光端機在可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)中的應(yīng)用

王琪瑞，王 鵬，劉光偉，劉其萍（天能化工有限公司，新疆 石河子）

2014年11月13日，國家安全監(jiān)管總局發(fā)布的《國家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導意見》（安監(jiān)總管三〔2014〕116 號）文件要求可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)必須獨立設(shè)置，提高了可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)的可靠性和安全性，推動了可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。 《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計標準》（GB/T50493-2019）對可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和使用提出了詳細的要求，包括可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)的技術(shù)要求、試驗方法和檢驗規(guī)則等內(nèi)容。 標準的發(fā)布實施對可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)的發(fā)展起到了積極的推動作用，促進了可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)的技術(shù)進步和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

大型聯(lián)合化工廠占地面積較大，生產(chǎn)裝置現(xiàn)場操作人員較少。 為縮短信號線路的長度，采用中心控制室和現(xiàn)場儀表機柜室相結(jié)合的方式，中心控制室設(shè)置在遠離生產(chǎn)裝置的安全區(qū)域，現(xiàn)場儀表機柜室設(shè)置在緊鄰生產(chǎn)裝置的適當區(qū)域。

化工生產(chǎn)中一些場所沒有配置可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)盤柜， 但設(shè)置有可燃和有毒氣體探測器（如中心控制室、可燃和有毒氣體輸送管線及其輔房等），此類場所有大量工作人員從事生產(chǎn)工作。 依據(jù)《石油化工建筑物抗爆設(shè)計標準》（GB/T50779-2022）“新風引入口有可能進入可燃氣體和有毒氣體時，應(yīng)在引入口附近設(shè)置可燃、有毒氣體探測報警器。當可燃、有毒氣體探測器報警時，應(yīng)自動聯(lián)鎖關(guān)閉密閉閥及停運新風機、排風機等”[1]，《控制室設(shè)計規(guī)范》（HG/T20508-2014）“控制室的空調(diào)引風口、室外門的門斗處、電纜溝和電纜橋架進入建筑物的洞口處，且可燃氣體和有毒氣體有可能進入時， 宜設(shè)置可燃氣體和有毒氣體檢測器”[2]。 因此，為保障生產(chǎn)安全和員工生命財產(chǎn)安全，最大程度降低經(jīng)濟損失，將此類場所可燃和有毒氣體探測器接入可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)是非常必要的。

石化行業(yè)中心控制室距離生產(chǎn)區(qū)域較遠、安裝的一次儀表數(shù)量較少，在中心控制室一般不設(shè)置現(xiàn)場儀表機柜。 根據(jù)《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計標準》（GB/T50493-2019）“可燃氣體的第二級報警信號和報警控制單元的故障信號應(yīng)送至消防控制室進行圖形顯示和報警”[3]，需將控制室新風系統(tǒng)引風口的可燃有毒氣體報警探測器接入可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)并在消防控制室顯示和報警。

基于安全考量，可燃和有毒氣體輸送管線及其輔房通常建立在遠離人群和其他危險源的地方。 可燃、有毒氣體輸送管線在穿越人員密集區(qū)及公路鐵路時需要安裝可燃、有毒氣體探測器，同時，可燃、有毒氣體輸送管線輔房有大量的釋放源（管道閥門法蘭、現(xiàn)場排污閥等），以上場景中當有氣體泄漏時探測器發(fā)出聲光報警。 在實際應(yīng)用中由于可燃、有毒氣體輸送管線、 輔房和生產(chǎn)區(qū)域距離數(shù)千米，可燃、有毒氣體探測器及輔房相關(guān)液位、壓力、排污閥等信號無法使用信號線纜直接接入工業(yè)控制系統(tǒng)（可燃、有毒氣體檢測報警系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)等），為實現(xiàn)上述要求需使用光端機將可燃、有毒氣體探測報警器、液位、壓力、排污閥等信號接入工業(yè)控制系統(tǒng)。

1 可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)

1.1 可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)的構(gòu)成

可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)是用來檢測可燃或有毒氣體泄漏并發(fā)出報警信號的儀表系統(tǒng)，由可燃和有毒氣體探測器、現(xiàn)場區(qū)域報警器和報警控制單元組成，可燃氣體和有毒氣體的檢測結(jié)構(gòu)非常重要，主要采用二次儀表檢測模式[4]。 現(xiàn)場探測器信號通過信號電纜傳輸至可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)控制柜模擬量輸入通道，經(jīng)控制器CPU 采集處理后傳輸至光電轉(zhuǎn)換器。光電轉(zhuǎn)換器將4～20 mA 電信號轉(zhuǎn)換為光信號后由光纖傳輸至控制室，再由控制室光電轉(zhuǎn)換器將光信號還原為4～20 mA 電信號，最后傳輸至人機界面。 當探測器檢測信號超過報警值時，現(xiàn)場區(qū)域報警器發(fā)出聲光報警。

可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)在保障人員生命安全、防止事故發(fā)生和減少財產(chǎn)損失方面發(fā)揮著重要作用，很多國家和地區(qū)法律規(guī)定必須在特定場所安裝可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)。

1.2 可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)的特點

可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)是一種高靈敏度的監(jiān)測裝置，在可燃和有毒氣體泄漏時，及時準確發(fā)出聲光報警并啟動相應(yīng)的聯(lián)鎖裝置（如軸流風機），降低泄漏氣體對人員和環(huán)境的危害。 該系統(tǒng)的主要特點：（1）實時監(jiān)測。 可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)可以實時監(jiān)測空氣中的可燃和有毒氣體濃度，當空氣中含有大量有害氣體時，傳感器將其轉(zhuǎn)化為電信號并輸入到單片機內(nèi)部程序處理電路后發(fā)出聲光警報。（2）高靈敏度。可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)通常具有很高的靈敏度，可以檢測低濃度的可燃和有毒氣體。（3）遠程監(jiān)控?？扇己陀卸練怏w檢測報警系統(tǒng)結(jié)合工業(yè)控制軟件可以進行遠程監(jiān)控，減少人員危害。（4）多級報警。可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)具有多級報警功能，可以根據(jù)不同氣體濃度和危險程度發(fā)出不同的警報。（5）消防聯(lián)動?？蓪⒖扇細怏w報警信息接入消防控制室與消防報警系統(tǒng)聯(lián)動，提高裝置預防火災的能力。

2 光端機

2.1 光端機的分類

根據(jù)不同數(shù)據(jù)類型，光端機可分為模擬量光端機和數(shù)字量光端機及同時具備模擬量和數(shù)字量信號通訊的復合型光端機。 光端機成對使用，由發(fā)送端和接收端兩部分組成，支持多路信號同時傳輸。

2.2 光端機的特點

模擬量光端機是通過發(fā)送端將4～20 mA 電流信號轉(zhuǎn)換成光信號再經(jīng)接收端將光信號還原成4～20 mA 電流信號， 發(fā)送端和接收端之間通過光纖連接。模擬量光端機發(fā)送端將4～20 mA 的電流信號轉(zhuǎn)換為光信號經(jīng)由光纖傳輸，多路模擬量可同時輸入，接收端把光纖信號還原為4～20 mA 的電流信號[5]。數(shù)字量光端機通過使用光電二極管或其他光電子元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。 發(fā)送端將電信號轉(zhuǎn)化為光信號， 當光信號通過光纖傳輸?shù)浇邮斩藭r，光電二極管接收到光信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號。 光端機可以同時接入不同類型一次儀表的模擬量信號和數(shù)字量信號，還具備遠距離傳輸功能，單模光纖傳輸距離可達20 km，多模光纖傳輸距離可達2 km。由于光信號具備抗電磁干擾、 抗地環(huán)干擾的特性，使用模擬量光端機大大提高了可燃和有毒氣體探測器信號傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?同時，光端機價格低廉，使用方便，適用于長距離、高速率、抗干擾能力弱的場合，在實際應(yīng)用中可根據(jù)需求選擇合適的光端機類型。

2.3 光端機的適用場景

由于金屬線纜傳輸數(shù)據(jù)信號會衰減，若無信號中繼裝置， 有效傳輸距離僅有幾百米至幾千米，難以滿足數(shù)據(jù)遠距離傳輸?shù)男枨蟆?光信號經(jīng)光纖傳輸數(shù)據(jù)信號衰減很小， 可以有效傳輸幾十至上百公里，滿足數(shù)據(jù)遠距離傳輸?shù)男枨蟆?大型聯(lián)合化工企業(yè)廠區(qū)面積大，個別設(shè)備分散布置，安裝不集中、裝置上的儀表設(shè)備少（如廠區(qū)外的環(huán)保監(jiān)測設(shè)備及用于監(jiān)測長輸管線溫度、壓力、泄漏量的儀表等），此類場景下可使用光端機進行信號傳輸。

因光信號具有抗干擾性強的特性，光端機相比線纜傳輸更適用于信號干擾較強的場合。 化工生產(chǎn)中存在防火防爆區(qū)域，距離控制柜較遠的一次儀表信號接入控制系統(tǒng)需跨越大量防火防爆區(qū)域。 光端機傳輸信號具備同時隔離變送多路信號的功能，相比使用安全柵傳輸多路信號更經(jīng)濟方便。

2.4 光端機缺點

光端機本質(zhì)是一種光電轉(zhuǎn)換設(shè)備， 不同廠家的光端機之間的兼容性較差， 需要謹慎選擇和搭配使用。 受光端機自身體積限制，其所能接入的數(shù)據(jù)路數(shù)十分有限， 不適用于大量數(shù)據(jù)路數(shù)的光電轉(zhuǎn)換和通訊。 與傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換設(shè)備和信號傳輸相比，光端機缺少路由功能，因此其系統(tǒng)配置性和靈活性較差。 多模光端機傳輸距離僅有數(shù)公里，其實用性受限。 另外，光通訊技術(shù)發(fā)展迅速，光端機需要不斷進行更新和升級， 以適應(yīng)新的技術(shù)標準和應(yīng)用需求。 總之，光端機作為一種電子設(shè)備也存在一些缺點， 需要在實際應(yīng)用中根據(jù)具體需求進行權(quán)衡和考慮。

3 光端機在可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 光端機的選型

光端機是一種在光纖網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)的光通信設(shè)備。 光端機的選型應(yīng)充分考慮信號類型和信號路數(shù)，公司使用的可燃和有毒氣體檢測報警探測器輔房儲罐液位、 壓力輸出信號為4～20 mA 無源信號，排污閥反饋信號為數(shù)字量信號，中央控制室安裝有4 套新風系統(tǒng)，每套新風系統(tǒng)引風入口處需安裝1 臺可燃和有毒氣體檢測報警探測器，因此在選型時需選擇安裝同時支持4 路信號傳輸?shù)哪M量光端機。 可燃和有毒氣體的長輸管線、輔房探測器、變送器和閥門的安裝量少且各輔房距離較遠，傳輸此類儀表信號需要安裝同時支持多路模擬量信號和多路數(shù)字量信號的復合型光端機。

3.2 光端機的裝配

由于四通道模擬量光端機和模擬量數(shù)字量復合型光端機尺寸較小， 使用金屬導軌安裝方便可靠，光端機供電電源為24 V 直流供電，需為發(fā)送端和接收端分別提供24 V 直流電源。 信號由一次儀表直接接入，輸出直接使用光纖傳輸。

將發(fā)送端光端機安裝在中心控制室和網(wǎng)絡(luò)柜，可燃和有毒氣體檢測報警探測器信號直接接入光端機接線端子， 光端機光口使用光纖接入控制網(wǎng)絡(luò)。 接收端光端機安裝在可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)柜，光端機光口使用光纖接入控制網(wǎng)絡(luò)，將信號輸出端子直接接入可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)模擬量輸入通道。 輔房儲罐液位、壓力和閥門等反饋信號經(jīng)光端機直接接入集散控制系統(tǒng)（DCS 系統(tǒng)）。

3.3 光端機在可燃和有毒氣體檢測報警控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

公司可燃和有毒氣體檢測報警控制系統(tǒng)采用日本橫河CENTUM VP 系統(tǒng)， 不同生產(chǎn)區(qū)域設(shè)置不同控制站，同一生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)不同工段之間設(shè)置光纖遠程節(jié)點，控制站和遠程節(jié)點之間由分別設(shè)置在控制站側(cè)和遠程節(jié)點側(cè)的網(wǎng)絡(luò)交換機和通信光纜連接。 控制站硬件構(gòu)成也采用橫河產(chǎn)品，每臺控制器主要由一組冗余電源、一組冗余CPU 和若干通訊卡及節(jié)點構(gòu)成，各節(jié)點包含一組冗余電源、一組通訊卡和若干負責信號輸入輸出的I/O 卡件。

現(xiàn)代多自由度并聯(lián)式力控末端執(zhí)行器屬于多輸入多輸出系統(tǒng)。它由多個支鏈組成，支鏈間存在耦合，且每個支鏈至少有1個恒力補償作動部件，工具頭的最終輸出力和姿態(tài)由各支鏈及其恒力補償作動部件決定。因此，應(yīng)對它進行解耦控制技術(shù)研究，減小或消除各支鏈間的相互干擾，提高力控末端執(zhí)行器的動靜態(tài)性能及其可靠性。

由于中央控制室和長輸送管線及其輔房未設(shè)置可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)控制柜，且現(xiàn)場可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)控制柜距中央控制室較遠，加之中央控制室和長輸管線所設(shè)置的有毒氣體探測儀、壓力變送器等儀表數(shù)量較少，通過加裝控制系統(tǒng)控制柜和節(jié)點的方式將其接入控制系統(tǒng)投入較大，且加裝后的控制器利用率太低，會造成資源浪費。 機柜型數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 機柜型數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)

選用光端機進行有毒氣體探測器、儲罐液位、壓力、閥門等反饋信號的傳輸，將現(xiàn)場一次儀表的信號直接接入光端機發(fā)送端并轉(zhuǎn)換為光信號，通過光纖傳輸至光端機接收端， 再由接收端將光信號轉(zhuǎn)換為探測器、儲罐液位、壓力模擬量信號，將閥門反饋信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)量信號后接入可燃和有毒氣體檢測報警控制系統(tǒng)， 光端機型數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 光端機型數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)

通過對比可知，使用光端機傳輸可燃和有毒氣體探測器數(shù)據(jù)可減少節(jié)點和交換機的配置，降低了成本、減少了能耗。 由于光信號具有抗干擾性，使用光端機也提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?/p>

3.4 運行效果

對比經(jīng)光端機傳輸?shù)默F(xiàn)場儀表、閥門信號和通過信號線纜傳輸?shù)默F(xiàn)場儀表、閥門信號，發(fā)現(xiàn)遠距離儀表信號經(jīng)過光端機長距離傳輸后接入可燃和有毒氣體檢測報警控制系統(tǒng)，其信號衰減和遲滯與線纜近距離傳輸?shù)男盘枎缀鯖]有區(qū)別。

光端機本身具備信號輸入輸出功能，因此也可用作信號中繼設(shè)備，通過信號中繼，光端機減少了信號的衰減。

4 光端機在其他工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢

光端機在其他工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢主要有以下幾點。

（1）數(shù)據(jù)傳輸。 光端機可以將工業(yè)控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)快速、準確地傳輸?shù)娇刂浦行?，保證了系統(tǒng)的實時性和可靠性。

（3）實現(xiàn)冗余備份。 光端機可實現(xiàn)冗余備份功能，當主鏈路出現(xiàn)故障時，備用鏈路可以立即啟動，保證了系統(tǒng)的不間斷運行。

（4）安全性。 光端機采用光纖作為傳輸介質(zhì)，具有抗干擾、保密性好等特點，可提高工業(yè)控制系統(tǒng)的安全性。

（5）易于維護。 光端機設(shè)備簡單、易于維護，可減少系統(tǒng)維護的工作量和成本。

總之，光端機在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用可以提高系統(tǒng)的可靠性、實時性、安全性和可維護性，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

5 應(yīng)用前景

隨著大型聯(lián)合化工企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化和智能化時代的到來，光纖通信技術(shù)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，化工裝置對高傳輸速度、高可靠性的光通信設(shè)備的需求日益增加，光端機作為光通信技術(shù)中的重要組成部分，其市場前景十分廣闊。 隨著信息技術(shù)的不斷迭代發(fā)展，光端機的應(yīng)用也將越來越普遍，光端機在大型聯(lián)合化工裝置中的使用場景也會越來越廣闊。

6 結(jié)語

通過對光端機的特點和適用場景的分析，再結(jié)合實際情況確定了使用光端機傳輸可燃和有毒氣體探測器、 可燃和有毒氣體長輸管線和輔房液位、壓力、閥門等反饋信號的方案。 通過此次光端機在可燃和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)中的應(yīng)用，為石油化工行業(yè)工業(yè)控制領(lǐng)域遠距離信號傳輸探索了一種新方案。