GMR在FGS系统中的应用

本文基于FGS火警及有毒可燃气体检测报警系统,介绍了Genius 总线模块式冗余容错系统,以及三重化冗余技术,并针对FGS系统的安全功能控制提供了完善的解决方案,由此GMR组成一个完整的火灾和气体泄漏报警控制系统可为今后FGS系统设计提供参考。

项目名称
GMR在FGS系统中的应用

1. 应用背景
    火警及有毒可燃气体检测报警系统(FGS系统)应具有声光报警功能,以提醒操作人员,并设有火警及可燃有毒气体模拟盘,显示装置各区域火警及气体泄漏的状况;在控制台上设有手动按钮,当需要时可直接发出控制命令,用以启动消防灭火、人员疏散。新增MMIC盘安装在操作室,以满足装置的火灾及气体检测报警功能。某装置内主要工艺生产单元和泵房为I区爆炸危险场所,其他为2区爆炸危险场所,一旦罐区中某处发生泄漏,这些易燃气体和有毒气体易积聚在低洼处,形成具有爆炸危险的混合物,在可燃气体及有毒气体可能泄漏、积聚的地方,设有可燃/有毒气体检测器,火灾报警、可燃气体、有毒气体的泄漏检测、报警及由此产生的消防联动和装置的紧急停车。封闭厂房内设置可燃/有毒气体检测器及喷淋系统,当发生气体泄漏时检测器报警,联锁信号立即关闭排风系统,生产人员启动喷淋水系统,喷淋水沿着地沟汇集到底层的水池,喷淋水储存一段时间, FGS 系统能与DCS 系统进行实时数据通信。FGS系统功能图如图2.1所示。

    FGS系统的职责是及时探测出所保护区域范围内可能出现的火灾、可燃气体或有毒气体,迅速作出判断,为了达到这个目标,要求各装置FGS具有如下功能:
 连续探测并早期发现可能积聚的可燃气体或有毒气体;
 连续探测并早期发现可能出现的火焰或存在的火灾;
 提供为灭火而设置的自动和手动消防装置;
 设置声光报警信号装置,通过不同的声音和颜色报警使操作人员能区分不同的危险类型。
 能执行控制和联锁逻辑功能;
 传送相关的I/O状态和仪表设备报警及故障信号到本装置中央控制室的分散控制系统(DCS)。
 提供事件顺序记录报告。

2. 客户需求
    在当今的化工工业生产过程中,日趋复杂的工艺过程中潜在着大量危险,一旦出现异常,就可能发生重大事故,造成严重伤害和影响,因此对生产装置火灾报警和有毒可燃气体探测系统的设计提出了愈来愈高的要求,要求实现网络化集中监管、合理选型将气体探测系统和火灾报警系统合二为一,进行总体设计,并与其它生产安全系统和消防设施联网,形成一个完整的防火、灭火的消防体系,从而确保生产的安全运行。所以对有些特殊生产场合,安全生产显得尤为必要。
3. 解决方案
    FGS系统核心控制部分采用GE 智能平台开发的Genius冗余控制模块(GMR)。GMR是基于S90-70 PLC 以及智能化模块(Genius I/O)构成的三重化容错控制系统,该系统通过三选二的表决为用户提供了高可靠性和无误差操作。
3.1、三重化冗余容技术TMR
    TMR(三重化冗余)是一种先进的容错设计技术。三个模块同时执行相同的操作,以多数相同的输出作为表决系统的正确输出,通常称为三取二。三重化冗余设计如图3.1所示。三个模块中只要不同时出现两个相同的错误,就能掩蔽掉故障模块的错误,保证系统正确的输出。由于三个模块是互相独立的,两个模块同时出现错误是极小概率事件,故可以大大提高系统的可信性。同时,为保障每个模块的可靠性,保证及时处理一次故障的影响,系统还具有故障检测能力,周期性或在需要时检测故障,发现故障后能及时定位,进行故障处理,减少二次故障发生概率。另外,对于关键性输出,有故障—安全保障系统的故障安全性。所以,本系统是一个高可靠性和高安全性的冗余结构。系统一般设置三个表决面,分别为输入表决面、计算输出表决面和表决器表决面。由于三个模块之间有相互交叉传送数据,因此每个模块的数据都可以共享。输入表决面是在计算前对三个信号采集模块的输入数据进行三取二表决,屏蔽掉单个模块的输入故障,可以包容传感器故障而不影响计算,保证输入到三个模块参与计算的数据都是正确的。计算输出表决面是在计算后输出前对三个计算模块的计算结果进行三取二表决,可以通过两个模块的正确结果屏蔽掉另一个模块的计算错误,每个模块都取正确的计算结果输出到硬件表决器。表决器表决面在输出前对将要输出的信号进行一次三取二表决,选取正确的结果输出。在这一表决面设置了两个相同的表决器,最后将这两个表决器的表决结果再进行一次比较验证,如果一致就输出结果,否则就使用安全输出原则并报警,通过这样的策略消除表决器的单点故障。

3.2、GMR控制系统
    GMR 系统的三重化配置TMR包含了三个独立的PLC,采用S90-70 GMR CPU可采用多重语言编程(梯形图、C语言、顺控表等),支持结构化编程,可以采用4个等级密码和 OEM 保护。软件配置支持多种组态硬件特性。可以内置表决、故障诊断和报警实用软件,针对故障有全面的、完整的诊断功能。目前90-70 系列支持表决机制的CPU 有789、790且支持高达2000 个表决点。智能化模块(Genius I/O)可独立、分散安装,支持8 / 16 / 32 I/O 通道,可恢复的电子短路过载保护,强大的诊断功能(组态隔离诊断),IP 65 防护等级,Class I,Division II 区域证书。在TMR 配置中,三个CPU 中的每一个CPU 通过三重化的Genius 总线将逻辑状态送至输出子系统,Genius 输出模块对三重化的输出数据进行表决如图3.2所示。开关输出电路集成提供输出和负载状态诊断的电流、电压传感器信号,并做出综合分析。Genius 网络具有如下的特点:
 三个CPU 之间有三条总线并行互连,保持通讯的安全。
 有三组不同的输入,可接到不同的现场设备上,或接到一个现场设备上。
 三组输入数据都传到同一个CPU 上,有系统的表决机制。
 四个输出模块中,两个采用正逻辑输出,另外两个采用负逻辑输出模块。
 每个输出模块均接受来自三个PLC 的输出数据, 在输出子系统中进行三取二表决。
 GMR 系统通过TUV 认证,Class6 可以满足真正的无单点故障的系统。

(1)GMR输入子系统:

    开关量:输入自动测试、检查输入外部接线、输入差错检查 、输入状态表决决定、模块丢失报警、登录到故障表、应用程序的故障触点。

    模拟量:高报警和低报警、欠限和超限、输入开路、输入短路、接线错误、内部出错、输入差错检查 、输入数值表决决定、模块丢失、登录到故障表、应用程序的故障触点

(2)GMR输出子系统:

    每个模块都接收来自所有PLC的命令,在输出模块对输出数据2oo3 表决,输出自动测试、输出过载、输出过热、输出差错检查、丢失模块、登录到故障表、应用程序的故障触点、差错报告给PLC。

4.    实施结果

    通过GE智能平台的GMR控制方案应用于FGS系统,该系统将气体检测、声光报警、消防通风等系统有机的结合,并与DCS、ESD 和消防监控中心的FGS之间实现联网,构成一个完整的防火、防毒的消防安全网络。使得在危险发生时侯,每个相关系统能在第一时间作出响应,采取紧急措施,将可能发生的火灾损失减至最小。随着以人为本的理念不断深化,石化现场的安全越来越得到人们的重视,对于FGS系统的要求也越来越严格,如何做好FGS系统并保障其稳定的运行,保护现场工人和设施的安全是石化行业的首要任务。该设计思想也可为其他易燃、易爆生产装置的FGS 设计提供借鉴。

 

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