工藝報警在自動化生產中的優化

張勝男

（唐山三友氯堿有限責任公司，河北 唐山 06330）

唐山三友集團氯堿有限責任公司經過多年的發展，現有產能燒堿53萬t/a、聚氯乙烯樹脂43.5萬t/a、專用樹脂9萬t/a，居全省前列，產品廣泛應用于工業、農業、建筑、電子等領域。近年來，企業在生產自動化控制和報警安全智能化等方面加大開發力度，建立數字化全流程生產管控體系，依據《化工企業報警管理實施指南》等標準完善DCS控制站工藝報警的設定和工藝報警管理制度，實現了對重大危險源運行狀態和各生產關鍵指標參數的報警監控，提升公司安全管理水平。

1 工藝報警管理體系的建立

為加強工藝報警管理，減少人為操作失誤，避免工藝事故的發生。公司遵循《化工企業報警管理實施指南》，對生產工藝中的報警實施全生命周期管理，包括報警理念、報警識別、詳細設計、實施、運行、監控和評級、變更管理及審核等一系列管理活動。健全預報系統，梳理現有報警系統及報警精度，密切關注自動化、信息化技術的最新發展方向，提出新增預報系統計劃，引入智能數字化網絡系統，實現關鍵技術指標異常的預判，管理人員可以提前進行調整，減少人為因素對生產系統的干擾，提升工藝管理水平，保障生產系統的運行安全。通過關鍵參數監控模塊中工藝報警功能對全廠物料關鍵參數進行工藝控制指標的高低限設置，在智能化平臺實現對工藝關鍵參數點的報警提示功能，跟蹤各項關鍵指標歷史趨勢的查詢來掌握不同階段指標及生產系統的運行情況，以便管理人員及時做出指標調整，并對異常數據做出及時的判斷，并采取有效處理措施。

近年來，國內外眾多工業事故與報警管理不當有關。報警管理一直是化工行業關注的焦點。報警值設置不合理、響應不及時、響應方式不正確、頻繁報警對操作人員的干擾等引起的報警管理不當，均會降低裝置的安全性，導致企業發生不必要的生產損失，甚至引發事故。企業應嚴格按照化工企業報警管理要求，建立企業內部工藝報警管理體系，其報警管理制度包括報警設置原則、報警識別處置、報警監控評級和工藝報警變更等。具體的報警管理周期見圖1。

圖1 工藝報警的管理周期

2 生產系統工藝報警管理的實施

目前，各生產裝置共有儀表報警點近6 000個，其中DCS系統報警主要包含工藝、設備和儀表報警三大類，且整體報警數量較多，部分生產系統報警頻次高達25次/min，對生產實時監控造成嚴重的刷屏干擾。由于工藝指標超標引起的報警較少（包括設備停用狀態報警、間歇運行工況產生的報警），在眾多的報警當中操作人員無法及時有效發現真正異常的報警，對生產系統的安全平穩運行帶來隱患。為提高工藝報警在生產操作中的精確度和對異常情況的預見性，企業從生產系統內部CPU負荷冗余、無效報警、高頻報警和智能化管控等方面進行梳理完善。

2.1 工藝參數報警值的設置原則

為確保工藝參數報警設定值的合理性和適用性，企業嚴格按照相關標準及要求確定報警值設定的原則，首先對全廠生產系統裝置進行安全分析，確定所有參數沒有超出生產裝置的安全極限，其次明確安全極限與報警點的關系，最后根據以上原則確定安全操作極限的方式方法，該方法適用于所有的溫度、壓力、液位、流量等工藝參數。

工藝報警參數的設定區域分為三個區間，以正常操作區間為中心，按正常操作區間、糾正措施區間、緩沖區間依次范圍擴大的形式分布。其中正常操作區間的上下限為正常操作的極大值、極小值，糾正措施區間上下限為安全操作的極大值、極小值，緩沖區間上下限為安全設計的極大值、極小值，報警設置區間不得超出安全設計區間，超出安全設計區間則為不安全的未知區間。

糾正措施區間和正常操作區間稱為安全操作區間，在此區間發生的工藝偏差或異常不會產生安全或環境的問題，采取一定的處置措施會及時恢復工藝參數的正常，其報警原因主要有消耗增加、產品質量問題、生產能力下降和備件使用量增加等，在該區間內設置工藝報警參數的高限和低限。

緩沖區間稱為安全設計區間，此區間的上下限是不可逾越的操作紅線，生產裝置在超出上下限后會處于不安全狀態，必須采取糾正措施，安全儀表系統（SIS）和安全閥等將會觸發，生產過程中在該區間內設置工藝報警參數的高高限和低低限。

在以上工藝參數報警值的設定原則外，設置報警死區。報警死區主要用來消除高頻重復性報警，該部分報警一般由設備啟停過程、裝置開停車過程和工藝測量值反復越限造成的大量報警等。該死區設定后，若工藝測量值觸發工藝報警點后在報警死區范圍內波動，既不會恢復報警也不會產生新的報警，若測量值離開死區范圍，則先恢復原來的報警值再產生新的報警，一般的溫度、流量等參數的死區設置范圍在1%～5%。

2.2 高頻無效報警的分析和處置

正常生產控制中，部分頻繁出現甚至刷屏的工藝報警不能給生產帶來預見性指導，過多的刷屏信息會影響操作工的正常操作和異常判斷，造成報警信息的提取不及時或者報警信息的遺漏，不能在正常的報警響應時間內做出處置措施，導致事故的發生。鑒于此，企業針對不同生產系統有不同原因導致的高頻率報警進行分類匯總，分類整理出以下幾種導致高頻報警的原因并制定了相應的解決措施，具體內容見表1。

表1 高頻報警的原因及處置措施

通過表1，對過程報警的梳理和處置，整個生產系統的高頻報警得到有效控制，且高頻無效報警明顯減少，所有生產系統的月均報警頻次由原來的0.30下降至0.18，具體數據見表2，各生產系統高頻報警消除率總計達54%，具體數據見表3。

表2 消除高頻報警的前后月均報警頻次對比

表3 消除高頻報警的前后月均報警數據對比

2.3 工藝報警的歸類和占比

2.3.1 工藝報警的原因占比及分類

通過長時間工藝報警管理體系的運行和經驗積累，對各生產控制引起工藝報警的原因進行了分類匯總，具體見圖2。

圖2 工藝報警原因分類及占比

目前生產系統中引起工藝報警的原因主要包含工藝操作、設備故障、電儀檢修和上下游用戶影響等，結合實際生產制定相應的報警參數核定、工藝指標優化、自動控制升級改造等措施來減少系統中不必要的工藝報警，并根據報警類型實行工藝、設備和電儀的分專業專項管理，提升了生產系統的安全穩定性。

2.3.2 工藝報警的處置措施

針對正常生產過程中因系統或設備間歇運行引起的工藝報警，處置措施有以下三種方式。（1）對間歇運行工況中投用期和結束期的流量、溫度、壓力等關鍵指標的數值變化為依據，將工藝報警區間設定在有效范圍，不僅起到關鍵提示作用，而且有效降低無效報警和高頻報警的發生。（2）根據實際運行工況中特定的程序運行標志位進行順控程序的編輯，以確定報警是否為投用或結束程序引起的，通過增加報警延時來解決此類報警。（3）針對備用設備產生的無效報警，通過對備用設備報警參數設置“一鍵切換”按鈕，即將備用設備的相關儀表及相關儀表的高低限至量程一并帶入按鈕內部程序，點擊按鈕即可進行報警消除。

2.4 工藝報警的分類管控

為了更清晰地判定工藝報警設置的必要性，準確地識別生產過程中出現的工藝報警，并采取有效措施統一對報警進行處置，按照觸發報警原因將工藝報警分為影響工藝生產的現場設備類報警、自控邏輯類報警和工藝限值類報警等。根據實際生產中出現的報警類型，第一類將閥門、攪拌等自身運行狀態發生異常改變而產生的報警歸于設備類報警，第二類將SIS邏輯等觸發的報警歸于自控邏輯類報警，第三類將溫度、壓力、液位等超出設定值觸發的報警歸于工藝限值類報警，第四類為不需要響應的報警，如提示類報警。日常報警管理中，著重對第三類工藝報警進行管控，而第四類可不納入報警管理。

繼續完善生產過程中工藝報警管理體系，根據報警后果的嚴重性和允許響應時間確定報警的優先級，將工藝報警分為一級報警（緊急報警）、二級報警（重要報警）和三級報警（一般報警）三大類，其中緊急報警設定數量為報警總數的5%，重要報警設定數量為報警總數的15%。

2.5 重大危險源的工藝報警管理

為加強重大危險源的監控，將重大危險源及關鍵參數寫入調度網全流程監控系統，通過在線實時數據監控，對危險源和關鍵指標出現的異常數據做出準確及時的預判并采取有效的處理措施，以維持各工序生產的穩定運行，從而提高生產系統的安全性，提升數字化調度網絡的管理和經營質量。通過對全廠物料關鍵參數進行工藝控制指標的高低限設置，在生產智能化管控流程上實現對重大危險源及工藝關鍵參數點的報警提示功能，通過對重大危險源及關鍵參數實時監控，對異常數據做出準確及時的判斷并采取有效處理措施，保證各工序生產的正常運行，提高生產系統的安全性。

通過HAZOP分析來制定完整的獨立安全儀表系統并加以落實執行。安全儀表系統是一種自動安全保護系統，保證正常生產和人身、設備安全的必不可少的措施，因此開展安全儀表系統安全評定對于確保工藝過程安全具有重要意義[2]。以罐區的氯乙烯氣柜和氯乙烯球罐的SIS報警聯鎖設計為例，氯乙烯球罐設有高高限、高限報警聯鎖，當球罐液位超過設定值時球罐進料閥門自動關閉停止接料，防止球罐出現超負荷運轉。氣柜設有高高限、高限、低限、低低限報警聯鎖，當氣柜超過高限值時氣柜進氣閥門自動關閉防止氣柜超高冒頂引發事故，當氣柜高度低于低限值時氣柜出口閥門自動關閉，防止壓縮機將氣柜抽癟造成事故。

3 工藝報警在自動化生產平衡動態監控中的應用

3.1 工藝報警在生產負荷監測中的應用

生產實時數據監控系統作為生產過程控制系統和經營管理系統的中間層，提供實時、完整、可靠的實時數據和應用，實現生產過程中工藝報警自動化管理信息化的融合與應用，實現報警系統內報警頻次和報警時長等數據橫向對比，減少傳統的數據提取、錄入、人工分析的過程，提高工作效率。通過工藝報警分析界面和運行平穩率分析界面的顯示，直觀地顯示出公司整體生產運行的穩定性及安全性，并可以根據燒堿、聚氯乙烯等產品的產量及銷量的匹配度來隨時調整生產結構，做到在生產平穩的基礎上實現產品結構的最優。

通過智能化平臺內部數據采集和公式運算，建立了關鍵工序負荷統計測評、燒堿工序產能測評、轉化工序產能測評和PVC樹脂產能測評等智能模塊，通過以上測評實時掌握生產系統關鍵工序負荷及運行情況，排查“三超”報警問題，保障生產系統安全穩定運行，各生產系統生產負荷監控見圖3。通過實施生產工藝報警系統監控，規范報警器的記錄、處理及運維等流程，實現報警器規范管理；建立報警月分析制度，通過分析采取相關措施，減少誤報情況，使報警器起到預警作用，通過報警內容實現對生產狀況的預判，將生產管控關口前移，最大限度將生產系統維持在平衡狀態，保障運行安全。

圖3 各生產系統實時負荷比

3.2 工藝報警在智能化平臺的搭建及應用

為實現工藝報警全方位監管，將工藝報警系統引入智能化管理平臺，通過生產系統報警情況匯總、報警次數統計、最頻繁報警匯總、報警時長情況和橫班報警匯總五大模塊進行全方位數據匯總、分析及對比，通過詳細報警列表和報警統計餅圖等展示發布，通過報警數量、平均報警率、最大報警率和報警數量變化趨勢等實現對系統運行穩定性的評估。該系統具備報警過濾條件篩選功能：（1）停車、間歇運行等情況產生的報警不納入報警信息；（2）分工序、分時間段進行報警篩選，實現全廠各橫班之間或各崗位之間報警變化趨勢監測及評比；（3）該報警系統具有推送功能，根據企業設定好的報警等級，將緊急報警和重要報警信息分級推送至相關人員，以便在最短時間內對生產異常做出準確判斷并采取有效措施消除報警，規避風險。

4 實施效果

（1）通過對控制系統和程序優化，從指標控制及工藝處置措施入手，嚴格生產工藝操作，提升工藝報警管理水平，使得生產過程中的無效報警和高頻報警明顯減少，工藝指標觸發的工藝報警逐漸凸顯，為生產運行提供預判和指導。

（2）通過報警分級、分類管控，實現對工藝報警的快速識別、及時響應，保證生產運行的連續性、平穩性和安全性。

5 結語

為進一步提高工藝操作的可靠性和生產系統的平穩性，DCS智能化控制過程將工藝報警與工藝聯鎖相結合，若生產過程超出安全操作范圍、機械設備故障、系統自身故障或能源中斷時，自動產生一系列預先定義的動作，使操作人員和工藝裝置處于安全狀態，保證安全生產，減少非計劃停工，避免重大設備及人身傷亡事故的發生。