流程行業(yè)先進報警管理系統(tǒng)實施方案

高國光，武平麗

（1.杭州和利時自動化有限公司，杭州 310018；2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動化工程系，河南 開封 475003）

報警管理一直是近年關(guān)注的焦點，世界上發(fā)生的多種工業(yè)事故與報警管理不當(dāng)有關(guān)，正常操作過程中報警設(shè)施繁多、裝置發(fā)生擾動時又到處充滿報警，這往往與現(xiàn)代集散控制系統(tǒng)有關(guān)，繁多的報警不僅會給操作人員造成壓力，而且會導(dǎo)致不必要的生產(chǎn)損失，反而降低裝置生產(chǎn)的安全性。報警泛濫會導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染、生產(chǎn)中斷、受傷事故甚至人員死亡。對報警數(shù)量做出限制、對報警進行優(yōu)先級排序、為報警提供必要的相關(guān)信息，以及對報警系統(tǒng)進行正確的管理，能夠減少操作人員延誤響應(yīng)甚至忽略報警的可能，對于應(yīng)對報警泛濫和其他相關(guān)問題十分必要。

1 報警系統(tǒng)的信息架構(gòu)

報警系統(tǒng)用來檢測報警狀態(tài)并顯示給操作員，同時記錄報警信息和報警響應(yīng)操作以及報警狀態(tài)的變化等信息。報警管理方案對報警系統(tǒng)的定義、開發(fā)、設(shè)計、改造、工程實施以及后續(xù)維護提出了全面的要求，為報警的選擇、報警優(yōu)先級的確定、報警的設(shè)置、報警響應(yīng)操作、報警處理方法、控制系統(tǒng)的報警監(jiān)視、故障修復(fù)等方面提供了統(tǒng)一的技術(shù)與管理規(guī)范。

根據(jù)國際最新標(biāo)準(zhǔn)IEC62682，報警系統(tǒng)的信息架構(gòu)[1]如圖1所示。

圖1 報警系統(tǒng)的信息架構(gòu)圖Fig.1 Information architecture diagram of alarm system

廣義的報警系統(tǒng)包括以下部分：

1）基本過程控制系統(tǒng)（BPCS）：DCS，PLC，SCADA等系統(tǒng)中的報警功能。

2）安全儀表系統(tǒng)（SIS，CCS，MMS，F(xiàn)GS）中的報警功能。

3）報警輔助操作臺。

4）報警記錄與監(jiān)視：主要包括DCS的報警概覽功能等。

5）報警人機界面（HMI）：主要通過DCS畫面顯示報警信息，輔助以AAS的HMI功能。

6）先進報警管理系統(tǒng)（AAS）中，先進實時報警功能：報警擱置、報警泛濫抑制、多工況報警、報警預(yù)警、報警解析信息等。主要使用對象是一線操作人員與操作管理人員。

7）先進報警管理系統(tǒng)（AAS）報警管理功能：包括按照規(guī)范制定和實施報警規(guī)則；報警數(shù)據(jù)的采集統(tǒng)計和分析，確定報警KPI；去除無效報警；報警歸檔與合理化；多工況報警管理、報警變更、審計和報警強制技術(shù)；實時高級輔助報警。主要使用對象是專業(yè)職能管理與運維人員，如生產(chǎn)管理、技術(shù)管理、安全管理。

報警系統(tǒng)具備先進的報警管理工具，工廠相關(guān)人員使用這些工具可以有效地管理報警系統(tǒng)，不斷提高報警系統(tǒng)的效率和管理水平。報警管理方案既適用于新建項目的報警系統(tǒng)的設(shè)計與建設(shè)，也適用于對現(xiàn)有報警系統(tǒng)的改造與提升。

2 報警的定義及設(shè)置原則

為了改進報警管理，美國儀表協(xié)會（ISA）發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ISA-18.2-2009“過程工業(yè)中的報警系統(tǒng)管理[2]”。標(biāo)準(zhǔn)中將報警定義為“一種能夠提醒操作人員針對設(shè)備故障、過程偏差或者異常狀態(tài)作出響應(yīng)的、聲音的和視覺的方法。”這意味著報警不僅僅是信息或者事件，它還針對需要作出快速響應(yīng)的情況做出提醒。

報警的設(shè)置必須符合一定的原則，其中最重要的原則是：該事件是否需要操作員采取響應(yīng)動作。

過程報警的目的是提醒操作員工藝裝置出現(xiàn)異常工況并且需要人為干預(yù)操作，以防止后續(xù)可能發(fā)生更嚴(yán)重的工藝波動、意外停車或重大事故等。

2.1 操作員的報警響應(yīng)操作范圍

操作員的報警響應(yīng)操作包括：

1）通過控制系統(tǒng)操作畫面改變工藝參數(shù)的設(shè)定。

2）要求外操人員采取動作（如：手動啟泵、操作閥門、巡檢、樣品采集等）。

3）對異常工況進行故障診斷和分析。

4）出現(xiàn)異常工況時，通知其他相關(guān)人員或班組。

5）為后續(xù)必要的檢查、維護或修理活動進行情況記錄。

2.2 報警設(shè)置的基本原則

報警設(shè)置應(yīng)符合如下基本原則：

1）不需要操作員采取行動的事件不應(yīng)設(shè)置報警。

2）報警只有在異常工況下產(chǎn)生。當(dāng)工藝過程變量在正常工況下發(fā)生變化時，不應(yīng)該產(chǎn)生報警；報警不應(yīng)用于提示正常的工藝操作或者正常的設(shè)備切換。

3）報警應(yīng)進行合理的設(shè)置和組態(tài)，對于某個工藝過程事件不應(yīng)同時產(chǎn)生多個表示相同含義的報警；設(shè)置的報警應(yīng)能反映異常工況發(fā)生的主要原因或根本原因。

4）設(shè)置報警時，應(yīng)合理選擇報警的設(shè)定值并充分考慮既要留給操作員足夠的響應(yīng)操作時間，又不能設(shè)置過于保守從而造成頻繁報警，干擾正常的生產(chǎn)操作。

5）報警優(yōu)先級的設(shè)置需要遵循統(tǒng)一的原則。報警優(yōu)先級在工藝波動嚴(yán)重或報警泛濫時會直接決定操作員響應(yīng)操作的優(yōu)先順序。

6）控制系統(tǒng)中所有的報警信息都應(yīng)進行歸檔記錄，以方便今后的查詢、審查或培訓(xùn)工作。歸檔文件中還應(yīng)該包括所有報警定義的信息，以便為報警的合理化分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.3 報警管理系統(tǒng)的特征

報警管理系統(tǒng)應(yīng)具備以下特征：

1）相關(guān)性：每個報警都應(yīng)對操作人員有用，并與操作范圍一致（即操作人員對應(yīng)的操作區(qū)）。

2）唯一性：沒有重復(fù)出現(xiàn)的報警。

3）及時性：發(fā)出的報警應(yīng)考慮到操作人員有充足的時間響應(yīng)并采取行動。

4）優(yōu)先級：報警應(yīng)根據(jù)其引起的后果及允許響應(yīng)時間劃分不同的優(yōu)先級。

5）可讀性：報警信息應(yīng)準(zhǔn)確，不發(fā)生歧義，具有一致性。

6）診斷性：能協(xié)助診斷發(fā)生的問題。

表1 報警系統(tǒng)的功能規(guī)格要求Table 1 Functional specification requirements for alarm systems

7）指導(dǎo)性：報警發(fā)生后，提醒操作人員需要采取的行動。

8）集中性：多個報警發(fā)生時，應(yīng)將操作人員的注意力集中于關(guān)鍵的報警。

3 報警系統(tǒng)的規(guī)格要求

基本過程控制系統(tǒng)（BPCS）以DCS為例。以下列出了報警系統(tǒng)的功能規(guī)格要求、DCS與AAS的接口規(guī)格要求、人機界面的設(shè)計顯示與操作響應(yīng)要求。

3.1 報警系統(tǒng)的功能規(guī)格要求（見表1）

3.2 DCS-AAS接口規(guī)格要求

對于各種PCS需要配置以下的接口協(xié)議：

1）OPC DA Server 2.0或3.0版。

2）OPC HDA Server 1.1版以上。

3）OPC A & E Server 1.1版以上。

OPC數(shù)據(jù)訪問功能，應(yīng)符合OPC基金會發(fā)布的DA第2版和第3版規(guī)范要求，應(yīng)滿足審查與強制，報警擱置，動態(tài)報警和報警管理等功能。

OPC歷史數(shù)據(jù)訪問功能，應(yīng)符合OPC基金會發(fā)布的HDA第1.1版規(guī)范要求，應(yīng)提供趨勢和事件瀏覽的功能。

OPC報警和事件訪問功能，應(yīng)符合OPC基金會發(fā)布的A & E第1.1版規(guī)范要求，應(yīng)能通過OPC實時訪問報警和事件數(shù)據(jù)。

3.3 報警系統(tǒng)人機界面

DCS操作站應(yīng)具有完善的報警功能，對過程變量報警（絕對值報警、偏差報警、變化速度報警）和系統(tǒng)故障報警（包括診斷報警和硬件故障報警）應(yīng)有明顯區(qū)別。應(yīng)能對過程變量報警任意分級、分區(qū)、分組，應(yīng)能自動記錄和打印報警信息，區(qū)別第一事故報警，記錄報警順序。

無論當(dāng)時屏幕上是何種畫面，系統(tǒng)對任一報警都應(yīng)以聲音和視覺顯示（閃爍、顏色改變等）方式通知操作員，并且只要一次擊鍵即可調(diào)出有關(guān)畫面。系統(tǒng)按時間順序用加重、劃底線等方式，打印每一報警，返回正常后恢復(fù)常規(guī)打印。操作站或打印機上的所有報警都帶有日期和時間標(biāo)記。

操作員操作人機界面應(yīng)依據(jù)以下原則設(shè)計：

1）PLC、SIS、CCS、FGS報警輔助操作臺，AAS等系統(tǒng)上的報警信息都被集成到DCS系統(tǒng)，操作工使用DCS人機界面進行報警識別、確認(rèn)、核實和評估等操作。

2）優(yōu)先級為第4級的報警在輔操臺上顯示與確認(rèn)。

3）使用AAS系統(tǒng)界面進行報警管理的操作。

3.4 報警畫面切換與響應(yīng)

控制系統(tǒng)操作畫面的設(shè)計應(yīng)盡量減少操作員進行報警識別、確認(rèn)、核實和評估等操作的按鍵次數(shù)，應(yīng)該設(shè)計單獨的報警畫面，所有的報警一般只需要確認(rèn)一次。操作員主要是通過DCS進行報警確認(rèn)，輔助操作臺上第4級別的報警，需要在輔助操作臺和DCS上分別確認(rèn)。

每個報警都應(yīng)能夠從工藝流程畫面關(guān)聯(lián)到報警詳細(xì)信息畫面上。這種關(guān)聯(lián)顯示能有效地幫助操作員進行正確的報警診斷分析，減少報警影響并能顯示出其他相關(guān)的報警數(shù)據(jù)。操作員僅需要單次按鍵就能直接從流程畫面切換到報警信息畫面上。

報警發(fā)生時，操作員應(yīng)按照報警的優(yōu)先級別有序采取正確的響應(yīng)操作。在設(shè)計控制系統(tǒng)的操作及報警畫面時，應(yīng)充分考慮操作員的操作需求。報警響應(yīng)操作的基本步驟如下：

1）發(fā)現(xiàn)——發(fā)生異常工況時，操作員首先會通過操作畫面和報警聲響及時發(fā)現(xiàn)報警。

2）識別——操作員識別出報警的位號及其描述，然后通常進行消音操作。

3）核實——操作員通過其他相關(guān)顯示信息，核實報警的真實性和可靠性。

4）確認(rèn)——操作員對報警進行確認(rèn)。

5）評估——操作員通常在對報警進行響應(yīng)操作前，會快速通過操作畫面評估報警所影響的工藝區(qū)域。

6）操作——操作員對報警進行正確的響應(yīng)操作動作（調(diào)整工藝變量、通知外操人員采取行動、停止某設(shè)備、啟動備用設(shè)備、檢查儀表讀數(shù)、監(jiān)控某些工藝參數(shù)、要求緊急服務(wù)、提出維修要求）。

7）監(jiān)視——操作員繼續(xù)監(jiān)視工藝過程的變化，在報警完全消失前重復(fù)步驟5和步驟6的工作。

提示操作員的報警信息應(yīng)該具有統(tǒng)一的格式且簡潔明了；操作員應(yīng)遵循統(tǒng)一的步驟和執(zhí)行程序，這樣可以大大提高報警響應(yīng)操作的效率并盡可能地縮短響應(yīng)操作的時間。

3.5 報警的HMI顯示

報警管理的目的是建立持續(xù)有效的報警系統(tǒng)功能，幫助操作員發(fā)現(xiàn)和解決異常工況。報警HMI畫面的好壞對于提高報警管理水平同樣至關(guān)重要。

HMI畫面上報警顯示的基本原則如下：

1）不同優(yōu)先級別的報警應(yīng)該使用不同的報警顏色和報警聲響。

2）流程圖畫面上相同優(yōu)先級別的報警必須使用相同的報警顏色和形狀。

3）在流程圖畫面上操作員能夠快速地識別報警位號、報警確認(rèn)狀態(tài)以及報警的優(yōu)先級別。

4）報警所用的顏色在流程圖畫面中其他部分不得再使用。如紅色、黃色和橙色已經(jīng)用于不同優(yōu)先級別的報警顯示，那么這些顏色就不能再用于設(shè)備位號、工藝管線或其他非報警信息的顯示。

5）報警管理規(guī)范不允許僅使用顏色變化來顯示報警狀態(tài)（比如，僅用儀表讀數(shù)的顏色變化來提示操作員發(fā)生了報警）。

在系統(tǒng)做FAT時，應(yīng)按照以上原則對DCS操作畫面進行審查。報警顏色不得用于非報警用途，DCS畫面中所用到的其他顏色應(yīng)盡可能大地區(qū)別于各報警顏色，特別是區(qū)別于第3級以上的報警顏色。

4種優(yōu)先級別的報警在控制系統(tǒng)畫面上的顯示顏色見表2。

每個優(yōu)先級別的報警應(yīng)該具有各自唯一的報警聲響，確定的4種不同優(yōu)先級別的報警聲響頻譜的規(guī)定見表3。

表2 各優(yōu)先級報警畫面顏色Table 2 Priority alarm screen colors

表3 各優(yōu)先級報警聲音頻譜Table 3 Alarm sound spectrum for each priority

4 DCS與AAS的關(guān)系

DCS報警分為系統(tǒng)故障報警（包括診斷報警和硬件故障報警）和過程報警（絕對值報警、偏差報警、變化速度報警）兩類。過程報警是對每一過程變量設(shè)置及檢查高高限、高限、低限、低低限、變化率高限、設(shè)定偏差（死區(qū)可調(diào)）等報警的方法。AAS系統(tǒng)服務(wù)器需要能夠訪問對應(yīng)的AAS局域網(wǎng)服務(wù)器（OPC服務(wù)器）如圖2所示。

5 報警管理的最佳實踐步驟

圖2 DCS與AAS的關(guān)系圖Fig.2 Diagram of DCS and AAS

圖3 報警管理生命周期模型圖Fig.3 Alarm management lifecycle model diagram

報警管理是對文檔、設(shè)計、使用和維護程序文件進行合理地配置以建立有效的報警系統(tǒng)，ISA18.2中定義有效的報警管理系統(tǒng)必須包含過程和程序文件。圖3所示為報警管理生命周期模型[2]，這個模型可以應(yīng)用在全新的或者現(xiàn)存的報警系統(tǒng)中。

提高報警管理水平的主要工作步驟如下：

步驟1：制訂、修改和完善報警管理統(tǒng)規(guī)范。

步驟2：收集報警數(shù)據(jù)并評估控制系統(tǒng)報警性能。

步驟3：發(fā)現(xiàn)不合理的報警設(shè)置并解決此產(chǎn)生的報警問題。

步驟4：報警歸檔與合理化分析（D & R）并生成主報警數(shù)據(jù)庫。

步驟5：報警管理系統(tǒng)實施報警審查與強制重置（可選項）。

步驟6：報警管理系統(tǒng)進行實時報警管理。

步驟7：報警系統(tǒng)的變更管理與維護。

對于新建大型石油化工工廠，先進報警管理系統(tǒng)的實施宜首先制定報警管理規(guī)范，然后開展先進報警管理系統(tǒng)生命周期各階段活動。

對于已建大型石油化工工廠，先進報警管理系統(tǒng)的實施，首先要進行報警監(jiān)測與評估或報警系統(tǒng)審查，然后開展先進報警管理系統(tǒng)生命周期各階段活動。

6 結(jié)束語

大型化、現(xiàn)代化工廠報警設(shè)施繁多，報警信息過多過頻，這不僅會給操作人員造成壓力，而且可能疏漏嚴(yán)重的報警，導(dǎo)致不必要的生產(chǎn)損失。先進報警管理系統(tǒng)（AAS）是對工廠的過程和系統(tǒng)報警信息進行整理、分析、過濾及優(yōu)化的管理系統(tǒng)，實現(xiàn)報警管理的持續(xù)改進，提高生產(chǎn)操作安全性。