GDS系统在化工生产应用中的故障及维护方法

张金栋，李 光，姜久超

(1.沧州聚隆化工有限公司，河北省沧州市渤海新区临港化工园区化工大道南侧 061199；2.河北水利电力学院安稳处，河北省沧州市重庆路1号 061001；3.河北水利电力学院自动化与通信工程学院，河北省沧州市重庆路1号 061001)

化工企业由于化工产品种类繁多、产品多样化，工艺繁简不一，化工生产装置和辅助设施中有可能不可避免的会存在很多有毒/可燃气体和液体。化工企业排放的有毒/可燃气体或液体不仅污染大气影响生态环境，而且很容易引发火灾、人员中毒或爆炸等事故，严重的会危及到人类的生命和财产安全。为了防止化工企业可能因泄露造成的人身伤害及火灾或爆炸等安全事故的发生，为了保障企业能正常安全生产，必须在有毒/可燃气体和液体有可能泄漏的设备附近、可能聚集的场所，设置有毒/可燃气体检测传感器，实时监测化工场所各种气体的浓度参数，并将信号上传至显示报警控制单元及操作员站，当现场气体浓度超标存在危险时，可以及时预警，这整套有毒/可燃气体检测报警系统称为GDS(Gas Detection & Alarm System)系统。

1 GDS系统概述

以前化工企业的可燃/有毒气体监控报警系统是由可燃气体及有毒气体检(探)测器和指示报警设备两部分组成的，而在2020年1月1日起实施的《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》(GBT 50493-2019)增加了新的要求，可燃气体和有毒气体检测报警信号应送至有人值守的现场控制室、中心控制室等进行显示报警，可燃气体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，可以设置一台独立的操作员站和显示器[1]。

新的标准里要求GDS系统由现场气体检测报警仪(包括探头、变送器、显示器、声光报警等)、机柜式气体报警控制单元、数据采集模块和工程师站、操作站等组成，通过数据采集模块对现场检测器实时数据采集，并通过通讯模件完成于操作员站或第三方系统(设备)之间的通讯，接受相关信息并传递实时数据，可以实现现场监测声光报警、数据实时传输、远程显示报警、历史记录查询等功能[2]。

可燃/有毒气体检测器负责对生产现场的各种气体检测，并将采集的气体浓度数据转换成模拟信号，数据采集模块将采集到的信号，通过串行通讯的方式传送至GDS控制单元上，GDS控制单元根据各点的检测值分别与各自设定的报警上下限数值相比较，当现场探测器测到的有毒或可燃气体浓度超过设定的上限或低于下限时，GDS控制单元则通过其DO模块输出或关闭报警信号，开启或关闭声光报警器及相关设备。

操作人员可以通过操作站的人机交互界面，实时监视厂区内所有检测点的情况，包括探测器现场位置布置图、气体浓度值，报警上限值，实时曲线和历史曲线及数据等，当发生报警时也可以通过操作站进行消音和报警响应。

2 GDS系统的功能与特点

2.1 GDS系统功能

通过GDS系统实现集实时监测、预警处理、远程控制、设备管理与一体化，能够实现对厂区内危险气体泄漏实时监测并智能化判断报警，支持声光报警、视屏联动报警等多种报警功能。可有效预防企业安全事故的发生，实现生产过程气体泄漏监测与管理，保障企业安全生产运行。GDS系统功能可分为4个层次。

(1)气体检测层：气体检测变送器固定安装在车间、仓库、储罐等区域，实时监测现场可燃、有毒气体的浓度值。

(2)区域控制器：气体检测报警控制器集中显示各监测点的浓度值，当浓度值超过预设报警值时自动声光报警。

(3)连锁控制器：自带报警开关量输出与故障输出，实现自动排风、喷淋、切断、停车、报警等安全连锁功能。

(4)上位机层：完成数据采集显示、逻辑运算、动作输出、人机交互等功能，并具有数据采集和存储功能、自诊断功能、编辑画面功能、闪烁报警、在线修改功能和时钟同步等功能。

2.2 GDS系统的特点

为了保证GDS系统的安全性和可操作性,从硬件方面系统采用的是双机架冗余结构，其中电源、控制器和网络全部采用双冗余结构,冗余模式下，硬件发生单点故障系统仍可正常运行；并且具有响应快(冗余切换时间典型值90 ms、任务调度最小时间不超过100 μs、系统最快回路控制周期50 ms)、容量大(单控制站可添加124个I/O从站、系统支持的I/O容量大于10 000点)、维护方便(日志读取工具可记录异常操作、故障等日志信息超过10 000条、通过系统信息指令库和系统状态指令库，分别获取各模块的信息和诊断信息、模块支持热插拔)等特点。

3 GDS系统的构成

依据新的标准要求现场信号要传送至现场控制室、中心控制室等进行图形显示及报警，即现场气体探头测量输出的4～20 mADC电流信号，传至机柜间控制柜，通过控制器的处理，以Modbus TCP协议进行数据打包，通过以太网接口进行数据上传；如果机柜间和防爆控制室之间距离较远，为了保证数据传输的质量，采用光纤传输；在控制室上位机上进行集中的显示、报警、监测和数据存储记录。由工作站、控制柜、I/O柜、交换机、探测器、报警设备等构成硬件构架，示意图如图1所示。上位机软件可以采用国内成熟的力控科技的forcecontrol 7.2进行组态开发,上层应用灵活性强,可以图形显示、报警显示、报警信息、查看实时趋势和历史数据等功能，后期若需求变更可及时快速高效的更新应用，也可进行自定义的开发增加功能。

图1 GDS系统硬件构架Fig.1 GDS system hardware architecture

4 对GDS系统的要求及注意事项

4.1 GDS系统的硬件、软件应分别独立设置

可燃气体和有毒气体检测报警系统不能和生产过程控制系统合并设计和使用，是为了保证工艺装置生产过程控制系统出现故障或停机时，GDS系统仍能正常工作。

4.2 GDS系统电源的要求

GDS系统作为装置的安全独立保护层，其可靠性是确保生产安全的基本要求。事故一旦发生，GDS系统能使工作人员及时监测气体泄漏点并做出相应处理，防止事故扩大，为了保障GDS系统能正常工作，因此系统应采用两段电源供电的双UPS电源供电。

4.3 GDS系统接地要求

正常情况下，GDS系统要求机柜及背板外壳做保护接地和信号线缆屏蔽层做屏蔽接地这两种接地，并保证单端接地，做接地时不能将GDS系统的接地线通过其它设备间接接地，接地线的线径最低不能小于2.5 mm2，接地线标识颜色应为黄绿两色，接地电阻要求小于4 Ω。

4.4 GDS系统SIL(Safety Integrity Level-安全完整性等级)等级的要求

探测器信号用于警示报警时，GDS报警控制单元采用独立设置的以微处理器为基础的电子产品即可，既不需要取得SIL认证，也不需要取得消防产品型式检测报告；探测器信号用于消防联动时，GDS报警控制单元应采用取得国家消防电子产品质量监督检验中心型式检测报告的专用可燃气体报警控制器；探测器信号用于安全联锁时，根据《石油化工安全仪表系统设计规范》GB/T 50770有关规定，SIL1及以下安全等级的联锁信号可接入GDS，SIL2及以上安全等级的联锁信号应接入SIS(安全仪表系统)系统。

4.5 注意事项

探测器的检测元件使用寿命在正常情况下，半导体式为3年，催化式为2年，电化学式为1年，要避免人为的经常高浓度气体的冲击，这样可能会降低元件的灵敏度；探测器不要安装在有水蒸气弥漫或长期有水淋的场所，避免经常断电，经常性的断电将导致检测元件工作不稳定；在使用过程中要定期检查仪表是否正常工作，调零与标定周期至少每3个月1次[3]。

5 GDS系统故障及维护方法

GDS系统在使用中常会发生控制系统故障(即控制系统硬件或软件产生的故障)和测量故障(即发生在探测器或者测量回路上的故障)两种类型。出现报警时，根据报警信息判断是控制系统故障还是测量方面的故障，再做具体分析判断。

当GDS系统出现控制系统故障报警时，可以根据以下3种方式进行排查故障。

(1)检查模块的状态指示灯。现场巡检，当冗余系统发生故障时，请检查模块状态指示灯，以确定发生故障的模块。如有任何模块的ERR指示灯呈红色长亮，则可通过查看诊断功能块来获取详细的故障诊断信息，如控制器状态指示说明见表1所示。

表1 控制器状态指示说明

(2)查看系统诊断变量组SysDiagVar。在工程师站或操作站上通过全局变量节点下的变量组SysDiagVar查看双机运行状态以及系统故障诊断，从机模块的诊断信息需登陆到从机查看。

(3)查看诊断功能块信息。在工程师站或操作站上通过诊断信息来确定模块详细的故障原因，需要用户在AutoThink中组态各模块的诊断。

通过模块、卡件指示灯显示，判断是否异常，或通过上位机上报的模块故障检测代码，确定故障类型，根据故障现象进行相应的处理方法，都能使系统处于正常运行状态。

当GDS系统出现测量方面的故障时，首先根据上位机画面显示的信息找到报警内容、探测器的位号和现场安装位置，其次根据报警的详细信息、可能的故障原因做出不同的处理方法，如表2所示。

表2 故障信息、原因及处理方法

在工作中根据上述的处理方法能够快速有效的查找出故障原因，消除故障点，使数据显示正常，保障GDS系统运行正常。

6 结束语

GDS气体检测报警系统可连续严密监视环境中可燃/有毒性气体的浓度，及早发现隐患，提醒现场操作人员及时采取有效安全防范措施，对保证企业与人身的安全，避免事故的发生具有重要的作用。维护人员只有从基础的故障入手，不断积累经验，发现问题时要仔细分析产生的原因并及时正确处理，对于遇到的新问题吃透、摸透，才能保障GDS系统的正常运行。希望本文中提到的GDS系统故障现象及维护方法对大家维护GDS系统能提供绵薄之力。