報(bào)警管理在乙烯裂解裝置上的應(yīng)用

文/魏劍萍

石油化工企業(yè)普遍采用的分散控制系統(tǒng)（DCS）系統(tǒng)，為操作人員監(jiān)控工藝過(guò)程提供了有力保障，DCS在報(bào)警方面的強(qiáng)大功能，為生產(chǎn)過(guò)程的安全運(yùn)行起到了重大的作用。在DCS中，幾乎每一個(gè)組態(tài)點(diǎn)都可以設(shè)置多個(gè)報(bào)警（一個(gè)PID回路通?？稍O(shè)置測(cè)量報(bào)警、偏差報(bào)警、BADPV等10多個(gè)報(bào)警），通常，一個(gè)普通操作員在操作波動(dòng)的情況下，每一分鐘只能處理一個(gè)報(bào)警，報(bào)警點(diǎn)的過(guò)度設(shè)置，不僅起不到應(yīng)有的預(yù)警作用，有時(shí)反而會(huì)干擾操作人員的正常判斷和合理處置，甚至導(dǎo)致重大事故的發(fā)生，因此，對(duì)報(bào)警進(jìn)行有效管理，顯得十分迫切，雖然目前的DCS已經(jīng)具備一定的報(bào)警管理功能，如可以對(duì)報(bào)警添加注釋、對(duì)報(bào)警點(diǎn)進(jìn)行分組管理，有的DCS系統(tǒng)還可對(duì)報(bào)警進(jìn)行屏蔽，但是，這些功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶對(duì)實(shí)時(shí)報(bào)警進(jìn)行管理的需求，用戶需要有更為有效的采集、儲(chǔ)存、測(cè)量和分析手段，以持續(xù)改進(jìn)報(bào)警系統(tǒng)，Matrikon Alarm Manager正是這樣一款工具軟件，它能實(shí)時(shí)、自動(dòng)生成遵循標(biāo)準(zhǔn)的KPI（Key Performance Index）關(guān)鍵性能圖表，通過(guò)WEB服務(wù)器，還可使管理人員在辦公室了解DCS中正在發(fā)生的報(bào)警狀況，報(bào)警管理對(duì)于類似乙烯這樣儀表設(shè)備數(shù)量眾多的裝置，效果比較明顯。

一、裂解裝置實(shí)施報(bào)警優(yōu)化前后的效果

在完成對(duì)某裂解裝置各單元的報(bào)警優(yōu)化工作后，裝置的總報(bào)警數(shù)由21564（統(tǒng)計(jì)自2012/7/15至2012/8/15）減少了約51%，至10673（統(tǒng)計(jì)自2012/9/5至2012/10/05）；操作工對(duì)報(bào)警的干預(yù)率從276268減少了約38%，至171565。

二、報(bào)警管理的性能指標(biāo)（KPI）

EEMUA 191關(guān)于《報(bào)警系統(tǒng)——設(shè)計(jì)、管理和采購(gòu)導(dǎo)則），對(duì)報(bào)警性能指標(biāo)提出了一些指導(dǎo)意見(jiàn)，下面結(jié)合在乙烯裂解中報(bào)警管理中的應(yīng)用，對(duì)目標(biāo)和執(zhí)行情況進(jìn)行對(duì)比。

1.最大報(bào)警率

定義：在某一時(shí)間段內(nèi)，把報(bào)警日志（Log）分成連續(xù)的10分鐘時(shí)間片來(lái)計(jì)算，計(jì)算工廠在有波動(dòng)時(shí)的報(bào)警數(shù)量（也就是在工廠操作糟糕情況下，任何10分鐘操作員被通知的報(bào)警數(shù)量）。EEMUA建議：每個(gè)操作工在裝置擾動(dòng)狀態(tài)下，10分鐘內(nèi)接收到的報(bào)警數(shù)量小于10個(gè)是易于處理的（predictable），報(bào)警數(shù)量大于20個(gè)是很難應(yīng)付的。乙烯裂解裝置報(bào)警優(yōu)化項(xiàng)目確立的目標(biāo)是<15個(gè)/10Min。

2.平均報(bào)警率

定義：在某一時(shí)間段內(nèi)，報(bào)警總數(shù)除以時(shí)間間隔數(shù)的值。EEMUA建議：每個(gè)操作工每5分鐘平均接收到1個(gè)報(bào)警是易于處理的，每10分鐘少于1個(gè)是可接受的。乙烯裂解裝置報(bào)警優(yōu)化項(xiàng)目確立的目標(biāo)是<2個(gè)/10Min。

3.擾動(dòng)報(bào)警百分比（%Upset or %burst）

定義：在某一時(shí)間段內(nèi)，若把報(bào)警日志分成連續(xù)的1小時(shí)時(shí)間片段，計(jì)算報(bào)警數(shù)量超過(guò)30個(gè)的報(bào)警時(shí)間片段數(shù)占總時(shí)間片段數(shù)的百分比。EEMUA建議擾動(dòng)報(bào)警百分比應(yīng)在1%～3%之間。乙烯裂解裝置報(bào)警優(yōu)化項(xiàng)目確立的目標(biāo)是<2%。

4.靜態(tài)報(bào)警負(fù)荷指標(biāo)

這是衡量DCS中在組態(tài)階段所設(shè)置的報(bào)警數(shù)量是否合理的指標(biāo)，一個(gè)好的報(bào)警系統(tǒng)，既要避免某區(qū)域所發(fā)生的報(bào)警數(shù)量過(guò)多，也要避免報(bào)警數(shù)量太少，在設(shè)計(jì)階段，就應(yīng)該考慮報(bào)警數(shù)量的合理性。EEMUA建議：每個(gè)PID回路控制器回路平均設(shè)4個(gè)報(bào)警值，而每個(gè)模擬量和數(shù)字量信號(hào)平均設(shè)1～0.4個(gè)報(bào)警。

5.報(bào)警優(yōu)先級(jí)分布

確定優(yōu)先級(jí)的目的是使操作員在DCS報(bào)警在出現(xiàn)大量報(bào)警時(shí)，能易于辨別重要的報(bào)警，一個(gè)良好的報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)具有這樣一個(gè)特點(diǎn)：報(bào)警優(yōu)先級(jí)越高報(bào)警發(fā)生的頻率越低。EEMUA建議：報(bào)警級(jí)別在靜態(tài)（指在設(shè)計(jì)或DCS組態(tài)時(shí)）情況下，基本應(yīng)符合下列比例，即：緊急報(bào)警占5%～10%、高級(jí)占15%～35%、低級(jí)報(bào)警占55%～80%；而在裝置運(yùn)行階段（“實(shí)時(shí)”報(bào)警），動(dòng)態(tài)的報(bào)警優(yōu)先級(jí)分配應(yīng)大致服從以下比例：緊急報(bào)警占1%～5%； 高級(jí)報(bào)警占15%～20%； 低級(jí)報(bào)警占75%～80%。

事實(shí)上，在報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，很難使靜態(tài)優(yōu)先級(jí)報(bào)警比例控制在EEMUA所建議的指標(biāo)內(nèi)，也沒(méi)有必要嚴(yán)格控制靜態(tài)報(bào)警優(yōu)先級(jí)比例控制，因?yàn)閯?dòng)態(tài)KPI指標(biāo)才是我們關(guān)心的，許多在靜態(tài)時(shí)設(shè)置為緊急優(yōu)先級(jí)的報(bào)警在投入運(yùn)行后很少會(huì)發(fā)生，例如，可燃?xì)怏w檢測(cè)器報(bào)警、事故停車和安全系統(tǒng)的報(bào)警，這些都會(huì)影響動(dòng)態(tài)指標(biāo)；但另一方面，如果靜態(tài)報(bào)警分布嚴(yán)重偏離基準(zhǔn)，也會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)指標(biāo)的偏離。

在乙烯裂解裝置中，由于項(xiàng)目執(zhí)行深度欠缺及DCS組態(tài)中存在的一些不足，整個(gè)裝置的靜態(tài)報(bào)警優(yōu)先級(jí)指標(biāo)偏離了EEMUA建議的目標(biāo)，再加上裝置上在運(yùn)行階段，小組成員討論出來(lái)的DCS修改內(nèi)容需要在裝置上在合適的機(jī)會(huì)予以實(shí)施，故整個(gè)裝置的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)性能不是很理想，但主要區(qū)域——裂解區(qū)域離EEMUA建議更近了，這得益于對(duì)裂解爐的報(bào)警優(yōu)化討論比較充分并且爐子有單獨(dú)停爐修改DCS組態(tài)的機(jī)會(huì)。

三、乙烯裂解裝置的報(bào)警優(yōu)化實(shí)施

這是整個(gè)報(bào)警優(yōu)化工作是否能夠達(dá)到預(yù)定效果的關(guān)鍵步驟。項(xiàng)目實(shí)施前，應(yīng)成立由操作工、工藝工程師、DCS工程師和Honeywell報(bào)警管理專家組成的報(bào)警管理項(xiàng)目組，該小組人數(shù)以3～5人為好，小組成員應(yīng)集中時(shí)間辦公，以排除干擾。小組成員應(yīng)參加報(bào)警系統(tǒng)優(yōu)化的培訓(xùn)課程，接受報(bào)警管理的理念，如報(bào)警不是越多越好、必須將操作人員的注意力集中到最重要的報(bào)警上面、應(yīng)抑制沒(méi)有意義的報(bào)警、報(bào)警描述必須清楚和容易理解等。

1.靜態(tài)報(bào)警優(yōu)化

在這個(gè)階段，首先需收集乙烯裂解裝置的報(bào)警策略設(shè)計(jì)文檔及報(bào)警臺(tái)帳，小組成員利用HAZOP（危險(xiǎn)與可操作分析）方法，對(duì)每一個(gè)設(shè)計(jì)的報(bào)警點(diǎn)進(jìn)行分析，以判定報(bào)警優(yōu)先級(jí)或修改報(bào)警值等。在這個(gè)分析階段，我們發(fā)現(xiàn)了DCS系統(tǒng)在報(bào)警組態(tài)上的不合理問(wèn)題，譬如，PKS DCS中“DACA”塊中的“ROCNEGALM”（PV值負(fù)向變化率報(bào)警） 和“ROCPOSALM”（PV 值正向變化率報(bào)警），均被賦予了“LOW”級(jí)別的報(bào)警，但報(bào)警參數(shù)一欄卻是“NAN”。

2.動(dòng)態(tài)報(bào)警優(yōu)化

利用Matrikon Alarm Manager數(shù)據(jù)采集器，通過(guò)OPC A&E接口收集DCS系統(tǒng)的報(bào)警和事件數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)的報(bào)警匯總報(bào)告，以對(duì)動(dòng)態(tài)報(bào)警活動(dòng)和事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和改進(jìn)，Matrikon Alarm Manager提供了多種工具用以分析改進(jìn)動(dòng)態(tài)報(bào)警，典型的有：

①最為頻繁的報(bào)警

②因果報(bào)警 定義：當(dāng)某個(gè)“父”報(bào)警發(fā)生時(shí)，某個(gè)“子”報(bào)警也同時(shí)發(fā)生，在1分種內(nèi)有2次這樣的現(xiàn)象，則定義為1次關(guān)聯(lián)。建議當(dāng)預(yù)測(cè)度（predictability）大于40%時(shí)，必須對(duì)父、子報(bào)警的關(guān)系進(jìn)行審閱，以決定報(bào)警取舍。

③持續(xù)不斷的報(bào)警（Chattering Alarms）定義：以10s為時(shí)間片斷，片斷內(nèi)發(fā)生的報(bào)警次數(shù)占總時(shí)間片斷的百分比。這種報(bào)警多發(fā)生在當(dāng)某個(gè)報(bào)警值設(shè)定在報(bào)警臨界狀態(tài)時(shí)，報(bào)警總是“喋喋不休”地在報(bào)警上下限或死區(qū)附近來(lái)回波動(dòng)。解決這個(gè)問(wèn)題的方法有：對(duì)于數(shù)字量信號(hào)，可以采取加延時(shí)的辦法予以處理，對(duì)于模擬量信號(hào)除了加延時(shí)外，還可以通過(guò)設(shè)置報(bào)警死區(qū)的方式實(shí)現(xiàn)。

④長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)報(bào)警（STANDING ALARMS） 定義：持續(xù)超過(guò)24小時(shí)的報(bào)警。對(duì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間的報(bào)警，報(bào)警優(yōu)先級(jí)的設(shè)置非常重要，需要對(duì)其重新評(píng)估，一般地，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的報(bào)警其優(yōu)先級(jí)不應(yīng)該設(shè)的太高，大量出現(xiàn)持續(xù)報(bào)警表明工廠運(yùn)行糟糕或者這些報(bào)警根本不需要操作員的關(guān)注，對(duì)后一種情況，這些報(bào)警應(yīng)予以設(shè)法處理。在乙烯裂解裝置中，我們針對(duì)裂解爐在不同工況下的報(bào)警設(shè)置進(jìn)行了“智能化處理”，乙烯裂解爐有四種運(yùn)行狀態(tài)：“運(yùn)行”、“熱備”、“燒焦”、“停爐”，在“熱備”、“燒焦”和“停爐”時(shí)，有很多過(guò)程參數(shù)會(huì)偏離正常運(yùn)行區(qū)域而報(bào)警，為了減少這種無(wú)意義的報(bào)警，通過(guò)在DCS中做順控邏輯，把這三種模式下對(duì)應(yīng)的報(bào)警信號(hào)予以抑制。通過(guò)這個(gè)方式，分別屏蔽了在“停爐”、“燒焦”、“熱備”狀態(tài)下共115個(gè)、23個(gè)和8個(gè)報(bào)警信號(hào)。

四、存在的問(wèn)題

乙烯裂解裝置的報(bào)警優(yōu)化后，在靜態(tài)報(bào)警負(fù)荷方面，由于“DI ”、“DO”等數(shù)字量類型的報(bào)警數(shù)偏離KPI性能指標(biāo)較多，再加上“AI”和“PID”控制器類型的報(bào)警數(shù)也接近了KPI指標(biāo)的上限，故導(dǎo)致整個(gè)裝置的靜態(tài)報(bào)警設(shè)置數(shù)量指標(biāo)不理想。這影響了動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性，譬如：

①每天有接近幾百個(gè)報(bào)警被操作工暫時(shí)掛起或屏蔽，這些被屏蔽的報(bào)警應(yīng)進(jìn)一步研究其原因，如果考慮這些被屏蔽的報(bào)警，則動(dòng)態(tài)報(bào)警負(fù)荷超出了EEMUA目標(biāo)值。

②在報(bào)警優(yōu)先級(jí)比例方面，盡管在裂解區(qū)域的報(bào)警級(jí)別比例已經(jīng)基本接近EEMUA目標(biāo)，但整個(gè)裝置的報(bào)警優(yōu)先級(jí)指標(biāo)離目標(biāo)還有很大距離，特別是有大量的報(bào)警集中在高優(yōu)先級(jí)，這意味著在過(guò)程/裝置波動(dòng)期間，操作員須查看所有的報(bào)警。

這些問(wèn)題的造成，主要原因是靜態(tài)報(bào)警優(yōu)化做得還不夠深入，項(xiàng)目小組成員都是臨時(shí)從生產(chǎn)中抽出來(lái)進(jìn)行討論的，在項(xiàng)目后期，甚至在個(gè)人辦公室獨(dú)自開(kāi)展分析工作，因此缺乏共同論證；另外，對(duì)于動(dòng)態(tài)報(bào)警的日常分析和處理力度不夠大，如每天分析最為頻繁的報(bào)警、操作工干預(yù)最多報(bào)警等等，由于企業(yè)中缺乏專門的報(bào)警管理團(tuán)隊(duì)予以持續(xù)的跟蹤，因此導(dǎo)致了已經(jīng)優(yōu)化好的指標(biāo)在運(yùn)行一段時(shí)間后又出現(xiàn)偏離現(xiàn)象。

五、小結(jié)

隨著生產(chǎn)和操作要求的進(jìn)一步提高，自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)的報(bào)警管理從來(lái)未曾象現(xiàn)在這樣重要過(guò)，毫無(wú)疑問(wèn)，報(bào)警系統(tǒng)的效率低下，會(huì)抵消整個(gè)DCS的功效。乙烯裂解裝置的報(bào)警優(yōu)化實(shí)施，不僅進(jìn)一步提升了DCS系統(tǒng)的報(bào)警性能，更重要的是為我們引入了一種全新的報(bào)警管理方法。