流程行業先進報警管理系統實施方案

高國光，武平麗

（1.杭州和利時自動化有限公司，杭州 310018；2.黃河水利職業技術學院 自動化工程系，河南 開封 475003）

報警管理一直是近年關注的焦點，世界上發生的多種工業事故與報警管理不當有關，正常操作過程中報警設施繁多、裝置發生擾動時又到處充滿報警，這往往與現代集散控制系統有關，繁多的報警不僅會給操作人員造成壓力，而且會導致不必要的生產損失，反而降低裝置生產的安全性。報警泛濫會導致嚴重的環境污染、生產中斷、受傷事故甚至人員死亡。對報警數量做出限制、對報警進行優先級排序、為報警提供必要的相關信息，以及對報警系統進行正確的管理，能夠減少操作人員延誤響應甚至忽略報警的可能，對于應對報警泛濫和其他相關問題十分必要。

1 報警系統的信息架構

報警系統用來檢測報警狀態并顯示給操作員，同時記錄報警信息和報警響應操作以及報警狀態的變化等信息。報警管理方案對報警系統的定義、開發、設計、改造、工程實施以及后續維護提出了全面的要求，為報警的選擇、報警優先級的確定、報警的設置、報警響應操作、報警處理方法、控制系統的報警監視、故障修復等方面提供了統一的技術與管理規范。

根據國際最新標準IEC62682，報警系統的信息架構[1]如圖1所示。

圖1 報警系統的信息架構圖Fig.1 Information architecture diagram of alarm system

廣義的報警系統包括以下部分：

1）基本過程控制系統（BPCS）：DCS，PLC，SCADA等系統中的報警功能。

2）安全儀表系統（SIS，CCS，MMS，FGS）中的報警功能。

3）報警輔助操作臺。

4）報警記錄與監視：主要包括DCS的報警概覽功能等。

5）報警人機界面（HMI）：主要通過DCS畫面顯示報警信息，輔助以AAS的HMI功能。

6）先進報警管理系統（AAS）中，先進實時報警功能：報警擱置、報警泛濫抑制、多工況報警、報警預警、報警解析信息等。主要使用對象是一線操作人員與操作管理人員。

7）先進報警管理系統（AAS）報警管理功能：包括按照規范制定和實施報警規則；報警數據的采集統計和分析，確定報警KPI；去除無效報警；報警歸檔與合理化；多工況報警管理、報警變更、審計和報警強制技術；實時高級輔助報警。主要使用對象是專業職能管理與運維人員，如生產管理、技術管理、安全管理。

報警系統具備先進的報警管理工具，工廠相關人員使用這些工具可以有效地管理報警系統，不斷提高報警系統的效率和管理水平。報警管理方案既適用于新建項目的報警系統的設計與建設，也適用于對現有報警系統的改造與提升。

2 報警的定義及設置原則

為了改進報警管理，美國儀表協會（ISA）發布了標準ANSI/ISA-18.2-2009“過程工業中的報警系統管理[2]”。標準中將報警定義為“一種能夠提醒操作人員針對設備故障、過程偏差或者異常狀態作出響應的、聲音的和視覺的方法。”這意味著報警不僅僅是信息或者事件，它還針對需要作出快速響應的情況做出提醒。

報警的設置必須符合一定的原則，其中最重要的原則是：該事件是否需要操作員采取響應動作。

過程報警的目的是提醒操作員工藝裝置出現異常工況并且需要人為干預操作，以防止后續可能發生更嚴重的工藝波動、意外停車或重大事故等。

2.1 操作員的報警響應操作范圍

操作員的報警響應操作包括：

1）通過控制系統操作畫面改變工藝參數的設定。

2）要求外操人員采取動作（如：手動啟泵、操作閥門、巡檢、樣品采集等）。

3）對異常工況進行故障診斷和分析。

4）出現異常工況時，通知其他相關人員或班組。

5）為后續必要的檢查、維護或修理活動進行情況記錄。

2.2 報警設置的基本原則

報警設置應符合如下基本原則：

1）不需要操作員采取行動的事件不應設置報警。

2）報警只有在異常工況下產生。當工藝過程變量在正常工況下發生變化時，不應該產生報警；報警不應用于提示正常的工藝操作或者正常的設備切換。

3）報警應進行合理的設置和組態，對于某個工藝過程事件不應同時產生多個表示相同含義的報警；設置的報警應能反映異常工況發生的主要原因或根本原因。

4）設置報警時，應合理選擇報警的設定值并充分考慮既要留給操作員足夠的響應操作時間，又不能設置過于保守從而造成頻繁報警，干擾正常的生產操作。

5）報警優先級的設置需要遵循統一的原則。報警優先級在工藝波動嚴重或報警泛濫時會直接決定操作員響應操作的優先順序。

6）控制系統中所有的報警信息都應進行歸檔記錄，以方便今后的查詢、審查或培訓工作。歸檔文件中還應該包括所有報警定義的信息，以便為報警的合理化分析提供數據基礎。

2.3 報警管理系統的特征

報警管理系統應具備以下特征：

1）相關性：每個報警都應對操作人員有用，并與操作范圍一致（即操作人員對應的操作區）。

2）唯一性：沒有重復出現的報警。

3）及時性：發出的報警應考慮到操作人員有充足的時間響應并采取行動。

4）優先級：報警應根據其引起的后果及允許響應時間劃分不同的優先級。

5）可讀性：報警信息應準確，不發生歧義，具有一致性。

6）診斷性：能協助診斷發生的問題。

表1 報警系統的功能規格要求Table 1 Functional specification requirements for alarm systems

7）指導性：報警發生后，提醒操作人員需要采取的行動。

8）集中性：多個報警發生時，應將操作人員的注意力集中于關鍵的報警。

3 報警系統的規格要求

基本過程控制系統（BPCS）以DCS為例。以下列出了報警系統的功能規格要求、DCS與AAS的接口規格要求、人機界面的設計顯示與操作響應要求。

3.1 報警系統的功能規格要求（見表1）

3.2 DCS-AAS接口規格要求

對于各種PCS需要配置以下的接口協議：

1）OPC DA Server 2.0或3.0版。

2）OPC HDA Server 1.1版以上。

3）OPC A & E Server 1.1版以上。

OPC數據訪問功能，應符合OPC基金會發布的DA第2版和第3版規范要求，應滿足審查與強制，報警擱置，動態報警和報警管理等功能。

OPC歷史數據訪問功能，應符合OPC基金會發布的HDA第1.1版規范要求，應提供趨勢和事件瀏覽的功能。

OPC報警和事件訪問功能，應符合OPC基金會發布的A & E第1.1版規范要求，應能通過OPC實時訪問報警和事件數據。

3.3 報警系統人機界面

DCS操作站應具有完善的報警功能，對過程變量報警（絕對值報警、偏差報警、變化速度報警）和系統故障報警（包括診斷報警和硬件故障報警）應有明顯區別。應能對過程變量報警任意分級、分區、分組，應能自動記錄和打印報警信息，區別第一事故報警，記錄報警順序。

無論當時屏幕上是何種畫面，系統對任一報警都應以聲音和視覺顯示（閃爍、顏色改變等）方式通知操作員，并且只要一次擊鍵即可調出有關畫面。系統按時間順序用加重、劃底線等方式，打印每一報警，返回正常后恢復常規打印。操作站或打印機上的所有報警都帶有日期和時間標記。

操作員操作人機界面應依據以下原則設計：

1）PLC、SIS、CCS、FGS報警輔助操作臺，AAS等系統上的報警信息都被集成到DCS系統，操作工使用DCS人機界面進行報警識別、確認、核實和評估等操作。

2）優先級為第4級的報警在輔操臺上顯示與確認。

3）使用AAS系統界面進行報警管理的操作。

3.4 報警畫面切換與響應

控制系統操作畫面的設計應盡量減少操作員進行報警識別、確認、核實和評估等操作的按鍵次數，應該設計單獨的報警畫面，所有的報警一般只需要確認一次。操作員主要是通過DCS進行報警確認，輔助操作臺上第4級別的報警，需要在輔助操作臺和DCS上分別確認。

每個報警都應能夠從工藝流程畫面關聯到報警詳細信息畫面上。這種關聯顯示能有效地幫助操作員進行正確的報警診斷分析，減少報警影響并能顯示出其他相關的報警數據。操作員僅需要單次按鍵就能直接從流程畫面切換到報警信息畫面上。

報警發生時，操作員應按照報警的優先級別有序采取正確的響應操作。在設計控制系統的操作及報警畫面時，應充分考慮操作員的操作需求。報警響應操作的基本步驟如下：

1）發現——發生異常工況時，操作員首先會通過操作畫面和報警聲響及時發現報警。

2）識別——操作員識別出報警的位號及其描述，然后通常進行消音操作。

3）核實——操作員通過其他相關顯示信息，核實報警的真實性和可靠性。

4）確認——操作員對報警進行確認。

5）評估——操作員通常在對報警進行響應操作前，會快速通過操作畫面評估報警所影響的工藝區域。

6）操作——操作員對報警進行正確的響應操作動作（調整工藝變量、通知外操人員采取行動、停止某設備、啟動備用設備、檢查儀表讀數、監控某些工藝參數、要求緊急服務、提出維修要求）。

7）監視——操作員繼續監視工藝過程的變化，在報警完全消失前重復步驟5和步驟6的工作。

提示操作員的報警信息應該具有統一的格式且簡潔明了；操作員應遵循統一的步驟和執行程序，這樣可以大大提高報警響應操作的效率并盡可能地縮短響應操作的時間。

3.5 報警的HMI顯示

報警管理的目的是建立持續有效的報警系統功能，幫助操作員發現和解決異常工況。報警HMI畫面的好壞對于提高報警管理水平同樣至關重要。

HMI畫面上報警顯示的基本原則如下：

1）不同優先級別的報警應該使用不同的報警顏色和報警聲響。

2）流程圖畫面上相同優先級別的報警必須使用相同的報警顏色和形狀。

3）在流程圖畫面上操作員能夠快速地識別報警位號、報警確認狀態以及報警的優先級別。

4）報警所用的顏色在流程圖畫面中其他部分不得再使用。如紅色、黃色和橙色已經用于不同優先級別的報警顯示，那么這些顏色就不能再用于設備位號、工藝管線或其他非報警信息的顯示。

5）報警管理規范不允許僅使用顏色變化來顯示報警狀態（比如，僅用儀表讀數的顏色變化來提示操作員發生了報警）。

在系統做FAT時，應按照以上原則對DCS操作畫面進行審查。報警顏色不得用于非報警用途，DCS畫面中所用到的其他顏色應盡可能大地區別于各報警顏色，特別是區別于第3級以上的報警顏色。

4種優先級別的報警在控制系統畫面上的顯示顏色見表2。

每個優先級別的報警應該具有各自唯一的報警聲響，確定的4種不同優先級別的報警聲響頻譜的規定見表3。

表2 各優先級報警畫面顏色Table 2 Priority alarm screen colors

表3 各優先級報警聲音頻譜Table 3 Alarm sound spectrum for each priority

4 DCS與AAS的關系

DCS報警分為系統故障報警（包括診斷報警和硬件故障報警）和過程報警（絕對值報警、偏差報警、變化速度報警）兩類。過程報警是對每一過程變量設置及檢查高高限、高限、低限、低低限、變化率高限、設定偏差（死區可調）等報警的方法。AAS系統服務器需要能夠訪問對應的AAS局域網服務器（OPC服務器）如圖2所示。

5 報警管理的最佳實踐步驟

圖2 DCS與AAS的關系圖Fig.2 Diagram of DCS and AAS

圖3 報警管理生命周期模型圖Fig.3 Alarm management lifecycle model diagram

報警管理是對文檔、設計、使用和維護程序文件進行合理地配置以建立有效的報警系統，ISA18.2中定義有效的報警管理系統必須包含過程和程序文件。圖3所示為報警管理生命周期模型[2]，這個模型可以應用在全新的或者現存的報警系統中。

提高報警管理水平的主要工作步驟如下：

步驟1：制訂、修改和完善報警管理統規范。

步驟2：收集報警數據并評估控制系統報警性能。

步驟3：發現不合理的報警設置并解決此產生的報警問題。

步驟4：報警歸檔與合理化分析（D & R）并生成主報警數據庫。

步驟5：報警管理系統實施報警審查與強制重置（可選項）。

步驟6：報警管理系統進行實時報警管理。

步驟7：報警系統的變更管理與維護。

對于新建大型石油化工工廠，先進報警管理系統的實施宜首先制定報警管理規范，然后開展先進報警管理系統生命周期各階段活動。

對于已建大型石油化工工廠，先進報警管理系統的實施，首先要進行報警監測與評估或報警系統審查，然后開展先進報警管理系統生命周期各階段活動。

6 結束語

大型化、現代化工廠報警設施繁多，報警信息過多過頻，這不僅會給操作人員造成壓力，而且可能疏漏嚴重的報警，導致不必要的生產損失。先進報警管理系統（AAS）是對工廠的過程和系統報警信息進行整理、分析、過濾及優化的管理系統，實現報警管理的持續改進，提高生產操作安全性。