DCS報警分析專家系統設計與研究

董 霖 廖 果 嚴錫琳 蔣紅梅

(中石油克拉瑪依石化有限責任公司，新疆 克拉瑪依 834003)

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DCS報警分析專家系統設計與研究

董 霖 廖 果 嚴錫琳 蔣紅梅

(中石油克拉瑪依石化有限責任公司，新疆 克拉瑪依 834003)

煉油生產過程的集散控制系統(DCS)報警信息冗余，使得處理異常工況時出現報警重復、處理不及時或判斷異常等問題。采用專家系統中的專家知識和專家方法，進行報警冗余信息過濾和報警原因分析。考慮到專家系統的更新，構建了能靈活進行知識錄入、修改、刪除的知識庫。通過過濾后的報警信息，結合專家知識與解決問題的方法和經驗，設計了推理機結構，分析報警的原因和提供必要的措施。對該DCS報警分析專家系統進行了仿真測試，驗證了系統的有效性，表明采用專家系統提高報警信息的利用是可行的。

煉油化工 專家系統 報警冗余 集散控制系統(DCS) PLC 人工智能

Redundancy

0 引言

集散控制系統(distributed contrd system,DCS)是20世紀70年代中期，在PLC基礎上隨著現代大型工業生產自動化的不斷興起而發展起來的新型控制系統，是為滿足日益復雜的控制需求應運而生的綜合控制系統[1]。目前，DCS已在我國各行各業得到了廣泛應用[2]。隨著DCS在煉油行業中的廣泛應用，DCS報警管理問題逐漸凸顯。專家系統內部含有大量的某個領域專家水平的知識與經驗，這些知識與經驗能夠解決處理該領域問題[3]。該系統的良好應用對于DCS報警管理具有促進作用。針對DCS中的報警問題，將專家系統應用于報警分析當中，使操作人員能夠快捷地利用專家知識獲取當前選中報警信息的報警原因及相應的應對措施。

1 DCS報警系統介紹

DCS作為先進的控制系統，其豐富的功能和簡便靈活的組態方式，在提高控制回路品質、安全穩定生產和加強生產管理方面性能卓越[4]。在煉油生產過程中，為了提高DCS的安全可靠性，往往需要為監控點設置報警。這些報警可以較好地對操作人員進行提示，然而為了平穩地控制煉油裝置的生產，往往會對煉油裝置的各個監控點設置多個報警點，進而出現了大量重復的報警信息。

此外，在實際工廠設計中，許多工廠和控制系統報警設計師往往回避工廠最優報警數問題，因為討論一個報警是否必要的成本，遠比加一個報警的成本高[5]，這也導致了報警數量的泛濫。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，導致不必要的生產損失，降低了裝置生產安全性[6]。EEMUA及早期HSE研究文件表明，由于缺乏合理嚴格的報警規劃措施，使得報警泛濫問題愈發嚴峻[7]。

此外，報警系統是報警數據處理的中心環節，其能力和效率的高低直接影響著整個DCS系統的性能指標。因此，如何快速分析報警原因，作出正確整改措施，去除冗余報警，對于煉油裝置安全平穩生產具有重要的意義。

2 專家系統

專家系統作為人工智能的一個重要分支，是于20世紀60 年代初期產生并發展起來的一門新興的應用科學,并隨著計算機技術的不斷發展而日臻完善和成熟。DENRAL、HEARSAY、MYCIN等系統研制成功，使得專家系統越來越受學術界及工程領域的廣泛關注。目前，專家系統在經歷了初創期、成熟期和發展期三個發展階段后，憑借其良好的靈活性，已廣泛應用于多個行業領域當中。

Edward Feigenbaum教授定義專家系統為：一個智能的計算機程序，它運用知識和推理來解決只有專家才能解決的復雜問題。換而言之，專家系統是在某一特定領域內，以人類專家水平有效解決該領域內有關問題的計算機程序。該程序實現了對專家知識和解決問題的方法、經驗的組織整理。專家系統不但能模擬領域專家的思維過程，而且能讓計算機宛如人類專家那樣智能地解決實際問題。專家系統具有啟發性、透明性和靈活性等特點。

專家系統主要包括知識庫和推理機兩部分。知識庫包含相關知識信息，其包括條件P={P1,P2,…,Pn}和結論C={C1,C2,…,Cn}。若條件滿足，則可推斷出相應的結論。

規則推理機又稱規則解釋器，其主要作用是運用控制策略找到可以應用的規則。專家系統可分為基于規則的專家系統和基于對象的專家系統?；谝巹t的專家系統組成如圖1所示。

圖1 基于規則的專家系統組成圖

本文主要采用了基于規則的專家系統，計算機將根據知識庫中相應的知識信息，推理出所選報警原因及提示采取措施。

3 專家系統的DCS報警信息分析算法設計

3.1 算法總體設計

基于專家系統的DCS報警分析算法設計如圖2所示。

圖2 DCS報警信息分析算法設計圖

由于初建專家系統知識庫時難以一一確定所有的報警情況，且隨著煉油生產裝置的不斷技術改造，部分裝置邏輯會發生變化，故在專家系統中增設了知識錄入、修改、刪除的功能，以便完善知識庫及去除冗余。當系統啟用報警原因分析功能后，專家系統將會通過分析，給出操作者選中報警的報警原因及操作提示。

滋擾報警或無意義的報警均為冗余的報警信息，這些報警信息會增加報警分析的負擔。例如當儀表出現故障斷線時，有時會有大量的斷線(IOP)及正常(NR)(即儀表故障斷線)報警交替出現，這些報警給出了相同的報警提示。這些報警的大量出現不僅不能給出更多有用的報警信息，反而增加了報警內容，故而將其設定為冗余報警。知識庫會將這些冗余報警進行排除，以減少報警“搗蛋鬼”帶來的影響。

3.2 推理機設計

令推理機G表示為：

G=(V,R)

(1)

式中：V為推理機各個節點的集合；R為兩個節點之間關系的集合。

V={v0,v1,…,vn}

(2)

若vi與vj之間存在聯系，則有：

∈R

(3)

在推理過程中，從頂點v0出發遍歷圖中各點，且每個點僅被訪問一次。遍歷依次從v0的未被訪問子節點出發，直至找到符合條件的節點為止；再對該節點的子節點重復上述過程進行遍歷，直至找到最終報警原因為止。

4 算法實現及軟件實例

本文采用C#語言對上述專家系統進行仿真，知識庫信息添加過程中報警類型為必填項，其余信息操作人員可根據需要進行填寫。知識庫信息添加完畢后，操作人員便可對當前報警進行分析。系統將根據相關的信息，對操作人員所選定的報警信息進行自動分析推理，并給出相應的報警原因分析及操作提示。

5 結束語

針對煉油化工中DCS系統存在大量重復報警信息的特點，為減輕分析報警的負擔并獲得更有用的報警信息，設計了DCS報警分析專家系統。該系統給出知識的新增、修改與刪除功能，使專家知識庫更為靈活；通過對過濾后的報警信息和專家知識的利用，設計推理機，實現了對報警原因的自動分析并給出措施提示。該系統能夠減少冗余報警的影響，提高報警信息的利用和分析的準確性。

[1] 孫勇.DCS系統過程控制功能的設計與實現[D].廈門：廈門大學,2013.

[2] 袁振東.DCS在煉油催化裝置生產過程的應用與研究[D].武漢：武漢理工大學,2006.

[3] 晁進,劉文穎.基于多智能體和專家系統的電網智能報警系統研究[J].現代電力,2010,27(5):1-5.

[4] 曹志曄.DCS技術在化工行業中的應用[J].自動化與儀器儀表，2010(6):81-83.

[5] BROWN N.Effective alarm management[J].Hydrocarbon Processing，2004,83(1):68-71.

[6] 馬睿.先進報警管理系統設計應用探討[J].石油化工自動化，2015,51(4):23-26.

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

Design and Research on the Expert System of Alarm Analysis for DCS

In refinery process,the redundant alarm information provided in DCS makes alarms repeated and leads to untimely handling and wrong judgement under abnormal operation conditions.By using expertized knowledge and solution of the expert system,the redundant alarm information is filtered and the causes of alarms are analyzed.Considering the updates of expert system,the flexible knowledge library for knowledge input,modification,and deletion is built.With the filtered alarm information,and combining with the expertized knowledge,solutions and experience,the structure of inference machine is designed for analyzing the causes of alarms and adopting necessary solutions.The simulation tests of this expert system are conducted,and the effectiveness of the system is verified.It shows that the method of using expert system to improve the utilization of alarm information is feasible.

Oil refining chemical industry Expert system Alarm Redundancy DCS PLC Expertized method Artifical intelligence

董霖(1987—)，女，2013年畢業于北京科技大學控制科學與工程專業，獲碩士學位；主要從事自動化控制方向的研究。

TH-3;TP277

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611008

修改稿收到日期：2016-05-03。