應(yīng)用背景
火警及有毒可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)（FGS系統(tǒng)）應(yīng)具有聲光報(bào)警功能，以提醒操作人員，并設(shè)有火警及可燃有毒氣體模擬盤，顯示裝置各區(qū)域火警及氣體泄漏的狀況；在控制臺(tái)上設(shè)有手動(dòng)按鈕，當(dāng)需要時(shí)可直接發(fā)出控制命令，用以啟動(dòng)消防滅火、人員疏散。新增MMIC盤安裝在操作室，以滿足裝置的火災(zāi)及氣體檢測(cè)報(bào)警功能。某裝置內(nèi)主要工藝生產(chǎn)單元和泵房為I區(qū)爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所，其他為2區(qū)爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所，一旦罐區(qū)中某處發(fā)生泄漏，這些易燃?xì)怏w和有毒氣體易積聚在低洼處，形成具有爆炸危險(xiǎn)的混合物，在可燃?xì)怏w及有毒氣體可能泄漏、積聚的地方，設(shè)有可燃/有毒氣體檢測(cè)器，火災(zāi)報(bào)警、可燃?xì)怏w、有毒氣體的泄漏檢測(cè)、報(bào)警及由此產(chǎn)生的消防聯(lián)動(dòng)和裝置的緊急停車。封閉廠房?jī)?nèi)設(shè)置可燃/有毒氣體檢測(cè)器及噴淋系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生氣體泄漏時(shí)檢測(cè)器報(bào)警，聯(lián)鎖信號(hào)立即關(guān)閉排風(fēng)系統(tǒng)，生產(chǎn)人員啟動(dòng)噴淋水系統(tǒng)，噴淋水沿著地溝匯集到底層的水池，噴淋水儲(chǔ)存一段時(shí)間， FGS 系統(tǒng)能與DCS 系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。FGS系統(tǒng)功能圖如圖2.1所示。
圖2.1 FGS系統(tǒng)功能圖
FGS系統(tǒng)的職責(zé)是及時(shí)探測(cè)出所保護(hù)區(qū)域范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的火災(zāi)、可燃?xì)怏w或有毒氣體，迅速作出判斷，為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，要求各裝置FGS具有如下功能:
連續(xù)探測(cè)并早期發(fā)現(xiàn)可能積聚的可燃?xì)怏w或有毒氣體；
連續(xù)探測(cè)并早期發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的火焰或存在的火災(zāi)；
提供為滅火而設(shè)置的自動(dòng)和手動(dòng)消防裝置；
設(shè)置聲光報(bào)警信號(hào)裝置,通過(guò)不同的聲音和顏色報(bào)警使操作人員能區(qū)分不同的危險(xiǎn)類型。
能執(zhí)行控制和聯(lián)鎖邏輯功能；
傳送相關(guān)的I/O狀態(tài)和儀表設(shè)備報(bào)警及故障信號(hào)到本裝置中央控制室的分散控制系統(tǒng)(DCS)。
提供事件順序記錄報(bào)告。
客戶需求
在當(dāng)今的化工工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，日趨復(fù)雜的工藝過(guò)程中潛在著大量危險(xiǎn)，一旦出現(xiàn)異常，就可能發(fā)生重大事故，造成嚴(yán)重傷害和影響，因此對(duì)生產(chǎn)裝置火災(zāi)報(bào)警和有毒可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了愈來(lái)愈高的要求,要求實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化集中監(jiān)管、合理選型將氣體探測(cè)系統(tǒng)和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)合二為一,進(jìn)行總體設(shè)計(jì),并與其它生產(chǎn)安全系統(tǒng)和消防設(shè)施聯(lián)網(wǎng),形成一個(gè)完整的防火、滅火的消防體系,從而確保生產(chǎn)的安全運(yùn)行。所以對(duì)有些特殊生產(chǎn)場(chǎng)合，安全生產(chǎn)顯得尤為必要。
解決方案
FGS系統(tǒng)核心控制部分采用GE 智能平臺(tái)開發(fā)的Genius冗余控制模塊（GMR）。GMR是基于S90-70 PLC 以及智能化模塊(Genius I/O)構(gòu)成的三重化容錯(cuò)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)三選二的表決為用戶提供了高可靠性和無(wú)誤差操作。
3.1、三重化冗余容技術(shù)TMR
TMR（三重化冗余）是一種先進(jìn)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)。三個(gè)模塊同時(shí)執(zhí)行相同的操作，以多數(shù)相同的輸出作為表決系統(tǒng)的正確輸出，通常稱為三取二。三重化冗余設(shè)計(jì)如圖3.1所示。三個(gè)模塊中只要不同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)相同的錯(cuò)誤，就能掩蔽掉故障模塊的錯(cuò)誤，保證系統(tǒng)正確的輸出。由于三個(gè)模塊是互相獨(dú)立的，兩個(gè)模塊同時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤是極小概率事件，故可以大大提高系統(tǒng)的可信性。同時(shí)，為保障每個(gè)模塊的可靠性，保證及時(shí)處理一次故障的影響，系統(tǒng)還具有故障檢測(cè)能力，周期性或在需要時(shí)檢測(cè)故障，發(fā)現(xiàn)故障后能及時(shí)定位，進(jìn)行故障處理，減少二次故障發(fā)生概率。另外，對(duì)于關(guān)鍵性輸出，有故障—安全保障系統(tǒng)的故障安全性。所以，本系統(tǒng)是一個(gè)高可靠性和高安全性的冗余結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)一般設(shè)置三個(gè)表決面，分別為輸入表決面、計(jì)算輸出表決面和表決器表決面。由于三個(gè)模塊之間有相互交叉?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)，因此每個(gè)模塊的數(shù)據(jù)都可以共享。輸入表決面是在計(jì)算前對(duì)三個(gè)信號(hào)采集模塊的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行三取二表決，屏蔽掉單個(gè)模塊的輸入故障，可以包容傳感器故障而不影響計(jì)算，保證輸入到三個(gè)模塊參與計(jì)算的數(shù)據(jù)都是正確的。計(jì)算輸出表決面是在計(jì)算后輸出前對(duì)三個(gè)計(jì)算模塊的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行三取二表決，可以通過(guò)兩個(gè)模塊的正確結(jié)果屏蔽掉另一個(gè)模塊的計(jì)算錯(cuò)誤，每個(gè)模塊都取正確的計(jì)算結(jié)果輸出到硬件表決器。表決器表決面在輸出前對(duì)將要輸出的信號(hào)進(jìn)行一次三取二表決，選取正確的結(jié)果輸出。在這一表決面設(shè)置了兩個(gè)相同的表決器，最后將這兩個(gè)表決器的表決結(jié)果再進(jìn)行一次比較驗(yàn)證，如果一致就輸出結(jié)果，否則就使用安全輸出原則并報(bào)警，通過(guò)這樣的策略消除表決器的單點(diǎn)故障。
圖3.1 三重化冗余系統(tǒng)圖
3.2、GMR控制系統(tǒng)
GMR 系統(tǒng)的三重化配置TMR包含了三個(gè)獨(dú)立的PLC，采用S90-70 GMR CPU可采用多重語(yǔ)言編程（梯形圖、C語(yǔ)言、順控表等），支持結(jié)構(gòu)化編程，可以采用4個(gè)等級(jí)密碼和 OEM 保護(hù)。軟件配置支持多種組態(tài)硬件特性?？梢詢?nèi)置表決、故障診斷和報(bào)警實(shí)用軟件，針對(duì)故障有全面的、完整的診斷功能。目前90-70 系列支持表決機(jī)制的CPU 有789、790且支持高達(dá)2000 個(gè)表決點(diǎn)。智能化模塊(Genius I/O)可獨(dú)立、分散安裝，支持8 / 16 / 32 I/O 通道，可恢復(fù)的電子短路過(guò)載保護(hù)，強(qiáng)大的診斷功能(組態(tài)隔離診斷)，IP 65 防護(hù)等級(jí)，Class I，Division II 區(qū)域證書。在TMR 配置中，三個(gè)CPU 中的每一個(gè)CPU 通過(guò)三重化的Genius 總線將邏輯狀態(tài)送至輸出子系統(tǒng)，Genius 輸出模塊對(duì)三重化的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行表決如圖3.2所示。開關(guān)輸出電路集成提供輸出和負(fù)載狀態(tài)診斷的電流、電壓傳感器信號(hào)，并做出綜合分析。Genius 網(wǎng)絡(luò)具有如下的特點(diǎn)：
三個(gè)CPU 之間有三條總線并行互連，保持通訊的安全。
有三組不同的輸入，可接到不同的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上，或接到一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上。
三組輸入數(shù)據(jù)都傳到同一個(gè)CPU 上，有系統(tǒng)的表決機(jī)制。
四個(gè)輸出模塊中，兩個(gè)采用正邏輯輸出，另外兩個(gè)采用負(fù)邏輯輸出模塊。
每個(gè)輸出模塊均接受來(lái)自三個(gè)PLC 的輸出數(shù)據(jù)， 在輸出子系統(tǒng)中進(jìn)行三取二表決。
GMR 系統(tǒng)通過(guò)TUV 認(rèn)證，Class6 可以滿足真正的無(wú)單點(diǎn)故障的系統(tǒng)。
圖3.2 GMR控制系統(tǒng)
（1）GMR輸入子系統(tǒng)：
開關(guān)量：輸入自動(dòng)測(cè)試、檢查輸入外部接線、輸入差錯(cuò)檢查 、輸入狀態(tài)表決決定、模塊丟失報(bào)警、登錄到故障表、應(yīng)用程序的故障觸點(diǎn)。
模擬量：高報(bào)警和低報(bào)警、欠限和超限、輸入開路、輸入短路、接線錯(cuò)誤、內(nèi)部出錯(cuò)、輸入差錯(cuò)檢查 、輸入數(shù)值表決決定、模塊丟失、登錄到故障表、應(yīng)用程序的故障觸點(diǎn)
（2）GMR輸出子系統(tǒng)：
每個(gè)模塊都接收來(lái)自所有PLC的命令，在輸出模塊對(duì)輸出數(shù)據(jù)2oo3 表決，輸出自動(dòng)測(cè)試、輸出過(guò)載、輸出過(guò)熱、輸出差錯(cuò)檢查、丟失模塊、登錄到故障表、應(yīng)用程序的故障觸點(diǎn)、差錯(cuò)報(bào)告給PLC。
實(shí)施結(jié)果
通過(guò)GE智能平臺(tái)的GMR控制方案應(yīng)用于FGS系統(tǒng)，該系統(tǒng)將氣體檢測(cè)、聲光報(bào)警、消防通風(fēng)等系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合，并與DCS、ESD 和消防監(jiān)控中心的FGS之間實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成一個(gè)完整的防火、防毒的消防安全網(wǎng)絡(luò)。使得在危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)侯，每個(gè)相關(guān)系統(tǒng)能在第一時(shí)間作出響應(yīng)，采取緊急措施，將可能發(fā)生的火災(zāi)損失減至最小。隨著以人為本的理念不斷深化，石化現(xiàn)場(chǎng)的安全越來(lái)越得到人們的重視，對(duì)于FGS系統(tǒng)的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，如何做好FGS系統(tǒng)并保障其穩(wěn)定的運(yùn)行，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)工人和設(shè)施的安全是石化行業(yè)的首要任務(wù)。該設(shè)計(jì)思想也可為其他易燃、易爆生產(chǎn)裝置的FGS 設(shè)計(jì)提供借鑒。
