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1、第8章 安全检测与监控系统,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81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81 安全检测与监控的一般过程,1.数据采集
2、 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
3、产的设备，辨别其是否超出预先设定或技术规范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
4、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82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
5、。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8286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
6、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。总体方
7、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。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
8、。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
9、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
10、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协议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
11、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）短开发周期短原则 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 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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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010mA或420mA）。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010mA或420mA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
