可燃氣體和有毒氣體監(jiān)控報警系統(tǒng)（GDS系統(tǒng)）用以實現(xiàn)對現(xiàn)場設備等裝置異常操作和設備狀態(tài)的自動監(jiān)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(xiàn)對裝置安全聯(lián)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(tǒng)控制單元（控制站）、工程師站、操作員站等均連接在系統(tǒng)的高速通訊網絡上?？刂葡到y(tǒng)可通過標準Modbus RTU 協(xié)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(shù)（如聯(lián)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(tǒng)操作包括如下幾個基本步驟：

 ● 對現(xiàn)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(shù)據(jù)進行表決；

 ● 在數(shù)據(jù)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(zhí)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(tǒng)，驅動現(xiàn)場執(zhí)行單元。

  GDS 連續(xù)地、高速地進行上述操作，實現(xiàn)快速的閉環(huán)數(shù)據(jù)處理。

  如果GDS 系統(tǒng)中發(fā)生了一個內部故障，這個故障將通過表決器被限制。系統(tǒng)中廣泛分布的表決芯片確保系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)采用容錯技術，滿足買方日益變化的現(xiàn)場需求。下面是GDS系統(tǒng)的幾個重要特點：

 ● 的HIFT設計，保證系統(tǒng)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(tài)修改對于許多過程工業(yè)是危險但又必須的，GDS系統(tǒng)能夠幫助你實現(xiàn)多變量無次數(shù)限制的在線修改。該系統(tǒng)的離線仿真也是全局有效，而不僅僅是針對局部。

 ● GDS系統(tǒng)和現(xiàn)場的電氣隔離為2500伏。

 ● 每個輸入點（DI和AI）可組態(tài)設置4個SOE，記錄門限值或事件。

 ● 10ms以內的SOE分辨率和系統(tǒng)規(guī)模沒有關系。

 ● 預診斷，對現(xiàn)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(tài)監(jiān)測并與正常值比較。如果回路特征發(fā)生較大變化，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中運行而互不影響。

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

 ● 根據(jù)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(tài)參數(shù)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(tǒng)原理

系統(tǒng)的軟件和硬件設計核心在于確保系統(tǒng)中的單點故障不會造成系統(tǒng)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(tǒng)至關重要。內存管理單元保護應用程序的數(shù)據(jù)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(tǒng)具有內置的MMU支持。應用程序或程序塊的數(shù)據(jù)被分組存儲在專用的數(shù)據(jù)區(qū)中。對MMU可以組態(tài)，以便只讓某個特定的應用程序才能對數(shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)進行讀寫。當其它應用程序企圖改寫該數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)區(qū)，但處于MMU的同一個管理段中，則在發(fā)送的應用程序的數(shù)據(jù)發(fā)生變化的情況下，接收的應用程序可以自由地訪問在發(fā)送的應用程序的專用數(shù)據(jù)區(qū)。如果這兩個專用數(shù)據(jù)區(qū)處于MMU中的不同管理段中，則發(fā)送區(qū)的數(shù)據(jù)僅僅簡單地被復制到接收區(qū)，原始數(shù)據(jù)不會變化。接收程序可以對已接收的數(shù)據(jù)可以讀寫。

通過將過程分成不同的塊，操作系統(tǒng)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(zhí)行應用程序，而另外一個監(jiān)督和檢查其運行。執(zhí)行監(jiān)督的應用程序的數(shù)據(jù)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(tǒng)能夠盡可能減少程序錯誤，并能對非法訪問數(shù)據(jù)的現(xiàn)象向程序員報警。當給一個應用程序分配了某個數(shù)據(jù)區(qū)，或者該應用程序接收到來自其它應用程序的數(shù)據(jù)，那么它就獲得了對該數(shù)據(jù)區(qū)的所有權。它就可以讀寫該數(shù)據(jù)。當應用程序的數(shù)據(jù)區(qū)被收回并被重新分配，或把數(shù)據(jù)發(fā)送給了其它應用程序，它就失去了對該數(shù)據(jù)區(qū)的所有權。當一個應用程序試圖調用一個數(shù)據(jù)區(qū)的地址，但它并不擁有其所有權時，操作系統(tǒng)將產生一個錯誤信息。另外，如果一個系統(tǒng)調用的地址沒有指向一個有效的數(shù)據(jù)區(qū)，即使地址在該應用程序擁有的區(qū)域內，系統(tǒng)也會產生一個錯誤信息。

2、IEC61508 — 安全系統(tǒng)標準

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

為了劃分危險區(qū)域的等級，IEC 提出了整體安全水平（SIL）的概念。IEC 61508根據(jù)安全系統(tǒng)滿足安全要求的程度，將安全系統(tǒng)分為4個等級（SIL1-4）。整體安全水平和工業(yè)安全系統(tǒng)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(tǒng)中安全功能滿足綜合安全要求的能力。。

IEC61508對安全系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)提供安全和保密操作。系統(tǒng)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(jiān)視上。

SIL—3 容錯

高度的可用性和失效－安全操作是系統(tǒng)的主要要求。當系統(tǒng)中出現(xiàn)一個或者多個故障時，系統(tǒng)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(tǒng)的容錯能力，則系統(tǒng)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(tǒng)在線時間要求很高的應用場合，如石油化工行業(yè)等。

3、I/O 保護的等級

系統(tǒng)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(tài)，實現(xiàn)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(tǒng)硬件

系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)連接?，F(xiàn)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(tǒng)的處理器單元，執(zhí)行以下關鍵/安全控制任務：

A：執(zhí)行內核程序；

B：I/O模塊的接口，讀取輸入數(shù)據(jù)，寫輸出數(shù)據(jù)；

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(zhí)行周期性的系統(tǒng)診斷；

E：第三方通訊（HMI、PCS等）；

F：其他節(jié)點的通訊信息封裝及檢查；

模塊的數(shù)據(jù)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(xié)議，同時數(shù)據(jù)對其他控制器均有效；此外有兩個串口供Modbus RTU 485協(xié)議通訊，兩個串口數(shù)據(jù)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(jiān)視模塊的執(zhí)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(tài)會自學習，不會影響在線的模塊。

2、數(shù)字量輸入模塊

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

模塊每一個通道狀態(tài)、模塊自身狀況均有LED指示，同時LED的狀態(tài)均有變量可以通過Workbench（組態(tài)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(xiàn)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(tǒng)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(jiān)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(qū)域滯后功能），安全手冊指出，具備回路監(jiān)測的功能增加了回路的安全完整性等級。

3、數(shù)字量輸出模塊

數(shù)字量輸出模塊是8點數(shù)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(jiān)測功能，以及反向電流保護和負載短路開路監(jiān)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(xiàn)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(shù)據(jù)處理回路上隔離，防止因為現(xiàn)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(tài)的指示。

當配置雙重化模塊時，兩個模塊的輸出為并聯(lián)模式，使得系統(tǒng)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(xiàn)場的信號允許0mA-24mA輸入。每一個通道提供輸入狀態(tài)及輸入電流給處理單元，具備線路監(jiān)測及故障診斷功能。

模塊提供卡件狀態(tài)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(tǒng)是具備容錯功能的，實現(xiàn)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(qū)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(tǒng)功能

1、控制功能

GDS 系統(tǒng)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(xiàn)各裝置的安全聯(lián)鎖邏輯控制，系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、連續(xù)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(xù)控制和批量控制，冗余控制器實現(xiàn)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(zhí)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(zhí)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(tǒng)設置了一臺工程師站，用于GDS系統(tǒng)的應用軟件編程、組態(tài)、調試、在線監(jiān)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(tǒng)軟件環(huán)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(huán)境、儀表維護人員環(huán)境、工程師環(huán)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(tǒng)管理員設定和修改。。

2.1、總貌畫面

顯示系統(tǒng)各設備、裝置、區(qū)域的運行狀態(tài)以及全部過程參數(shù)變量的狀態(tài)、測量值、設定值、控制方式（手動／自動狀態(tài)）、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(shù)變量的測量值、調節(jié)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(tài)和實際狀態(tài)。

2.3、單點畫面(調整畫面)

顯示一個參數(shù)、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(tǒng)具有顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)表上任何數(shù)據(jù)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(shù)變量、不同顏色和不同的時間間隔，也可以對數(shù)據(jù)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(shù)報警和系統(tǒng)硬件故障報警，并按報警的時間順序從*近發(fā)生的報警開始排起，報警優(yōu)先級別和狀態(tài)用不同的顏色來區(qū)別，未經確認的報警處于閃爍狀態(tài)。

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(yōu)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(shù)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(tài)，所有過程變量的數(shù)值和狀態(tài)每秒動態(tài)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(tǒng)數(shù)據(jù)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(tài)。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(tǒng)應能生成以下報表：

 ● 即時報表：由數(shù)字信號觸發(fā)或操作員啟動，打印數(shù)據(jù)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(shù)值。

 ● 報警匯總報表：可印出近五百個系統(tǒng)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(tǒng)維護報表：可列出全部系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)可實時存貯在系統(tǒng)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(shù)據(jù)。當發(fā)生數(shù)據(jù)丟失及硬盤容量少于10%時將會報警。

4、自診斷功能

系統(tǒng)具有完備的自診斷功能，并在連續(xù)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(tǒng)發(fā)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(tǒng)，授時精度高、覆蓋范圍廣，可為控制系統(tǒng)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(tǒng)采用單點接入、多系統(tǒng)設備共用一個基準時鐘源，為GDS系統(tǒng)、操作員站、工程師站提供統(tǒng)一的時間基準，統(tǒng)一網絡上所有計算機時鐘，保證時鐘一致。

GDS系統(tǒng)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(tǒng)組態(tài)、編程、故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測、在線方案調整程序開發(fā)、系統(tǒng)診斷、控制系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)庫和畫面的組態(tài)、編輯及修改。同時可以離線和在線組態(tài)、修改、設置參數(shù)及系統(tǒng)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(jù)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(tǒng)通訊

GDS 系統(tǒng)可以通過RS－232/ 485 接口與其他廠商的系統(tǒng)進行的串行通訊，執(zhí)行MODBUS 的通訊協(xié)議。網絡結構為雙重化冗余結構，在其中任一條通訊線發(fā)生故障的情況下，通訊網絡仍保持正常的數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tài)在GDS 實現(xiàn)監(jiān)控。系統(tǒng)機柜中預留20%空間用于系統(tǒng)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(tǒng)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(jù)項目標準完成，如RAL 7032。隨設備一起提供適當?shù)拿糠N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(huán)螺栓以便于吊裝，吊環(huán)螺栓固定在控制系統(tǒng)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。