燃?xì)釹CADA系統(tǒng)報(bào)警泛濫抑制措施應(yīng)用研究

彭超龍，鞏忠領(lǐng)，鄒牛洋

(深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司，廣東 深圳 518049)

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)作為流程工業(yè)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，也是中國(guó)最常用的生產(chǎn)過(guò)程報(bào)警管理系統(tǒng)，在燃?xì)庑袠I(yè)是通過(guò)自動(dòng)化、信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的遙測(cè)、遙信、遙控及遙調(diào)[1]。隨著近年來(lái)，燃?xì)釹CADA系統(tǒng)平臺(tái)規(guī)模不斷擴(kuò)大，開(kāi)放性和兼容性不斷增強(qiáng)，平臺(tái)集成和開(kāi)發(fā)成本大幅降低，報(bào)警組態(tài)更加簡(jiǎn)單快捷，且人為報(bào)警設(shè)置無(wú)需增加任何成本，所以，同樣存在其他流程工業(yè)中報(bào)警泛濫、無(wú)效報(bào)警過(guò)多、報(bào)警優(yōu)先級(jí)分布不當(dāng)?shù)惹闆r[2-3]。據(jù)非正常工況聯(lián)盟調(diào)查統(tǒng)計(jì)，每年企業(yè)都會(huì)由于報(bào)警泛濫產(chǎn)生的誤操作、意外停車(chē)等事故損失上億甚至上百億美元[4]。

深圳某燃?xì)夤静捎玫腟CADA系統(tǒng)由中央監(jiān)控、數(shù)據(jù)通信和遠(yuǎn)端站控等系統(tǒng)組成。燃?xì)釹CADA系統(tǒng)監(jiān)控站點(diǎn)涵蓋天然氣門(mén)站、LNG站、電廠計(jì)量站、調(diào)壓站、閥室及中壓壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，累計(jì)229個(gè)站點(diǎn)。為了全面掌握燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)，該系統(tǒng)采集管道壓力、溫度、介質(zhì)組分、熱值、瞬時(shí)流量、燃?xì)庑孤?、?zhí)行器運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并對(duì)關(guān)鍵參數(shù)、關(guān)鍵區(qū)域設(shè)置了報(bào)警點(diǎn)，包括報(bào)警閾值、報(bào)警級(jí)別、報(bào)警聲音、報(bào)警死區(qū)和報(bào)警延時(shí)抑制等屬性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年—2020年，該系統(tǒng)年報(bào)警量最高可達(dá)18.9萬(wàn)條，海量的報(bào)警信息使得燃?xì)夤芫W(wǎng)安全監(jiān)控形勢(shì)變得十分嚴(yán)峻，報(bào)警信息得不到及時(shí)有效處理，給企業(yè)的安全生產(chǎn)埋下嚴(yán)重隱患。因此，優(yōu)化報(bào)警點(diǎn)設(shè)置，改善報(bào)警泛濫成為了企業(yè)報(bào)警管理系統(tǒng)中亟待解決的問(wèn)題[5-6]。

1 報(bào)警抑制原理

天然氣調(diào)度中心在城市燃?xì)獾倪\(yùn)營(yíng)調(diào)度中發(fā)揮著重要作用。為了保證城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要實(shí)時(shí)在線監(jiān)控管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)異常工況進(jìn)行報(bào)警。該系統(tǒng)報(bào)警信息由“1”和“0”組成， “1”代表觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警，“0”代表未觸發(fā)報(bào)警，當(dāng)生產(chǎn)裝置上檢測(cè)儀表輸出的過(guò)程信號(hào)值達(dá)到報(bào)警設(shè)定值且滿足特定約束條件后就會(huì)生成報(bào)警信息“1”，并以聲音和跳動(dòng)字幕的方式提示調(diào)度操作人員，其他情況均不產(chǎn)生報(bào)警信息。因此，觸發(fā)報(bào)警點(diǎn)報(bào)警的決策變量為生產(chǎn)過(guò)程信號(hào)值，該系統(tǒng)中模擬量、開(kāi)關(guān)量生產(chǎn)過(guò)程值報(bào)警示意過(guò)程如圖1所示。

圖1 過(guò)程值報(bào)警示意

流程工業(yè)中一般認(rèn)為過(guò)程值達(dá)到預(yù)設(shè)值就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信息，然而為了減少報(bào)警泛濫，常會(huì)采用先進(jìn)的報(bào)警技術(shù)過(guò)濾處理報(bào)警信號(hào)，即報(bào)警抑制。只有當(dāng)過(guò)程信號(hào)值滿足特定約束條件后，生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)才會(huì)真正生成報(bào)警信息。因此，這些觸發(fā)報(bào)警的約束條件就成為了抑制報(bào)警的有效措施?；趫?bào)警點(diǎn)決策變量、抑制條件以及對(duì)歷史報(bào)警數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，為了直觀表現(xiàn)報(bào)警信號(hào)生成的過(guò)程，針對(duì)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中的模擬量、開(kāi)關(guān)量分別建立了報(bào)警點(diǎn)抑制的觸發(fā)表達(dá)式，其中模擬量又分高、低限值類(lèi)。

限值類(lèi)高報(bào)警觸發(fā)表達(dá)式如式(1)所示：

(1)

限值類(lèi)低報(bào)警觸發(fā)表達(dá)式如式(2)所示：

(2)

離散類(lèi)報(bào)警觸發(fā)表達(dá)式如式(3)所示：

(3)

式中：zt(n)——報(bào)警信號(hào)；xp(n)——過(guò)程信號(hào)；xs——報(bào)警閾值；Lmin——儀表測(cè)量下限；Lmax——儀表測(cè)量上限；y——報(bào)警抑制條件。

2 報(bào)警抑制條件與適用對(duì)象分析

報(bào)警點(diǎn)的抑制設(shè)置需要在滿足一定條件下才可以進(jìn)行，針對(duì)該系統(tǒng)報(bào)警原理和報(bào)警抑制機(jī)制，報(bào)警點(diǎn)設(shè)置報(bào)警抑制的適用場(chǎng)景有以下幾點(diǎn)：

1)xs為固定值?？蓛?yōu)化報(bào)警設(shè)定點(diǎn)的抑制條件y，通過(guò)設(shè)置抑制條件可以減少滋擾報(bào)警。如設(shè)置延時(shí)30 s，即報(bào)警信號(hào)觸發(fā)了設(shè)定值且保持30 s后，才會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信息。該方法適用于已投運(yùn)生產(chǎn)場(chǎng)站，頻閃、抖動(dòng)報(bào)警較多的報(bào)警點(diǎn)。

2)y已固化設(shè)置。優(yōu)化報(bào)警設(shè)定點(diǎn)的對(duì)象為xs，該值的設(shè)置需按照生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)要求及工況變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，且xs不能超過(guò)檢測(cè)儀表的測(cè)量界限。該方法適用于已投運(yùn)生產(chǎn)站點(diǎn)，需要調(diào)整報(bào)警閾值的報(bào)警點(diǎn)。

3)對(duì)xs，y同時(shí)調(diào)整，屬于完全重新設(shè)置報(bào)警點(diǎn)。該方法適用于新建站點(diǎn)報(bào)警點(diǎn)的設(shè)置。

3 報(bào)警抑制措施應(yīng)用

報(bào)警抑制旨在減少抖動(dòng)、瞬閃和常駐等高頻次的異常報(bào)警。以投運(yùn)的某門(mén)站為例，在報(bào)警閾值設(shè)定不變的前置條件下，改變報(bào)警抑制條件成為改善報(bào)警泛濫的主要方向。通過(guò)對(duì)該門(mén)站歷史報(bào)警數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，壓力、溫度的頻繁波動(dòng)，通信、閥位狀態(tài)的頻閃，瞬時(shí)流量的抖動(dòng)等異常報(bào)警將是報(bào)警抑制的重點(diǎn)對(duì)象。以該門(mén)站1個(gè)季度的歷史報(bào)警數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究了排名靠前的TOP10報(bào)警，詳細(xì)分析了報(bào)警發(fā)生的頻次、時(shí)間段、產(chǎn)生的原因，報(bào)警的歷史曲線，報(bào)警的表現(xiàn)形式等，并依據(jù)每種報(bào)警的特點(diǎn)給出了相應(yīng)的報(bào)警抑制措施。某門(mén)站1個(gè)季度排名前10報(bào)警數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析見(jiàn)表1所列。

表1 某門(mén)站1個(gè)季度排名前10報(bào)警數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

3.1 設(shè)置報(bào)警延時(shí)

一般在生產(chǎn)監(jiān)控的報(bào)警管理系統(tǒng)中，一旦過(guò)程值達(dá)到設(shè)定值時(shí)就會(huì)被記錄下來(lái)，并產(chǎn)生報(bào)警輸出信號(hào)。報(bào)警延時(shí)則是過(guò)程值觸發(fā)報(bào)警閾值后并且要等待一定時(shí)間待過(guò)程狀態(tài)穩(wěn)定后，才記錄變化值并輸出報(bào)警信號(hào)。在報(bào)警延時(shí)設(shè)計(jì)中，延時(shí)區(qū)間的長(zhǎng)度稱為時(shí)間窗口[7]。以該門(mén)站通信信道狀態(tài)報(bào)警為例進(jìn)行說(shuō)明，比較設(shè)置不同長(zhǎng)度的時(shí)間窗口對(duì)抑制通信信道報(bào)警數(shù)量的影響。在設(shè)置報(bào)警延時(shí)之前，需要統(tǒng)計(jì)通信狀態(tài)的歷史報(bào)警持續(xù)時(shí)間，不同時(shí)間窗口報(bào)警數(shù)見(jiàn)表2所列。

表2 通信信道報(bào)警信號(hào)數(shù)量及持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

在完成報(bào)警持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)后，需延時(shí)設(shè)置不同長(zhǎng)度時(shí)間窗口，報(bào)警管理系統(tǒng)延時(shí)效果如圖2所示。

圖2 報(bào)警延時(shí)效果示意

從圖2中可以看出，針對(duì)通信信道進(jìn)行5 min的報(bào)警延時(shí)設(shè)置可以減少80%以上的報(bào)警，設(shè)置30 min則可以減少97%以上的報(bào)警。

3.2 設(shè)置報(bào)警死區(qū)

死區(qū)技術(shù)是一種有效解決抖動(dòng)報(bào)警的措施[8]。在報(bào)警系統(tǒng)設(shè)置死區(qū)抑制措施后，報(bào)警的產(chǎn)生和恢復(fù)是基于設(shè)定閾值的兩個(gè)不同值，即上浮和下調(diào)一定比例，這樣更寬裕的區(qū)間可有效減少噪聲影響。但在設(shè)置死區(qū)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意死區(qū)的區(qū)間不能太大，否則過(guò)程值回落到正常工藝范圍內(nèi)時(shí)，報(bào)警無(wú)法消除，生產(chǎn)系統(tǒng)將持續(xù)產(chǎn)生報(bào)警信息。針對(duì)化工生產(chǎn)過(guò)程典型模擬量報(bào)警信號(hào)，EEMUA[9]標(biāo)準(zhǔn)給出了死區(qū)參考區(qū)間。

以該門(mén)站進(jìn)站壓力為例，通過(guò)對(duì)歷史報(bào)警數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)分輸站進(jìn)站壓力點(diǎn)的低報(bào)警在下限閾值3.5 MPa范圍內(nèi)頻繁震蕩，高報(bào)警在上限閾值4.2 MPa范圍內(nèi)頻繁震蕩。依據(jù)報(bào)警閾值設(shè)置死區(qū)的原則，首先按照0.5%浮動(dòng)調(diào)整報(bào)警閾值，調(diào)整后的報(bào)警閾值上下限為4.221 MPa和3.83 MPa，可總體減少約30%的報(bào)警。因此，采用依次遞增0.5%的比例驗(yàn)證死區(qū)設(shè)定效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)報(bào)警閾值死區(qū)設(shè)定比例在1.5%時(shí)，可減少系統(tǒng)報(bào)警總量的80%以上。報(bào)警閾值死區(qū)設(shè)定比例對(duì)報(bào)警數(shù)量的影響見(jiàn)表3所列。

表3 報(bào)警閾值死區(qū)設(shè)定比例 %

3.3 設(shè)置報(bào)警閾值偏差

報(bào)警閾值偏差的設(shè)置與報(bào)警死區(qū)技術(shù)的原理大致相同，都是浮動(dòng)設(shè)定報(bào)警的閾值，唯一的區(qū)別是事先規(guī)定好允許的偏差范圍。依據(jù)概率統(tǒng)計(jì)，通常要求報(bào)警閾值的設(shè)定值要控制在3δ標(biāo)準(zhǔn)方差內(nèi)，即設(shè)定的報(bào)警閾值應(yīng)覆蓋不少于97.3%的報(bào)警值[10]。本文以該門(mén)站至沿途某出口電液聯(lián)動(dòng)閥壓力報(bào)警為例，壓力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4所列。

表4 該門(mén)站至沿途某出口電液聯(lián)動(dòng)閥壓力報(bào)警統(tǒng)計(jì)

(4)

(5)

因此，電液聯(lián)動(dòng)閥壓力的報(bào)警閾值設(shè)置3δ標(biāo)準(zhǔn)方差后，則報(bào)警上限由原19.0 MPa變?yōu)?9.5 MPa，可知該報(bào)警閾值可覆蓋絕大多數(shù)異常報(bào)警值。

3.4 設(shè)置報(bào)警擱置

報(bào)警擱置有鎖存報(bào)警和清除報(bào)警條件兩種方式。前者適用于有計(jì)劃的作業(yè)報(bào)警；后者適用于突發(fā)的常駐報(bào)警。不管采取何種形式其目的都是減少已知的報(bào)警或無(wú)法解除的報(bào)警，從而控制產(chǎn)生報(bào)警的數(shù)量。因此，針對(duì)該系統(tǒng)每季度的定期功能測(cè)試，應(yīng)采取報(bào)警擱置抑制措施。

此外，針對(duì)該類(lèi)報(bào)警的設(shè)置與管理，在采取擱置措施前，要確保該報(bào)警得到有效管控，明確可擱置、解除的條件，其次要做好交接班的交底，詳細(xì)告知擱置的報(bào)警信息以及最長(zhǎng)可擱置的持續(xù)時(shí)間，且擱置的報(bào)警應(yīng)在報(bào)警系統(tǒng)中突出告警顯示，以便提示調(diào)度操作人員及時(shí)跟蹤處置擱置報(bào)警。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)報(bào)警泛濫抑制措施在該門(mén)站監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施后，報(bào)警總量減少了94.5%，有效改善了燃?xì)釹CADA監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警泛濫現(xiàn)象。隨著城市燃?xì)夤芫W(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，該系統(tǒng)報(bào)警點(diǎn)的數(shù)量還將進(jìn)一步增加，為避免該系統(tǒng)再次出現(xiàn)報(bào)警泛濫現(xiàn)象，作為生產(chǎn)調(diào)度管理部門(mén)應(yīng)重點(diǎn)從以下兩個(gè)方面完善報(bào)警管理制度： 一是建立報(bào)警管理KPI指標(biāo)考核體系，對(duì)每季度排名前10的報(bào)警不斷進(jìn)行報(bào)警參數(shù)優(yōu)化調(diào)整；二是結(jié)合生產(chǎn)調(diào)度班組人數(shù)及任務(wù)量，確定當(dāng)班次可接受處理的最大報(bào)警數(shù)量，保證報(bào)警系統(tǒng)產(chǎn)生的每1條報(bào)警都能得到及時(shí)有效的閉環(huán)管理。