可燃氣體和有毒氣體監控報警系統（GDS系統）用以實現對現場設備等裝置異常操作和設備狀態的自動監測、自動停車和/或隔離裝置以防止異常條件引起的其他嚴重后果、事故報警和記錄，以達到對裝置和人員的保護等功能。用以實現對裝置安全聯鎖保護控制，以防止異常條件引起的其他嚴重后果，以達到對裝置和人員的保護等功能。配合我公司生產的氣體報警檢測儀，反應快，效率高。

通常，系統控制單元（控制站）、工程師站、操作員站等均連接在系統的高速通訊網絡上。控制系統可通過標準Modbus RTU 協議與第三方產品（如DCS、Enteck 等）進行通訊。并且通訊介質支持串行電纜，重要信號參數（如聯鎖信號、負荷信號）則通過硬接線連接。

上圖說明了GDS 雙重化容錯操作的幾個核心單元。系統操作包括如下幾個基本步驟：

 ● 對現場信號，輸入模塊進行信號接收、信號緩存以及各種必需的轉換。然后輸入信號經雙重化的內部總線傳送到雙重化處理器模塊；

 ● 雙重化處理器模塊的微處理器從雙重化的內部總線的每個通道接收輸入的信號，并對數據進行表決；

 ● 在數據處理過程中，每個處理器都將自己的輸入信號跟其它兩個CPU 的輸入信號進行比較；

 ● 雙重化處理器同步地執行應用程序，產生的輸出信號被送回雙重化的內部總線；

 ● 輸出模塊接受處理器送來的信號，進行4 選2 自診斷表決，對表決后的信號進行必要的轉換工作，送出系統，驅動現場執行單元。

  GDS 連續地、高速地進行上述操作，實現快速的閉環數據處理。

  如果GDS 系統中發生了一個內部故障，這個故障將通過表決器被限制。系統中廣泛分布的表決芯片確保系統中的任何內部故障都不會傳播到程序處理過程中去，并且能夠準確地指示出系統內部故障的位置。

  每個寄存器和程序控制器都以同樣的方式進行表決。所有的內部通訊都有接收電路進行通訊校驗。

主要特點

  GDS系統采用容錯技術，滿足買方日益變化的現場需求。下面是GDS系統的幾個重要特點：

 ● 的HIFT設計，保證系統的安全性、可靠性和運行速度。

 ● 無限制的在線修改：裝置不停車的組態修改對于許多過程工業是危險但又必須的，GDS系統能夠幫助你實現多變量無次數限制的在線修改。該系統的離線仿真也是全局有效，而不僅僅是針對局部。

 ● GDS系統和現場的電氣隔離為2500伏。

 ● 每個輸入點（DI和AI）可組態設置4個SOE，記錄門限值或事件。

 ● 10ms以內的SOE分辨率和系統規模沒有關系。

 ● 預診斷，對現場設備進行特征分析并進行趨勢預測。GDS控制器能夠對回路進行動態監測并與正常值比較。如果回路特征發生較大變化，系統將進行報警，并向操作員提供資料，以便進行分析處理。

 ● GDS 的操作系統通過了安全認證—SIL認證。

 ● TUV認證的防火墻設計確保不同安全等級的應用程序可以同時在系統中運行而互不影響。

 ● 支持全部5種IEC61131編程組態語言：梯形邏輯圖、功能塊、結構化文本、指令表和順控圖。

 ● 根據IEC 61508 的標準設計，通過了功能安全的TUV認證。

 ● 提供OPC連接。

 ● 時鐘同步功能，控制網接入硬件GPS設備。

 ● 模塊自身溫度，濕度，電壓，電流等6種實時狀態參數檢測。

 ● 超過99.99%的自診斷范圍。

 ● 取樣方式：同步。

 ● 容錯方式：硬件容錯HIFT。

系統原理

系統的軟件和硬件設計核心在于確保系統中的單點故障不會造成系統誤停車或者拒停車。

1、內存保護

內存管理單元（MMU）中的內存保護功能對于一個安全系統至關重要。內存管理單元保護應用程序的數據和代碼不被破壞。MMU通過將應用程序產生的虛擬地址轉換為內存總線上的物理地址，來完成這一功能。操作系統具有內置的MMU支持。應用程序或程序塊的數據被分組存儲在專用的數據區中。對MMU可以組態，以便只讓某個特定的應用程序才能對數據區中的數據進行讀寫。當其它應用程序企圖改寫該數據區數據時，MMU將做出保護，禁止其操作。

不同應用程序之間可以建立通訊。如果兩個不同的應用程序具有不同的專用數據區，但處于MMU的同一個管理段中，則在發送的應用程序的數據發生變化的情況下，接收的應用程序可以自由地訪問在發送的應用程序的專用數據區。如果這兩個專用數據區處于MMU中的不同管理段中，則發送區的數據僅僅簡單地被復制到接收區，原始數據不會變化。接收程序可以對已接收的數據可以讀寫。

通過將過程分成不同的塊，操作系統可以將一個應用程序從邏輯上分開。應用程序的每個功能塊是獨立的、分離的。

上述特性可以應用在關鍵的安全控制場合。這時應用程序分為兩個截然不同的部分。一個部分執行應用程序，而另外一個監督和檢查其運行。執行監督的應用程序的數據必須不受任何影響。這正是內存保護的重要的應用實例。

在設計上，操作系統能夠盡可能減少程序錯誤，并能對非法訪問數據的現象向程序員報警。當給一個應用程序分配了某個數據區，或者該應用程序接收到來自其它應用程序的數據，那么它就獲得了對該數據區的所有權。它就可以讀寫該數據。當應用程序的數據區被收回并被重新分配，或把數據發送給了其它應用程序，它就失去了對該數據區的所有權。當一個應用程序試圖調用一個數據區的地址，但它并不擁有其所有權時，操作系統將產生一個錯誤信息。另外，如果一個系統調用的地址沒有指向一個有效的數據區，即使地址在該應用程序擁有的區域內，系統也會產生一個錯誤信息。

2、IEC61508 — 安全系統標準

IEC61508 是一個有關工業安全系統的國際標準。它涉及電子、電路以及可編程電子系統，涵蓋硬件和軟件兩個方面。

為了劃分危險區域的等級，IEC 提出了整體安全水平（SIL）的概念。IEC 61508根據安全系統滿足安全要求的程度，將安全系統分為4個等級（SIL1-4）。整體安全水平和工業安全系統的技術性能密切相關。在IEC61508中，對整體安全水平是這樣表述的：

整體安全水平分為4級，它表明了安全系統中安全功能滿足綜合安全要求的能力。。

IEC61508對安全系統從設計到使用的整個過程的管理文件的內容和結構也給予指導。以下是GDS系統在設計上滿足的兩個整體安全水平等級的簡介。

SIL—1 安全操作

系統提供安全和保密操作。系統的硬件故障診斷措施都是基本的。這種結構主要用在一些基本的控制和監視上。

SIL—3 容錯

高度的可用性和失效－安全操作是系統的主要要求。當系統中出現一個或者多個故障時，系統能正常運行，同時故障模塊能夠在線更換。如果故障超出了系統的容錯能力，則系統將按照預先的設定，轉為失效－安全模式，確保買方生產裝置和設備的安全。這種設計適用于高可靠性、高可用度以及對系統在線時間要求很高的應用場合，如石油化工行業等。

3、I/O 保護的等級

系統提供高靈活度的I/O模塊。這些模塊可以靈活地配置及組態，實現不同安全等級綜合應用的功能。模塊內部還有全面的自診斷功能，診斷范圍到通道級，診斷率接近99%。

系統硬件

系統硬件由工程師站和安全控制站構成，控制站由控制器模塊、安全輸入模塊及其端子板、安全輸出模塊及其端子板、網絡通信模塊組成。系統的控制器模塊、網絡通信模塊和I/O模塊都安裝在機架中，系統的機架分為主機架和擴展/遠程機架，主機架與擴展機架通過擴展通信模塊和光纖電纜實現連接。現場I/O信號接入與I/O模塊配套的I/O端子板，再通過電纜接入到I/O模塊的三組通道中。

1、控制器模塊

控制模塊式GDS系統的處理器單元，執行以下關鍵/安全控制任務：

A：執行內核程序；

B：I/O模塊的接口，讀取輸入數據，寫輸出數據；

C：與其他控制器通訊（本站或通過網絡連接的其他控制站）；

D：執行周期性的系統診斷；

E：第三方通訊（HMI、PCS等）；

F：其他節點的通訊信息封裝及檢查；

模塊的數據處理單元和供電單元在電路上是隔離的，以防止外部的故障導致模塊停止工作，同時模塊為底板雙路供電，在內部電路上有過電壓保護，供電的正常與否通過診斷可以知曉。

模塊有兩個功能獨立的10/100Mbps自適應以太網接口，支持Modbus RTU及GDS專有協議，同時數據對其他控制器均有效；此外有兩個串口供Modbus RTU 485協議通訊，兩個串口數據和供電電路隔離，通訊波特率可以從1200-115200寬范圍設置。

模塊內部有周期檢查的診斷電路，配合看門狗電路來監視模塊的執行情況，一個控制站可以是一塊、兩塊甚至三塊控制模塊，當有兩塊及三塊控制模塊時，該控制單元提供了容錯結構（Faulttolerant），模塊支持在線更換，重新更換的卡件對配置及組態會自學習，不會影響在線的模塊。

2、數字量輸入模塊

數字量輸入模塊均為點點隔離，對現場的信號允許0V-32V dc輸入。每一個通道提供輸入狀態及輸入電壓給處理單元，具備線路監測及故障診斷功能。

模塊每一個通道狀態、模塊自身狀況均有LED指示，同時LED的狀態均有變量可以通過Workbench（組態軟件）讀取。這些綜合診斷幫助損壞模塊的更換和維修。

這些模塊通過輸入端子板采集現場信號，對于單模塊配置，為非安全應用同時沒有容錯功能，對于雙重化或三重化配置，具備容錯功能，這樣使得系統具備在線更換的能力，而不影響工藝的生產。

       該模塊具備線路監測功能，可以通過workbench軟件設置，每一個輸入有5個可調整的電壓范圍（可以調整8個閥值，是具備區域滯后功能），安全手冊指出，具備回路監測的功能增加了回路的安全完整性等級。

3、數字量輸出模塊

數字量輸出模塊是8點數字量輸出模塊，每個通道容量為1A（32V時），模塊支持通道級的電壓電流監測功能，以及反向電流保護和負載短路開路監測。模塊設計上為失效安全型（故障失電），模塊本身具備單一故障不停車功能，對于現場端供電，提供冗余供電而不需要外部額外的反向二極管。

模塊在輸出回路和數據處理回路上隔離，防止因為現場端的故障導致模塊故障。對于通道上的過負載（超電流/短路），模塊對每個通道均有反向逆流保護。模塊在面板上提供了模塊狀況、通道狀態的指示。

當配置雙重化模塊時，兩個模塊的輸出為并聯模式，使得系統具備容錯功能。

4、模擬量輸入模塊

模擬量輸入模塊均為點點隔離，對現場的信號允許0mA-24mA輸入。每一個通道提供輸入狀態及輸入電流給處理單元，具備線路監測及故障診斷功能。

模塊提供卡件狀態及I/O通道指示燈，這些指示燈可以很快速的幫助模塊的更換和維護。模塊配合T9831/2/3端子板使用，當配置雙重化和三重化端子板時系統是具備容錯功能的，實現模塊的在線更換。

指示燈的閥值可以通過workbench設置，每一個輸入有5個電壓區間（8個閥值帶滯后送往）可以配置，，其默認的配置為：Fault：0-3.8mA；Normal：3.8-22.0mA；Fault：大于22.0mA；

系統功能

1、控制功能

GDS 系統過程與輸入和輸出信號相連接，通過內部的用戶程序來實現各裝置的安全聯鎖邏輯控制，系統具有數據采集、連續控制、順序控制、復雜的批量控制等功能，用戶能夠方便地定義控制器的多種處理速度，以不同的速度運行連續控制和批量控制，冗余控制器實現無擾動切換，具有在線編程和修改的能力，程序下裝、增加和刪除I/O 點不影響其它程序執行。

1.1、在線修改功能

在線修改控制方案并下載，在線修改過程畫面并下載，下載過程中不引響其它程序執行。

支持在線修改（包括添加、刪除）、增量下裝和整體下裝功能。

2、畫面功能

系統設置了一臺工程師站，用于GDS系統的應用軟件編程、組態、調試、在線監測、診斷和操作，同時可作為SOE站用于順序事件收集，判斷停車事故原因，同時設置一臺操作員站。工程師站、操作員站系統軟件環境為中文Win 7平臺，可通過用戶名和口令保護設置多個訪問級別（如分三級設置：操作員環境、儀表維護人員環境、工程師環境等），每次訪問的操作時間，動作等記錄存檔。操作密碼和操作權限由系統管理員設定和修改。。

2.1、總貌畫面

顯示系統各設備、裝置、區域的運行狀態以及全部過程參數變量的狀態、測量值、設定值、控制方式（手動／自動狀態）、高低報警等信息。從各顯示模塊可以調出其他畫面。

2.2、分組畫面

以模擬儀表的表盤形式按事先設定的分組，同時顯示幾個回路的信息：如過程參數變量的測量值、調節器的設定值、輸出值、控制方式等。變量值每秒更新一次，分組可任意進行，操作員可從分組畫面調出任一變量(模擬量或離散量)的詳細信息。

對模擬回路可以手動改變設定值、輸出值、控制方式等；對離散量可以手動操作設備的開啟和停止，畫面顯示出指令狀態和實際狀態。

2.3、單點畫面(調整畫面)

顯示一個參數、控制點的全部信息以及實時趨勢和歷史趨勢。從調整畫面也可以直接對模擬回路進行設定、調整操作。

2.4、趨勢畫面

系統具有顯示監控數據表上任何數據點趨勢的能力，并在同一座標軸上顯示至少四個變量的趨勢記錄曲線，有可供用戶自由選擇的參數變量、不同顏色和不同的時間間隔，也可以對數據軸進行任意放大顯示。

2.5、報警畫面

顯示當前所有正在進行的過程參數報警和系統硬件故障報警，并按報警的時間順序從*近發生的報警開始排起，報警優先級別和狀態用不同的顏色來區別，未經確認的報警處于閃爍狀態。

報警內容包括：

 ● 報警時間

 ● 過程變量名

 ● 過程變量說明

 ● 過程變量的當前值

 ● 報警設定值

 ● 過程變量的工程單位

 ● 報警優先級別

2.6、圖形畫面

生產裝置的圖片、工藝流程圖、設備簡圖、單線圖等都可以在CRT上顯示出來，每個畫面都包括字母數字字符和圖形符號，通常采用可變化的顏色、圖形、閃爍表示過程變量的不同狀態，所有過程變量的數值和狀態每秒動態刷新。操作員在此畫面對有關過程變量實施操作和調整。

2.7、棒圖

棒圖可以表示過程變量的變化，如棒圖表示塔的液位，棒圖能以水平或垂直方式顯示。

2.8、報表功能

系統數據庫的所有記錄都可生成報表打印。用報表生成軟件應可以建立和修改報表，并可以對報表的各個字段進行組態。報表功能可由程序控制、報警控制和操作員控制啟動。報表可任一臺打印機完成打印。系統應能生成以下報表：

 ● 即時報表：由數字信號觸發或操作員啟動，打印數據庫所有變量的當前值。

 ● 定期報表：每小時、每班、每天、每月結束時打印出某些選定點（包括計算變量）的數值。

 ● 報警匯總報表：可印出近五百個系統報警和過程報警。

 ● 操作記錄報表：可打印出近72 個小時的操作記錄，包括操作站編號、操作員名稱、操作開始和結束的日期時間，以及操作內容（事件記錄）。

 ● 系統維護報表：可列出全部系統報警的診斷結果，并標有故障日期及時間和返回正常的日期及時間。

3、數據采集和存儲功能

為了有利于事故分析，在工程師站上安裝SOE 查詢軟件，用來檢索和查詢順序事件記錄并確定報警事件。系統SOE 分辨率可達到1ms，可以方便地記錄故障報警，捕捉報警信息，為事故分析提供手詳實的信息；SOE 的記錄和檢索功能可在工程師站站上完成。采集的SOE 數據可實時存貯在系統內存和電腦硬盤中，并可通過打印機打印出來。配置的工程師站硬盤500G，足夠記錄3 年以上SOE 數據。當發生數據丟失及硬盤容量少于10%時將會報警。

4、自診斷功能

系統具有完備的自診斷功能，并在連續工作的基礎上運行；控制器、及I/O模塊的都具有自診斷功能，其中I/O模塊自診斷范圍到通道級別。在處理器或其它系統發生故障的情況下，能給出相應的報警指示，報警條件至少包括以下幾種：

 ● 處理器故障；

 ● 通訊故障；

 ● 電源故障；

 ● CPU時鐘故障；

 ● 處理器存儲器故障；

 ● I/O卡件故障。

5、時鐘同步功能

GPS 時間同步系統，授時精度高、覆蓋范圍廣，可為控制系統內的計算機和設備提供全自動、高精度的時間同步基準，較好地解決了落后的人工校時和網絡授時精度問題。時鐘同步系統采用單點接入、多系統設備共用一個基準時鐘源，為GDS系統、操作員站、工程師站提供統一的時間基準，統一網絡上所有計算機時鐘，保證時鐘一致。

GDS系統時鐘同步模式采用控制網接入硬件GPS設備，支持NTP,SNTP制式時鐘信號。

操作層配置

1、工程師站/兼操作員站

工程師站設置1 臺，操作臺1 個，用于安全儀表控制系統組態、編程、故障診斷、狀態監測、在線方案調整程序開發、系統診斷、控制系統組態、數據庫和畫面的組態、編輯及修改。同時可以離線和在線組態、修改、設置參數及系統維護，工程師站還具有離線仿真調試功能。

2、網絡設備配置

根據要求配置冗余通訊網絡，交換機采用SUP-5117M 型號，本項目配置2 臺交換機。

3、與其他系統通訊

GDS 系統可以通過RS－232/ 485 接口與其他廠商的系統進行的串行通訊，執行MODBUS 的通訊協議。網絡結構為雙重化冗余結構，在其中任一條通訊線發生故障的情況下，通訊網絡仍保持正常的數據傳輸。

4、機柜

本項目的機柜采用CN 系列標準機柜，前后單開門，左軸方式，尺寸統一為2100mm(高)X800mm(寬)X800mm(深)（包括底座）。機柜門內帶A3 橫向聚苯乙烯電路圖盒（帶自粘固定帶）。機柜能前后開門，裝有風扇及空氣過濾器，電纜從機柜的底部進入，處理器及插槽朝機柜的前面，門內帶正反面標簽，門內、外均帶機柜編號。機柜配置電源，風扇工作狀態在GDS 實現監控。系統機柜中預留20%空間用于系統擴容。本項目共配置1 個機柜。

A 機械制造：所有安裝于室內的控制系統盤柜用冷扎鋼和經退火處理的低碳鋼制作。機柜成品的表面光滑、平整。

B 機柜顏色：碳鋼材料的盤內外均噴漆，盤內外表面處理將依據項目標準完成，如RAL 7032。隨設備一起提供適當的每種使用顏色的補色品。

C 吊裝點：所有控制盤柜配有可拆卸的吊環螺栓以便于吊裝，吊環螺栓固定在控制系統盤柜的頂部。

D 盤柜門：盤柜門有足夠的高度，以免機柜扭曲、變形，并防止灰塵、潮氣進入柜內。單門盤柜在左面安裝鉸鏈。所有柜門帶鎖，并為可拆卸型。所有柜門的鎖相同。所有柜門能180o 開啟，并裝配定位的機械擋板。每個門內均安裝放置A4 文檔，至少深度為40mm 的文件袋。