隨著越來越多的無線儀表在石油、天然氣、石油化工和化工等能源等過程控制行業(yè)的廣泛運(yùn)用，無線儀表所具有的諸多優(yōu)點(diǎn)得到體現(xiàn)，例如：允許安裝在難以接近的位置并降低安裝成本。目前，無線儀表已經(jīng)是工廠安全解決方案中的基本要素。
對(duì)于氣體檢測系統(tǒng)來說，其操作常常受到諸如安裝位置和環(huán)境條件等因素的影響，并且在系統(tǒng)安裝后，為了優(yōu)化整體配置，也許需要偶爾改變檢測設(shè)備的位置和數(shù)量。使用無線技術(shù)可以消除對(duì)布線的擔(dān)心，從而極大地促進(jìn)了移動(dòng)和/或安裝附加檢測設(shè)備的過程，大大簡化了上述不利條件的影響。
為了在使用具有安全儀表系統(tǒng)的無線氣體探測器時(shí)，實(shí)現(xiàn)SIL2等級(jí)降低風(fēng)險(xiǎn)，需要符合IEC 61508國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的功能安全要求的通信協(xié)議。為了滿足這一需求，橫河電機(jī)提供基于ProSafe-RS安全儀表系統(tǒng)和SIL2無線氣體檢測系統(tǒng)相結(jié)合的解決方案，這也是全世界第一套符合SIL認(rèn)證的安全儀表無線氣體探測器解決方案。
橫河SIL認(rèn)證的安全儀表無線氣體探測器解決方案構(gòu)成：
2017年9月，橫河電機(jī)發(fā)布ProSafe-RS? SIL2無線氣體檢測系統(tǒng)的整體解決方案。該解決方案構(gòu)成如下圖1所示：
圖1 橫河無線SIL2氣體檢測系統(tǒng)解決方案構(gòu)成
● ProSafe-RS系統(tǒng)：由ProSafe-RS操作站和ProSafe-RS控制器及相應(yīng)卡件構(gòu)成;
● ISA100無線通信系統(tǒng)：由YFGW410無線管理站和YFGW510無線接入點(diǎn)構(gòu)成;
● 無線氣體探測器：GS01或GS01-EA。
整個(gè)系統(tǒng)通過了ISA的SIL2級(jí)認(rèn)證，要使整個(gè)系統(tǒng)的可用性最強(qiáng)，系統(tǒng)的所有組件均可以采用冗余設(shè)計(jì)，即：ProSafe-RS系統(tǒng)冗余，ISA100無線通信系統(tǒng)冗余以及無線氣體探測器冗余，全冗余設(shè)計(jì)可以使系統(tǒng)的整體可用性達(dá)到99.99999%。
ProSafe-RS系統(tǒng):
ProSafe-RS安全儀表系統(tǒng)于2005年2月發(fā)布，是全球首套可以與DCS無縫連接的SIS系統(tǒng)，自發(fā)布以來已經(jīng)在全球范圍內(nèi)獲得2200多個(gè)項(xiàng)目(截至2017年8月)。
圖2 ProSafe-RS控制器
ProSafe-RS系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：
● 橫河公司DCS 的高可靠性技術(shù)
橫河公司的CENTUM CS和VP控制系統(tǒng)已經(jīng)有超過十年的應(yīng)用歷史了，并且在許多重大和戰(zhàn)略性的項(xiàng)目中得到了成功的應(yīng)用。CENTUM VP控制器采用了“Pair &Spare”結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在一個(gè)CPU卡中包含了一對(duì)(冗余)處理器，并且在冗余的CPU卡中也包含了另外一對(duì)(冗余)相同的處理器。此外，CENTUM VP還采用了其它的冗余技術(shù)，如CPU卡和I/O卡的冗余卡件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)高速公路、機(jī)架中備板總線和卡件中數(shù)據(jù)總線的冗余通訊技術(shù)，以及冗余的電源技術(shù)。這些獨(dú)特和先進(jìn)的技術(shù)使得系統(tǒng)的可用性高達(dá)99.9999953%，換句話說，這意味著假如系統(tǒng)運(yùn)行40年，只會(huì)有1分鐘的故障時(shí)間，這個(gè)結(jié)果也是從實(shí)際使用的現(xiàn)場數(shù)據(jù)中得出的。CENTUM VP的控制器就是開發(fā)ProSafe-RS的安全控制器的基礎(chǔ)。
● 非冗余的配置達(dá)到SIL3
ProSafe-RS采用與CENTUM VP相同的結(jié)構(gòu)和技術(shù)。除了這些技術(shù)之外，每塊ProSafe-RS控制器卡、輸入卡和輸出卡在內(nèi)部特別采用了雙重化的結(jié)構(gòu)以達(dá)到更高的安全等級(jí)，適用于SIL3的應(yīng)用場合。
圖3 非冗余ProSafe-RS的1oo2D結(jié)構(gòu)
如圖3所示，ProSafe-RS的CPU卡不僅包括雙重化的處理器，而且還包括雙重化的內(nèi)存、附屬電路和診斷軟件。ProSafe-RS的I/O卡也有雙重化的電路可以檢查完整性。這種結(jié)構(gòu)使ProSafe-RS的安全控制器在設(shè)計(jì)、安裝和安全完整性的維護(hù)方面非常直觀和易于理解。非冗余的CPU卡和I/O卡配置就可以實(shí)現(xiàn)SIL3的安全功能，同時(shí)滿足IEC 61508的要求，如PFD(Probability of failure on Demand)、SFF(SafeFailure Fraction)和SIL3級(jí)的容錯(cuò)。
● 冗余的配置實(shí)現(xiàn)更高的可用性
可用性(Availability)對(duì)于過程控制工業(yè)來說是非常重要的。如圖4所示，當(dāng)要求更高的可用性時(shí)，ProSafe-RS可以組態(tài)成雙重化冗余的CPU卡和I/O卡，采用和CENTUM VP相同的方式。冗余僅用在要求更高可用性的場合，并且所有的冗余方式都可以單獨(dú)選擇。任何I/O卡件的冗余組合，如冗余輸入加非冗余輸出、非冗余輸入加冗余輸出、或著冗余輸入加冗余輸出都可以作為單獨(dú)的選擇與CPU卡的冗余方式進(jìn)行組合。全部冗余的配置提供最高的系統(tǒng)可用性。ProSafe-RS在冗余對(duì)中的一塊卡出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)的安全等級(jí)不會(huì)降低，仍然保持SIL3的安全等級(jí)。
圖4 非冗余ProSafe-RS的2oo4D結(jié)構(gòu)
此外，ProSafe-RS對(duì)超過99%的部件進(jìn)行自診斷，因此可以快速檢測故障，使得故障的修復(fù)也可以在一個(gè)允許的期限內(nèi)完成，從而最小限度的影響工藝過程。
● 與DCS真正的無縫集成 —— 一套網(wǎng)絡(luò)、一套人機(jī)界面
ProSafe-RS的優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在非常高的安全性和可用性方面，而且還體現(xiàn)在能夠與CENTUM VP真正緊密集成。ProSafe-RS可以直接接到CENTUM VP的控制網(wǎng)絡(luò)Vnet/VnetIP上，SIS和DCS功能間的數(shù)據(jù)交換不需要網(wǎng)關(guān)或接口硬件，而且，安全控制器間的安全通信在DCS和SIS的集成配置中得到了實(shí)現(xiàn)和認(rèn)證。ProSafe-RS和DCS之間的通信通過了TüV認(rèn)證。ProSafe-RS的CPU節(jié)點(diǎn)之間的通信采用橫河公司自主開發(fā)的安全專用協(xié)議，既可保證安全上的獨(dú)立性，又實(shí)現(xiàn)了與橫河公司CENTUM VP系統(tǒng)真正的無縫集成。
通過DCS和SIS之間的集成，操作人員可以從CENTUM VP的操作員站上的一個(gè)窗口中，看到整個(gè)全廠的信息，而不在是分別監(jiān)控SIS和DCS。由于信息的集中顯示，操作人員可以更快地預(yù)測和判斷工藝過程是否接近到了緊急狀況。對(duì)于工藝過程信息的集中顯示不僅有助于快速監(jiān)控，而且還可以避免錯(cuò)誤判斷和誤操作。ProSafe-RS的這些優(yōu)勢可以提高整個(gè)工廠的安全性。
ProSafe-RS提供各種監(jiān)控操作環(huán)境。在日常情況下，可以通過VP的HIS操作員站對(duì)于緊急停車、報(bào)警發(fā)生等異常情況進(jìn)行監(jiān)控操作。控制系統(tǒng)和安全儀表系統(tǒng)可以在相同的環(huán)境下進(jìn)行各種維護(hù)作業(yè)，有助與防止誤操作，對(duì)需要維護(hù)的現(xiàn)場設(shè)備切旁路，并且其維護(hù)信息也可通過VP的HIS進(jìn)行顯示。安全儀表系統(tǒng)和過程控制器可以很容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，從而保證兩者能協(xié)調(diào)動(dòng)作。安全儀表系統(tǒng)在故障情況下停運(yùn)了設(shè)備時(shí)，可通過SOE功能對(duì)其原因進(jìn)行分析。安全系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的時(shí)鐘也能夠同步，安全系統(tǒng)的報(bào)警和過程控制器的報(bào)警可以在同一幅畫面中顯示，也有助于故障原因的分析。
GasSecure GS01無線烴氣檢測儀
圖5 GasSecure GS01無線烴氣檢測儀
GasSecure 是針對(duì)苛刻的工業(yè)應(yīng)用提供的全球首款真正無線的紅外氣體檢測儀。 GS01用于檢測是否存在烴氣以及向操作人員發(fā)出火災(zāi)或爆炸風(fēng)險(xiǎn)警告。超低功率設(shè)計(jì)和小巧的內(nèi)置電池組讓產(chǎn)品能夠持續(xù)工作兩年之久。由于大大減少了安全成本和時(shí)間，客戶的總項(xiàng)目成本可節(jié)省60%至80%。無線通信基于開放的ISA100 Wireless?標(biāo)準(zhǔn)，這意味著產(chǎn)品可與市場上銷售的其他現(xiàn)場無線設(shè)備實(shí)現(xiàn)簡化集成。
GasSecure GS01具有如下特點(diǎn)：
● 真正無線，無需線纜，提高了安裝靈活性，與有線檢測系統(tǒng)相比，可顯著節(jié)省成本和時(shí)間，易于在項(xiàng)目之間轉(zhuǎn)移(如大修、維護(hù));
● 在整個(gè)生命周期內(nèi)無需重新標(biāo)定，減少了維護(hù)費(fèi)用，不會(huì)發(fā)生傳感器漂移，不會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤報(bào)警;
● 三倍波長的故障安全紅外檢測，包括熱光學(xué)器件;
● 適用于SIL 2系統(tǒng)–由第三方驗(yàn)證檢測儀和無線通信，以實(shí)現(xiàn)安全應(yīng)用;
● 不超過5秒的快速氣體檢測響應(yīng)，預(yù)警的實(shí)現(xiàn)和工廠安全性的提高;
● 危險(xiǎn)區(qū)域本質(zhì)安全設(shè)計(jì);
● 低功率的輕量化氣體檢測儀配備本質(zhì)安全的可現(xiàn)場更換的電池組;
● 電池壽命長達(dá)2年。
無線SIL2氣體檢測系統(tǒng)的各級(jí)通訊
橫河電機(jī)提供基于ISA100.11a/ IEC 62734(IEEE802.15.4)國際標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。ISA100.11a無線標(biāo)準(zhǔn)具有良好的安全特性，例如認(rèn)證、驗(yàn)證(完整性檢查，TAI-原子國際時(shí)間)、加密、訪問控制和密鑰管理等。同時(shí)，橫河現(xiàn)場無線具有高確定性和高度可靠性，可支持SIL環(huán)境的安全應(yīng)用。
首先，橫河現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用了高性能的無線回路技術(shù)，既能保障遠(yuǎn)距離通信(無障礙物區(qū)的通信距離可達(dá)500米)，在金屬管道等障礙物密集區(qū)也能穩(wěn)定可靠地收發(fā)信息(通信距離可達(dá)50米)，從而保證了工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的穩(wěn)定可靠的通信。
其次，橫河現(xiàn)場無線骨干網(wǎng)絡(luò)主要由無線管理站(YFGW410)與無線接入點(diǎn)(YFGW510)構(gòu)成，它們相互獨(dú)立，可形成深度冗余機(jī)制，從而保障無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠運(yùn)行。另外，這樣的構(gòu)造還有好處：1)現(xiàn)場安裝與維護(hù)十分便利;2)有助于構(gòu)建大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一個(gè)無線管理站下面可以連接20個(gè)無線接入點(diǎn)(即20個(gè)子網(wǎng)絡(luò))，最多可容納500個(gè)現(xiàn)場無線儀表(更新周期為5秒時(shí))。
此外，橫河現(xiàn)場無線可支持星形拓?fù)?、以及Mesh拓?fù)?可支持固定通信路徑)，從而可有效管理網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間，保證網(wǎng)絡(luò)通信的確定性。
如圖6所示，橫河電機(jī)SIL2認(rèn)證無線氣體檢測系統(tǒng)可采用深度冗余設(shè)計(jì)：2個(gè)無線管理站通過標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，如Modbus TCP/IP、Modbus RS485等，與上位機(jī)SIS系統(tǒng)集成;2個(gè)無線管理站之間通過專用的同期電纜連接，分別為主機(jī)與熱備機(jī)，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到設(shè)備故障，1秒內(nèi)就能完成主輔機(jī)功能切換;2個(gè)無線接入點(diǎn)同時(shí)接收現(xiàn)場無線設(shè)備的信息，并同時(shí)將現(xiàn)場信息傳送給上位無線管理站，若其中一個(gè)無線接入點(diǎn)發(fā)生故障，現(xiàn)場無線設(shè)備的信息則通過另外一個(gè)無線接入點(diǎn)，零延遲地將信息傳送給上位系統(tǒng)。這樣網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可以充分保障氣體泄漏檢測系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與確定性。
圖6 無線氣體檢測系統(tǒng)的深度冗余設(shè)計(jì)
無線紅外氣體檢測儀GS01采用的是PROFIsafe安全協(xié)議。橫河無線管理站，即網(wǎng)關(guān)，支持PROFINET。橫河網(wǎng)關(guān)無需支持PROFIsafe接口，通過如圖黑色通道(BlackChannel)，即可在ISA100應(yīng)用層上實(shí)現(xiàn)安全相關(guān)的通信。圖中紫紅色虛線框內(nèi)為三個(gè)獨(dú)立設(shè)備(分別是控制器、網(wǎng)關(guān)、以及氣體檢測儀)在黑色通道中的通信棧。這個(gè)黑色通道需要保證三個(gè)因素：通信方式獨(dú)立; 從傳感器到網(wǎng)關(guān)的整個(gè)通信路徑，需要支持ProfiNET; 可避免各種通信失敗，確保SIL能力。
另外，無線網(wǎng)絡(luò)要在SIL環(huán)境中使用，錯(cuò)誤處理機(jī)制需要解決相關(guān)安全協(xié)議，需要能夠避免各種錯(cuò)誤，如重復(fù)、刪除、插入、重新排序、數(shù)據(jù)損壞、延遲、尋址等。SIL2認(rèn)證無線氣體檢測系統(tǒng)，可滿足上述各種安全相關(guān)的要求，可以說是橫河現(xiàn)場無線在安全用途的應(yīng)用中，最成功的應(yīng)用之一。
（轉(zhuǎn)載）
