)氣體檢測系統(tǒng)上層結構的探討[J].石油化工自動化,2011,47(2):60-63.

[2] GB 50493-2009,石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規(guī)范[S].北京:北京計劃出版社,2009.

[3] GB/T 50493-2019,石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準[S].北京:中國計劃出版社,2019.

[4] GB/T 50770-2013,石油化工安全儀表系統(tǒng)設計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2013.