報警管理與預警系統(tǒng)在煉化企業(yè)中的應用

代建華，戴蔚，李閩燕，李攀峰

(1.中國石油華北石化公司，河北 任丘 062552；2.北京賽普泰克技術(shù)有限公司，北京 100012)

大型石油化工裝置中，報警是十分重要的安全措施之一，在DCS中通過設置相應的報警，可對操作員進行提示和警告。由于前期沒有合理的報警管理體系，報警泛濫情況普遍存在，許多裝置的報警數(shù)量遠超過操作人員可處理的極限，當有重要報警發(fā)生時往往被淹沒在海量干擾信息中，從而導致生產(chǎn)事故的發(fā)生。近年來多起石化工廠事故就與報警設置和管理不當有關，如1994年7月24日英國米爾福德港(Milford Haven)德士古煉油廠的嚴重爆炸事故，該事故是由于嚴重雷暴影響了幾個裝置的正常生產(chǎn)，造成全廠停工；在重新開車的5 h內(nèi)，由于報警數(shù)量過多，操作員無法準確掌握實際情況，從而造成爆炸的發(fā)生；特別是在爆炸前的最后11 min內(nèi)涌入了275個報警，使得2名操作人員無法確認并作出適當響應。英國HSE的調(diào)查報告就指出: 存在報警數(shù)量過多并且沒有很好地進行優(yōu)先級管理，報警顯示不能有效地幫助操作人員了解工藝異常工況的準確狀態(tài)，操作員對報警系統(tǒng)缺乏針對性培訓等問題，是導致事故發(fā)生的主要原因。

某石化公司通過開展報警消除工作，使部分裝置報警數(shù)量顯著降低，但由于缺乏相應的報警管理規(guī)范和報警管理系統(tǒng)，很多裝置仍存在報警過多，尤其開、停車及生產(chǎn)負荷波動情況下，存在報警系統(tǒng)效率低，報警泛濫等問題。在該背景下，該公司通過實施報警管理與預警系統(tǒng)實現(xiàn)了生產(chǎn)各環(huán)節(jié)風險的動態(tài)、超前、實時、有效的管理。

1 報警管理與預警系統(tǒng)建設目標

1) 制訂滿足國際標準以及國家法規(guī)要求的報警管理規(guī)定。

2) 建立先進報警監(jiān)測系統(tǒng)，實時收集DCS/SIS/ITCC的報警與操作事件數(shù)據(jù)，存儲在報警數(shù)據(jù)庫中，通過統(tǒng)計分析報警數(shù)量，為工藝操作、設備、電儀等部門處理報警提供分析依據(jù)以及考核依據(jù)。

3) 開發(fā)報警聯(lián)鎖技術(shù)包，包括每個報警與聯(lián)鎖的優(yōu)先級、原因、后果、處理規(guī)程等，應用報警與聯(lián)鎖狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，將上述信息歸檔，并為一線操作人員/維護人員提供報警分析/處理的指導意見。

4) 通過應用報警監(jiān)測系統(tǒng)，各個部門對報警響應和處理可進行規(guī)范化管理。初期使用報警與聯(lián)鎖狀態(tài)監(jiān)測的工具，找出每個裝置的滋擾報警，并進行消除滋擾報警的工作，使報警數(shù)量指標達到國際標準要求，降低操作人員的負荷。在該基礎上，量化管理操作人員的報警響應率，大幅提高關鍵報警的響應率與響應效率。

5) 分析關鍵設備的故障隱患，提供包括報警優(yōu)先級、預警模型、異常分析工具、報警處理規(guī)程、報警泛濫抑制、高效HMI等安全屏障工具，并對操作人員進行培訓，提高安全屏障的可靠性。

6) 實現(xiàn)報警擱置與聯(lián)鎖旁路管理，自控率和聯(lián)鎖率統(tǒng)計分析。

2 報警管理與預警系統(tǒng)應用方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

報警管理與預警系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用四層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu): 第一層到第四層網(wǎng)絡依次是DCS/SIS/ITCC控制網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)、報警管理DMZ網(wǎng)、辦公網(wǎng)。

系統(tǒng)通過OPC技術(shù)實現(xiàn)和DCS之間的通信，通過SIS,ITCC內(nèi)部協(xié)議實現(xiàn)與SIS,ITCC的通信。在該公司8套裝置現(xiàn)有OPC Server節(jié)點上各加1塊網(wǎng)卡并配置獨立于現(xiàn)有各DCS的網(wǎng)段和IP地址，統(tǒng)一通過報警管理數(shù)據(jù)采集Buffer機進行通信。為了保證安全，1號加氫SIS和ITCC設立單獨的數(shù)據(jù)采集機后再連接到報警管理數(shù)據(jù)采集Buffer機。

分別在控制室內(nèi)為每套裝置設1臺報警管理客戶端，通過交換機與先進報警管理系統(tǒng)(AAS)實時報警服務器相連，供操作人員通過實時預警操作終端實現(xiàn)對系統(tǒng)的瀏覽和操作。

報警管理及Web服務器上運行AAS軟件，包括Web服務軟件，該服務器通過防火墻與報警管理數(shù)據(jù)采集Buffer機和公司管理信息網(wǎng)相連，同時實現(xiàn)了安全隔離。該服務器上運行實時報警模塊，為中心控制室的客戶端提供實時報警及報表查詢功能。Web服務器通過防火墻獲取報警與事件數(shù)據(jù)，為公司管理信息網(wǎng)上的客戶端提供實時報警及報表查詢功能。

圖1 報警管理與預警系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)主要硬件

報警管理數(shù)據(jù)庫與Web服務器、數(shù)據(jù)采集Buffer機采用2臺高性能服務器，數(shù)據(jù)采集機、實時報警操作站采用10臺普通服務器。另外根據(jù)網(wǎng)絡架構(gòu)增加工業(yè)用防火墻和交換機。

2.3 系統(tǒng)軟件

報警管理與預警系統(tǒng)平臺軟件主要包括: AAS軟件、SQL數(shù)據(jù)庫、集成商自行研制開發(fā)的先進異常偵測管理系統(tǒng)軟件以及相應的產(chǎn)品升級支持等。DCS OPC接口軟件由該公司自行提供，另外供應商提供了裝置模型和技術(shù)包軟件。

2.4 報警管理功能的實際運用

2.4.1基本報警管理功能

基本報警管理功能包括以下方面:

1) 報警制度制訂與報警設計包開發(fā)。根據(jù)ANSI/ISA 18.2—2009ManagementofAlarmSystemfortheProcessIndustries和IEC 62682—2014ManagementofAlarmSystemfortheProcessIndustries，結(jié)合該公司各項要求與制度，制訂報警制度并進行了完善。在制定相應報警制度基礎上開發(fā)報警設計包。

2) 報警數(shù)據(jù)的采集與存儲:

a) 支持DCS,SIS,ITCC等控制系統(tǒng)，支持通過OPC A&E，ODBC，打印機并口通信連接和文件導入等多種接口方式讀取實時數(shù)據(jù)、報警與事件數(shù)據(jù)。

b) 對報警與事件信息及時歸檔與存儲，形成統(tǒng)一的報警數(shù)據(jù)庫。

c) 對采集到的報警數(shù)據(jù)進行合理化分析,實現(xiàn)報警優(yōu)先級、上下限、報警原因、報警處理規(guī)程以及便捷的數(shù)據(jù)及趨勢查詢功能等。

3) 報警數(shù)據(jù)分析。據(jù)該公司運行裝置的要求定義報警準則，根據(jù)報警位號、報警泛濫、優(yōu)先級等多種報警類型進行分析統(tǒng)計，分析內(nèi)容包括報警系統(tǒng)KPI評估報告、報警系統(tǒng)診斷報告、報警管理系統(tǒng)的周報和月報等。

2.4.2實時報警管理操作站功能

實時報警管理操作站功能包括以下方面:

1) 綜合報警一覽。提供實時報警一覽信息。每條信息包括: 報警/預警位號、位號描述、報警類型、發(fā)生時間、確認時間、恢復時間(歷史數(shù)據(jù))、優(yōu)先級等。對于每列的信息，可以通過設置過濾、排序等，更新一覽表，也可以選擇不同的時間段、報警類型、工藝區(qū)域等查詢報警信息。

2) 實時異常分析與監(jiān)控處理功能。根據(jù)裝置的工藝區(qū)域與設備列表，系統(tǒng)可提供相關報警/預警/異常狀態(tài)的總覽，并以樹狀分層結(jié)構(gòu)展示異常信息: 裝置—工藝區(qū)域—異常工況—原因診斷。

根據(jù)以上樹狀的異常信息展示，追蹤分析原因，逐級分析報警/異常的原因，直至找到根原因。

3) 報警詳細信息展示框。對于每個報警，AAS提供一個基于網(wǎng)絡訪問的Web展示框，包含報警歸檔數(shù)據(jù)庫的詳細信息，提供一個讓操作員或者工程師能夠很快獲取該報警的直觀詳細信息，另外報警詳細信息框還可以顯示報警相關變量的趨勢。

2.4.3權(quán)限與用戶管理

該系統(tǒng)具備完善的權(quán)限管理機制，能根據(jù)權(quán)限設置控制網(wǎng)絡中不同權(quán)限的管理或操作人員瀏覽或維護的數(shù)據(jù)范圍、內(nèi)容和使用不同的功能等。

2.4.4報警管理報表

具有強大的報表引擎，可以根據(jù)需求自行定制符合管理需要的報表格式。

2.4.5預警診斷模型

通過建立相關的預警診斷模型，實時偵測和預警實際裝置可能正在發(fā)生的異常工況，預先提示操作員作出響應。常見的幾種預警診斷模型及功能如下:

1) 常減壓預警診斷模型。該模型可實現(xiàn)減壓爐支路預警，常壓爐支路預警。

2) 二催化預警診斷模型。該模型可實現(xiàn)反應溫度預警，兩器差壓預警。

3) 三催化預警診斷模型。該模型可實現(xiàn)反應溫度預警，兩器差壓預警。

4) 連續(xù)重整預警診斷模型。該模型可實現(xiàn)循環(huán)氫量預警，壓縮機軸位移預警。

5) 1號加氫預警診斷模型。該模型可實現(xiàn)原料油泵潤滑油預警。

6) 2號加氫預警診斷模型。該模型可實現(xiàn)反應系統(tǒng)預警，高壓分離器到低壓分離器流程預警，分餾系統(tǒng)預警，機組預警，調(diào)節(jié)閥預警。

7) S Zorb預警診斷模型。該模型可實現(xiàn)反應進料量、加熱爐出口溫度、反應溫度、氫油比突降和突升預警。

8) 聚丙烯預警診斷模型。該模型可實現(xiàn)C301停車預警，C302停車預警。

2.4.6試點裝置功能

試點裝置功能包括以下方面:

1) 報警擱置與抑制功能。報警擱置允許操作員暫時抑制造成干擾的滋擾報警。操作員能夠選擇1個或1組報警進行擱置，并輸入需要暫時抑制的原因。

2) 關鍵異常工況的高效HMI。根據(jù)ISA-101.01Human-MachineInterfaces以及報警規(guī)范的要求，提供高效HMI的功能，定制并開發(fā)針對關鍵異常工況的高效HMI。

3) 操作事件與操作負荷分析。通過對操作記錄進行分析和統(tǒng)計，可以給出操作人員勞動強度報表，用于評估操作人員負荷分析和評估。

4) 報警泛濫抑制。檢測并確認觸發(fā)事件，抑制觸發(fā)事件所產(chǎn)生的快速的、自動的、已知的后續(xù)報警，通知操作人員具體的報警泛濫事件和抑制情況；檢測報警泛濫結(jié)束狀態(tài)，重新啟用適當?shù)膱缶瓤捎刹僮鲉T確認也可自動切換。

5) 加氫機組智能預警與監(jiān)測管理。該系統(tǒng)的異常預警偵測模塊用于偵測機組輔助系統(tǒng)的異常，在出現(xiàn)機械故障之前，診斷出潛在的工藝和輔助系統(tǒng)問題，進行相關的問題處理，從而避免了機械故障的發(fā)生或聯(lián)鎖停車。

6) 控制回路投用率的管理?？焖僬页鐾队寐实突蚩刂菩阅艿拖碌幕芈?，利用PID參數(shù)整定工具優(yōu)化PID參數(shù)，或根據(jù)儀表、回路、控制閥診斷的結(jié)果，維護與優(yōu)化相關控制回路，保證控制回路投用率。

7) 實時報警管理操作站的黑屏顯示功能。在實時報警管理操作站上，當顯示“綜合報警一覽”或“實時異常分析與監(jiān)控處理”畫面時，配置以下的“黑屏”功能:

a) 選擇“啟動”或“關閉”黑屏功能。

b) 黑屏功能被啟動時，當沒有任何報警出現(xiàn)以及所有報警都恢復到“正常”狀態(tài)時，操作站顯示黑屏，此時操作人員可以處理報警以外的其他任務。

8) 關鍵報警/聯(lián)鎖相關的交接班管理功能。重要的被擱置報警/被抑制報警的清單與交接確認功能，重要的被旁路的聯(lián)鎖清單與交接確認功能，本班內(nèi)發(fā)生的重要報警情況交接，報警/聯(lián)鎖交接班日志管理。

9) SIS，ITCC操作與事件記錄分析。報警管理軟件的AEDM-SOE加功能模塊從控制系統(tǒng)自動獲取和保存SOE和工藝參數(shù)相關數(shù)據(jù)，并具備查詢、歷史、趨勢、自動報表等功能，自動將報警記錄與相關工藝參數(shù)關聯(lián)，并可查看與報警相關的工藝參數(shù)趨勢，方便分析報警事故原因。在不需要更換任何硬件的基礎上，SOE和工藝參數(shù)數(shù)據(jù)將保存5 a以上，這些數(shù)據(jù)能夠以Excel表格或文本文件導出。

3 應用效果

該系統(tǒng)實施后，通過制訂報警管理制度并開發(fā)報警設計包，優(yōu)化了報警參數(shù)設置，取消部分重復報警，并在DCS上修改了約3×103個報警點組態(tài)參數(shù)，使報警參數(shù)更加合理。另外，通過對裝置PID參數(shù)整定，提高了控制回路性能，使裝置運行更加平穩(wěn)。該系統(tǒng)投用后，開展了持續(xù)的報警削減工作，DCS報警數(shù)量降幅達到50%以上，基本達到了國際標準4級水平，不僅有效預防了裝置運行故障，還為各生產(chǎn)數(shù)據(jù)保持標準狀態(tài)，優(yōu)化運行設置了條件，使得生產(chǎn)系統(tǒng)各項技術(shù)經(jīng)濟指標得到有效提升。

3.1 報警數(shù)量消減成果對比

報警管理與預警系統(tǒng)投用前后各裝置日均報警數(shù)量的對比見表1所列，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)上看，報警管理與預警系統(tǒng)實施后，DCS報警數(shù)量有了大幅降低。

表1 系統(tǒng)投用前后報警數(shù)量對比

3.2 回路整定效果對比

針對裝置中控制效果差的部分回路進行了PID參數(shù)調(diào)整，優(yōu)化了控制效果，提高了平穩(wěn)性，降低了報警量?；芈氛ㄐЧ許 Zorb裝置和三催化裝置為例，分別如圖2和圖3所示。

圖2 S Zorb裝置整定效果示意

圖3 三催化裝置回路整定效果示意

3.3 核心裝置消減報警工作措施

1) 1號加氫裝置消減報警措施包括: 增加適當?shù)膱缶訒r與報警死區(qū)，減少了無效報警次數(shù)；檢查與修改了1 060個設備位號的報警配置；對原料油泵潤滑油系統(tǒng)，增加了3項預警。

2) 聚丙烯裝置消減報警措施包括: 解決了以前不能導出報警數(shù)量的問題；減少一定的液位控制波動偏大的問題；對丙烯壓縮機、循環(huán)氫壓縮機、洗塔等系統(tǒng)增加了3項預警。

3.4 系統(tǒng)投用后的后續(xù)工作

系統(tǒng)投用后，仍需開展一些工作，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

1) 繼續(xù)加強報警管理規(guī)范和系統(tǒng)的學習及使用，切實發(fā)揮報警管理與預警系統(tǒng)作用，提升生產(chǎn)安全性。

2) 根據(jù)已制訂的報警制度，制訂裝置異常工況管理的工作流程并實施。將各裝置的工藝車間的報警、預警數(shù)量、報警處理率、處理時間，各個機動專業(yè)對于儀表報警、設備報警的數(shù)量與維護結(jié)果等，作為各個部門的重要的管理指標，每周、每月的匯報評估并在調(diào)度會上解決相關的報警異常問題，促進安全管理水平的提升。

3) 預警的DCS實施工作。在DCS條件具備回寫功能并充分驗證了預警系統(tǒng)的情況下，將預警信息傳送到DCS，發(fā)揮預警的作用，防止安全事故的發(fā)生。

4) 報警的分級工作。進一步完善報警的分級工作，應用在建的模擬培訓系統(tǒng)，開發(fā)報警響應規(guī)程，各種故障、異常場景下的預案，對操作人員進行各種培訓，提高操作響應能力。

4 結(jié)束語

隨著大數(shù)據(jù)與智能制造時代的來臨，智能工廠建設是各煉化企業(yè)的目標。先進報警管理系統(tǒng)是智能工廠重要組成部分，對于提高報警響應的準確性和及時性、減少報警泛濫、減少工藝參數(shù)波動、提高工廠智能化水平有著十分重要的意義。通過建立報警管理與預警系統(tǒng)、應用先進報警管理技術(shù)、借助PID回路整定與投用率管理平臺、開發(fā)預警診斷系統(tǒng)、完善報警管理制度等手段，大幅降低了控制系統(tǒng)報警數(shù)量，增加了預警診斷手段，使裝置運行平穩(wěn)性和安全性都有很大提升，對于其他煉化企業(yè)建立報警管理與預警系統(tǒng)有普遍性的參考意義。