先進報警管理系統(tǒng)設計應用探討

馬睿

（中國石化工程建設有限公司，北京100101）

近年來，中國石油化工、煤化工等流程工業(yè)已建成一批大型化、集約化、規(guī)模化、一體化的煉油（煤）化工企業(yè)，自動化、信息化集成系統(tǒng)的成功應用，保證了石化工廠實現(xiàn)安全穩(wěn)定運行。由于報警過多、過頻，操作人員處理異常工況時負荷過重，未能及時、準確判斷異常的原因并采取有效措施，有時疏漏嚴重報警，導致不必要的生產(chǎn)損失，降低裝置生產(chǎn)安全性。近期調(diào)查結果表明：在世界范圍內(nèi)發(fā)生的多起石油化工廠事故與報警管理不當有關。因此，制訂有效報警設計策略和設置先進報警管理系統(tǒng)是保障安全生產(chǎn)的關鍵因素之一。

20世紀90年代，美國、歐洲等工業(yè)發(fā)達國家開始進行流程工業(yè)、機械制造業(yè)的異常工況報警的研究開發(fā)并不斷進行實踐，總結出報警管理的方法論和實施策略，推廣應用報警管理技術。工程設備和材料用戶協(xié)會（EEMUA）于1999年發(fā)布了EEMUA 191關于報警管理的行業(yè)指南，美國儀表自動化協(xié)會（ISA）和國際電工協(xié)會（IEC）先后于2009年和2014年發(fā)布了ANSI／ISA 18.2和IEC 62682關于流程工業(yè)的報警系統(tǒng)管理標準［1－2］。

國內(nèi)大型石油化工企業(yè)的工藝、自控、操作、維護等管理和技術人員已經(jīng)重視研究報警管理策略和實施方法，并在實際應用中取得了一定的經(jīng)驗和成效。

1 先進報警管理系統(tǒng)設計策略

先進報警管理系統(tǒng) AAS（advance alarm management system）是對工廠工藝過程和控制系統(tǒng)的報警信息進行采集、分析、管理及優(yōu)化的系統(tǒng)，協(xié)助工藝操作人員發(fā)現(xiàn)工藝過程及控制系統(tǒng)出現(xiàn)的應關注并響應的報警，采集報警信息以支持事件記錄、事故分析、報警管理、優(yōu)化改進等工作。

AAS設計和實施運用全生命周期管理的理念，通過報警分組、報警優(yōu)先級定義、基于工況的報警、報警過濾、報警抑制、報警信息診斷分析等，實現(xiàn)先進報警管理功能，提高生產(chǎn)操作安全性。

AAS全生命周期活動分為工程實施階段和運行維護階段［2］，主要包括：需求調(diào)研及分析，規(guī)范制定，功能設計，報警辨識、歸檔及分析，設計、組態(tài)及調(diào)試，投用，維護，分析評估，報警變更管理等。

2 先進報警管理系統(tǒng)設計原則

2.1 先進報警管理系統(tǒng)規(guī)范

先進報警管理系統(tǒng)規(guī)范規(guī)定了報警設置、報警優(yōu)先級定義、報警顯示、報警響應、報警維護等方面的統(tǒng)一原則，是對AAS定義、開發(fā)、設計、工程實施及運行維護等的全面要求。其規(guī)范制定是AAS全生命周期的基礎階段。

報警，即用聲響或視覺顯示的方式提示操作員出現(xiàn)了設備故障、工藝波動或異常工況，需操作員響應操作［3］。報警設置的兩個原則：1）該事件需要操作員采取響應動作，如：利用控制系統(tǒng)調(diào)整工藝、改變操作模式、手動控制機械設備或閥門、分析原因并解決問題、指導操作員采取行動等；2）重要的異常事件報警，正常工藝操作或設備切換不報警［4］。

報警優(yōu)先級表征報警的嚴重程度。EEMUA，ISA等提出了報警優(yōu)先級分布指導［1－2］。對于石油化工、煤化工行業(yè)，可將報警優(yōu)先級定義為緊急、高、中、低、診斷報警5個級別，各級別報警類型和報警所占百分比，見表1所列。各優(yōu)先級報警的顯示應分別采用獨特醒目的畫面顏色和聲響，且顏色和聲響不再用于控制系統(tǒng)的其他非報警內(nèi)容。

表1 報警優(yōu)先級定義

操作員應根據(jù)報警優(yōu)先級順序進行響應操作，基本步驟如下：

1）通過操作畫面和聲響及時發(fā)現(xiàn)報警（發(fā)現(xiàn)）。

2）識別報警位號及其描述，并消音（識別）。

3）通過其他相關顯示信息，驗證報警的真實性和可靠性（驗證）。

4）確認報警（確認）。

5）通過操作畫面快速評估報警影響的工藝區(qū)域（評估）。

6）對報警采取正確的響應操作（操作）。

7）繼續(xù)監(jiān)控工藝過程變化（監(jiān)控），在報警完全消失前重復步驟5）和6）。

報警系統(tǒng)的性能指標可分為報警負荷超高、報警負荷偏高、報警負荷穩(wěn)定、報警性能魯棒、異常工況預測等5個級別［1］。

根據(jù)ISA 18.2建議，AAS實施后每個操作崗位的關鍵性能指標（KPI）（基于30d以上的數(shù)據(jù)），見表2所列［2］。

表2 每個操作崗位的關鍵性能指標（KPI）

2.2 報警辨識、歸檔及分析

報警辨識、歸檔及分析是設置報警和定義報警優(yōu)先級的主要方法，是AAS全生命周期活動的關鍵階段。

所有報警應通過合理化分析后確定。分析工作所需的基礎文件包括：管道和儀表流程圖（P＆ID）、設備數(shù)據(jù)表，工藝操作手冊，控制系統(tǒng)組態(tài)數(shù)據(jù)庫，過程危險分析（PHA）、危險和可操作性分析（HAZOP）、保護層分析（LOPA）及類似審查結果，緊急停車（ESD）或安全聯(lián)鎖邏輯圖及報警、聯(lián)鎖設定值表，控制系統(tǒng)流程畫面圖等。分析結果應歸檔至主報警數(shù)據(jù)庫，包括設定值、分類、優(yōu)先級、原因、后果、操作員動作、響應時間等。

確定報警優(yōu)先級依據(jù)兩個原則：1）未設置報警或報警未被及時正確響應導致的后果嚴重程度，后果主要考慮人員、公共場所或環(huán)境、經(jīng)濟三類影響，嚴重程度分為無影響、影響較小、影響較大、影響嚴重4個等級，以各類影響中的最差情況作為最終的后果嚴重程度；2）允許響應時間，即從報警發(fā)生到后果產(chǎn)生的時間，分為緊急響應、快速響應、按時響應3個等級，允許響應時間超過30min的報警應取消或重新設置。可根據(jù)后果嚴重程度和允許響應時間矩陣確定報警優(yōu)先級［4］，見表3所列。第5級（緊急）報警應滿足表中第4級（高）報警的原則，是引起全廠、全裝置重要單元緊急停車的關鍵報警或引起安全、環(huán)保和人身事故的重大報警。

表3 后果嚴重程度和允許響應時間矩陣

2.3 報警變更管理

報警變更管理是在運行維護階段，通過分析報警歸檔來改進報警設置方案，是AAS全生命周期內(nèi)持續(xù)進行的活動。

報警變更包括：創(chuàng)建新報警，刪除現(xiàn)有報警，更改報警優(yōu)先級、報警設定值、報警類型、報警描述和文檔信息、位號點的執(zhí)行狀態(tài)、操作界面的報警顯示，暫時的報警抑制等。

報警變更應遵循申請、評估、審查、批準、實施、培訓、監(jiān)管等作業(yè)程序。

3 先進報警管理系統(tǒng)設計應用

3.1 先進報警管理系統(tǒng)網(wǎng)絡架構

AAS可采用兩層網(wǎng)絡架構（舉例），如圖1所示。

第1層網(wǎng)絡為AAS數(shù)采網(wǎng)，從DCS過程控制網(wǎng)至AAS服務器。AAS數(shù)據(jù)采集器內(nèi)的AAS數(shù)采程序通過OPC AE（alarms and events）從DCS局域網(wǎng)（LAN）讀取相關報警信息，并通過交換機傳送至AAS服務器。數(shù)據(jù)限于單向傳輸，確保DCS信息安全。

第2層網(wǎng)絡為AAS管理網(wǎng)，從AAS服務器至AAS客戶端。服務器與客戶端之間設置防火墻，確保AAS信息安全。

A裝置、B裝置共用1臺AAS服務器（1）；C裝置、D裝置、E裝置共用1臺AAS服務器（2）。每臺AAS服務器能分別訪問對應DCS LAN的AAS數(shù)據(jù)采集器。

A裝置、B裝置、C裝置分別配置1臺AAS客戶端；D裝置、E裝置共用1臺AAS客戶端。

3.2 先進報警管理系統(tǒng)硬件

AAS數(shù)據(jù)采集器采用服務器或工作站，64位字長、1.8GHz主頻的Intel雙核CPU，2GByte內(nèi)存，500GByte硬盤，512MByte集成顯卡，操作系統(tǒng)Microsoft Windows Server 2008。

AAS服務器，64位字長、2.4GHz主頻的Intel四核CPU，8GByte內(nèi)存，500GByte RAID1硬盤，512MByte集成顯卡，操作系統(tǒng) Microsoft Windows Server 2008。

AAS客戶端采用工作站，64位字長、2.4GHz主頻的Intel四核CPU，8GByte內(nèi)存，500GByte硬盤，1GByte獨立顯卡，操作系統(tǒng) Microsoft Windows 7。

交換機采用工業(yè)級網(wǎng)絡交換機。

3.3 先進報警管理系統(tǒng)軟件

AAS數(shù)據(jù)采集器配置OPC服務器軟件。

AAS服務器設置主報警數(shù)據(jù)庫，配置Microsoft SQL Server 2008，并滿足以下要求：至少能保存1×104個位號的報警和事件數(shù)據(jù)3～5a；與DCS間的通信延時不超過1min；數(shù)據(jù)庫至少能提供6個客戶端服務。

AAS數(shù)據(jù)采集器和AAS服務器配置報警管理軟件，實現(xiàn)報警擱置、多工況報警、事件分析、KPI定制、歸檔與合理化分析等。

3.4 先進報警管理系統(tǒng)高效人機界面

先進報警管理系統(tǒng)的高效人機界面設計原則如下：

1）畫面底色采用灰色。

2）報警顏色專用。

3）設備采用低對比度的二維圖形。

4）避免使用動畫。

5）工藝流程從左至右，氣體流向往上，液體流向往下。

6）顯示重要參數(shù)的趨勢圖。

7）采用驗證和安全措施，避免數(shù)據(jù)輸入錯誤。

8）采用邏輯性和連續(xù)性的分層顯示界面。

圖1 先進報警管理系統(tǒng)網(wǎng)絡架構

高效人機界面采用分層顯示：第1層，流程區(qū)域總覽，顯示整個操作控制區(qū)域的總圖；第2層，流程單元控制，顯示操作控制的子單元；第3層，流程單元細節(jié)，顯示設備或控制器；第4層，流程單元支持和診斷，顯示聯(lián)鎖、ESD、診斷信息等［4］。

4 結束語

AAS是石油化工、煤化工自動化信息化系統(tǒng)集成的重要組成部分，基于可靠、統(tǒng)一、集成、共享的實時和歷史大數(shù)據(jù)平臺，通過客戶化定制開發(fā)，采用全生命周期管理的理念設計和實施，可持續(xù)改進報警現(xiàn)狀，有效改善操作人員的健康、安全及工作環(huán)境，減少裝置非計劃停車，保障工廠“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”生產(chǎn)，降低企業(yè)生命周期成本，提高企業(yè)生命周期安全管理水平，實現(xiàn)現(xiàn)代化石油（煤）化工企業(yè)智慧管理。

［1］EEMUA.EEMUA 191—2007Alarm Systems：A Guide to Design，Management and Procurement［S］.Engineering Equipment and Materials Users'Association，2007.

［2］ISA.ANSI／ISA 18.2—2009Management of Alarm Systems for the Process Industries ［S］.International Society of Automation，2009.

［3］IEC.IEC 62682—2014Management of Alarm Systems for the Process Industries ［S］.International Electrotechnical Commission，2014.

［4］HOLLIFIELD B，HABIBI E.The Alarm Management Handbook［M］.2nd.USA：360Digital Books，2010.

［5］HOLLIFIELD B，OLIVER D，NIMMO I，et al.The High Performance HMI Handbook ［M］.USA： INscribe Digital，2008.

［6］楊帆，蕭德云.智能報警管理若干研究問題［J］.計算機與應用化學，2011，28（12）：1485－1491.

［7］劉英斌，謝海峰，曹孫輝，等.報警管理系統(tǒng)的優(yōu)化實踐［J］.廣東化工，2014，41（04）：80－81.

［8］魏劍萍.報警管理在乙烯裂解裝置上的應用［J］.化工管理，2013（09）：84－86.

［9］顧祥柏，朱群雄，耿志強.現(xiàn)代化工流程報警系統(tǒng)分析及管理策略［J］.化工進展，2004，23（12）：1348－1352.

［10］黃步余，范宗海.石油化工企業(yè)自動化和信息化集成網(wǎng)絡安全［J］.電氣時代，2013（03）：40－42.

［11］黃步余.石油化工集成自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡安全策略［J］.電氣時代，2011（04）：56－59.