可燃气体报警控制器改造及通讯实践

薛延成，郭小川

［陕西延长石油（集团）有限责任公司永坪炼油厂，陕西延安 717208］

1 背景概述

随着社会的发展，安全环保越来越受到人们和国家的关注与重视。2014年国家安全生产监督管理总局下发的安监总管三〔2014〕116号文中第一条明确要求：可燃气体和有毒气体检测报警系统应按安全仪表系统进行管理，可燃气体和有毒气体检测报警系统宜独立设置。2018年4月省安监局来某厂检查时提出可燃气体检测必须与控制系统分离的要求。为了满足上级部门对某厂安全环保要求，提高炼化生产的安全性，增加可燃气体及有毒气体检测报警控制器势在必行。

2 改造方案确定

常规方案：常规方案就是为可燃气检测报警配置独立的SIS系统（安全仪表系统），以达到省安全部门对某厂提出的改造要求。SIS系统安全级别高，完全满足声光报警的要求，具有报警信息历史记录功能，同时也可以绘制可燃气报警分布图，现场可燃气报警分布情况一目了然。但是所需费用较高，需要购置SIS系统机柜、控制器、卡件、工程师站以及软件授权等。将某厂今年完成的液化气储罐增设独立SIS系统项目作为基准，以最节约成本方案，一套装置按照64个可燃气体检测仪表改造需求（如果可燃气体检测数量多则需要多增加AI卡安全栅等）保守估算，一套可燃气体报警独立GDS系统约需54.7万元：

由于某厂每个装置都有自己的可燃气、有毒气检测，且各个装置的可燃气体检测数量不等，且操作室均分散分布（各装置的操作室不在一起）。由表1可以看出，对于一套装置来说，增加独立的GDS系统大约需要人民币54.7万元。这里对每个装置按平均估算费用50万元计算。

根据某厂各个装置的可燃气具体数量统计情况（按具体操作室划分），通过整理可燃气体数量统计表，总共需要增加10套独立的GDS系统，所需费用为50×10=500万元。

改革创新方案：

为了节约成本，同时满足省安全部门对某厂可燃气检测增设独立于GDS系统的声光报警系统的要求。电仪车间DCS技术人员另辟蹊径，查阅有关最新文档，选定哈尔滨东方报警设备开发有限公司的KB-2000N32B气体报警控制器，作为某厂独立于DCS系统的可燃气体检测报警控制器。KB-2000N32B气体报警控制器具有国家安全认证资质，满足作为可燃气体检测独立控制器的要求，且有声光报警功能。

一个KB-2000N32B气体报警控制器有32个通道，最多可以同时监控32个现场可燃气探测仪表，约需人民币3万元，按照每个装置必须有气体报警控制器且必须满足所有可燃气体检测均接入独立的气体报警控制器的原则。根据需求得出某厂共需要17个气体报警控制器，就可以满足某厂对可燃气改造的要求，共需费用17×3=51万元。

将常规方案（设置独立的SIS系统）与改革创新方案（安装独立的气体报警控制器）相比较，可以节约成本约为500-51=449万元。最终选定哈尔滨东方报警设备开发有限公司的KB-2000N32B气体报警控制器，作为某厂独立于DCS系统的可燃气体检测报警控制器。在控制室配置安装气体报警控制器，现场所有可燃气探测仪表送出的4～20mA电流信号先接入可燃气报警控制器，由控制器集中控制管理，并进行声光报警。同时在DCS系统中增加RS485通信卡，利用气体报警控制器的RS485（ModBus RTU）信号上传输出功能与DCS控制系统进行通信，将可燃气测量信号同时送给DCS系统进行显示记录。

3 DCS系统与可燃气体报警控制器介绍

3.1 可燃气体警报器的设计

在对可燃气体报警器设计中，可以通过对单片机控制技术的应用，按照一定程序制作可燃气体报警器。可燃气体报警器在实际应用期间，重点对甲烷实时监控。如果甲烷的浓度超出一定限定数值，在单片机控制电路中，将发出报警信息。这时候，利用外接排风扇，将避免安全事故的发生。AT89C51具备较高的性价比，通过AT89C51单片机对电路进行有效控制。在可燃气体报警器中，最为主要的为传感器，其内部应用材料为半导体敏感材料，该材料具备更高的灵敏度和稳定性，能避免其干扰，也有较长的使用寿命，对其有效应用能保证我国先进传感器制造水平的提升。使用该材料制作可燃气体报警器，对有毒气体和易燃易爆的检测，可以在矿山油田或者国防领域有效应用。在实际设计期间，还可以使用GS系列传感器，以ADC0809实现模数转换。这种设计方法能实现检测功能，加强事故处理功能。

系统以单片机控制模块为核心，探测器放置在锅炉厂房的检测位置，在信号检测模块检测到可燃气体之后，声音及闪烁报警及时报警。在出现系统故障时，自动检测故障部位，若是软件故障，系统自动复位修复，硬件故障及时报告控制台，以完成整个火灾自动系统的工作过程。

3.2 DCS系统与可燃气体报警控制器简介

DCS（Distributed Control System）是分散控制系统的简称，国内一般习惯称之为集散控制系统。DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通信、显示和控制等技术。具有分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便，具有历史数据记录功能、拥有可燃气报警器分布图显示功能等优点。通过DCS流程图绘制工具，可以详细绘制现场可燃气体检测仪表的分布情况。

KB-2000N32B（壁挂式）气体报警控制器是一个独立的气体报警控制系统，是根据国家标准而设计制造的新一代气体报警器。它将探测器从现场检查传回的信号显示在报警器的液晶屏幕上，并根据信息内容进行实时处理：正常、报警、错误。每个可燃气报警控制器有32个信号检测通道，从CH01至CH32，对应的实时数据存储地址为A40001至A40032。它是独立的监视报警系统，具有声光报警功能、报警信息实时准确等优点，此外它还具有RS485信号上传输出功能。

MODBUS协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其他设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

为了方便工艺操作人员对可燃气体的监控操作，充分利用DCS系统和可燃气体报警控制器各自的优点，实现全方位的可燃气体信号监测、报警。通过MODBUS通信协议进行可燃气体报警控制器和DCS系统的信号通信，将可燃气体检测信息直观地显示在DCS操作画面上，并记录其历史信息，图1是可燃气改造前后对比图。

图1 可燃气改造前后对比图

3.3 可燃气体警报器在DCS中的应用

（1）将现场检测元件与控制器正确连接后，上电调试，确保检测数据准确无误。

（2）通过控制器上的485接口，通过2芯电缆线，与中控DCS系统COM741-S的通讯卡上的485通讯端子连接。

（3）打开中控DCS的ECS-700管理组态软件，在硬件组态软件中，添加“COM741-S串行通信模块”在窗口中选择“一对一冗余”模式。

（4）打开“通信组态”功能，进入串口通信组态软件，对模块进行属性配置，如图1所示。

物理接口：RS485。

波特率：9 600。

数据位：8。

停止位：1。

校验方式：无校验。

（5）选中COM串口，增加设备，属性页中设置设备的参数。

功能号：读AO（FC03 ）

开始地址：1

数量：112

信号类型：2字节整形模入

（6）完成串口、设备、命令的设置后，保存设置，并进行“组态更新”。

（7）扫描新增位号，软件将自动扫描硬件配置并根据所组态的模块自动添加位号。完成位号扫描或修改后，关闭位号组态软件窗口，系统会自动检查位号并退出。

（8）当所有设置完成后，回到组态管理软件界面，保存所设置的组态，选择进行编译与下载。下载完成后，就能在位号表里看到实时数据了。

（9）把这些位号，添加到画面组态上，加上趋势，就能在DCS的监控画面上查看了。可燃气体报警器在DCS的应用后，每个气体检测探头都可以在DCS上可实现数据实时显示、报警分级分类、历史数据查看，故障判断，设置报警墙等一系列更加安全便捷的操作，更有利于工艺人员对于现场气体情况的分析判断掌握。现场和控制室的双向监控，对于企业的安全生产起到了巨大的促进作用。

4 改造过程及通讯实现方法

以油品调和车间的可燃气体改造为例，在操作室墙面上采用打孔的方式安装固定KB-2000N32B（壁挂式）气体报警控制器。从现场可燃气体检测报警仪来的信号线经槽盒直接接入气体报警控制器，作为信号采集处理报警的控制单元；再利用MODBUS协议将其可燃气检测实时信息接入DCS控制系统CENTUM VP中。

4.1 硬件接线

现场来的可燃气体检测信号首先接入KB-2000N32B（壁挂式）气体报警控制器的各个通道上，且气体报警控制器自带有RS485（ModBus RTU）信号上传功能，有专用的485通讯端口。横河的CENTUM VP系统DCS配置有通讯卡ALR121，用专用的RS485通讯电缆连接至气体报警控制器的485通讯端口即可。

4.2 可燃气体检测调试设置

4.2.1 可燃气体报警控制器的设置

现场可燃气体检查信号通过三根信号线接入可燃气体报警控制器中相应的通道中，其中供电负和信号负公用一根信号线。在工程师权限下，通过触摸屏分别设置可燃气体报警控制器每个通道的地址、可燃气体检测的量程、报警限。对于没有信号接入的通道，将该通道的地址改为0，屏蔽掉该通道的报警。

4.2.2 DCS系统中MODBUS通讯的设置

首先在横河CENTUM VP软件中打开到硬件组态页面，在已建立硬件配置，选择所要配置的控制站下NODE中的通讯卡，选择通讯卡后右键点击属性，会显示有关此卡的用途，型号及安装位置。属性中有关通讯端口的通信协议：奇偶校验方式为无校验、数据位为8、停止位为2、波特率为9 600、DR检查等参数为DR Chack。

设置完成后选中设置的通讯卡，双击鼠标左键，进入通讯数据设置区，定义好缓冲区、站号、数据类型及数据地址等。数据类型：16为有符号数；寄存器地址：A40001—A40032；站号根据KB-2000N32B（壁挂式）气体报警控制器自行设置。

完成后在控制回路图中做回路连接图，将设置好的组态信息下装到控制站中，就可以在流程图画面中显示。所有设置完成后，就可以进行数据的实时通讯，数据在CENTUM VP系统中组态后就可以监测到数据的接收。

4.3 举例实践

以可燃气体报警控制器存储地址为4001的数据为例（它检测的是编号为AI-001的可燃气体实时检测数据），为该数据在DCS侧的设置，类型是16位浮点数，通讯卡为DCS的NODE2中的第8块卡，接收端口为2，通讯从站地址为1。

该数据在图8（485通讯实时二进制数据）中对应的为WB003700中的数据，WB003700中为带符号的十六位二进制数：0000000000000101。

首位符号位为0，即该数据位正数，按二进制读数为5，由于数据从可燃气体报警控制器引入DCS系统后在数据转换过程中扩大了10倍。所有需要给每个采集到DCS系统的数据除以10，故该位置的实际数据是0.5。

经过和可燃气体报警控制器的数据对照测试，准确无误，完全满足工艺的正常使用。

5 结束语

至今已经完成了对油品调和车间成品罐区、油气储运车间液化气站罐区、动力站气柜装置、联合三车间重整航煤装置的可燃气体改造工作。其他装置待条件具备将陆续进行改造。

此次可燃气报警控制器改造的顺利完成填补了某厂可燃气体检测没有独立安全仪表系统的空白，达到了安全环保要求；与单独增加独立的SIS系统（安全仪表系统）相比，极大地节约了成本费用，节约费用约449万元；统筹兼顾地利用了可燃气体报警控制器与DCS系统各自的优点，实现了操作人员对装置现场可燃气体浓度信息的全方位监测，同时可以实时准确掌握可燃气体报警信息；操作人员的人身安全可以得到极大地提高，同时为装置的安全平稳运行提供了有力保障。