GDS指示报警设备设计方案探讨

张少鹏，霍光学，马涛，刘健

(中国石油工程建设公司 华东设计分公司，山东 青岛 266071)

GB 50493—2009《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》[1]中规定可燃和有毒气体检测报警系统GDS(combustible and toxic gas detection and alarm system)宜独立设置，要求GDS具备检测和发出报警信号的功能，不受对应生产装置过程控制系统故障的影响。

GDS包括可燃、有毒气体检测探头和指示报警设备两部分，指示报警设备又由报警控制器、指示器、报警器等设备组成。可燃和有毒气体不是生产过程的控制目标，所以检测探头功能独立，通常不会与过程控制系统共用；而指示报警设备却与过程控制系统的指示报警设备功能相同，甚至可以使用相同的硬件设备。

文献[1]第5.3.1条要求GDS指示报警设备能为气体检测器供电；能够接受探测器报警信号并发出声光报警；按规定量程显示可燃气体和有毒气体的体积分数；具有开关量输出；显示和报警中能够区分不同报警点；符合要求的报警触发、保持和消除程序；具有智能故障诊断功能；具有报警时间和顺序记录功能。这些要求与一般过程控制系统、安全仪表系统的要求类似，因而GDS的指示报警设备可以通过DCS，SIS等系统实现，也存在与相关系统共用的可能性。

文献[1]第5.3.2条说明根据工厂的规模和特点，GDS的指示报警设备可按以下4种方式设置：

1) 与火灾检测报警系统合并设置。

2) 采用独立的工业程序控制器、可编程序控制器。

3) 采用常规的模拟仪表。

4) 当与生产过程控制系统(包括DCS，SCADA等)合并设计时，输入/输出卡件应独立设置。

第2)种和第3)种方式的GDS指示报警设备是独立于过程控制系统设置的，其他2种则与控制系统合并设置。

在文献[1]发布以后，行业内又陆续发布了GBZ/T 223—2009《工作场所有毒气体检测报警装置设置规范》[2]、HG/T 20573—2012《分散型控制系统工程设计规范》[3]、GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》[4]、SH/T 3092—2013《石油化工分散型控制系统设计规范》[5]等规范，这些规范均对相关问题做出了规定。

在这种情况下，有必要研究文献[1]规定的GDS指示报警设备的4种设置方式与相关规范的差异，以及在石油化工工程设计中，如何根据具体工程的特点在这4种方式中选择合理的设计方案。

1 采用独立的工业程序控制器或可编程序控制器

采用独立的工业程序控制器或可编程序控制器，可设计成专用GDS指示报警设备，满足文献[1]第5.3.1条对GDS指示报警设备功能的要求。

GBZ/T 223—2009《工作场所有毒气体检测报警装置设置规范》适用于工作场所有毒气体检测报警装置的设置、使用和管理，是GDS设计中需要执行的另一项规范，其6.4条对有毒气体报警控制器的功能要求与文献[1]一致。

需要注意的是，文献[1]要求指示报警设备应能记录可燃气体和有毒气体报警时间，并且能区分最先报警点，即需要GDS指示报警设备具有顺序事件记录(SOE)功能，并要求其具有故障智能诊断功能，能够识别探测器故障和回路断线故障。文献[2]也要求报警控制器具有断线、探测器失效和电源欠压等故障的诊断功能。

在使用可编程序控制器构成GDS指示报警设备时，软硬件系统需要进行专门的设计，才能满足上述要求，应参照DCS和SIS，由专业制造商生产专用系统，保证GDS的可靠性和完整性。

2 采用常规的模拟仪表

用于GDS指示报警的模拟仪表一般采用模块化设计，通常会根据检测回路的数量和控制室的设置情况，采用盘装、柜装或壁挂式安装。过去一般用于控制水平要求较低，检测回路较少，或业主有特殊要求的场合，现在已很少采用。

常规模拟仪表独立于过程控制系统，能够为可燃和有毒气体检测探头供电，并可实现每回路独立工作，将报警信号输出到过程控制系统。

由于常规模拟仪表一般是单回路仪表，不具备SOE功能，如果需要严格满足文献[1]的规定，就需要在常规模拟仪表以外，另外配置1套SOE 设备，失去了常规模拟仪表简单经济的优点，并且从模拟仪表输出报警信号到SOE设备的过程中，增加了故障环节，可能会影响SOE设备对报警时间的记录可靠性。

因此，除非检测点非常少而且判定为不需要区分报警顺序的场合，一般不应采用这种方式。

3 与火灾检测报警系统合并设置

对于大规模的GDS，文献[1]推荐与火灾报警系统FAS(fire alarm system)合并设置，即构成了火灾报警和气体检测系统F&GS(fire alarm and gas detector system)。F&GS属于工厂多层安全防护系统中的缓解层，其安全功能独立于DCS和SIS，可以在工艺过程失控，火灾或油气泄漏发生后，减少事故扩大，降低资产损失的风险。

目前，国内尚未发布以F&GS为主体的设计规范。对于F&GS的2个组成部分，GDS的主要设计规范是文献[1]，FAS的主要规范是文献[4]。该规范规定FAS由火灾探测器、手动火灾报警按钮、火灾声光报警器、消防应急广播、消防专用电话、消防控制室图形显示装置、火灾报警控制器、消防联动控制器等组成，不包括GDS。文献[4]第8.1.2条进一步要求“可燃气体探测报警系统应独立组成，可燃气体探测器不应接入火灾报警控制器的探测器回路；当可燃气体的报警信号需接入火灾自动报警系统时，应由可燃气体报警控制器接入。”第8.1.4条规定在消防控制室图形显示装置或起集中控制功能的火灾报警控制器上，显示的可燃气体报警信息和故障信息应区别于火灾报警信息。

因此，如果设计F&GS，应分为GDS和FAS两个相对独立的子系统。GDS的探测器、输入输出卡件和报警控制器均独立于FAS，其报警信息和故障信息应接入火灾报警控制器显示和报警。可燃气体报警控制器发出报警信号时，应能通过FAS启动保护区域的火灾声光警报器。如需要消防联动相关受控设备时，应通过可燃气体报警控制器或消防联动控制器实现。

4 与生产过程控制系统合并设计

在这种方式中，GDS直接作为DCS或SCADA等过程控制系统的一部分，采用相同的系统硬件和软件。文献[1]要求GDS要考虑保证其功能独立的安全措施，最少要采用独立的I/O卡件，也可以考虑设置独立的DCS控制器和操作站。文献[2]对报警控制器的选用要求与文献[1]类似，第6.4.5条要求“报警控制器宜独立于生产工艺控制仪表，配置在有人员值守的位置”。文献[3]第4.2.4条要求DCS采用通信方式与GDS联用，这种情况下GDS自成独立系统，仅报警信号在DCS上显示。如果GDS报警设备与DCS控制器组成功能更完善的过程控制系统(PCS)，各自的现场仪表和I/O卡件应独立设置。文献[5]第10.2条允许可燃气体和有毒气体检测信号直接接入DCS，但要求用于GDS的I/O卡件应独立配置，并且为安全责任人员设置单独的操作站。

石化和化工行业分散型控制系统设计标准均要求DCS能够记录报警顺序或区分第一事故报警，与文献[1]对GDS指示报警设备的要求一致。

综上所述，DCS的性能完全满足GDS指示报警设备的要求，GDS可以和DCS合并设计，甚至组成PCS。但是，考虑到GDS属于工艺过程的保护层，用于GDS的I/O卡件、控制器等应独立设置，保证其功能独立。与DCS合并设计时，GDS实际是作为DCS的一个子系统，采用DCS的硬软件组成相对独立的系统。

5 指示报警设备的选择

根据石油化工厂或装置的多保护层结构，GDS功能独立于DCS和SIS等系统，宜独立设置，或者与FAS构成F&GS。

采用独立的GDS是工程设计的首选方案，也是最灵活的方案。从前面的分析可以看出，文献[1]规定的4种方式，都需要设计成独立或相对独立的GDS。工程设计中，应该根据生产过程需要的安全完整性等级，结合性价比参数等在可编程序控制器、DCS和SIS等产品中选用合适的系统硬件和软件构建独立的GDS。当工程项目规模较大，可燃和有毒气体检测点数、火灾报警点数较多，安全、消防和联动控制要求较高时，应设计F&GS。这2种方式中，GDS的各部分设备基本都是独立的，区别仅在于显示和报警设备是否与FAS合用。

常规模拟仪表的方案可以实现GDS指示设备的主要功能，但由于其本身结构限制，不能实现SOE功能。当现场报警点数很少，不需要区分报警顺序时，可以采用这种方案，否则不宜采用。

当然，对于一些检测点较少的生产过程单元，单独设置报警控制器的投资相对较高，控制器的负载也较低，造成浪费。该情况下，可以多个单元共同设置GDS报警控制器，在各单元只设置GDS的远程I/O，然后将GDS报警输出通信至过程控制系统，在未设置GDS指示报警设备的单元控制室或值班室，通过过程控制系统的显示设备实现相应的指示报警。

当工程要求不独立设置GDS或F&GS时，与DCS合并设置也是目前经常选择的一种方案。该方案可以较好地利用DCS在企业内覆盖广泛的通信网络和显示操作站，更好地传送GDS报警信息。需要注意的是，GDS的I/O卡件和报警控制器必须独立，才能满足GDS保护功能的需要。与采用DCS硬件独立设置GDS的方案相比，该方案中GDS的通信网络和显示屏幕与DCS共用，直接作为DCS网络(或PCS网络)的一部分，而不是通过RS-485，OPC等通信方式与DCS传送信息。但如果网络出现问题，会导致操作站无法显示报警信息。

6 结束语

文献[1]提出的GDS指示报警设备4种设置方式中，推荐采用独立的GDS。无论是在可编程序控制器、DCS和SIS等产品中选择合适的软硬件配置成独立的GDS，还是与其他系统合并设计成F&GS或PCS，GDS指示报警设备中的I/O卡件、报警控制器等都应独立设置，但指示器和报警器可以独立设置，也可以与其他系统共用。在工程设计中，应结合工程特点，对GDS指示报警设备的设计方案做出具体的选择。

参考文献：

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