先进报警管理系统设计应用探讨

马睿

（中国石化工程建设有限公司，北京100101）

近年来，中国石油化工、煤化工等流程工业已建成一批大型化、集约化、规模化、一体化的炼油（煤）化工企业，自动化、信息化集成系统的成功应用，保证了石化工厂实现安全稳定运行。由于报警过多、过频，操作人员处理异常工况时负荷过重，未能及时、准确判断异常的原因并采取有效措施，有时疏漏严重报警，导致不必要的生产损失，降低装置生产安全性。近期调查结果表明：在世界范围内发生的多起石油化工厂事故与报警管理不当有关。因此，制订有效报警设计策略和设置先进报警管理系统是保障安全生产的关键因素之一。

20世纪90年代，美国、欧洲等工业发达国家开始进行流程工业、机械制造业的异常工况报警的研究开发并不断进行实践，总结出报警管理的方法论和实施策略，推广应用报警管理技术。工程设备和材料用户协会（EEMUA）于1999年发布了EEMUA 191关于报警管理的行业指南，美国仪表自动化协会（ISA）和国际电工协会（IEC）先后于2009年和2014年发布了ANSI／ISA 18.2和IEC 62682关于流程工业的报警系统管理标准［1－2］。

国内大型石油化工企业的工艺、自控、操作、维护等管理和技术人员已经重视研究报警管理策略和实施方法，并在实际应用中取得了一定的经验和成效。

1 先进报警管理系统设计策略

先进报警管理系统 AAS（advance alarm management system）是对工厂工艺过程和控制系统的报警信息进行采集、分析、管理及优化的系统，协助工艺操作人员发现工艺过程及控制系统出现的应关注并响应的报警，采集报警信息以支持事件记录、事故分析、报警管理、优化改进等工作。

AAS设计和实施运用全生命周期管理的理念，通过报警分组、报警优先级定义、基于工况的报警、报警过滤、报警抑制、报警信息诊断分析等，实现先进报警管理功能，提高生产操作安全性。

AAS全生命周期活动分为工程实施阶段和运行维护阶段［2］，主要包括：需求调研及分析，规范制定，功能设计，报警辨识、归档及分析，设计、组态及调试，投用，维护，分析评估，报警变更管理等。

2 先进报警管理系统设计原则

2.1 先进报警管理系统规范

先进报警管理系统规范规定了报警设置、报警优先级定义、报警显示、报警响应、报警维护等方面的统一原则，是对AAS定义、开发、设计、工程实施及运行维护等的全面要求。其规范制定是AAS全生命周期的基础阶段。

报警，即用声响或视觉显示的方式提示操作员出现了设备故障、工艺波动或异常工况，需操作员响应操作［3］。报警设置的两个原则：1）该事件需要操作员采取响应动作，如：利用控制系统调整工艺、改变操作模式、手动控制机械设备或阀门、分析原因并解决问题、指导操作员采取行动等；2）重要的异常事件报警，正常工艺操作或设备切换不报警［4］。

报警优先级表征报警的严重程度。EEMUA，ISA等提出了报警优先级分布指导［1－2］。对于石油化工、煤化工行业，可将报警优先级定义为紧急、高、中、低、诊断报警5个级别，各级别报警类型和报警所占百分比，见表1所列。各优先级报警的显示应分别采用独特醒目的画面颜色和声响，且颜色和声响不再用于控制系统的其他非报警内容。

表1 报警优先级定义

操作员应根据报警优先级顺序进行响应操作，基本步骤如下：

1）通过操作画面和声响及时发现报警（发现）。

2）识别报警位号及其描述，并消音（识别）。

3）通过其他相关显示信息，验证报警的真实性和可靠性（验证）。

4）确认报警（确认）。

5）通过操作画面快速评估报警影响的工艺区域（评估）。

6）对报警采取正确的响应操作（操作）。

7）继续监控工艺过程变化（监控），在报警完全消失前重复步骤5）和6）。

报警系统的性能指标可分为报警负荷超高、报警负荷偏高、报警负荷稳定、报警性能鲁棒、异常工况预测等5个级别［1］。

根据ISA 18.2建议，AAS实施后每个操作岗位的关键性能指标（KPI）（基于30d以上的数据），见表2所列［2］。

表2 每个操作岗位的关键性能指标（KPI）

2.2 报警辨识、归档及分析

报警辨识、归档及分析是设置报警和定义报警优先级的主要方法，是AAS全生命周期活动的关键阶段。

所有报警应通过合理化分析后确定。分析工作所需的基础文件包括：管道和仪表流程图（P＆ID）、设备数据表，工艺操作手册，控制系统组态数据库，过程危险分析（PHA）、危险和可操作性分析（HAZOP）、保护层分析（LOPA）及类似审查结果，紧急停车（ESD）或安全联锁逻辑图及报警、联锁设定值表，控制系统流程画面图等。分析结果应归档至主报警数据库，包括设定值、分类、优先级、原因、后果、操作员动作、响应时间等。

确定报警优先级依据两个原则：1）未设置报警或报警未被及时正确响应导致的后果严重程度，后果主要考虑人员、公共场所或环境、经济三类影响，严重程度分为无影响、影响较小、影响较大、影响严重4个等级，以各类影响中的最差情况作为最终的后果严重程度；2）允许响应时间，即从报警发生到后果产生的时间，分为紧急响应、快速响应、按时响应3个等级，允许响应时间超过30min的报警应取消或重新设置。可根据后果严重程度和允许响应时间矩阵确定报警优先级［4］，见表3所列。第5级（紧急）报警应满足表中第4级（高）报警的原则，是引起全厂、全装置重要单元紧急停车的关键报警或引起安全、环保和人身事故的重大报警。

表3 后果严重程度和允许响应时间矩阵

2.3 报警变更管理

报警变更管理是在运行维护阶段，通过分析报警归档来改进报警设置方案，是AAS全生命周期内持续进行的活动。

报警变更包括：创建新报警，删除现有报警，更改报警优先级、报警设定值、报警类型、报警描述和文档信息、位号点的执行状态、操作界面的报警显示，暂时的报警抑制等。

报警变更应遵循申请、评估、审查、批准、实施、培训、监管等作业程序。

3 先进报警管理系统设计应用

3.1 先进报警管理系统网络架构

AAS可采用两层网络架构（举例），如图1所示。

第1层网络为AAS数采网，从DCS过程控制网至AAS服务器。AAS数据采集器内的AAS数采程序通过OPC AE（alarms and events）从DCS局域网（LAN）读取相关报警信息，并通过交换机传送至AAS服务器。数据限于单向传输，确保DCS信息安全。

第2层网络为AAS管理网，从AAS服务器至AAS客户端。服务器与客户端之间设置防火墙，确保AAS信息安全。

A装置、B装置共用1台AAS服务器（1）；C装置、D装置、E装置共用1台AAS服务器（2）。每台AAS服务器能分别访问对应DCS LAN的AAS数据采集器。

A装置、B装置、C装置分别配置1台AAS客户端；D装置、E装置共用1台AAS客户端。

3.2 先进报警管理系统硬件

AAS数据采集器采用服务器或工作站，64位字长、1.8GHz主频的Intel双核CPU，2GByte内存，500GByte硬盘，512MByte集成显卡，操作系统Microsoft Windows Server 2008。

AAS服务器，64位字长、2.4GHz主频的Intel四核CPU，8GByte内存，500GByte RAID1硬盘，512MByte集成显卡，操作系统 Microsoft Windows Server 2008。

AAS客户端采用工作站，64位字长、2.4GHz主频的Intel四核CPU，8GByte内存，500GByte硬盘，1GByte独立显卡，操作系统 Microsoft Windows 7。

交换机采用工业级网络交换机。

3.3 先进报警管理系统软件

AAS数据采集器配置OPC服务器软件。

AAS服务器设置主报警数据库，配置Microsoft SQL Server 2008，并满足以下要求：至少能保存1×104个位号的报警和事件数据3～5a；与DCS间的通信延时不超过1min；数据库至少能提供6个客户端服务。

AAS数据采集器和AAS服务器配置报警管理软件，实现报警搁置、多工况报警、事件分析、KPI定制、归档与合理化分析等。

3.4 先进报警管理系统高效人机界面

先进报警管理系统的高效人机界面设计原则如下：

1）画面底色采用灰色。

2）报警颜色专用。

3）设备采用低对比度的二维图形。

4）避免使用动画。

5）工艺流程从左至右，气体流向往上，液体流向往下。

6）显示重要参数的趋势图。

7）采用验证和安全措施，避免数据输入错误。

8）采用逻辑性和连续性的分层显示界面。

图1 先进报警管理系统网络架构

高效人机界面采用分层显示：第1层，流程区域总览，显示整个操作控制区域的总图；第2层，流程单元控制，显示操作控制的子单元；第3层，流程单元细节，显示设备或控制器；第4层，流程单元支持和诊断，显示联锁、ESD、诊断信息等［4］。

4 结束语

AAS是石油化工、煤化工自动化信息化系统集成的重要组成部分，基于可靠、统一、集成、共享的实时和历史大数据平台，通过客户化定制开发，采用全生命周期管理的理念设计和实施，可持续改进报警现状，有效改善操作人员的健康、安全及工作环境，减少装置非计划停车，保障工厂“安、稳、长、满、优”生产，降低企业生命周期成本，提高企业生命周期安全管理水平，实现现代化石油（煤）化工企业智慧管理。

［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］杨帆，萧德云.智能报警管理若干研究问题［J］.计算机与应用化学，2011，28（12）：1485－1491.

［7］刘英斌，谢海峰，曹孙辉，等.报警管理系统的优化实践［J］.广东化工，2014，41（04）：80－81.

［8］魏剑萍.报警管理在乙烯裂解装置上的应用［J］.化工管理，2013（09）：84－86.

［9］顾祥柏，朱群雄，耿志强.现代化工流程报警系统分析及管理策略［J］.化工进展，2004，23（12）：1348－1352.

［10］黄步余，范宗海.石油化工企业自动化和信息化集成网络安全［J］.电气时代，2013（03）：40－42.

［11］黄步余.石油化工集成自动化系统网络安全策略［J］.电气时代，2011（04）：56－59.