无线SIL2气体检测系统解决方案

懒虫工控

无线SIL2气体检测系统解决方案
随着越来越多的无线仪表在石油、天然气、石油化工和化工等能源等过程控制行业的广泛运用，无线仪表所具有的诸多优点得到体现，例如：允许安装在难以接近的位置并降低安装成本。目前，无线仪表已经是工厂安全解决方案中的基本要素。
对于气体检测系统来说，其操作常常受到诸如安装位置和环境条件等因素的影响，并且在系统安装后，为了优化整体配置，也许需要偶尔改变检测设备的位置和数量。使用无线技术可以消除对布线的担心，从而极大地促进了移动和/或安装附加检测设备的过程，大大简化了上述不利条件的影响。
为了在使用具有安全仪表系统的无线气体探测器时，实现SIL2等级降低风险，需要符合IEC 61508国际标准规定的功能安全要求的通信协议。为了满足这一需求，横河电机提供基于ProSafe-RS安全仪表系统和SIL2无线气体检测系统相结合的解决方案，这也是全世界第一套符合SIL认证的安全仪表无线气体探测器解决方案。
2017年9月，横河电机发布ProSafe-RS SIL2无线气体检测系统的整体解决方案。该解决方案构成如下图1所示：

• Prosafe RS系统：由Prosafe RS操作站和Prosafe RS控制器及相应卡件构成；
• ISA100无线通信系统：由YFGW410无线管理站和YFGW510无线接入点构成；
• 无线气体探测器：GS01或GS01-EA。
  

整个系统通过了ISA的SIL2级认证，要使整个系统的可用性最强，系统的所有组件均可以采用冗余设计，即：Prosafe RS系统冗余，ISA100无线通信系统冗余以及无线气体探测器冗余，全冗余设计可以使系统的整体可用性达到99.99999%。
ProSafe-RS安全仪表系统于2005年2月发布，是全球首套可以与DCS无缝连接的SIS系统，自发布以来已经在全球范围内获得2200多个项目（截至2017年8月）。

Prosafe RS系统具有如下特点：横河公司DCS的高可靠性技术
横河公司的CENTUM CS和VP控制系统已经有超过十年的应用历史了，并且在许多重大和战略性的项目中得到了成功的应用。CENTUM VP控制器采用了“Pair &Spare”结构，该结构在一个CPU卡中包含了一对（冗余）处理器，并且在冗余的CPU卡中也包含了另外一对（冗余）相同的处理器。此外，CENTUM VP还采用了其他的冗余技术，如CPU卡和I/O卡的冗余卡件结构，系统数据高速公路、机架中备板总线和卡件中数据总线的冗余通信技术，以及冗余的电源技术。这些独特和先进的技术使得系统的可用性高达99.9999953%，换句话说，这意味着假如系统运行40年，只会有1分钟的故障时间，这个结果也是从实际使用的现场数据中得出的。CENTUM VP的控制器就是开发ProSafe-RS的安全控制器的基础。
非冗余的配置达到SIL3
ProSafe-RS采用与CENTUM VP相同的结构和技术。除了这些技术之外，每块ProSafe-RS控制器卡、输入卡和输出卡在内部特别采用了双重化的结构以达到更高的安全等级，适用于SIL3的应用场合。
如图3所示，ProSafe-RS的CPU卡不仅包括双重化的处理器，而且还包括双重化的内存、附属电路和诊断软件。ProSafe-RS的I/O卡也有双重化的电路可以检查完整性。这种结构使ProSafe-RS的安全控制器在设计、安装和安全完整性的维护方面非常直观和易于理解。非冗余的CPU卡和I/O卡配置就可以实现SIL3的安全功能，同时满足IEC 61508的要求，如PFD（Probability of failure on Demand）、SFF(SafeFailure Fraction)和SIL3级的容错。

冗余的配置实现更高的可用性
可用性（Availability）对于过程控制工业来说是非常重要的。如图4所示，当要求更高的可用性时，ProSafe-RS可以组态成双重化冗余的CPU卡和I/O卡，采用和CENTUM VP相同的方式。冗余仅用在要求更高可用性的场合，并且所有的冗余方式都可以单独选择。任何I/O卡件的冗余组合，如冗余输入加非冗余输出、非冗余输入加冗余输出、或着冗余输入加冗余输出都可以作为单独的选择与CPU卡的冗余方式进行组合。全部冗余的配置提供最高的系统可用性。ProSafe-RS在冗余对中的一块卡出现故障时，系统的安全等级不会降低，仍然保持SIL3的安全等级。
此外，ProSafe-RS对超过99％的部件进行自诊断，因此可以快速检测故障，使得故障的修复也可以在一个允许的期限内完成，从而最小限度的影响工艺过程。

与DCS真正的无缝集成 —— 一套网络、一套人机界面
ProSafe-RS的优势不仅体现在非常高的安全性和可用性方面，而且还体现在能够与CENTUM VP真正紧密集成。ProSafe-RS可以直接接到CENTUM VP的控制网络V net/VnetIP上，SIS和DCS功能间的数据交换不需要网关或接口硬件，而且，安全控制器间的安全通信在DCS和SIS的集成配置中得到了实现和认证。ProSafe-RS和DCS之间的通信通过了TÜV认证。Prosafe-RS 的CPU节点之间的通信采用横河公司自主开发的安全专用协议，既可保证安全上的独立性，又实现了与横河公司Centum VP系统真正的无缝集成。
通过DCS和SIS之间的集成，操作人员可以从CENTUM VP的操作员站上的一个窗口中，看到整个全厂的信息，而不在是分别监控SIS和DCS。由于信息的集中显示，操作人员可以更快地预测和判断工艺过程是否接近到了紧急状况。对于工艺过程信息的集中显示不仅有助于快速监控，而且还可以避免错误判断和误操作。ProSafe-RS的这些优势可以提高整个工厂的安全性。
ProSafe-RS提供各种监控操作环境。在日常情况下，可以通过VP的HIS操作员站对于紧急停车、报警发生等异常情况进行监控操作。控制系统和安全仪表系统可以在相同的环境下进行各种维护作业，有助与防止误操作，对需要维护的现场设备切旁路，并且其维护信息也可通过VP的HIS进行显示。安全仪表系统和过程控制器可以很容易实现数据传输，从而保证两者能协调动作。安全仪表系统在故障情况下停运了设备时，可通过SOE功能对其原因进行分析。安全系统和控制系统的时钟也能够同步，安全系统的报警和过程控制器的报警可以在同一幅画面中显示，也有助于故障原因的分析。
GasSecure 是针对苛刻的工业应用提供的全球首款真正无线的红外气体检测仪。 GS01 用于检测是否存在烃气以及向操作人员发出火灾或爆炸风险警告。超低功率设计和小巧的内置电池组让产品能够持续工作两年之久。由于大大减少了安全成本和时间，客户的总项目成本可节省 60% 至 80%。无线通信基于开放的ISA100 Wireless™标准，这意味着产品可与市场上销售的其他现场无线设备实现简化集成。

GasSecure GS01具有如下特点：

• 真正无线，无需线缆，大大提高了安装灵活性，与有线检测系统相比，可显著节省成本和时间，易于在项目之间转移（如大修、维护）；
• 在整个生命周期内无需重新标定，减少了维护费用，不会发生传感器漂移，不会发出错误报警；
• 三倍波长的故障安全红外检测，包括热光学器件；
• 适用于SIL2系统–由第三方验证检测仪和无线通信，以实现安全应用；
• 不超过 5秒的快速气体检测响应，预警的实现和工厂安全性的提高；
• 危险区域本质安全设计；
• 低功率的轻量化气体检测仪配备本质安全的可现场更换的电池组；
• 电池寿命长达 2 年。
  

横河电机提供基于ISA100.11a/ IEC62734 ( IEEE802.15.4 )国际标准通信协议的现场无线网络系统。ISA100.11a无线标准具有良好的安全特性，例如认证、验证（完整性检查，TAI - 原子国际时间）、加密、访问控制和密钥管理等。同时，横河现场无线具有高确定性和高度可靠性，可支持SIL环境的安全应用。
首先，横河现场无线网络系统采用了高性能的无线回路技术，既能保障远距离通信（无障碍物区的通信距离可达500米），在金属管道等障碍物密集区也能稳定可靠地收发信息（通信距离可达50米），从而保证了工业生产现场的稳定可靠的通信。
其次，横河现场无线骨干网络主要由无线管理站（YFGW410）与无线接入点（YFGW510）构成，它们相互独立，可形成深度冗余机制，从而保障无线网络系统可靠运行。另外，这样的构造还有好处：1）现场安装与维护十分便利；2）有助于构建大规模网络系统，一个无线管理站下面可以连接20个无线接入点（即20个子网络），最多可容纳500个现场无线仪表（更新周期为5秒时）。
此外，横河现场无线可支持星形拓扑、以及Mesh拓扑（可支持固定通信路径），从而可有效管理网络的延迟时间，保证网络通信的确定性。
如图6所示，横河电机SIL2认证无线气体检测系统可采用深度冗余设计：2个无线管理站通过标准的通信协议，如Modbus TCP/IP、Modbus RS485等，与上位机SIS系统集成；2个无线管理站之间通过专用的同期电缆连接，分别为主机与热备机，当系统监测到设备故障，1秒内就能完成主辅机功能切换；2个无线接入点同时接收现场无线设备的信息，并同时将现场信息传送给上位无线管理站，若其中一个无线接入点发生故障，现场无线设备的信息则通过另外一个无线接入点，零延迟地将信息传送给上位系统。这样网络设计可以充分保障气体泄漏检测系统运行的可靠性与确定性。

无线红外气体检测仪GS01采用的是PROFIsafe安全协议。横河无线管理站，即网关，支持PROFINET。横河网关无需支持PROFIsafe接口，通过如图黑色通道（BlackChannel），即可在ISA100应用层上实现安全相关的通信。图中紫红色虚线框内为三个独立设备（分别是控制器、网关、以及气体检测仪）在黑色通道中的通信栈。这个黑色通道需要保证三个因素：通信方式独立； 从传感器到网关的整个通信路径，需要支持ProfiNET； 可避免各种通信失败，确保SIL能力。另外，无线网络要在SIL环境中使用，错误处理机制需要解决相关安全协议，需要能够避免各种错误，如重复、删除、插入、重新排序、数据损坏、延迟、寻址等。SIL2认证无线气体检测系统，可满足上述各种安全相关的要求，可以说是横河现场无线在安全用途的应用中，最成功的应用之一。

本文来自横河电机。
作者：横河电机（中国）有限公司 陈鹏 钟幼娣