應(yīng)用背景
火警及有毒可燃氣體檢測報警系統(tǒng)（FGS系統(tǒng)）應(yīng)具有聲光報警功能，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；在控制臺上設(shè)有手動按鈕，當(dāng)需要時可直接發(fā)出控制命令，用以啟動消防滅火、人員疏散。新增MMIC盤安裝在操作室，以滿足裝置的火災(zāi)及氣體檢測報警功能。某裝置內(nèi)主要工藝生產(chǎn)單元和泵房為I區(qū)爆炸危險場所，其他為2區(qū)爆炸危險場所，一旦罐區(qū)中某處發(fā)生泄漏，這些易燃氣體和有毒氣體易積聚在低洼處，形成具有爆炸危險的混合物，在可燃氣體及有毒氣體可能泄漏、積聚的地方，設(shè)有可燃/有毒氣體檢測器，火災(zāi)報警、可燃氣體、有毒氣體的泄漏檢測、報警及由此產(chǎn)生的消防聯(lián)動和裝置的緊急停車。封閉廠房內(nèi)設(shè)置可燃/有毒氣體檢測器及噴淋系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生氣體泄漏時檢測器報警，聯(lián)鎖信號立即關(guān)閉排風(fēng)系統(tǒng)，生產(chǎn)人員啟動噴淋水系統(tǒng)，噴淋水沿著地溝匯集到底層的水池，噴淋水儲存一段時間， FGS 系統(tǒng)能與DCS 系統(tǒng)進行實時數(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)是及時探測出所保護區(qū)域范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的火災(zāi)、可燃氣體或有毒氣體，迅速作出判斷，為了達到這個目標(biāo)，要求各裝置FGS具有如下功能:
連續(xù)探測并早期發(fā)現(xiàn)可能積聚的可燃氣體或有毒氣體；
連續(xù)探測并早期發(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)置的自動和手動消防裝置；
設(shè)置聲光報警信號裝置,通過不同的聲音和顏色報警使操作人員能區(qū)分不同的危險類型。
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)備報警及故障信號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告。
客戶需求
在當(dāng)今的化工工業(yè)生產(chǎn)過程中，日趨復(fù)雜的工藝過程中潛在著大量危險，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，因此對生產(chǎn)裝置火災(zāi)報警和有毒可燃氣體探測系統(tǒng)的設(shè)計提出了愈來愈高的要求,要求實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化集中監(jiān)管、合理選型將氣體探測系統(tǒng)和火災(zāi)報警系統(tǒng)合二為一,進行總體設(shè)計,并與其它生產(chǎn)安全系統(tǒng)和消防設(shè)施聯(lián)網(wǎng),形成一個完整的防火、滅火的消防體系,從而確保生產(chǎn)的安全運行。所以對有些特殊生產(chǎn)場合，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)成的三重化容錯控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過三選二的表決為用戶提供了高可靠性和無誤差操作。
3.1、三重化冗余容技術(shù)TMR
TMR（三重化冗余）是一種先進的容錯設(shè)計技術(shù)。三個模塊同時執(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)計如圖3.1所示。三個模塊中只要不同時出現(xiàn)兩個相同的錯誤，就能掩蔽掉故障模塊的錯誤，保證系統(tǒng)正確的輸出。由于三個模塊是互相獨立的，兩個模塊同時出現(xiàn)錯誤是極小概率事件，故可以大大提高系統(tǒng)的可信性。同時，為保障每個模塊的可靠性，保證及時處理一次故障的影響，系統(tǒng)還具有故障檢測能力，周期性或在需要時檢測故障，發(fā)現(xiàn)故障后能及時定位，進行故障處理，減少二次故障發(fā)生概率。另外，對于關(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)置三個表決面，分別為輸入表決面、計算輸出表決面和表決器表決面。由于三個模塊之間有相互交叉?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)，因此每個模塊的數(shù)據(jù)都可以共享。輸入表決面是在計算前對三個信號采集模塊的輸入數(shù)據(jù)進行三取二表決，屏蔽掉單個模塊的輸入故障，可以包容傳感器故障而不影響計算，保證輸入到三個模塊參與計算的數(shù)據(jù)都是正確的。計算輸出表決面是在計算后輸出前對三個計算模塊的計算結(jié)果進行三取二表決，可以通過兩個模塊的正確結(jié)果屏蔽掉另一個模塊的計算錯誤，每個模塊都取正確的計算結(jié)果輸出到硬件表決器。表決器表決面在輸出前對將要輸出的信號進行一次三取二表決，選取正確的結(jié)果輸出。在這一表決面設(shè)置了兩個相同的表決器，最后將這兩個表決器的表決結(jié)果再進行一次比較驗證，如果一致就輸出結(jié)果，否則就使用安全輸出原則并報警，通過這樣的策略消除表決器的單點故障。
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包含了三個獨立的PLC，采用S90-70 GMR CPU可采用多重語言編程（梯形圖、C語言、順控表等），支持結(jié)構(gòu)化編程，可以采用4個等級密碼和 OEM 保護。軟件配置支持多種組態(tài)硬件特性?？梢詢?nèi)置表決、故障診斷和報警實用軟件，針對故障有全面的、完整的診斷功能。目前90-70 系列支持表決機制的CPU 有789、790且支持高達2000 個表決點。智能化模塊(Genius I/O)可獨立、分散安裝，支持8 / 16 / 32 I/O 通道，可恢復(fù)的電子短路過載保護，強大的診斷功能(組態(tài)隔離診斷)，IP 65 防護等級，Class I，Division II 區(qū)域證書。在TMR 配置中，三個CPU 中的每一個CPU 通過三重化的Genius 總線將邏輯狀態(tài)送至輸出子系統(tǒng)，Genius 輸出模塊對三重化的輸出數(shù)據(jù)進行表決如圖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，并做出綜合分析。Genius 網(wǎng)絡(luò)具有如下的特點：
三個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)場設(shè)備上，或接到一個現(xiàn)場設(shè)備上。
三組輸入數(shù)據(jù)都傳到同一個CPU 上，有系統(tǒng)的表決機制。
四個輸出模塊中，兩個采用正邏輯輸出，另外兩個采用負(fù)邏輯輸出模塊。
每個輸出模塊均接受來自三個PLC 的輸出數(shù)據(jù)， 在輸出子系統(tǒng)中進行三取二表決。
GMR 系統(tǒng)通過TUV 認(rèn)證，Class6 可以滿足真正的無單點故障的系統(tǒng)。
圖3.2 GMR控制系統(tǒng)
（1）GMR輸入子系統(tǒng)：
開關(guān)量：輸入自動測試、檢查輸入外部接線、輸入差錯檢查 、輸入狀態(tài)表決決定、模塊丟失報警、登錄到故障表、應(yīng)用程序的故障觸點。
模擬量：高報警和低報警、欠限和超限、輸入開路、輸入短路、接線錯誤、內(nèi)部出錯、輸入差錯檢查 、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
（2）GMR輸出子系統(tǒng)：
每個模塊都接收來自所有PLC的命令，在輸出模塊對輸出數(shù)據(jù)2oo3 表決，輸出自動測試、輸出過載、輸出過熱、輸出差錯檢查、丟失模塊、登錄到故障表、應(yīng)用程序的故障觸點、差錯報告給PLC。
實施結(jié)果
通過GE智能平臺的GMR控制方案應(yīng)用于FGS系統(tǒng)，該系統(tǒng)將氣體檢測、聲光報警、消防通風(fēng)等系統(tǒng)有機的結(jié)合，并與DCS、ESD 和消防監(jiān)控中心的FGS之間實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成一個完整的防火、防毒的消防安全網(wǎng)絡(luò)。使得在危險發(fā)生時侯，每個相關(guān)系統(tǒng)能在第一時間作出響應(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)場的安全越來越得到人們的重視，對于FGS系統(tǒng)的要求也越來越嚴(yán)格，如何做好FGS系統(tǒng)并保障其穩(wěn)定的運行，保護現(xiàn)場工人和設(shè)施的安全是石化行業(yè)的首要任務(wù)。該設(shè)計思想也可為其他易燃、易爆生產(chǎn)裝置的FGS 設(shè)計提供借鑒。
