工艺报警在自动化生产中的优化

2022-02-02张胜男

中国氯碱 2022年12期

张胜男

（唐山三友氯碱有限责任公司，河北唐山 06330）

唐山三友集团氯碱有限责任公司经过多年的发展，现有产能烧碱53万t/a、聚氯乙烯树脂43.5万t/a、专用树脂9万t/a，居全省前列，产品广泛应用于工业、农业、建筑、电子等领域。近年来，企业在生产自动化控制和报警安全智能化等方面加大开发力度，建立数字化全流程生产管控体系，依据《化工企业报警管理实施指南》等标准完善DCS控制站工艺报警的设定和工艺报警管理制度，实现了对重大危险源运行状态和各生产关键指标参数的报警监控，提升公司安全管理水平。

1 工艺报警管理体系的建立

为加强工艺报警管理，减少人为操作失误，避免工艺事故的发生。公司遵循《化工企业报警管理实施指南》，对生产工艺中的报警实施全生命周期管理，包括报警理念、报警识别、详细设计、实施、运行、监控和评级、变更管理及审核等一系列管理活动。健全预报系统，梳理现有报警系统及报警精度，密切关注自动化、信息化技术的最新发展方向，提出新增预报系统计划，引入智能数字化网络系统，实现关键技术指标异常的预判，管理人员可以提前进行调整，减少人为因素对生产系统的干扰，提升工艺管理水平，保障生产系统的运行安全。通过关键参数监控模块中工艺报警功能对全厂物料关键参数进行工艺控制指标的高低限设置，在智能化平台实现对工艺关键参数点的报警提示功能，跟踪各项关键指标历史趋势的查询来掌握不同阶段指标及生产系统的运行情况，以便管理人员及时做出指标调整，并对异常数据做出及时的判断，并采取有效处理措施。

近年来，国内外众多工业事故与报警管理不当有关。报警管理一直是化工行业关注的焦点。报警值设置不合理、响应不及时、响应方式不正确、频繁报警对操作人员的干扰等引起的报警管理不当，均会降低装置的安全性，导致企业发生不必要的生产损失，甚至引发事故。企业应严格按照化工企业报警管理要求，建立企业内部工艺报警管理体系，其报警管理制度包括报警设置原则、报警识别处置、报警监控评级和工艺报警变更等。具体的报警管理周期见图1。

图1 工艺报警的管理周期

2 生产系统工艺报警管理的实施

目前，各生产装置共有仪表报警点近6 000个，其中DCS系统报警主要包含工艺、设备和仪表报警三大类，且整体报警数量较多，部分生产系统报警频次高达25次/min，对生产实时监控造成严重的刷屏干扰。由于工艺指标超标引起的报警较少（包括设备停用状态报警、间歇运行工况产生的报警），在众多的报警当中操作人员无法及时有效发现真正异常的报警，对生产系统的安全平稳运行带来隐患。为提高工艺报警在生产操作中的精确度和对异常情况的预见性，企业从生产系统内部CPU负荷冗余、无效报警、高频报警和智能化管控等方面进行梳理完善。

2.1 工艺参数报警值的设置原则

为确保工艺参数报警设定值的合理性和适用性，企业严格按照相关标准及要求确定报警值设定的原则，首先对全厂生产系统装置进行安全分析，确定所有参数没有超出生产装置的安全极限，其次明确安全极限与报警点的关系，最后根据以上原则确定安全操作极限的方式方法，该方法适用于所有的温度、压力、液位、流量等工艺参数。

工艺报警参数的设定区域分为三个区间，以正常操作区间为中心，按正常操作区间、纠正措施区间、缓冲区间依次范围扩大的形式分布。其中正常操作区间的上下限为正常操作的极大值、极小值，纠正措施区间上下限为安全操作的极大值、极小值，缓冲区间上下限为安全设计的极大值、极小值，报警设置区间不得超出安全设计区间，超出安全设计区间则为不安全的未知区间。

纠正措施区间和正常操作区间称为安全操作区间，在此区间发生的工艺偏差或异常不会产生安全或环境的问题，采取一定的处置措施会及时恢复工艺参数的正常，其报警原因主要有消耗增加、产品质量问题、生产能力下降和备件使用量增加等，在该区间内设置工艺报警参数的高限和低限。

缓冲区间称为安全设计区间，此区间的上下限是不可逾越的操作红线，生产装置在超出上下限后会处于不安全状态，必须采取纠正措施，安全仪表系统（SIS）和安全阀等将会触发，生产过程中在该区间内设置工艺报警参数的高高限和低低限。

在以上工艺参数报警值的设定原则外，设置报警死区。报警死区主要用来消除高频重复性报警，该部分报警一般由设备启停过程、装置开停车过程和工艺测量值反复越限造成的大量报警等。该死区设定后，若工艺测量值触发工艺报警点后在报警死区范围内波动，既不会恢复报警也不会产生新的报警，若测量值离开死区范围，则先恢复原来的报警值再产生新的报警，一般的温度、流量等参数的死区设置范围在1%～5%。

2.2 高频无效报警的分析和处置

正常生产控制中，部分频繁出现甚至刷屏的工艺报警不能给生产带来预见性指导，过多的刷屏信息会影响操作工的正常操作和异常判断，造成报警信息的提取不及时或者报警信息的遗漏，不能在正常的报警响应时间内做出处置措施，导致事故的发生。鉴于此，企业针对不同生产系统有不同原因导致的高频率报警进行分类汇总，分类整理出以下几种导致高频报警的原因并制定了相应的解决措施，具体内容见表1。

表1 高频报警的原因及处置措施

通过表1，对过程报警的梳理和处置，整个生产系统的高频报警得到有效控制，且高频无效报警明显减少，所有生产系统的月均报警频次由原来的0.30下降至0.18，具体数据见表2，各生产系统高频报警消除率总计达54%，具体数据见表3。

表2 消除高频报警的前后月均报警频次对比

表3 消除高频报警的前后月均报警数据对比

2.3 工艺报警的归类和占比

2.3.1 工艺报警的原因占比及分类

通过长时间工艺报警管理体系的运行和经验积累，对各生产控制引起工艺报警的原因进行了分类汇总，具体见图2。

图2 工艺报警原因分类及占比

目前生产系统中引起工艺报警的原因主要包含工艺操作、设备故障、电仪检修和上下游用户影响等，结合实际生产制定相应的报警参数核定、工艺指标优化、自动控制升级改造等措施来减少系统中不必要的工艺报警，并根据报警类型实行工艺、设备和电仪的分专业专项管理，提升了生产系统的安全稳定性。

2.3.2 工艺报警的处置措施

针对正常生产过程中因系统或设备间歇运行引起的工艺报警，处置措施有以下三种方式。（1）对间歇运行工况中投用期和结束期的流量、温度、压力等关键指标的数值变化为依据，将工艺报警区间设定在有效范围，不仅起到关键提示作用，而且有效降低无效报警和高频报警的发生。（2）根据实际运行工况中特定的程序运行标志位进行顺控程序的编辑，以确定报警是否为投用或结束程序引起的，通过增加报警延时来解决此类报警。（3）针对备用设备产生的无效报警，通过对备用设备报警参数设置“一键切换”按钮，即将备用设备的相关仪表及相关仪表的高低限至量程一并带入按钮内部程序，点击按钮即可进行报警消除。

2.4 工艺报警的分类管控

为了更清晰地判定工艺报警设置的必要性，准确地识别生产过程中出现的工艺报警，并采取有效措施统一对报警进行处置，按照触发报警原因将工艺报警分为影响工艺生产的现场设备类报警、自控逻辑类报警和工艺限值类报警等。根据实际生产中出现的报警类型，第一类将阀门、搅拌等自身运行状态发生异常改变而产生的报警归于设备类报警，第二类将SIS逻辑等触发的报警归于自控逻辑类报警，第三类将温度、压力、液位等超出设定值触发的报警归于工艺限值类报警，第四类为不需要响应的报警，如提示类报警。日常报警管理中，着重对第三类工艺报警进行管控，而第四类可不纳入报警管理。

继续完善生产过程中工艺报警管理体系，根据报警后果的严重性和允许响应时间确定报警的优先级，将工艺报警分为一级报警（紧急报警）、二级报警（重要报警）和三级报警（一般报警）三大类，其中紧急报警设定数量为报警总数的5%，重要报警设定数量为报警总数的15%。

2.5 重大危险源的工艺报警管理

为加强重大危险源的监控，将重大危险源及关键参数写入调度网全流程监控系统，通过在线实时数据监控，对危险源和关键指标出现的异常数据做出准确及时的预判并采取有效的处理措施，以维持各工序生产的稳定运行，从而提高生产系统的安全性，提升数字化调度网络的管理和经营质量。通过对全厂物料关键参数进行工艺控制指标的高低限设置，在生产智能化管控流程上实现对重大危险源及工艺关键参数点的报警提示功能，通过对重大危险源及关键参数实时监控，对异常数据做出准确及时的判断并采取有效处理措施，保证各工序生产的正常运行，提高生产系统的安全性。

通过HAZOP分析来制定完整的独立安全仪表系统并加以落实执行。安全仪表系统是一种自动安全保护系统，保证正常生产和人身、设备安全的必不可少的措施，因此开展安全仪表系统安全评定对于确保工艺过程安全具有重要意义[2]。以罐区的氯乙烯气柜和氯乙烯球罐的SIS报警联锁设计为例，氯乙烯球罐设有高高限、高限报警联锁，当球罐液位超过设定值时球罐进料阀门自动关闭停止接料，防止球罐出现超负荷运转。气柜设有高高限、高限、低限、低低限报警联锁，当气柜超过高限值时气柜进气阀门自动关闭防止气柜超高冒顶引发事故，当气柜高度低于低限值时气柜出口阀门自动关闭，防止压缩机将气柜抽瘪造成事故。

3 工艺报警在自动化生产平衡动态监控中的应用

3.1 工艺报警在生产负荷监测中的应用

生产实时数据监控系统作为生产过程控制系统和经营管理系统的中间层，提供实时、完整、可靠的实时数据和应用，实现生产过程中工艺报警自动化管理信息化的融合与应用，实现报警系统内报警频次和报警时长等数据横向对比，减少传统的数据提取、录入、人工分析的过程，提高工作效率。通过工艺报警分析界面和运行平稳率分析界面的显示，直观地显示出公司整体生产运行的稳定性及安全性，并可以根据烧碱、聚氯乙烯等产品的产量及销量的匹配度来随时调整生产结构，做到在生产平稳的基础上实现产品结构的最优。

通过智能化平台内部数据采集和公式运算，建立了关键工序负荷统计测评、烧碱工序产能测评、转化工序产能测评和PVC树脂产能测评等智能模块，通过以上测评实时掌握生产系统关键工序负荷及运行情况，排查“三超”报警问题，保障生产系统安全稳定运行，各生产系统生产负荷监控见图3。通过实施生产工艺报警系统监控，规范报警器的记录、处理及运维等流程，实现报警器规范管理；建立报警月分析制度，通过分析采取相关措施，减少误报情况，使报警器起到预警作用，通过报警内容实现对生产状况的预判，将生产管控关口前移，最大限度将生产系统维持在平衡状态，保障运行安全。

图3 各生产系统实时负荷比

3.2 工艺报警在智能化平台的搭建及应用

为实现工艺报警全方位监管，将工艺报警系统引入智能化管理平台，通过生产系统报警情况汇总、报警次数统计、最频繁报警汇总、报警时长情况和横班报警汇总五大模块进行全方位数据汇总、分析及对比，通过详细报警列表和报警统计饼图等展示发布，通过报警数量、平均报警率、最大报警率和报警数量变化趋势等实现对系统运行稳定性的评估。该系统具备报警过滤条件筛选功能：（1）停车、间歇运行等情况产生的报警不纳入报警信息；（2）分工序、分时间段进行报警筛选，实现全厂各横班之间或各岗位之间报警变化趋势监测及评比；（3）该报警系统具有推送功能，根据企业设定好的报警等级，将紧急报警和重要报警信息分级推送至相关人员，以便在最短时间内对生产异常做出准确判断并采取有效措施消除报警，规避风险。