报警管理在乙烯裂解装置上的应用

文/魏剑萍

石油化工企业普遍采用的分散控制系统（DCS）系统，为操作人员监控工艺过程提供了有力保障，DCS在报警方面的强大功能，为生产过程的安全运行起到了重大的作用。在DCS中，几乎每一个组态点都可以设置多个报警（一个PID回路通常可设置测量报警、偏差报警、BADPV等10多个报警），通常，一个普通操作员在操作波动的情况下，每一分钟只能处理一个报警，报警点的过度设置，不仅起不到应有的预警作用，有时反而会干扰操作人员的正常判断和合理处置，甚至导致重大事故的发生，因此，对报警进行有效管理，显得十分迫切，虽然目前的DCS已经具备一定的报警管理功能，如可以对报警添加注释、对报警点进行分组管理，有的DCS系统还可对报警进行屏蔽，但是，这些功能远远不能满足用户对实时报警进行管理的需求，用户需要有更为有效的采集、储存、测量和分析手段，以持续改进报警系统，Matrikon Alarm Manager正是这样一款工具软件，它能实时、自动生成遵循标准的KPI（Key Performance Index）关键性能图表，通过WEB服务器，还可使管理人员在办公室了解DCS中正在发生的报警状况，报警管理对于类似乙烯这样仪表设备数量众多的装置，效果比较明显。

一、裂解装置实施报警优化前后的效果

在完成对某裂解装置各单元的报警优化工作后，装置的总报警数由21564（统计自2012/7/15至2012/8/15）减少了约51%，至10673（统计自2012/9/5至2012/10/05）；操作工对报警的干预率从276268减少了约38%，至171565。

二、报警管理的性能指标（KPI）

EEMUA 191关于《报警系统——设计、管理和采购导则），对报警性能指标提出了一些指导意见，下面结合在乙烯裂解中报警管理中的应用，对目标和执行情况进行对比。

1.最大报警率

定义：在某一时间段内，把报警日志（Log）分成连续的10分钟时间片来计算，计算工厂在有波动时的报警数量（也就是在工厂操作糟糕情况下，任何10分钟操作员被通知的报警数量）。EEMUA建议：每个操作工在装置扰动状态下，10分钟内接收到的报警数量小于10个是易于处理的（predictable），报警数量大于20个是很难应付的。乙烯裂解装置报警优化项目确立的目标是<15个/10Min。

2.平均报警率

定义：在某一时间段内，报警总数除以时间间隔数的值。EEMUA建议：每个操作工每5分钟平均接收到1个报警是易于处理的，每10分钟少于1个是可接受的。乙烯裂解装置报警优化项目确立的目标是<2个/10Min。

3.扰动报警百分比（%Upset or %burst）

定义：在某一时间段内，若把报警日志分成连续的1小时时间片段，计算报警数量超过30个的报警时间片段数占总时间片段数的百分比。EEMUA建议扰动报警百分比应在1%～3%之间。乙烯裂解装置报警优化项目确立的目标是<2%。

4.静态报警负荷指标

这是衡量DCS中在组态阶段所设置的报警数量是否合理的指标，一个好的报警系统，既要避免某区域所发生的报警数量过多，也要避免报警数量太少，在设计阶段，就应该考虑报警数量的合理性。EEMUA建议：每个PID回路控制器回路平均设4个报警值，而每个模拟量和数字量信号平均设1～0.4个报警。

5.报警优先级分布

确定优先级的目的是使操作员在DCS报警在出现大量报警时，能易于辨别重要的报警，一个良好的报警系统应具有这样一个特点：报警优先级越高报警发生的频率越低。EEMUA建议：报警级别在静态（指在设计或DCS组态时）情况下，基本应符合下列比例，即：紧急报警占5%～10%、高级占15%～35%、低级报警占55%～80%；而在装置运行阶段（“实时”报警），动态的报警优先级分配应大致服从以下比例：紧急报警占1%～5%； 高级报警占15%～20%； 低级报警占75%～80%。

事实上，在报警系统的设计阶段，很难使静态优先级报警比例控制在EEMUA所建议的指标内，也没有必要严格控制静态报警优先级比例控制，因为动态KPI指标才是我们关心的，许多在静态时设置为紧急优先级的报警在投入运行后很少会发生，例如，可燃气体检测器报警、事故停车和安全系统的报警，这些都会影响动态指标；但另一方面，如果静态报警分布严重偏离基准，也会导致动态指标的偏离。

在乙烯裂解装置中，由于项目执行深度欠缺及DCS组态中存在的一些不足，整个装置的静态报警优先级指标偏离了EEMUA建议的目标，再加上装置上在运行阶段，小组成员讨论出来的DCS修改内容需要在装置上在合适的机会予以实施，故整个装置的动态优先级性能不是很理想，但主要区域——裂解区域离EEMUA建议更近了，这得益于对裂解炉的报警优化讨论比较充分并且炉子有单独停炉修改DCS组态的机会。

三、乙烯裂解装置的报警优化实施

这是整个报警优化工作是否能够达到预定效果的关键步骤。项目实施前，应成立由操作工、工艺工程师、DCS工程师和Honeywell报警管理专家组成的报警管理项目组，该小组人数以3～5人为好，小组成员应集中时间办公，以排除干扰。小组成员应参加报警系统优化的培训课程，接受报警管理的理念，如报警不是越多越好、必须将操作人员的注意力集中到最重要的报警上面、应抑制没有意义的报警、报警描述必须清楚和容易理解等。

1.静态报警优化

在这个阶段，首先需收集乙烯裂解装置的报警策略设计文档及报警台帐，小组成员利用HAZOP（危险与可操作分析）方法，对每一个设计的报警点进行分析，以判定报警优先级或修改报警值等。在这个分析阶段，我们发现了DCS系统在报警组态上的不合理问题，譬如，PKS DCS中“DACA”块中的“ROCNEGALM”（PV值负向变化率报警） 和“ROCPOSALM”（PV 值正向变化率报警），均被赋予了“LOW”级别的报警，但报警参数一栏却是“NAN”。

2.动态报警优化

利用Matrikon Alarm Manager数据采集器，通过OPC A&E接口收集DCS系统的报警和事件数据，生成相应的报警汇总报告，以对动态报警活动和事件进行统计分析和改进，Matrikon Alarm Manager提供了多种工具用以分析改进动态报警，典型的有：

①最为频繁的报警

②因果报警 定义：当某个“父”报警发生时，某个“子”报警也同时发生，在1分种内有2次这样的现象，则定义为1次关联。建议当预测度（predictability）大于40%时，必须对父、子报警的关系进行审阅，以决定报警取舍。

③持续不断的报警（Chattering Alarms）定义：以10s为时间片断，片断内发生的报警次数占总时间片断的百分比。这种报警多发生在当某个报警值设定在报警临界状态时，报警总是“喋喋不休”地在报警上下限或死区附近来回波动。解决这个问题的方法有：对于数字量信号，可以采取加延时的办法予以处理，对于模拟量信号除了加延时外，还可以通过设置报警死区的方式实现。

④长时间的持续报警（STANDING ALARMS） 定义：持续超过24小时的报警。对持续很长时间的报警，报警优先级的设置非常重要，需要对其重新评估，一般地，长时间持续的报警其优先级不应该设的太高，大量出现持续报警表明工厂运行糟糕或者这些报警根本不需要操作员的关注，对后一种情况，这些报警应予以设法处理。在乙烯裂解装置中，我们针对裂解炉在不同工况下的报警设置进行了“智能化处理”，乙烯裂解炉有四种运行状态：“运行”、“热备”、“烧焦”、“停炉”，在“热备”、“烧焦”和“停炉”时，有很多过程参数会偏离正常运行区域而报警，为了减少这种无意义的报警，通过在DCS中做顺控逻辑，把这三种模式下对应的报警信号予以抑制。通过这个方式，分别屏蔽了在“停炉”、“烧焦”、“热备”状态下共115个、23个和8个报警信号。

四、存在的问题

乙烯裂解装置的报警优化后，在静态报警负荷方面，由于“DI ”、“DO”等数字量类型的报警数偏离KPI性能指标较多，再加上“AI”和“PID”控制器类型的报警数也接近了KPI指标的上限，故导致整个装置的静态报警设置数量指标不理想。这影响了动态负荷特性，譬如：

①每天有接近几百个报警被操作工暂时挂起或屏蔽，这些被屏蔽的报警应进一步研究其原因，如果考虑这些被屏蔽的报警，则动态报警负荷超出了EEMUA目标值。

②在报警优先级比例方面，尽管在裂解区域的报警级别比例已经基本接近EEMUA目标，但整个装置的报警优先级指标离目标还有很大距离，特别是有大量的报警集中在高优先级，这意味着在过程/装置波动期间，操作员须查看所有的报警。

这些问题的造成，主要原因是静态报警优化做得还不够深入，项目小组成员都是临时从生产中抽出来进行讨论的，在项目后期，甚至在个人办公室独自开展分析工作，因此缺乏共同论证；另外，对于动态报警的日常分析和处理力度不够大，如每天分析最为频繁的报警、操作工干预最多报警等等，由于企业中缺乏专门的报警管理团队予以持续的跟踪，因此导致了已经优化好的指标在运行一段时间后又出现偏离现象。

五、小结

随着生产和操作要求的进一步提高，自动化系统内的报警管理从来未曾象现在这样重要过，毫无疑问，报警系统的效率低下，会抵消整个DCS的功效。乙烯裂解装置的报警优化实施，不仅进一步提升了DCS系统的报警性能，更重要的是为我们引入了一种全新的报警管理方法。