光端机在可燃和有毒气体检测报警系统中的应用

王琪瑞，王 鹏，刘光伟，刘其萍（天能化工有限公司，新疆 石河子）

2014年11月13日，国家安全监管总局发布的《国家安全监管总局关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》（安监总管三〔2014〕116 号）文件要求可燃和有毒气体检测报警系统必须独立设置，提高了可燃和有毒气体检测报警系统的可靠性和安全性，推动了可燃和有毒气体检测报警系统在石油化工领域的应用和发展。 《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》（GB/T50493-2019）对可燃和有毒气体检测报警系统的设计、安装和使用提出了详细的要求，包括可燃和有毒气体检测报警系统的技术要求、试验方法和检验规则等内容。 标准的发布实施对可燃和有毒气体检测报警系统的发展起到了积极的推动作用，促进了可燃和有毒气体检测报警系统的技术进步和产品质量的提高。

大型联合化工厂占地面积较大，生产装置现场操作人员较少。 为缩短信号线路的长度，采用中心控制室和现场仪表机柜室相结合的方式，中心控制室设置在远离生产装置的安全区域，现场仪表机柜室设置在紧邻生产装置的适当区域。

化工生产中一些场所没有配置可燃和有毒气体检测报警系统盘柜， 但设置有可燃和有毒气体探测器（如中心控制室、可燃和有毒气体输送管线及其辅房等），此类场所有大量工作人员从事生产工作。 依据《石油化工建筑物抗爆设计标准》（GB/T50779-2022）“新风引入口有可能进入可燃气体和有毒气体时，应在引入口附近设置可燃、有毒气体探测报警器。当可燃、有毒气体探测器报警时，应自动联锁关闭密闭阀及停运新风机、排风机等”[1]，《控制室设计规范》（HG/T20508-2014）“控制室的空调引风口、室外门的门斗处、电缆沟和电缆桥架进入建筑物的洞口处，且可燃气体和有毒气体有可能进入时， 宜设置可燃气体和有毒气体检测器”[2]。 因此，为保障生产安全和员工生命财产安全，最大程度降低经济损失，将此类场所可燃和有毒气体探测器接入可燃和有毒气体检测报警系统是非常必要的。

石化行业中心控制室距离生产区域较远、安装的一次仪表数量较少，在中心控制室一般不设置现场仪表机柜。 根据《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》（GB/T50493-2019）“可燃气体的第二级报警信号和报警控制单元的故障信号应送至消防控制室进行图形显示和报警”[3]，需将控制室新风系统引风口的可燃有毒气体报警探测器接入可燃和有毒气体检测报警系统并在消防控制室显示和报警。

基于安全考量，可燃和有毒气体输送管线及其辅房通常建立在远离人群和其他危险源的地方。 可燃、有毒气体输送管线在穿越人员密集区及公路铁路时需要安装可燃、有毒气体探测器，同时，可燃、有毒气体输送管线辅房有大量的释放源（管道阀门法兰、现场排污阀等），以上场景中当有气体泄漏时探测器发出声光报警。 在实际应用中由于可燃、有毒气体输送管线、 辅房和生产区域距离数千米，可燃、有毒气体探测器及辅房相关液位、压力、排污阀等信号无法使用信号线缆直接接入工业控制系统（可燃、有毒气体检测报警系统、集散控制系统等），为实现上述要求需使用光端机将可燃、有毒气体探测报警器、液位、压力、排污阀等信号接入工业控制系统。

1 可燃和有毒气体检测报警系统

1.1 可燃和有毒气体检测报警系统的构成

可燃和有毒气体检测报警系统是用来检测可燃或有毒气体泄漏并发出报警信号的仪表系统，由可燃和有毒气体探测器、现场区域报警器和报警控制单元组成，可燃气体和有毒气体的检测结构非常重要，主要采用二次仪表检测模式[4]。 现场探测器信号通过信号电缆传输至可燃和有毒气体检测报警系统控制柜模拟量输入通道，经控制器CPU 采集处理后传输至光电转换器。光电转换器将4～20 mA 电信号转换为光信号后由光纤传输至控制室，再由控制室光电转换器将光信号还原为4～20 mA 电信号，最后传输至人机界面。 当探测器检测信号超过报警值时，现场区域报警器发出声光报警。

可燃和有毒气体检测报警系统在保障人员生命安全、防止事故发生和减少财产损失方面发挥着重要作用，很多国家和地区法律规定必须在特定场所安装可燃和有毒气体检测报警系统。

1.2 可燃和有毒气体检测报警系统的特点

可燃和有毒气体检测报警系统是一种高灵敏度的监测装置，在可燃和有毒气体泄漏时，及时准确发出声光报警并启动相应的联锁装置（如轴流风机），降低泄漏气体对人员和环境的危害。 该系统的主要特点：（1）实时监测。 可燃和有毒气体检测报警系统可以实时监测空气中的可燃和有毒气体浓度，当空气中含有大量有害气体时，传感器将其转化为电信号并输入到单片机内部程序处理电路后发出声光警报。（2）高灵敏度。可燃和有毒气体检测报警系统通常具有很高的灵敏度，可以检测低浓度的可燃和有毒气体。（3）远程监控。可燃和有毒气体检测报警系统结合工业控制软件可以进行远程监控，减少人员危害。（4）多级报警。可燃和有毒气体检测报警系统具有多级报警功能，可以根据不同气体浓度和危险程度发出不同的警报。（5）消防联动。可将可燃气体报警信息接入消防控制室与消防报警系统联动，提高装置预防火灾的能力。

2 光端机

2.1 光端机的分类

根据不同数据类型，光端机可分为模拟量光端机和数字量光端机及同时具备模拟量和数字量信号通讯的复合型光端机。 光端机成对使用，由发送端和接收端两部分组成，支持多路信号同时传输。

2.2 光端机的特点

模拟量光端机是通过发送端将4～20 mA 电流信号转换成光信号再经接收端将光信号还原成4～20 mA 电流信号， 发送端和接收端之间通过光纤连接。模拟量光端机发送端将4～20 mA 的电流信号转换为光信号经由光纤传输，多路模拟量可同时输入，接收端把光纤信号还原为4～20 mA 的电流信号[5]。数字量光端机通过使用光电二极管或其他光电子元件将光信号转换为电信号。 发送端将电信号转化为光信号， 当光信号通过光纤传输到接收端时，光电二极管接收到光信号，并将其转换为电信号。 光端机可以同时接入不同类型一次仪表的模拟量信号和数字量信号，还具备远距离传输功能，单模光纤传输距离可达20 km，多模光纤传输距离可达2 km。由于光信号具备抗电磁干扰、 抗地环干扰的特性，使用模拟量光端机大大提高了可燃和有毒气体探测器信号传输的可靠性和安全性。 同时，光端机价格低廉，使用方便，适用于长距离、高速率、抗干扰能力弱的场合，在实际应用中可根据需求选择合适的光端机类型。

2.3 光端机的适用场景

由于金属线缆传输数据信号会衰减，若无信号中继装置， 有效传输距离仅有几百米至几千米，难以满足数据远距离传输的需求。 光信号经光纤传输数据信号衰减很小， 可以有效传输几十至上百公里，满足数据远距离传输的需求。 大型联合化工企业厂区面积大，个别设备分散布置，安装不集中、装置上的仪表设备少（如厂区外的环保监测设备及用于监测长输管线温度、压力、泄漏量的仪表等），此类场景下可使用光端机进行信号传输。

因光信号具有抗干扰性强的特性，光端机相比线缆传输更适用于信号干扰较强的场合。 化工生产中存在防火防爆区域，距离控制柜较远的一次仪表信号接入控制系统需跨越大量防火防爆区域。 光端机传输信号具备同时隔离变送多路信号的功能，相比使用安全栅传输多路信号更经济方便。

2.4 光端机缺点

光端机本质是一种光电转换设备， 不同厂家的光端机之间的兼容性较差， 需要谨慎选择和搭配使用。 受光端机自身体积限制，其所能接入的数据路数十分有限， 不适用于大量数据路数的光电转换和通讯。 与传统光电转换设备和信号传输相比，光端机缺少路由功能，因此其系统配置性和灵活性较差。 多模光端机传输距离仅有数公里，其实用性受限。 另外，光通讯技术发展迅速，光端机需要不断进行更新和升级， 以适应新的技术标准和应用需求。 总之，光端机作为一种电子设备也存在一些缺点， 需要在实际应用中根据具体需求进行权衡和考虑。

3 光端机在可燃和有毒气体检测报警系统中的应用

3.1 光端机的选型

光端机是一种在光纤网络中传输数据的光通信设备。 光端机的选型应充分考虑信号类型和信号路数，公司使用的可燃和有毒气体检测报警探测器辅房储罐液位、 压力输出信号为4～20 mA 无源信号，排污阀反馈信号为数字量信号，中央控制室安装有4 套新风系统，每套新风系统引风入口处需安装1 台可燃和有毒气体检测报警探测器，因此在选型时需选择安装同时支持4 路信号传输的模拟量光端机。 可燃和有毒气体的长输管线、辅房探测器、变送器和阀门的安装量少且各辅房距离较远，传输此类仪表信号需要安装同时支持多路模拟量信号和多路数字量信号的复合型光端机。

3.2 光端机的装配

由于四通道模拟量光端机和模拟量数字量复合型光端机尺寸较小， 使用金属导轨安装方便可靠，光端机供电电源为24 V 直流供电，需为发送端和接收端分别提供24 V 直流电源。 信号由一次仪表直接接入，输出直接使用光纤传输。

将发送端光端机安装在中心控制室和网络柜，可燃和有毒气体检测报警探测器信号直接接入光端机接线端子， 光端机光口使用光纤接入控制网络。 接收端光端机安装在可燃和有毒气体检测报警系统柜，光端机光口使用光纤接入控制网络，将信号输出端子直接接入可燃和有毒气体检测报警系统模拟量输入通道。 辅房储罐液位、压力和阀门等反馈信号经光端机直接接入集散控制系统（DCS 系统）。

3.3 光端机在可燃和有毒气体检测报警控制系统中的应用

公司可燃和有毒气体检测报警控制系统采用日本横河CENTUM VP 系统， 不同生产区域设置不同控制站，同一生产区域内不同工段之间设置光纤远程节点，控制站和远程节点之间由分别设置在控制站侧和远程节点侧的网络交换机和通信光缆连接。 控制站硬件构成也采用横河产品，每台控制器主要由一组冗余电源、一组冗余CPU 和若干通讯卡及节点构成，各节点包含一组冗余电源、一组通讯卡和若干负责信号输入输出的I/O 卡件。

现代多自由度并联式力控末端执行器属于多输入多输出系统。它由多个支链组成，支链间存在耦合，且每个支链至少有1个恒力补偿作动部件，工具头的最终输出力和姿态由各支链及其恒力补偿作动部件决定。因此，应对它进行解耦控制技术研究，减小或消除各支链间的相互干扰，提高力控末端执行器的动静态性能及其可靠性。

由于中央控制室和长输送管线及其辅房未设置可燃和有毒气体检测报警系统控制柜，且现场可燃和有毒气体检测报警系统控制柜距中央控制室较远，加之中央控制室和长输管线所设置的有毒气体探测仪、压力变送器等仪表数量较少，通过加装控制系统控制柜和节点的方式将其接入控制系统投入较大，且加装后的控制器利用率太低，会造成资源浪费。 机柜型数据传输结构见图1。

图1 机柜型数据传输结构

选用光端机进行有毒气体探测器、储罐液位、压力、阀门等反馈信号的传输，将现场一次仪表的信号直接接入光端机发送端并转换为光信号，通过光纤传输至光端机接收端， 再由接收端将光信号转换为探测器、储罐液位、压力模拟量信号，将阀门反馈信号转换为开关量信号后接入可燃和有毒气体检测报警控制系统， 光端机型数据传输结构见图2。

图2 光端机型数据传输结构

通过对比可知，使用光端机传输可燃和有毒气体探测器数据可减少节点和交换机的配置，降低了成本、减少了能耗。 由于光信号具有抗干扰性，使用光端机也提高了数据传输的可靠性和安全性。

3.4 运行效果

对比经光端机传输的现场仪表、阀门信号和通过信号线缆传输的现场仪表、阀门信号，发现远距离仪表信号经过光端机长距离传输后接入可燃和有毒气体检测报警控制系统，其信号衰减和迟滞与线缆近距离传输的信号几乎没有区别。

光端机本身具备信号输入输出功能，因此也可用作信号中继设备，通过信号中继，光端机减少了信号的衰减。

4 光端机在其他工业控制系统中应用的优势

光端机在其他工业控制系统的应用优势主要有以下几点。

（1）数据传输。 光端机可以将工业控制系统中的现场数据快速、准确地传输到控制中心，保证了系统的实时性和可靠性。

（3）实现冗余备份。 光端机可实现冗余备份功能，当主链路出现故障时，备用链路可以立即启动，保证了系统的不间断运行。

（4）安全性。 光端机采用光纤作为传输介质，具有抗干扰、保密性好等特点，可提高工业控制系统的安全性。

（5）易于维护。 光端机设备简单、易于维护，可减少系统维护的工作量和成本。

总之，光端机在工业控制系统中的应用可以提高系统的可靠性、实时性、安全性和可维护性，可广泛应用于工业控制领域。

5 应用前景

随着大型联合化工企业数字化、网络化、信息化和智能化时代的到来，光纤通信技术得到了广泛的推广和应用，化工装置对高传输速度、高可靠性的光通信设备的需求日益增加，光端机作为光通信技术中的重要组成部分，其市场前景十分广阔。 随着信息技术的不断迭代发展，光端机的应用也将越来越普遍，光端机在大型联合化工装置中的使用场景也会越来越广阔。

6 结语

通过对光端机的特点和适用场景的分析，再结合实际情况确定了使用光端机传输可燃和有毒气体探测器、 可燃和有毒气体长输管线和辅房液位、压力、阀门等反馈信号的方案。 通过此次光端机在可燃和有毒气体检测报警系统中的应用，为石油化工行业工业控制领域远距离信号传输探索了一种新方案。