第8章安全
检测
工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训
与监控系统8.1安全检测与监控系统概述8.2安全检测与监控系统的设计与开发8.3某油田安全检测与监控系统介绍8.4煤矿安全生产检测监控系统介绍8.5石化储罐区安全检测与监控系统8.6油田生产安全无线监控系统.8.1安全检测与监控系统概述8.1.1安全检测与监控的一般步骤 安全检测与监控是一项复杂的系统工程。检测与监控任务的完成，主要由数据采集、数据处理、故障检测与安全决策以及安全措施等四个阶段组成，如图8－1所示。其中，数据处理、故障检测与安全决策构成一个集成的整体，其相关理论和方法合称为过程安全监控技术。.图8－1安全检测与监控的一般过程. 1.数据采集 采集数据的主要工具是传感器(或敏感器)。对动态系统运行过程而言，传感器或测量设备输出信息通常是以等间隔或不等间隔的采样时间序列的形式给出的。 监控过程的数据采集，必须同时兼顾到采集过程的工程可实现性和采样数据有效性。此处所谓数据有效性，主要是指采样的测量数据与过程系统故障之间必须有内在关联性。. 2.信号处理 一般地，在对过程进行故障检测与诊断之前必须借助滤波、估计或其他形式的数据处理与特征信息技术对过程系统采样时间序列进行信息压缩，使之更适合于故障检测与诊断。. 3.故障检测 简而言之，变化检测就是判断并指明系统是否发生了异常变化及异常变化发生的时间。例如，对于正在运行的系统或按规定标准进行生产的设备，辨别其是否超出预先设定或技术
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规定的无故障工作门限。 监控过程的故障检测的首要任务是依据压缩之后的过程信息或借助直接从测量数据中提取的反映过程异常变化或系统故障特征的信息，判断系统运行过程是否发生了异常变化，并确定异常变化或系统故障发生的时间。. 4.安全决策 所谓安全决策，是指通过足够数量测量设备(例如传感器)观测到的数据信息、过程系统动力学模型、系统结构知识，以及过程异常变化的征兆与过程系统故障之间的内在联系，对系统的运行状态进行分析和判断，查明故障发生的时间、位置、幅度和故障模式。 依据安全决策时所凭借的冗余信息类型的不同，安全决策分为基于硬件冗余、解析冗余和知识冗余，以及基于多种冗余信息融合等不同方式。. 5.安全对策 对具体工程活动而言，分析出故障产生的原因及部位后，下一步必须考虑故障的处理方法。较典型的故障处理方法有顺应处理、容错处理与故障修复等三大类。 在实施过程监控时，必须根据系统具体情况，综合考虑研究对象、故障特点及影响程度等多方面的因素，针对不同故障制定不同的处理对策。.8.1.2计算机安全检测与监控系统的组成 计算机监控系统的组成可以有多种划分方法。一般地，计算机监控系统由硬件和软件组成。计算机监控系统的组成原理如图8－2所示。硬件主要由计算机，输入、输出装置（模块），检测变送装置和执行机构三大部分组成。软件主要分为系统软件、开发软件和应用软件三大部分。系统软件一般为一个操作系统，对于比较简单的计算机监控系统，则为一个监控程序。开发软件包括高级语言、组态软件和数据库等。应用软件往往可以有输入、输出处理模块，控制算法模块，逻辑控制模块，通信模块，报警处理模块，数据处理模块或数据库，显示模块，打印模块等。各部分详细组成如图8－2～8－6所示。.图8-2计算机监控系统组成原理图.图8-3计算机监控系统部分组成图.图8-4监控系统输入/输出部分组成图.图8-5监控系统检测变送部分组成图.图8-6监控系统执行部分组成图.8.2安全检测与监控系统的设计与开发8.2.1安全检测与监控系统的设计过程与原则 1.安全检测与监控系统的设计过程 任何一个安全检测与控制系统的设计与开发基本上是由六个阶段组成的，即可行性研究、初步设计、详细设计、系统实施、系统测试（调试）和系统运行。当然，这六个阶段的发展并不是完全按照直线顺序进行的。在任何一个阶段出现了新问题后，都可能要返回到前面的阶段进行修改。. 在可行性研究阶段，开发者要根据被控对象的具体情况，按照企业的经济能力，未来系统运行后可能产生的经济效益，企业的管理要求，人员的素质，系统运行的成本等多种要素进行分析。可行性分析的结果最终是要确定：使用计算机监控技术能否给企业带来一定经济效益和社会效益。. 初步设计也可以称为总体设计。系统的总体设计是进入实质性设计阶段的第一步，也是最重要和最为关键的一步。总体
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的好坏会直接影响整个计算机监控系统的成本、性能、设计和开发周期等。在这个阶段，首先要进行比较深入的工艺调研，对被控对象的工艺流程有一个基本的了解，包括要监控的工艺参数的大致数目和监控要求、监控的地理范围的大小、操作的基本要求等。然后初步确定未来监控系统要完成的任务，写出设计任务说明书，提出系统的控制方案，画出系统组成的原理框图，以作为进一步设计的基本依据。. 在详细设计阶段，首先要进行详尽的工艺调研，然后选择相应的传感器、变送器、执行器、I/O通道装置以及进行计算机系统的硬件和软件的设计。对于不同类型的设计任务，则要完成不同类型的工作。如果是小型的计算机监控系统，硬件和软件都是自己设计和开发的。此时，硬件的设计包括电气原理图的绘制、元器件的选择、印刷线路板的绘制与制作；软件的设计则包括工艺流程图的绘制、程序流程图的绘制等。在系统实施阶段，要完成各个元器件的制作、购买、安装，进行软件的安装和组态以及各个子系统之间的连接等工作。. 2.安全检测与监控系统的设计原则 1）可靠性原则 为了确保计算机监控系统的高可靠性，可以采取以下措施： （1）采用高质量的元部件。所采用的各种硬件和软件，尽量不要自行开发。采用高质量的电源。一般来说，PLC I/O模块的可靠性比PC总线I/O板卡的可靠性高，如果成本和空间允许，应尽可能采用PLCI/O模块。. （2）采取各种抗干扰措施。采取各种抗干扰措施，包括滤波、屏蔽、隔离和避免模拟信号的长线传输等。 （3）采用冗余工作方式。可以采用多种冗余方式，例如，冷备份和热备份。其中，冷备份方式是指一台设备处于工作状态，而另一台设备处于待机状态。一旦发生故障，专用的切换装置就会将原来工作的设备切除，并将备份的设备投入运行。 （4）对一些智能设备采用故障预测、故障报警等措施。出现故障时将执行机构的输出置于安全位置，或将自动运行状态转为手动状态。. 2）使用方便原则 一个好的监控系统应该人机界面友好，方便操作、运行，易于维护。设计时要真正做到以人为本，尽可能地为使用者考虑。 人机界面可以采用CRT、LCD或者是触摸屏，使得操作人员可以对现场的各种情况一目了然。各种部件尽可能地按模块化设计，并能够带电插拔，使得其易于更换。在面板上可以使用发光二极管作为故障显示，使得维修人员易于查找故障。在软件和硬件设计时都要考虑到操作人员会有各种误操作的可能，并尽量使这种误操作无法实现。. 3）开放性原则 开放性是计算机监控系统的一个非常重要的特性。监控系统在结构上具有一定的柔性。 为了使系统具有一定的开放性，可以采取以下措施： （1）尽可能地采用通用的软件和硬件。各种硬件尽可能地采用通用的模块，并支持流行的总线标准。 （2）尽可能地要求产品的供货商提供其产品的接口
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以及其他的相关资料。 （3）在系统的结构设计上，尽可能地采用总线形式或其他易于扩充的形式。 （4）尽可能地为其他系统留出接口。. 4）经济性原则 在满足计算机监控系统的性能指标（如可靠性、实时性、精度、开放性）的前提下，尽可能地降低成本，保证性能价格比最高，以保证为用户带来更大的经济效益。 5）开发周期短原则 在设计时，应尽可能地使用成熟的技术，对于关键的元部件或软件，不到万不得已不要自行开发。购买现成的软件和硬件进行组装与调试应该成为首选。.8.2.2安全检测与监控系统的设计步骤 1.安全检测与监控系统的总体方案设计T 正如前面所言，系统的总体设计是进入实质性设计阶段的第一步，也是最重要和最为关键的一步。总体方案的好坏会直接影响整个计算机监控系统的成本、性能、设计和开发周期等。整个总体设计基本步骤如图8-7所示。.图8-7总体设计基本步骤. 1）工艺调研 总体设计的第一步是进行深入的工艺调研和现场环境调研。经过调研要完成以下几个任务： （1）弄清系统的规模。要明确控制的范围是一台设备、一个工段、一个车间，还是整个企业。 （2)熟悉工艺流程，并用图形和文字的方式对其进行描述。 （3)初步明确控制的任务。要了解生产工艺对控制的基本要求。要弄清楚控制的任务是要保持工艺过程的稳定，还是要实现工艺过程的优化。要弄清楚被控制的参量之间是否关联比较紧密，是否需要建立被控制对象的数学模型，是否存在诸如大滞后、严重非线性或比较大的随机干扰等复杂现象。. （4)初步确定I/O的数目和类型。通过调研弄清楚哪些参量需要检测、哪些参量需要控制，以及这些参量的类型。 （5)弄清现场的电源情况（是否经常波动，是否经常停电，是否含有较多谐波）和其他情况（如震动、温度、湿度、粉尘、电磁干扰等）。. 2）形成调研报告和初步方案 在完成了调研后，可以着手撰写调研报告，并在调研报告的基础上草拟出初步方案。如果系统不是特别复杂，也可以将调研报告和初步方案合二为一。 3）方案讨论 在对初步方案进行讨论时，往往会发现一些新问题或是不清楚之处，此时，需要再次调研，然后对原有方案进行修改。. 4）形成总体方案 在经过多次的调研和讨论后，可以形成总体设计方案。总体方案以总体设计报告的方式给出，并包含以下内容： （1）工艺流程的描述。可以用文字和图形的方式来描述。如果是流程型的被控制对象，可以在确定了控制算法后画出带控制点的工艺流程图（又称工艺制流程图）。 （2）功能描述。描述未来计算机监控系统应具有的功能，并在一定的程度上进行分解，然后设计相应的子系统。在此过程中，可能要对硬件和软件的功能进行分配与协调。对于一些特殊的功能，可能要采用专用的设备来实现。. （3）结构描述。描述未来计算机监控系统的结构。是采用单机控制，还是采用分布式控制。如果采用分布式控制，则对于网络的层次结构的描述，可以详细到每一台主机、控制节点、通信节点和I/O设备。可以用结构图的方式对系统的结构进行描述，用箭头来表示信息的流向。. （4）控制算法的确定。如果各个被控参量之间关联不是十分紧密，可以分别采用单回路控制，否则，就要考虑采用多变量控制算法。如果被控制对象的数学模型虽然不是很清楚，但也不是很复杂，可以不建立数学模型，而直接采用常规的PID控制算法。如果被控制对象十分复杂，存在大滞后、严重非线性或比较大的随机干扰，则要采用其他的控制算法。一般来说，尽可能多地了解被控制对象的情况，或建立尽可能准确反映被控制对象特性的数学模型，对提高控制质量是有益处的。 （5）I/O变量总体描述。. 2.安全检测与监控系统的详细设计 1）传感器、变送器和执行机构的选择 传感器和变送器均属于检测仪表。传感器是将被测量的物理量转换为电量的装置；变送器是将被测量的物理量或传感器输出的微弱电量转换为可以远距离传送且标准的电信号（一般为0～10mA或4～20mA）。选择时主要根据被测量参量的种类、量程、精度来确定传感器或变送器的型号。. 如果在前面总体设计时，已经考虑了使用某种现场总线标准，则可以考虑采用支持该标准的智能仪表。当然，现在智能仪表的价格相对还比较高，设计者可以根据用户的经济能力和现场的实际情况来处理。一般来说，如果用户的经济能力允许，或是智能仪表的价格不超过常规仪表的20%，都可以考虑采用智能仪表。 执行机构的作用是接受计算机发出的控制信号，并将其转换为执行机构的输出，使生产过程按工艺所要求的运行。常用的执行机构有电动机、电机启动器、变频器、调节阀、电磁阀、可控硅整流器或者继电器线圈。与检测仪表一样，执行机构也有常规执行机构（接受0~10mA或4~20mA信号）与智能执行机构之分。. 对于同一物理量的控制，往往可以有多种选择。例如，以前流量的连续控制主要是利用调节阀来实现的，现在也可以使用变频器驱动交流电动机，然后再由电动机驱动水泵来实现。采用变频器的方案，价格比较高，但调节范围宽、线性度好，而且节约能源。. 2）监控装置的详细设计 监控装置是指I/O子系统和计算机系统（包括网络）两部分。对于不同类型的设计任务，在详细设计阶段所要做的工作是不一样的。这里只考虑系统的硬件和软件都采用现成产品的情况。在以下各种设计中，显示画面、报表格式的设计应反复与有关使用人员（操作人员、管理人员）交流。 对于小型系统，稳定性要求较低、预算费用较少的系统，一般采用方案1。 对于中、大型系统，稳定性要求一般、费用预算一般的监测系统，一般采用方案2。. 对于稳定性要求很高、预算费用较高的、并且具有控制要求的系统,一般采用方案3。 但是现在流行的监控系统一般是将其中的监测部分采用模块方式采集，工业常见到的PID控制一般采用PID控制仪表进行控制，而顺序逻辑控制部分采用PLC进行控制。这种配置既可以降低系统成本，也可以提高系统的可靠性。. （1）方案1：上位机加I/O板卡。可以按以下几个步骤进行： ①选择系统总线。由于STD总线已经比较陈旧，可以不考虑，PC总线也建议不必考虑。然后，根据性能需要和费用，在ISA总线与PCI总线之间进行选择。 ②选择主机。如果控制现场环境比较好，对可靠性的要求又不是特别高，也可以选择普通的商用计算机。否则，还是选择工控机为宜。在主机的配置上，以留有余地、满足需要为原则，不一定要选择最高档的配置。 . ③根据系统的精度要求、I/O的类型和数量选择相应的I/O板卡。现有的模拟量输入I/O板卡，一般都有单端输入与双端输入两种选择。如果费用允许，还是采用双端输入为好，以提高抗干扰能力。除此之外，还应采取多种隔离和滤波措施。例如，使用专门的信号调理板卡或与隔离端子同时使用。. ④选择操作系统、数据库和组态软件。操作系统可以选择Windows2000/XP。数据库一般采用小型数据库（如VisualFoxPro），选择小点数并满足需要的组态软件即可，必要时再购买一些特殊组件。 ⑤确定控制算法参数、显示画面、报表格式。. （2）方案2：上位机加485总线加I/O模块和工业仪表。可以按以下几个步骤进行： ①选择局域工业网络。如果传输距离不是特别远（1km以内），数据传输速率不是特别高，首先可以考虑485总线。如果485总线不合适，则可以选择一种现场总线，如CAN、LON、ProfiBus、FF或以太网。 ②选择主机。如果控制现场环境比较好，对可靠性的要求又不是特别高，也可以选择普通的商用计算机；否则，还是选择工控机为宜。在主机的配置上，以留有余地、满足需要为原则，不一定要选择最高档的配置。. ③根据系统的精度要求、I/O的类型和数量选择相应的I/O模块。I/O模块的选择首先是要支持所选的总线，然后根据系统的分散性来考虑。另外还可选用各种工业显示控制仪表。 ④选择操作系统、数据库和组态软件。操作系统可以选择Windows2000/XP。数据库一般采用小型数据库，选择小点数并满足需要的组态软件即可，必要时再购买一些特殊组件。 ⑤确定控制算法参数、显示画面、报表格式。. （3）方案3：上位机加PLC。可以按以下几个步骤进行： ①选择特定厂家的PLC。可根据总线要求、传输距离、可靠性、售后服务、价格等综合因素选定某一厂家的PLC。可以选择该PLC支持的一种现场总线，如CAN、LON、ProfiBus、FF或以太网等。 ②根据系统的精度要求、I/O的类型和数量，以及通信等要求选择相应的PLCI/O模块。 ③选择主机。如果控制现场环境比较好，对可靠性的要求又不是特别高，也可以选择普通的商用计算机。否则，还是选择工控机为宜。在主机的配置上，以留有余地、满足需要为原则，不一定要选择最高档的配置。. ④选择操作系统、数据库、组态软件和PLC编程软件。PLC编程软件各个厂家都不同，同一厂家如果PLC型号不同，那么PLC编程软件也可能不同。 ⑤确定控制算法参数、显示画面、报表格式。.8.2.3检测仪表的选型 1.温度检测仪表的选择 选择温度仪表时主要考虑仪表的类型、量程和精度等级等三方面的因素。温度检测仪表的选择原则如图8-8所示。.图8-8温度仪表选用原则. 1）仪表类型的选择 (1)根据生产工艺要求、现场指示、远传、变送、
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、报警和控制等不同方式选择二次仪表的类型。 (2)根据测温参数的变化范围、工艺介质的物化性质和条件、测温对象特点、使用场合、显示仪表类型、安装条件和要求等来选择与温度仪表配套的检测元件(一次仪表)类型、结构形式、连接方式、补偿导线、保护套管和插入深度等。. 2）仪表量程的选择 温度仪表的量程上限应保证仪表测量时最高使用温度指示值不超过仪表满量程的90％，下限应保证最低温度指示值不小于仪表满量程的30％。温度计正常工作指示值应为仪表满量程的50％～70％。选用仪表刻度范围应与定型产品的标准系列相符。 3）仪表精度等级的选择 根据所选仪表的量程范围，工艺要求的最大误差及检测元件的误差特性来计算和选择仪表的精度等级。 . 2.压力检测仪表的选择 选择压力仪表时，同样要考虑仪表的类型、量程和精度等级等三方面的因素。 压力仪表的选择原则如图8-9所示。.图8-9压力检测仪表的选用原则. 1）仪表类型的选择 仪表类型选择的原则是必须满足生产工艺的要求，主要考虑以下三个方面： (1)显示方式的要求。如是否现场指示、远传显示、集中显示、信号报警、自动记录或自动控制等。 (2)被测介质物理化学性质。如介质的压力、温度、粘度的高低，是否腐蚀、结晶，脏污程度，易燃、易爆情况，氧化、还原或特殊介质等。 (3)现场环境条件。如现场安装条件、环境高温或低温、电磁场、振动、腐蚀性、湿度等。. 2）压力仪表量程范围的选择 压力仪表量程范围要根据工艺生产过程中操作压力大小变化的范围和保证仪表寿命等方面来考虑。仪表的上限值应大于工艺被测压力变化的最大值。 (1)在测量稳定压力时，仪表的上限值不应小于最大工作压力的3／2或4／3倍。 (2)测量波动大的脉动压力时，仪表的上限值不应小于被测最大压力的2倍或1.5倍。为保证测量的准确度，往往要求被测压力值也不能接近于仪表的下限值。 一般被测压力的最小值不应低于仪表量程范围的1／3。计算出上限和下限后，查仪表产品手册，选择相应量程的压力仪表。. 3）仪表精度等级的选择 精度等级是根据已选定的仪表量程和工艺生产上所允许的最大测量误差求最大允许百分误差来确定的。一般来说，仪表精度等级越高，测量结果越精确可靠。但另一方面，精度等级越高，价格也越贵，操作和维护条件越苛刻。因此，在能满足工艺要求的前提下，要尽量选择精度较低的压力仪表。 . 3.流量检测仪表的选择 选择流量检测仪表时也要考虑仪表的类型、量程和精度等级三方面的因素。流量检测仪表的选择见表8-1和表8-2。.表8-1按被测介质和测量条件选取流量检测仪表.表8.2按特性选择流量检测仪表参数.表8.2按特性选择流量检测仪表.表8.2按特性选择流量检测仪表. 1）仪表类型的选择 应根据生产工艺和控制系统对显示方式的不同要求，被测流体的物化性质和状态，仪表的使用特点，工艺允许的压力损失，生产工况条件，现场安装和环境条件，以及经济性等多方面因素进行综合考虑。. 2）流量仪表量程范围的选择 流量检测仪表量程范围的选择主要根据工艺最大和最小额定流量要求，为读数和转换方便，应按整数选用。还要考虑流量检测仪表是线性刻度还是非线性刻度等因素。 3）流量检测仪表的精度选择 流量仪表的精度等级应根据所选量程范围和工艺要求最大允许误差来选择。用于计量的流量检测仪表的精度等级应高于1级(1％)。. 4.物位检测仪表的选择 选择物位检测仪表还是要考虑仪表的类型、量程和精度等级等三方面的因素。物位检测仪表的选择原则如图8-10所示。.图8-10物位检测仪表选用原则. 1）类型选择 (1)根据仪表的显示方式、工艺操作条件及系统组成的要求选择。 (2)根据工艺介质的性质不同选择。首先选差压式、浮筒式和浮子式仪表，当不满足要求时，可选电容式、电阻式、电接触式、声波式或辐射式仪表。 2）量程选择 一般要求正常液位为最大刻度的50％左右，最高液位或上限报警点为最大刻度的90％左右，最低液位或下限报警点为最大刻度的10％左右。. 3）精度选择 根据仪表量程及测量允许误差要求选择合适的精度。提供容器计量用的液位仪表的精度应在1级(1％)以上。.8.3某油田安全检测与监控系统介绍8.3.1监控系统项目简介 某油田集油站是原油外输的枢纽，分为锅炉供热、脱水、外输、注水与消防、污水处理五个子系统。集油站工艺流程图如图8-11所示。从各个油井或计量站来的油水混合液先进入两个四相分离器，进行油、水、气、沙四相分离，分离出来的水经掺水泵送到各计量站掺水或对地下注水。分离出来的原油进入脱水器再次脱水，经稠油泵送往200m3的大罐储存销售。还有一部分油水混合液经外输泵在进行热交换（加热）后往其他集油站外输。.图8-11集油站工艺流程图. 整个监控系统需要处理： (1）控制两个四相分离器上油室、水室的液位恒定； (2）监测两个四相分离器上油室、水室的液位、温度、压力及报警； (3）监测两个掺水泵、两个外输泵、两个稠油泵各自前后的压力，控制各个泵的起、停，显示其运行状况及报警； (4）监测两个换热器各自前后混合液的温度及报警； (5）监测脱水器、事故罐的温度、液位及报警； (6）遍布整个站区的十六处的气体浓度监测及报警。 .8.3.2监控系统方案分析 1.初步分析 1)监测部分 监测部分涉及到液位、温度、压力、气体浓度监测以及各个泵运行状况显示。其中，液位、温度、压力、气体浓度等信号经过相应的变送器后都会转换为与现场最大、最小值对应的4～20mA电流信号，都是模拟量输入信号。各个泵运行状况是对应数字量输入信号。. 2)控制部分 控制部分涉及到控制两个四相分离器上油室、水室的液位恒定和各个泵的起、停。其中，控制分离器上油室、水室的液位恒定可以采用智能仪表来控制。控制原理是：油室、水室的当前液位信号接入PID控制仪表，与表内的人工给定值比较，通过PID运算，输出4～20mA的控制信号到变频器，变频器对50Hz交流电进行变频，输出对应于4～20mA的0～50Hz交流电，对泵上的驱动电机进行变频调速，通过调节泵的转速（流量）来控制油室、水室的液位恒定。控制各个泵的起、停比较简单，对应数字量输出信号。 . 2.系统检测仪表选型 由前面分析可知，监控系统可采用一台工控机，连接智能仪表和研华ADAM4000或ADAM5000系列模块来构成。系统检测传感器选择如表8-3所示。.表8-3系统检测传感器选择. (1)两台四相分离器油室、水室的液位恒定控制总共有4路PID控制，可选择4路单路PID表，也可选择SWP-LCD-SSR48段PID自整定控制仪。后者具有4路4～20mA模拟量输入，4路PID控制输出。因此,我们选用一台昌晖公司的SWP-LCD-SSR48段PID自整定控制仪完成PID控制，选择RS-485接口型。. (2）由于所有气体浓度监测和液位、温度、压力信号比较重要，必须要在现场控制柜显示，因此要选用控制柜上的显示仪。这些显示仪可以选择单路显示仪，也可以选用昌晖公司的SWP-LCD-M多通道巡检控制仪，该仪表可以轮流显示十六路模拟数据，选择RS－485接口型。气体浓度监测和液位、压力信号共有44路，所以可以选用3台，有3×16-44=4路冗余。3块SWP-LCD-M型多路仪表必须选择RS-485接口型。. (3）剩余6路DI信号和12路DO信号，可以选用研华模块来完成。由于数字量输出控制泵的起停，因此输出模块最好选用继电器输出型，可以省去后接的驱动继电器。可选取一个ADAM-4052（8路隔离数字量输入模块）和两块ADAM-4068（8路继电器输出模块）模块。有2路DI冗余和4路DO冗余。各个模块必须选择RS-485接口型。. (4）如果仪表接口选择RS-232C接口型，则每个串口只能接一块仪表。所以上面仪表及模块都选用了RS-485接口型，这样某一类仪表就可以接在同一个串口上。一般工控机都有两个串口，可以把所有昌晖公司的仪表接在一个串口，把所有研华公司ADAM4000系列的模块接在一个串口，计算机通过模块及仪表内地址区分不同设备。但是计算机是RS-232C接口，而仪表是RS-485接口，所以还需要两块ADAM-4520（隔离RS-232到RS-422/485转换器）模块。. (5）系统还需要选用工控机、打印机、UPS（不间断电源）等其他设备。 (6）系统还需要操作系统软件和组态编程软件。.表8-4某油田集油站监控系统设备清单.8.3.3系统监控构成 监控系统采用一台研华工控主机，配21英寸飞利浦彩显，带有UPS电源的A3幅面彩色喷墨打印机。系统选用四路PID控制仪完成对四相分离器油室、水室的液位恒定控制。现场所有模拟输入量都先接入昌晖公司十六路巡检仪，然后计算机通过RS-485总线与巡检仪及PID控制仪通信，将现场数据采集进计算机。 现场所有数字量都通过研华公司ADAM4000系列仪表采集和输出，通过RS-485总线，计算机通过研华ADAM-4052模块读入现场泵的运行状态，再通过研华ADAM-4068模块输出现场泵的启停指令。监控系统输入输出原理图，如图8-12所示。.图8-12监控系统输入输出原理图.8.3.4系统运行效果 油田集油站安全检测监控系统主要实现对站内所有重要的生产工艺过程、设备状态实施监控和连锁保护，不仅可以进行生产上的集中监控,还可以综合各种安全参数监控事故并进行预防预报，实现生产和安全双重监控。主要技术特点如下: (1)集油站生产工艺、安全参数检测和优化控制。 (2)采用多倍变焦自动摄像监视重点设备和场所,对图像进行数字压缩处理与存盘。 (3)站场的可燃气体泄漏检测、预报和消防注水智能控制。 (4)联合站内外网络集成,系统具有典型示范作用。.8.4煤矿安全生产检测监控系统介绍8.4.1矿井概况 XX煤矿集团XX煤矿是一座年生产能力500万吨的大型井工矿井,历年鉴定为高瓦斯矿井。矿井采用分区抽出式通风方式,目前有8个进风井,5个回风井,共5个生产采区。由1045条水平轨道、皮带大巷贯穿全矿井,井田以副立井为分界点分为南北两部分,其中南部大巷长度为1500m,北部大巷长度为7200m。从2003年8月开始经过一年多的技术论证,于2004年10月份开始安装调试KJ86安全生产检测监控系统，并于一个月后开始试运行。该系统对全矿井5个综采队、16个掘进队、4个水仓、18个主要变电所、5对主扇和采区回风系统的生产环境情况和生产运行情况进行检测监控。.8.4.2系统设计原则 XX煤矿安全生产检测监控系统的设计方案经过多次反复论证,主要体现适用性、节约性、可靠性、可扩展性、先进性、兼容性、可管理性和标准化的指导原则,努力做到该检测监控系统技术先进、功能齐全、维护方便、操作简单、扩展容易和长期可靠、快速、稳定运行。.8.4.3系统结构 1. 地面中心站 地面中心站由1台KJ86主备机、4套干线驱动器、3台数据光端机、14台光接收机和KJ86系统服务器、联网服务器以及其他的辅件构成,完成井上、下各种传感器数据及摄像机图像的采集、数据分析和实时控制，并通过矿局域网上传。. 2.调度中心指挥系统 调度中心指挥系统由智能调度台、DLP投影单元(6台)、数码显示器(18台)、图形处理器(1台)、图形控制器(1台)、视频服务器(2台)、视频分配器(2台)、图形显示器(4台)等组成。调度员不但可以清晰直观地看到检测监控数据、工业电视图像,而且可以调出历史数据和图像,分析矿井生产过程中存在的各种安全隐患,为矿井科学指挥安全生产提供依据。调度中心指挥系统主屏幕由东芝DLP投影单元组成,整屏分辨率可以达到6144×4608像素。屏幕采用专用树脂屏幕,实现1mm的光学拼缝,在图形处理器、图形控制器的统一控制下,表格、图形可以灵活显示。. 3. 井上、井下安全生产检测监控系统 井上、井下安全生产检测监控系统由KJ86安全生产检测监控系统和生产监视系统两部分组成。KJ86安全生产检测监控系统由48台干线扩展器、25台区域控制器、54台可编程监控器、69台甲烷传感器、41台断电器、20台一氧化碳传感器、13台风速传感器、5台负压传感器、4台水位传感器、131台开停传感器、13台烟雾传感器组成。生产监视系统由13台井下摄像仪和7台地面摄像仪组成。完成矿井内各种环境参数、生产工况数据和图像的采集和上传。XX煤矿安全生产检测监控系统网络拓扑为总线式,通信方式为基带式,介质访问控制方式为“轮叫轮询”,通信接口采用串行口,理论传输速率为4800b/s。系统结构如图8-13所示。.图8-13XX煤矿安全生产检测监控系统结构示意图.8.4.4系统功能及特点 1. 系统功能 检测监控系统主要完成各子系统的当前工况和数据采集统计及图形显示、报表显示、系统隐患的语音声光报警。 (1)检测监控主P备机采集数据、处理数据、与各传感器通迅。传感器负责采集环境及工况参数,执行地面中心站和可编程区域控制器发出的控制命令。当传感器采集到有害气体数据超限时,可编程区域控制器能够实现就地自动断电,地面中心站也可人为发出控制命令,实现人工远程断电。通过采区变电所为采掘工作面供电的2台高低压设备BGP6-6高压开关的JDB保护中的监视保护,把2台BGP6-6高压开关联锁,再与KJ86系统进行闭锁,实现采掘工作面的瓦斯、一氧化碳等有害气体超限时全电压断电。. (2)可编程区域控制器是一种由微处理器控制的自动装置,负责实时信息的采集及预处理,完成与地面中心站的数据通信。有13路开关量输出和5路开关量输入,经开停传感器监测工作面设备的开停状态,经断电器控制开关。当地面中心站主机故障或干线故障时,可编程区域控制器形成独立系统进行监测和控制。 (3)干线故障隔离器负责判断干线故障,自动隔离故障干线或在地面中心站手动隔离查找干线故障段。. (4)系统可实现主扇负压和采区回风巷、风井的风速超过设定值时,同时在井下、地面中心站、调度指挥中心、通风调度等相关地点语音声光报警。 (5)系统中心站能对监测数据进行记录,形成曲线进行分析,并自动生成监测监控日报表。 (6)矿调度指挥中心的人员通过DLP显示屏上对实时监测数据进行观察。实时数据以图、表等直观形式体现,可通过控制器对显示内容进行任意切换、放缩。. (7)所有相关人员在办公室内通过电脑终端对矿井的实时监测数据进行浏览,共有一表和七种动态系统图,通过表和图能实时检测到矿井的安全生产状况。通风调度人员能通过终端连续监测井下通风状况。. 2. 系统特点 (1)该系统是现场总线结构方式，所有安装在现场的监控设备(传感器、控制器等)都直接接在一条公共的干线上,而不需转换信号。因此,所有的信息都在总线上传输,不但中心站能看到和利用,其他的设备，如区域控制器、各个传感器、各个控制器也都能看到和利用。现场总线结构方式把单个分散的测量控制设备变成网络节点,并用总线把它们连接起来,组成可以互相传递信息的网络系统或控制系统。 (2)该系统容量大,可接到1万个以上测点,并且系统的扩充不必修改软件和中心站任何设备。. (3)系统具有强大的可扩展功能,可与工业电视监视子系统、矿山压力检测子系统、皮带控制子系统、火灾检测子系统等子系统实现配接。 (4)系统具有可靠的防雷、过压保护功能,且有防止意外移动设备造成损坏的功能。 (5)系统设计了干线故障判断隔离器,可在干线故障时自动把干线的4条线全部断开,同时指出故障的地段,还可以手动控制隔离,使系统故障查寻更加方便快捷。. (6)中心站软件是在Windows2000的平台上开发的,并用WindowsNT把中心站的主机、各图形机联接成实时监控网络,并可以连接到矿局域网和Internet网。图形机以动态方式显示各种实时数据,有转轮转动、皮带运动、小车移动、动态线条、动态字符、动态颜色变化等基本元素。可利用这些基本动态元素和软件携带的丰富的子图库做出各种动态图。 (7)系统软件采用动态矢量的方式显示,使XX矿制作的全矿井通风系统图、安全检测监控系统图、矿井排水系统图、运输系统图等各种图经过几级放大后都不失真,还能保持原有的分辨率。. (8)各动态图型之间的切换采用浏览器方式,图形机还负责对历史数据进行曲线分析,同一图上可分析8条曲线。各个图形机都可以打印报表,也能显示实时曲线(同一屏上3条)。 (9)监控主机可带2、4、8、16通道的干线通信板,每个通道可接128个地址,平均300个测点。因此，当接8通道通信板时，可接不少于2400个测点。且主机提供的序列软件包为用户提供以填表方式编制的各种逻辑控制序列程序,从而实现各种自动控制功能。. (10)所有的传感器、控制器都利用数字通信功能。每一个传感器都采用表面贴片技术,以最新的功能强大微控制器PIC16F877为核心。集模拟量到数字量、数字量到模拟量、开关量信号输入输出、脉冲捕捉、串行通迅等功能于一身,使电路板结构简化,尺寸减小,功耗降低,可靠性提高。可以在线编程,通过修改程序很容易实现监控器不同的功能和参数。 (11)采用声光、动感报警和手机短信息报警,能够把系统检测到的危险信号及时发布给相关人员。管理人员可以在地面通过监测监控系统实现远程手动断电,有效防止事故的发生。.8.4.5系统运行效果 KJ86安全生产检测监控系统在XX煤矿运行一年来,能及时准确地检测到矿井井下有害气体涌出，并实现甲烷、一氧化碳、风速、负压超限报警;能准确地实现瓦斯超限断电功能;能全面反映全矿井的安全状况、生产运行情况,为矿井的安全生产指挥提供了可靠的依据;能将安全生产检测监控系统及工业电视系统的数据及图像准确地传到地面中心站;能将全矿井的各种信息全面反映到调度指挥中心及各终端,并能通过局域网和Internet网把信息传输到有权限的终端上;系统故障率低、维护量小,能可靠抵御信号干扰和雷电冲击。 .8.5石化储罐区安全检测与监控系统8.5.1储罐区安全检测与监控系统概况 1．石化储罐区特殊的火灾危险性 首先，石油化工储罐区储存的物质主要是油品及液化气等可燃、易燃液体。可燃液体常温下遇点火源容易起火燃烧，且具有流淌性。装盛可燃液体的容器、管道一旦发生泄漏，会扩大危险范围。其次，石油化工储罐的呼吸阀、排气阀等装置，可向空气中散发大量的可燃性气体，当可燃性气体与空气混合的浓度达到爆炸极限范围时，如遇撞击、摩擦、热源或火花等点火源的作用会发生燃烧甚至爆炸，这更加大了石油化工储罐区的火灾危险性。再次，石油化工储罐区储存的大部分易燃、可燃液体，如汽油、煤油、醚、酯等是高电阻率的电解质，这些物质与罐体接触、摩擦极易产生静电，当静电积累到一定程度，将会发生放电产生火花，形成点火源引起燃烧爆炸。. 2．检测参数及监控要求 1）检测参数根据石油化工储罐区特殊的火灾危险性，石油化工储罐区的安全监测参数主要包括可燃性气体浓度、成分、温度、液位或压力等工艺参数。石油化工储罐区的火灾探测参数确定，应充分考虑储罐区的特点。当储存的油品为原油等重质油品时，因其含碳量较多，燃烧将产生大量的烟气，火灾探测的重点应放在对烟气浓度的探测上，同时对火灾温度进行监测。对于轻质油品及一些成品油，由于其含碳量较少，燃烧较充分，在火灾燃烧初期不会产生或产生少量烟气，应着重考虑火焰探测问题。. 2）监控要求 对石油化工储罐区安全参数监测的总要求是：通过对工艺参数和火灾参数的实时监测和数据分析，对参数异常情况及时预测并判断可能的后果，确保采取有效的联动控制，启动安全设施及灭火设施。对监测环境中工艺参数的监测要求，主要是有效测量各类参数，预测石油化工储罐区的安全状态、事故及火灾危险性，根据判断结果采取相应的安全措施。对火灾参数的监测要求，是在火灾初期对烟气浓度、温度、光辐射强度等进行有效监测，综合分析监测数据，及时产生报警信号及联动控制信号，有效启动现场灭火设备。.8.5.2系统设计及系统构成 1．石化储罐区火灾监测系统设计原则 石化储罐区火灾监测与灭火联动控制系统的设计思路是：根据石化储罐区消防安全监测要求，采用系统集成设计方法设计构造石化储罐区火灾监测与有效灭火联动控制系统，实现工艺及安全参数的实时监测处理，根据监测数据分析石化储罐区的安全状态，及时预测判断可能的灾害事故后果，并通过远程联动控制装置有效启动现场消防设备或灭火设施。. 2．石化储罐区火灾监测系统结构形式 根据石化储罐区的特点，考虑到环境工艺参数和火灾参数的监测要求，石化储罐区火灾监测与灭火联动控制系统应采用如图8-14所示的系统结构形式，以兼顾工艺监测参数直流4～20mA传输和火灾参数频率量传输的不同要求，以及灭火设备联动控制的信号输出要求。.图8-14石化储罐区火灾监测系统结构图. 3．石化储罐区火灾监测系统组成 依据上述思路，同时考虑该石化厂液化气罐区2000m3球罐的实际状况，在重点分析石化储罐区消防安全性、确定监测参数和有效监控方法的基础上，针对生产安全和消防安全要求确定的2000m3球罐消防安全监测系统组成，如图8-15所示。.图8-15石化储罐区火灾监测系统组成图. 4.系统检测仪表选型 1）雷达液位变送器FT8210-1200-120 脉冲导波雷达是纯雷达体制的单维脉冲雷达。仪表发射一个较低能量的小脉冲，脉冲以光速沿导体传输，遇到较大阻抗变化时反射一定能量回来，通过超高速器件记录发射与反射之时间差，即可得出二者之间的距离(物位)。. ①测量不受被测介质的介电常数、浓度(密度)、压力和温度影响的技术参数。 ②四线制4～20mA输出。 ③测量范围可达65m。 ④IP67防护等级。 ⑤Exd［ia］IIBT4防爆设计。. 2）隔膜密封式压力变送器EJA118W-EMSG2AA-AA-03-97DA/NF1 密封隔膜是用于防止管道中的介质直接进入差压变送器里的压力传感器组件中，它与变送器之间是靠注满流体的毛细管连接起来的。EJA118W隔膜密封式差压变送器用来测量液体、气体和蒸汽的流量、液位、密度和压力，然后输出与测得的差压相对应的直流4～20mA信号。 输出信号:直流4～20mA,带数字通信的2线制。 负载电容:0.22pF以下。 负载电感:3.3mH以下。 安装:变送器2inch管道安装。 隔膜密封件:法兰安装。. 3）压力变送器EJA530A-EBS4-N-07DN/FF1 EJA510A绝对压力变送器和EJA530A压力变送器用于测量气体、液体和蒸汽的压力，然后将其转变成直流4～20mA的电流信号输出。EJA510A和EJA530A也可以通过BRAIN手操器、CENTUMCS/μXL或HART275手操器相互通信，通过它们进行设定和监控等。. 4）射频导纳物位变送器FT8051-1200-185 FT8051系列为通用型连续物位仪表，适用于大多数场合。仪表由一电路单元和杆式或缆式传感元件组成。传感器可选多种材质，可整体或分体式安装，用于连续测量。 本安设计：两线制本质安全设计，单元和探头都是本质安全的。 安全防护：内置探头输入保护装置，保护能力强，不易受到静电、冲击和电化学现象的影响或损坏。. 5）射频导纳物位变送器GDSL553-IADJCAMX 应用：各类工业领域的液位测量。 测量范围：液体0.5～15 m。 过程连接：法兰或吊架。 换能器外壳材料：PU/PC。 过程温度：-40～70℃。 过程压力：-0.2～1Pa。 信号输出：两线制/四线制4～20mA/HART。. 安装仪表时要注意：最高料位不得进入测量盲区；仪表距罐壁必须保持一定的距离；仪表的安装尽可能使换能器的发射方向与液面垂直。安装在防爆区域内的仪表必须遵守国家防爆危险区的安装规定。本安型的外壳采用铝壳。本安型仪表可安装在有防爆要求的场合，仪表必须接大地。. 6）防爆一体化热电阻变送器WZPJ-240-B WZPJ系列一体化温度变送器是两线制现场式仪表，采用先进的检测转换电路及高精度元器件，可将被测介质的温度转换成4～20mA信号输出。产品由温度传感器（热电阻或热电偶）和温度变送器两部分组成，可一体安装也可分离式安装，两者之间由补偿导线（热电偶）或普通导线（热电阻）连接。温度变送器可带模拟式表头，现场显示直观方便。.技术性能和规格如下。测量范围：铂热电阻-200~500℃，最小量程50℃。热电偶：-50～1800℃最小量程100℃。输出信号：4～20mA（输入、输出不隔离）。热电阻：输出与温度成线性。热电偶：输出与温度成线性（WZPJX型）。输出与热电偶的毫伏数成线性（WZPJX型）。基本误差：0.2%。.7)可燃气体探测器ES2000T-C4检测原理：催化燃烧式。检测气体：可燃气。指示范围：0～100％LEL。输出信号：4～20mA三线制。测量精度：±5%FS。防爆方式：隔爆型。防爆标志：ExdⅡCT6。供电电源：直流24V。电气接口：G3/4″管螺纹。. 5．石化储罐区火灾监测系统功能设计 根据石油化工生产过程控制系统的要求，石化储罐区火灾监测与灭火联动控制系统一般采用系统集成方式构成，在系统硬件结构确定后需编制应用软件实现系统的各种功能。为提高运行效率、方便调试及维护系统，系统应块、信息通信模块、消防管理模块等功能模块的功能如下： (1)系统主控模块。主要完成数据采集处理、报警判断与联动控制输出、自动与手动控制方式切换、系统管理。 (2)事故处置模块。根据监测数据完成对监测区域安全状态的事故状态分析预测，对工艺安全进行操作控制和处置紧急情况，实施救灾方案。. (3)信息通信模块。主要完成通信协议管理、数据通信控制、异地远程联网。 (4)消防管理模块。主要完成系统操作管理、设备工况管理、防火管理与数据存储。 通常，石化储罐区火灾监测系统应用软件的开发采用Windows环境下的VisualC++和VisualFoxPro等编程语言，面向对象设计应用界面和数据库。全面支持可视化编程，通过引入全新的数据容器概念，为用户提供集中数据管理功能，便于用户组织、管理数据库，实现表、查询、窗体、报表、菜单等功能。. 6．消防设备联动控制及要求 石油化工储罐区的消防设备主要包括火灾警报装置、灭火设备及安全操作设备。火灾警报装置是为了在安全参数出现异常或火灾发生时，根据火灾探测信号及时报警和采取相应的安全措施，主要设备有警铃、水力警铃、事故广播等。灭火设备是为了在火灾初期有效地控制火势，及时扑灭初起火灾，主要设备有泡沫灭火系统、自动喷淋冷却系统等，具有联动要求的设备有消防水泵、泡沫泵、自动喷淋泵等。安全操作设备是为了在安全参数出现异常时，对输油线路及各种控制阀门进行控制和操作，如压力阀等。 . 石化储罐区的各种消防设备对联动控制的要求不同，有些设备在出现异常时直接启动，如警铃；有些设备在出现异常后需要延时启动，如消防水泵需在火灾确认后启动；有些设备需要在启动后，对系统返回状态信号，如泡沫泵等。石油化工储罐区具有远程联动要求的设备主要有消防水泵、泡沫泵、安全阀、声光报警器、讯响器、消防电话及消防广播等。在石化储罐区，考虑到消防水泵枪备数量少，重要性强且分散布置，多采用专线方式直接控制，或专线与总线复合控制方式，使用直流24V标准的驱动信号直接送入现场消防设备配电箱驱动，以确保这些设备动作的高度可靠性。.8.5.3系统主要功能 (1)安全参数监控与生产过程监控相结合，安全参数监控系统相对独立。 (2)安全参数监测报警与事故处置预案相结合，实现动态安全监测与管理。 (3)实现监控主机与各类探测器的直接通信及系统联网，简化系统结构。 (4)实现系统应用软件结构模块化，达到功能层次清晰，便于操作。 (5)采用计算机多媒体技术，形象生动地实现监测数据和事故预案显示。. 根据罐区监测要求，图8-15所示的系统还配备了生产安全和消防安全控制装置，用以完成下列设备系统的控制功能。 (1)由液位参数或人工操作实现球罐进出料阀自动／手动控制，以及进出料泵自动／手动控制； (2)由压力参数或人工操作实现放空阀自动／手动控制，以及水喷淋装置自动／手动控制； (3)由火灾监测参数或人工操作实现消防水枪自动／手动控制； (4)由火灾监测参数或人工操作实现消防泡沫泵自动／手动控制。 . 石化储罐区2000m3球罐消防安全监测系统是在消防安全性分析评估基础上设计构成的，设置了高液位、压力、火灾监测和灭火联动方面的手动／自动控制，以及生产安全和消防安全事故处置预案与灭火预案，体现了石化储罐区消防安全监测系统整体设计和工程实际的有机结合，具有下列功能和特点： (1)实现球罐压力、温度、液位和高高液位、罐区和泵区可燃气泄漏量、罐区和泵区火灾温度等参数的实时监测。. (2)监控主机主界面以数字量及棒图、文字或指示灯实时显示：①储罐液位、压力和温度的实监值及报警状态；②正常火灾监测及其报警状态；③高高液位及其报警状态；④可燃气体泄漏监测值及报警状态；⑤各监测参数预置报警值；⑥球罐进料阀、放空阀及消防水枪和泡沫灭火枪的关闭和启动状态。 (3)监控主机主界面通过切换操作，可显示：①消防预案和消防力量布局图；②报警处置预案和处置结果；③球罐液位和压力、温度的24h实测趋势图。. (4)具有系统各监控参数手动／自动两种控制功能。监测参数超限报警时，操作人员按相应预案进行有序控制和处理。罐内压力超标报警时，延时30s无人工介入则自动启动放空阀喷淋水阀。罐内高高液位报警时，延时30s无人工介入则自动关闭进料阀。火灾报警时，延时30s无人工介入则自动启动消防水枪和泡沫灭火枪。 (5)具有球罐液位、压力和温度实测值及趋势图以及每次监控报警的位置、时间和处置情况等的存储和查询功能。存储数据保留1个月，存储内容可随时查询。 (6)实现各监控信号报警值、处置预案及实时操作的密码管理，可通过专用接口进行数据通信。.8.5.4使用效果 该系统自投入运行以来性能稳定可靠,实时性好,检测精确，监控与报警迅速灵敏,操作简洁方便,有效地降低了劳动强度,减少了事故的发生,达到了预期的安全监控效果,为罐区的安全、稳定和长周期运行发挥了极大的作用,得到了用户的好评。油罐区安全监控系统集安全管理与安全监控于一体,性能稳定,主要功能的实现达到了预期的目的,是油罐区安全防护的重要措施之一。.8.6油田生产安全无线监控系统8.6.1系统概述及组成 1.系统概述 近年来，我国经济迅速发展，石油工业的战略地位越来越重要。石油工业是一个高风险产业，油田安全生产具有十分重要的意义。由于油田生产环境条件苛刻，过程连续性强，生产过程中的易燃、易爆、有毒、有害、有腐蚀物质具有潜在危险，生产相对复杂，被控对象（如油井、计量站等）分布广，相互联系以及一些人为因素，一旦发生事故就会造成巨大的经济损失。. 油田、油井、计量站大多分布在各采油场，对油井和计量站工作状况、运行参数的监测与控制，一直是油田的一项重要且困难的工作。以前油田大多为油井巡视员或维修工定期巡回检查，技术十分落后。随着计算机技术、通信技术、检测与控制技术的发展，对原油生产和运输的各个环节进行监测、控制和管理一体化是油田自动化的发展方向。目前油气田正逐渐采用无线监控系统对油井、计量站的数据和运行状态远程监控，实时监控油田各项工作参数和实时故
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