火气系统监测评估技术试验平台设计

（中国海油能源发展股份有限公司 边际油田开发项目组，天津300452）

目前，海洋石油平台、浮式生产储卸油装置FPSO（floating production storage and offloading）上的安全仪表系统SIS 与火气系统绝大部分都是各司其职，数据不能共享的。故在此探索了一种火气系统监测技术试验平台的建设方案，将海洋石油平台中常用的SIS 与火灾控制盘相结合，配置一定的火气探测设备，构成一套结构完整、规模适中的火气探测系统，通过数据接口实现数据共享。硬件试验平台可以将其本身的自诊断数据传送至风险评估系统，作为其分析、诊断和评估的依据，两者有机结合，形成一个完善的、对火气监测和报警系统进行检验与诊断的系统。基于对主流SIS的研究和分析，在此以艾默生的DeltaV SIS 和AUTRONICA的火灾寻址盘为核心，搭建试验平台。

1 硬件试验平台的搭建

1.1 硬件试验平台的整体结构

海上平台火气监测及报警系统检测技术研究硬件试验平台的组成如图1所示。

图1 海上平台火气监测及报警系统检测技术研究硬件试验平台Fig.1 Hardware test platform for researching on fire and gas monitoring and alarm system detection technology on offshore platform

硬件系统主要由以下3个部分构成：

1）点对点火气系统 以艾默生的DeltaV SIS为基础，主要包括SLS 1508 罗辑控制器、各类型火气探测和报警设备（包括火焰探头、可燃气体探头和声光报警装置），以及信号模拟PLC——Control-Logix5000。点对点火气系统是平台火气系统的核心，一般具备SIL3的安全完整性等级，负责平台或处理厂的整个生产系统的火灾及气体泄漏的监控和防护。

2）室内火气控制系统 以AUTRONICA的可寻址火灾盘为核心，主要包括火灾控制器BS-420 和可寻址探头（包括感烟探头、感温探头和手动报警站等）。室内火气控制系统负责生活区（有的也包含MCC 间、变压器间等现场房间）的火气监测与保护，一般具备SIL2的安全完整性等级，与点对点火气系统相互配合实现整个平台或处理厂的火气监测与保护。

3）上位机系统 包含工程师站和操作员站，负责艾默生SIS的监测和组态。

1.2 DeltaV SIS的硬件组成

DeltaV SIS的网络结构如图2所示。

DeltaV 系统的主要设备有1个电源模块、1个MD 网络控制器、1个M系列串口模块、10个SLS 1508 罗辑控制器、1个终端电阻，以及2个以太网交换机和配套插槽。DeltaV 系统的工业模块全部挂接在系统总线上（如电源模块、罗辑控制器、M系列串口模块和SLS 1508 罗辑控制器），总线可以分为2种：生产数据总线和安全数据总线。

图2 DeltaV SIS的网络结构框图Fig.2 Network structure block diagram of DeltaV SIS

1）生产数据总线 DeltaV的普通模块（一般用于过程控制系统PCS （process control systems））数据的输入或者模块（安全和非安全模块）的诊断数据均由生产数据总线传输，通过MD 网络控制器传送至上位机。在此，诊断数据为主要研究对象之一。

2）安全数据总线 主要用于SLS1508 罗辑控制器之间的数据交换。该部分数据需要参与罗辑运算及关断输出，对数据的准确性和实时性要求较高。该总线的性能决定着该SIS的运行质量，因此其可靠性和可用性也是被关注对象之一。

1.3 可寻址火灾盘的硬件组成

可寻址火灾盘的网络结构如图3所示。

图3 可寻址火灾盘的网络结构框图Fig.3 Network structure block diagram for addressable fire panel

在以DeltaV SIS为核心的火气系统中，可寻址火灾盘通过冗余RS-485的总线与DeltaV 系统建立通信联系，由DeltaV的上位机操作软件实现针对引入可寻址火灾盘的火气设备监视和部分设置操作，根据安全设计的规则，通信数据不能作为火气系统逻辑动作的依据。所以，火灾盘与SIS之间应通过硬线进行联系，将其作为逻辑动作的依据。

1）火灾控制器BS-420 整个可寻址火灾网络的控制核心，通过通信模块及内部通信电缆与IO模块及回路驱动卡，实现现场信号的采集及部分火气设备的控制，完成室内火情的监控及逻辑控制。其基本逻辑结构如图4所示。

图4 可寻址火灾盘内部结构框图Fig.4 Internal structure block diagram for addressable fire panel

BS-420 作为核心部件，负责联系回路驱动卡、DI/DO 卡及键盘和显示屏等人机接口部件，并通过以太网/RS-485 协议将数据传输至PCS 进行监控，其内部的通信机制及内部网络结构完全遵循IEC-61508 来进行设计和制造，具备SIL2的安全完整性等级。

2）回路驱动模块BSD-310可寻址火灾盘的主要模块之一。其功能是连接和驱动可寻址设备的工作和通信，是整个网络中的主要节点，具有回路短路和断路功能，故障安全的设计保证持续的通信模式。在此重点研究该模块针对回路断路和短路的诊断情况，探寻可寻址探头运行状态的表征参数。

3）通信模块BSL-310所有IO模块与火灾控制器BS-420之间的通信接口。由于本身具有接地故障监控功能，故在此主要探索其故障监控功能的实现形式及其可靠性对整个可寻址系统性能的影响。

4）数字量输入BSE-320 8 通道非监视型DI输入功能，可自定义地址。该模块在平台和处理厂中一般用作与SIS 主系统之间的通信，接收对方的DO信号 （一般为无源信号），作为自身动作的逻辑依据。在此重点研究该模块的失效率问题、应用的可靠性问题。

5）数字量输入BSJ-310 8 通道非检测型集电极开路输出模块，可自定义地址。该模块在系统中用作DO 信号的输出，与SIS 主系统信号交换，将生活区的火灾状况通知主SIS，由主SIS 完成相关的逻辑设备（如防火风闸、声光报警及相关级别的关断等）动作，或者直接驱动可寻址火灾盘的保护区域内的消防设备（如风闸、FM200 灭火系统、平台状态灯和声光报警装置等）。在此重点研究该类模块的可靠性参数，并对其可靠性进行分析。

6）协议转换模块BSD-321 用于将可寻址火灾盘的内部通信协议转换为RS-485 协议，与主SIS 进行通信。该模块主要用于可寻址火灾盘内设备状态的监视，对系统的保护性能并无实质性影响，为研究和查看火灾盘的内部状况提供了一扇窗。

1.4 上位机及故障诊断计算机

上位机及故障诊断计算机的网络拓扑结构如图5所示。

图5 上位机及故障诊断计算机的网络拓扑结构Fig.5 Network topology structure for host computer and fault diagnosis compute

系统主要配置：以太网交换机2台，ProPlus 操作站1台，操作员站1台和故障诊断计算机1台以及DeltaV 系统中的增强性控制器，所有设备均支持工业以太网协议，通过交换机实现个站之间的数据交换，各站之间又有各自不同的传输协议共同组成一个有机的系统。

ProPlus 操作站的功能继承了主工程师站和应用站的所有基本功能，既可以实组态、操作盒组态数据库节点的典型功能，又可以作为实时数据库加用户选择的应用，包括DeltaV Batch 软件或与工厂业务系统接口的其它第三方OPC 应用。

1.5 诊断网络及诊断策略的建立

1.5.1 火气系统诊断实验室的总体规划

火气检测实验室的规划如图6所示。

图6 火气检测实验室规划Fig.6 Planning diagram for fire and gas testing laboratory

诊断网络的建立既有通过以太网设备的第三方通信网络，又有SIS 内部的数据通信网络，还包含可寻址盘及探头回路的内部通信回路和RS485 回路。各种不同的通信机制都通过DeltaV SIS 设备实现数据融合，诊断计算机可以通过以太网以第三方设备的方式接入系统，直接到DeltaV 系统中的Plus Station 中去提取相关数据，作为诊断依据。另外，诊断服务器内配置了足够的接口和空间，可以实现多套系统同时接入，同时做出诊断操作。

1.5.2 可寻址火灾探测系统诊断策略的建立

火灾盘通过其系统内部总线，收集探头的状态信息，并根据状态信息执行相关的保护逻辑。火灾盘通过冗余RS485 总线与SIS 建立通信，并依据ModBus 地址将探头的运行状态（如正常、报警、故障等）输送至SIS 中，工作站和诊断服务器通过以太网实现数据共享，从而使诊断系统得到现场的运行数据，并以此作为诊断依据之一。另外，对于特定的可寻址系统，将探头的探测环境、所处的工艺状况，以及可寻址探头的网络结构等参数输入诊断计算机。还可以对可寻址火灾盘的分析软件进行开发利用，将其分析结果和探头状态作为诊断依据之一输入诊断计算机，实现完善的可寻址火灾盘的内部诊断和评估。

2 软件管理系统

以在此所搭建的硬件实验平台为基础，建立软件管理系统。火灾报警和气体检测系统FGS（Fire alarm and Gas detector System）简称火气监控系统，FGS 软件管理系统的基本结构如图7所示。

图7 FGS 软件管理系统基本结构Fig.7 Basic structure for FGS software management system

该系统主要包含以下功能：①将HazOp（危险与可操作性）和FMEDA（失效模式、影响及其诊断分析）等方式引入该系统，实现规范的系统安全评价，并制定科学合理的检测维护策略，实现火气系统的跟踪和管理；②与硬件系统的信息交换，建立完善完整的数据库体系，定期对硬件实验平台的诊断数据进行采集，并将其作为安全评估系统的评估依据；③在软件管理系统中，设置开放性的通信接口及相关的，使之具备与平台在役火气系统进行远程通信功能，为平台现役火气系统远程诊断操作可行性做出探索；④建立平台火气系统的基本信息数据库，设计合理的数据结构，使该数据库方既适用于硬件实验平台数据的采集和存储，又适用于评估系统数据的提取，还可以方便火气系统数据的检索。

3 结语

通过火气系统监测评估技术试验平台的搭建，将现场SIS、火灾控制盘，与各种典型的火气探测设备结合起来，深入挖掘各种控制和探测设备的故障诊断功能，并通过OPC 等非安全数据通信协议将数据提取出来，由专门的故障诊断计算机对这些状态数据进行分析，得出整个火气系统的有效性分析结果。所搭建的整个试验平台，可以为各种分析算法的编制工作提供贴切的试验场景，对于海洋石油生产装置中火气探测系统的性能优化具有重要意义。