報警管理在乙烯裂解裝置上的應用

文/魏劍萍

石油化工企業普遍采用的分散控制系統（DCS）系統，為操作人員監控工藝過程提供了有力保障，DCS在報警方面的強大功能，為生產過程的安全運行起到了重大的作用。在DCS中，幾乎每一個組態點都可以設置多個報警（一個PID回路通常可設置測量報警、偏差報警、BADPV等10多個報警），通常，一個普通操作員在操作波動的情況下，每一分鐘只能處理一個報警，報警點的過度設置，不僅起不到應有的預警作用，有時反而會干擾操作人員的正常判斷和合理處置，甚至導致重大事故的發生，因此，對報警進行有效管理，顯得十分迫切，雖然目前的DCS已經具備一定的報警管理功能，如可以對報警添加注釋、對報警點進行分組管理，有的DCS系統還可對報警進行屏蔽，但是，這些功能遠遠不能滿足用戶對實時報警進行管理的需求，用戶需要有更為有效的采集、儲存、測量和分析手段，以持續改進報警系統，Matrikon Alarm Manager正是這樣一款工具軟件，它能實時、自動生成遵循標準的KPI（Key Performance Index）關鍵性能圖表，通過WEB服務器，還可使管理人員在辦公室了解DCS中正在發生的報警狀況，報警管理對于類似乙烯這樣儀表設備數量眾多的裝置，效果比較明顯。

一、裂解裝置實施報警優化前后的效果

在完成對某裂解裝置各單元的報警優化工作后，裝置的總報警數由21564（統計自2012/7/15至2012/8/15）減少了約51%，至10673（統計自2012/9/5至2012/10/05）；操作工對報警的干預率從276268減少了約38%，至171565。

二、報警管理的性能指標（KPI）

EEMUA 191關于《報警系統——設計、管理和采購導則），對報警性能指標提出了一些指導意見，下面結合在乙烯裂解中報警管理中的應用，對目標和執行情況進行對比。

1.最大報警率

定義：在某一時間段內，把報警日志（Log）分成連續的10分鐘時間片來計算，計算工廠在有波動時的報警數量（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警數量）。EEMUA建議：每個操作工在裝置擾動狀態下，10分鐘內接收到的報警數量小于10個是易于處理的（predictable），報警數量大于20個是很難應付的。乙烯裂解裝置報警優化項目確立的目標是<15個/10Min。

2.平均報警率

定義：在某一時間段內，報警總數除以時間間隔數的值。EEMUA建議：每個操作工每5分鐘平均接收到1個報警是易于處理的，每10分鐘少于1個是可接受的。乙烯裂解裝置報警優化項目確立的目標是<2個/10Min。

3.擾動報警百分比（%Upset or %burst）

定義：在某一時間段內，若把報警日志分成連續的1小時時間片段，計算報警數量超過30個的報警時間片段數占總時間片段數的百分比。EEMUA建議擾動報警百分比應在1%～3%之間。乙烯裂解裝置報警優化項目確立的目標是<2%。

4.靜態報警負荷指標

這是衡量DCS中在組態階段所設置的報警數量是否合理的指標，一個好的報警系統，既要避免某區域所發生的報警數量過多，也要避免報警數量太少，在設計階段，就應該考慮報警數量的合理性。EEMUA建議：每個PID回路控制器回路平均設4個報警值，而每個模擬量和數字量信號平均設1～0.4個報警。

5.報警優先級分布

確定優先級的目的是使操作員在DCS報警在出現大量報警時，能易于辨別重要的報警，一個良好的報警系統應具有這樣一個特點：報警優先級越高報警發生的頻率越低。EEMUA建議：報警級別在靜態（指在設計或DCS組態時）情況下，基本應符合下列比例，即：緊急報警占5%～10%、高級占15%～35%、低級報警占55%～80%；而在裝置運行階段（“實時”報警），動態的報警優先級分配應大致服從以下比例：緊急報警占1%～5%； 高級報警占15%～20%； 低級報警占75%～80%。

事實上，在報警系統的設計階段，很難使靜態優先級報警比例控制在EEMUA所建議的指標內，也沒有必要嚴格控制靜態報警優先級比例控制，因為動態KPI指標才是我們關心的，許多在靜態時設置為緊急優先級的報警在投入運行后很少會發生，例如，可燃氣體檢測器報警、事故停車和安全系統的報警，這些都會影響動態指標；但另一方面，如果靜態報警分布嚴重偏離基準，也會導致動態指標的偏離。

在乙烯裂解裝置中，由于項目執行深度欠缺及DCS組態中存在的一些不足，整個裝置的靜態報警優先級指標偏離了EEMUA建議的目標，再加上裝置上在運行階段，小組成員討論出來的DCS修改內容需要在裝置上在合適的機會予以實施，故整個裝置的動態優先級性能不是很理想，但主要區域——裂解區域離EEMUA建議更近了，這得益于對裂解爐的報警優化討論比較充分并且爐子有單獨停爐修改DCS組態的機會。

三、乙烯裂解裝置的報警優化實施

這是整個報警優化工作是否能夠達到預定效果的關鍵步驟。項目實施前，應成立由操作工、工藝工程師、DCS工程師和Honeywell報警管理專家組成的報警管理項目組，該小組人數以3～5人為好，小組成員應集中時間辦公，以排除干擾。小組成員應參加報警系統優化的培訓課程，接受報警管理的理念，如報警不是越多越好、必須將操作人員的注意力集中到最重要的報警上面、應抑制沒有意義的報警、報警描述必須清楚和容易理解等。

1.靜態報警優化

在這個階段，首先需收集乙烯裂解裝置的報警策略設計文檔及報警臺帳，小組成員利用HAZOP（危險與可操作分析）方法，對每一個設計的報警點進行分析，以判定報警優先級或修改報警值等。在這個分析階段，我們發現了DCS系統在報警組態上的不合理問題，譬如，PKS DCS中“DACA”塊中的“ROCNEGALM”（PV值負向變化率報警） 和“ROCPOSALM”（PV 值正向變化率報警），均被賦予了“LOW”級別的報警，但報警參數一欄卻是“NAN”。

2.動態報警優化

利用Matrikon Alarm Manager數據采集器，通過OPC A&E接口收集DCS系統的報警和事件數據，生成相應的報警匯總報告，以對動態報警活動和事件進行統計分析和改進，Matrikon Alarm Manager提供了多種工具用以分析改進動態報警，典型的有：

①最為頻繁的報警

②因果報警 定義：當某個“父”報警發生時，某個“子”報警也同時發生，在1分種內有2次這樣的現象，則定義為1次關聯。建議當預測度（predictability）大于40%時，必須對父、子報警的關系進行審閱，以決定報警取舍。

③持續不斷的報警（Chattering Alarms）定義：以10s為時間片斷，片斷內發生的報警次數占總時間片斷的百分比。這種報警多發生在當某個報警值設定在報警臨界狀態時，報警總是“喋喋不休”地在報警上下限或死區附近來回波動。解決這個問題的方法有：對于數字量信號，可以采取加延時的辦法予以處理，對于模擬量信號除了加延時外，還可以通過設置報警死區的方式實現。

④長時間的持續報警（STANDING ALARMS） 定義：持續超過24小時的報警。對持續很長時間的報警，報警優先級的設置非常重要，需要對其重新評估，一般地，長時間持續的報警其優先級不應該設的太高，大量出現持續報警表明工廠運行糟糕或者這些報警根本不需要操作員的關注，對后一種情況，這些報警應予以設法處理。在乙烯裂解裝置中，我們針對裂解爐在不同工況下的報警設置進行了“智能化處理”，乙烯裂解爐有四種運行狀態：“運行”、“熱備”、“燒焦”、“停爐”，在“熱備”、“燒焦”和“停爐”時，有很多過程參數會偏離正常運行區域而報警，為了減少這種無意義的報警，通過在DCS中做順控邏輯，把這三種模式下對應的報警信號予以抑制。通過這個方式，分別屏蔽了在“停爐”、“燒焦”、“熱備”狀態下共115個、23個和8個報警信號。

四、存在的問題

乙烯裂解裝置的報警優化后，在靜態報警負荷方面，由于“DI ”、“DO”等數字量類型的報警數偏離KPI性能指標較多，再加上“AI”和“PID”控制器類型的報警數也接近了KPI指標的上限，故導致整個裝置的靜態報警設置數量指標不理想。這影響了動態負荷特性，譬如：

①每天有接近幾百個報警被操作工暫時掛起或屏蔽，這些被屏蔽的報警應進一步研究其原因，如果考慮這些被屏蔽的報警，則動態報警負荷超出了EEMUA目標值。

②在報警優先級比例方面，盡管在裂解區域的報警級別比例已經基本接近EEMUA目標，但整個裝置的報警優先級指標離目標還有很大距離，特別是有大量的報警集中在高優先級，這意味著在過程/裝置波動期間，操作員須查看所有的報警。

這些問題的造成，主要原因是靜態報警優化做得還不夠深入，項目小組成員都是臨時從生產中抽出來進行討論的，在項目后期，甚至在個人辦公室獨自開展分析工作，因此缺乏共同論證；另外，對于動態報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警、操作工干預最多報警等等，由于企業中缺乏專門的報警管理團隊予以持續的跟蹤，因此導致了已經優化好的指標在運行一段時間后又出現偏離現象。

五、小結

隨著生產和操作要求的進一步提高，自動化系統內的報警管理從來未曾象現在這樣重要過，毫無疑問，報警系統的效率低下，會抵消整個DCS的功效。乙烯裂解裝置的報警優化實施，不僅進一步提升了DCS系統的報警性能，更重要的是為我們引入了一種全新的報警管理方法。