燃气SCADA报警设置点再评估研究.pdf

Research(Jul,2023AUTOMATIONINDUSTRY2023年7 月石自动油Vol.59,No.4化化第4期第59 卷燃气SCADA报警设置点再评估研究彭超龙，陈媛秀，杨秀平（深圳市燃气集团股份有限公司，广东深圳518 0 49）摘要：以某天然气门站为例，介绍了报警点设置的目的，建立了报警设置点再评估工作流程。采用头脑风暴与专家评审相结合的方法，梳理了每一个报警设置点产生的原因、可能造成的后果以及报警响应动作与时间，并对因果联锁报警和重复设置报警点进行了识别，经评审后报警设置点总量减少了2 3.17%，为改善燃气数据采集与监控系统（SCADA）报警泛滥提供了目标报警点。关键词：天燃气；数据采集与监控系统；报警设置点；再评估；报警泛滥中图分类号：TP273文献标志码：B文章编号：10 0 7-7 3 2 4（2 0 2 3)0 4-0 0 2 7-0 6on Reassessment of Alarm Set Points in Gas SCADAPeng Chaolong,Chen Yuanxiu,Yang Xiuping(Shenzhen Gas Group Co.Ltd.,Shenzhen,518049,China)Abstracts:Taking a certain natural gas station as an example,the setting aim of alarm points isintroduced.A workflow for reassessing alarm set points is established.A combination ofbrainstorming and expert review is used to sort out the causes,possible consequences,alarmresponse actions and time for each alarm set point.Causal interlocking alarms and duplicatealarm points are identified.Total number of alarm set points is reduced by 23.17%afterreview.Target alarm points have been provided for improving the alarm overflow of gassupervisory control and data acquisition(SCADA).Key words:natural gas;supervisory control and data acquisition;alarm set point;reassessment;alarm overflow20世纪50 年代，世界上第一台过程控制计算机TRW-300在美国德克萨斯州的一个炼油厂正式投人运行，标志着过程控制技术的正式应用。历经起步期、试验期、推广期、发展期、成熟期五个阶段的发展，到2 0 世纪8 0 年代，工业过程控制技术已变得很成熟，并广泛应用于石油、核电、化工、水利、电力、冶金等行业。随着自动化水平的不断提高，可编程逻辑控制系统、分散控制系统、总线控制系统等被广泛使用，增加报警点的设置变得十分容易且廉价，只需在组态软件中简单设置即可1。然而正是由于报警点设置的便捷性、任意性以及人们对报警的认识不足，从2 0 世纪7 0 年代末开始，美洲几个国家便陆续发生了几起特别重大的安全事故 2-5。这些事故发生的原因均是操作人员无法及时从海量的报警信息中找出关键报警信息而导致基于以上惨重事故的教训，人们开始对报警有了新的认识。报警并不是设置的越多越好，过多的报警反而更容易增加操作人员的工作负担甚至超出操作人员的处理能力和应对能力，报警信息得不到及时有效处理，将给企业的安全稳定生产埋下严重隐患。因此，系统、科学、有效地设置报警点对保障生产过程安全、可靠运行至关重要 6-7 1报警设置点再评估目的及流程11报警设置点再评估目的报警管理是一个持续改进的过程，需要不断地对报警系统定期评估和优化 8。国际自动化协会(ISA)发布的ANSI/ISA-18.2 定义了工业过程报警系统的管理由“操作一监测评估一维护一操作“操作一监测评估一变更管理一报警识别一合理化审查一详细设计一实施一操作”和“报警识别一合理化审查一详细设计一实施一操作一维护一监测评估一变更管理一报警识别”3 个闭环回路构成。第1个回路描述了通过发现现行系统局稿件收到日期：2 0 2 3-0 1-17，修改稿收到日期：2 0 2 3-0 5-0 7。作者简介：彭超龙，2 0 2 0 年毕业于西安交通大学工程管理专业，获硕士学位，现就职于深圳市燃气集团股份有限公司，主要从事燃气SCADA系统维护与设备管理工作，任工程师。28第59 卷石油化工自动化部的小问题来对报警进行维护，第2 个回路描述了在原有系统的基础上运用新的技术方法进行二次改良的过程，第3 个回路则是描述了新建报警系统管理的全生命周期过程 9。报警管理全生命周期流程如图1所示。导则报警识别9变更管理实施阶段合理化审查详细设计报警审核5实施维护阶段操作8监测评估维护图1报警管理全生命周期流程示意报警识别提出要基于工程经验、设计要求、失效模式与后果分析（FEMA）、危险与可操作分析(HAZOP)报告、PID图、SIL表、事故因果图等历史资料判断哪里需要设置报警点；合理化审查则提出要对报警系统进行全面检查和设置报警点分类、级别合理化评估，从而建立主报警库。由此可见，对已投运的生产监控系统而言，进行报警点再评审十分重要，识别出重复设置的报警点和无意义的报警点，保留必须设置的报警点。1.2报警设置点再评估的流程以某门站报警设置点为研究对象，为了全面、准确地识别出门站重复设置的报警点，前期必需要对门站的设计要求和生产过程有充分的认识。经梳理可作为门站报警点再评审的依据有：1）国家和地方颁发的有关城市燃气建设的法律、法规、条例和文件规定等。2)GB500282006城镇燃气设计规范 10)3）石油化工、燃气火灾防范，安全联锁控制系统等设计技术规范等。4）报警设计导则、报警目标、报警设计策略、报警管理策略、报警点表等。5）报警系统功能要求（ASRS）、管道与仪表流程图（P&ID)、报警设置文档等。6）危险源识别报告、HAZOP报告、故障树分析报告等。报警点再评审是一个系统性的工作，既需要多部门协同工作，又需要专门的工具和方法。因此，本文在相关理论综述研究的基础上，采用头脑风暴、因果报警识别与专家评审技术相结合的方法，对该门站SCADA中重复设置的报警点进行了识别和再评估-12。具体流程如下：在研究相关文献综述的基础上，构建报警点评审分析模型；采用头脑风暴的方法，针对报警点评审分析模型，分别从报警产生的原因、可能造成的后果、报警响应的动作和时间进行分析；根据报警分析的初步结果并结合审查该门站的工艺流程图，采用时延网络技术进一步识别重复设置的因果报警，得到拟取消重复设置报警点清单；邀请专家对拟取消的重复设置报警点进行评审，得到目标报警点。报警设置点再评估流程如图2 所示。理论综述研究构建报警点评审分析模型因果报警点识别报警点设置再评审拟取消报警点审批取消N报警点审批是否通过？Y目标报警点图2报警设置点再评估流程示意1.3报警设置点再评审分析模型的建立该门站属于易燃、易爆场所，SCADA中设置的报警点涉及多个部门的管理需求。为了全面、准确地将门站所有重复设置和无意义的报警点都识别出来，特别邀请场站运行部、生产调度部、运行调度部、计量管理部、系统运行部、安全技术部专家7 人组成报警点再评估分析团队。再评审团队成员基本资料见表1所列。表1再评审团队成员基本资料序号所在部门专业职称1运行调度部石油与天然气利用工程工程师2场站运行部储气与输配工程高级技师3生产调度部测控技术与仪器高级工程师4计量管理部计量技术及仪器工程师5系统运行部仪器仪表工程高级工程师6系统运行部电工高级技师7安全服务部化工安全工程工程师29彭超龙等.燃气SCADA报警设置点再评估研究第4期项目团队成员站在自已专业的角度和出于安全生产管理的需要，对报警点设置再评估分析提出了不同的见解，具体如下：1）运行调度部认为报警点设置再评审分析应充分利用历史生产数据曲线以及考虑报警发生的频次、报警时间的长短、报警产生的规律等。2）场站运行部认为报警点再评审分析应从报警点设置的依据、报警点设置的合理性、生产安全的需要、消防法规以及过程安全仪表设计文件的硬性要求等角度分析。3）生产调度部认为报警点再评审分析应从报警点设置的合理性、必要性、处理的时效性和闭环管理的可能性等角度分析。4）计量管理部认为报警点再评审分析应考虑贸易计量结算、气质合同要求、供销差和上游管理的便捷等。5）系统运行部认为报警点再评审分析要考虑报警设置的必要性、报警设置的合理性以及约束条件，无意义和重复设置的报警点不要出现在报警点列表中。6）安全服务部认为报警点的分析应考虑安全需要和生产需要的相结合，避免关键节点、重要报警的遗漏和疏忽。7）在开展项目评审前，考虑到系统运行部对报警系统较为熟悉，因此推荐系统运行部的仪器仪表高级工程师担任报警点再评审分析团队的组长，从而引导其他成员参与分析和评审的过程。经与会成员充分讨论，并经过反复沟通，最终形成比较统一的意见。大家一致认为报警点再评审分析可以从报警产生的原因、可能造成的后果、报警响应的动作与时间三个方面分析，从而发现每个报警点设置的依据、设置的必要性和合理性。报警点再评审分析模型如图3 所示。可能造成的后果燃气停输气量贸易纠纷爆炸与火灾事故生产系统瘫痪设置不当过程波动主操动作辅助操主操时辅操时间报警响应工艺操作动作与时间设备故障作间报警产生的原因图3报警点再评审分析模型示意如图3 所示，报警点评审分析模型由三部分组成。生产监控系统设置的报警点出现报警的原因主要有报警参数设置不当、生产过程波动震荡大、生产操作频繁以及设备、仪器仪表自身的异常报警等。报警响应动作与时间主要由两部分组成，一部分是实际操作现场工艺设备的耗时，另一部分是处理报警所需的准备工作耗时，如电话请示、对讲呼叫以及检修、检查仪器的配置等。报警可能产生的后果主要有：燃气站停输、安全设施保护破坏、爆炸火灾、管道破裂、气体污染、贸易计量纠纷等。1.4报警设置点再评审分析经梳理该门站需要再评估的报警点数量有164个，为了便于分类讨论评估报警过程，本文采用树状分类方法将待评审的报警点分为工艺类、设备类、自控逻辑类和系统通信类四大报警。工艺类是指在模拟量上设定报警上下限，该类报警主要有管道压力、温度、热水及复热前后燃气温度、流量、热值以及加臭量、燃气累积量等，其中限值类报警又分为低限值报警和高限值报警两种。设备类报警是指由于现场设备自身状态发生的异常改变而触发的报警，比如：紧急切断阀的切断报警，阀门的关闭启动报警、UPS状态异常报警、流量计算机故障报警等。自控逻辑类报警是指逻辑指令的启动或触发而产生的报警，比如：阀门ESD启动报警、密码错误报警、触发及失败报警等。系统通信类报警主要是指通信数据中断的报警，比如：上位与下位站点的通信中断报警、串口通信失败报警、网络传输异常报警等。1.4.1报警产生的原因分析从报警点再评审分析模型可以看出，报警点产生报警的主要原因有工艺操作、设备故障、生产过程波动和报警阈值设置不当等，对于不同类别的报警点报警产生的原因则会有一定差别。经与会专家讨论，报警点产生报警的主要原因分析见表2 所列。1.4.2报警可能造成的后果分析从报警点再评审分析模型可以看出，报警点可能造成的后果主要有燃气停输、贸易结算纠纷、爆炸与火灾事故、生产系统瘫痪等。因报警的类型不同、报警产生的原因不同，不同区域设置的报警点可能造成的后果也不尽相同。报警点可能造成的后果分析见表3 所列。1.4.3报警响应动作与时间分析生产监控系统报警一经产生，如果报警产生后操作人员无处置措施或者未有足够的时间来处理报警，那么这样的报警可认为是无意义的报警30第59 卷石油化工自动化点，系统中则不应设置该报警。从报警点再评审分析模型可以看出，现场调度操作人员针对报警采取的报警响应动作包括主要操作和辅助操作。主操时间是实际进行具体操作需要的时间，如开启阀门操作所需的时间；辅助操作时间则是判断报警、确认报警等所需的时间。报警响应动作与操作时间见表4所列。表2报警点产生报警的主要原因分析报警大类报警类型报警原因工艺类模拟量变送输出电流偏大，线路短（上限值）路，生产过程波动大（如电厂启机，操作开、关进出气阀等），超压、超流、超温等模拟量变送输出电流偏小，温度传感器（下限值）失效，取样阀关闭，防雷模块故障，取样管堵塞，仪表电源缺失，线路开路，管线停输，仪表故障等设备类开关量阀门状态监视配置丢失，信号线路绝缘层破损，执行器或线路进水，人员误操作，生产作业关阀，设备故障，阀门状态异常，配电系统故障等逻辑类开关量程序执行错误，密码错误以及综合报警输出等通信类开关量光纤、CDMA两条通信链路同时中断，设备故障（含电源、网线、接口等故障），周边基站信号不稳定等表3#报警点可能造成的后果分析报警大类可能造成的后果工艺类安全阀PSV起跳、调压器失效、取样管冰堵、过滤器失效、燃气泄漏、爆炸火灾、设备停机以及燃气停输等设备类系统停机、生产操作事故、无法控制阀门及系统瘫痪等逻辑类指令未能正确下达，失去对设备的遥测遥控通信类中心与现场通信链路中断、设备间通信中断，数据无法采集、更新和交互2因果报警设置点分析本文以生产装置的进站压力高报警为例，识别报警的因果链，旨在进行合理的报警分组时，减少因果报警点的设置数量。在报警评估工作表的基础上，针对门站与工艺相关的生产过程模拟量报警和开关量报警，依据先验知识和评审团队成员的意见，采用时延Petri网分析了目标报警点间的因果关系，并编制了门站进站压力报警关联产生规则表，见表5所列。表4#报警响应动作与操作时间报警大类描述工艺类主操动作：现场查看工艺设备、操作设备等耗时；辅助操作：报警判断、确认和告知处理事项等耗时设备类主操动作：现场检查线路、维修更换设备、设备软硬件检查等耗时；辅助操作：报警判断、确认和告知处理事项等耗时逻辑类主操动作：核查程序、检查现场二级控制系统等耗时；辅助操作：报警判断、告知处理事项等耗时通信类主操动作：检查通信服务器、通信链路及数据收发测试等耗时；辅助操作：报警联络、告知处理事项等耗时表51门站进站压力报警关联产生规则序号关联规则1如果分输站进口压力高报警，时延若干时间，那么超声压力变送器压力高报警2如果超声压力变送器压力高报警，时延若干时间，那么至南天电厂计量站进站压力高报警3如果至南天电厂计量站进站压力高报警，时延若干时间，那么电厂出口压力高报警4如果分输站进口压力高报警，时延若干时间，那么南天电厂计量撬1路A压力高报警5如果次高压出站压力高报警，时延若干时间，那么一级调压1路切断阀切断报警6如果一级调压1路切断阀切断报警，时延若干时间，那么分输站进口压力高报警7如果二级调压出站压力高报警，时延若干时间，那么中压1路切断阀切断报警8如果次高压出站压力高报警，时延若干时间，那么南天电厂来气路切断阀切断报警（南天电厂反供）9如果二级调压出站压力高报警，时延若干时间，那么次高压出站压力高报警10如果CS气泡压力高报警，时延若干时间，那么次高压出站压力高报警31第4期彭超龙等.燃气SCADA报警设置点再评估研究鉴于生产系统因果报警的识别和合理的报警分组，可以在短暂时间内甄别出关键报警事件从而避免大规模报警蔓延的恶劣状况发生。为了更好地描述该门站各库所之间的因果关联关系，依据关联规则绘制了报警事件时延Petri网络模型，如图4所示。H1T4T6H2H5H7T2T5H3H6T3T10T7T8T9H4H8H9H10图4报警事件时延Petri网络模型示意图4中时延Petri网络模型中的符号含义见表6 所列。表6时延Petri网络模型中的符号含义符号含义H1分输站进站压力高报警H2超声压力变送器压力高报警H3南天电厂计量站进站压力高报警H4南天电厂出口压力高报警H5南天电厂计量1路压力A高报警H6次高压出站压力高报警H7一级调压1路切断阀切断报警H8二级调压出站压力高报警H9中压1路切断阀切断报警H10南天电厂来气路切断阀切断报警H11CS气泡压力高报警从图4可以看出，报警链有H11H6H7一H1H5，H 11H 6 H 7 H 1H 2 H 3 H 4,H8H6H7H1H2H3H4，H 8 H 6 H9，H 8 H 6 H 10，H 8 H 6 H 7 H 1H 5,H11H6H10和H11H6H9共8 条，报警分组明细见表7 所列。当以H1为报警源时,若该报警不处理，时延若干时间后将会产生H1一H2一H3一H4和H1一H5两条因果报警链，从而触发一系列的因果联锁报警。另外，从图4可以看出，触发H1高报警的有H6,H7,H8和H11压力高报警源。由于H4,H5,H9,H10均位于时延网络的末端，其报警可以通过前面的报警给予反映或发出预警提示，因此，站在生产工艺的角度上来说，该报警在压力高报警中可视为重复设置的压力报警点，系统中不宜设置该类报警点。生产装置压力高报警分组见表7 所列。表7 生产装置压力高报警分组组号内容1组CS气泡压力高报警、次高压出站压力高报警、一级调压1路切断阀切断报警、分输站进站压力高报警、南天电厂计量1路压力A高报警2组CS气泡压力高报警、次高压出站压力高报警、一级调压1路切断阀切断报警、分输站进站压力高报警、超声波压力变送器压力高报警、南天电厂计量站进站压力高报警、南天电厂出口压力高报警3组二级调压出站压力高报警、次高压出站压力高报警、一级调压1路切断阀切断报警、分输站进站压力高报警、超声压力变送器压力高报警、南天电厂计量站进站压力高报警、南天电厂出口压力高报警4组二级调压出站压力高报警、次高压出站压力高报警、中压1路切断阀切断报警5组二级调压出站压力高报警、次高压出站压力高报警、南天电厂来气路切断阀切断报警6组二级调压出站压力高报警、次高压出站压力高报警、一级调压1路切断阀切断报警、分输站进站压力高报警、南天电厂计量1路压力A高报警7组CS气泡压力高报警、次高压出站压力高报警、南天电厂来气路切断阀切断报警8组CS气泡压力高报警、次高压出站压力高报警、中压1路切断阀切断报警3重复报警设置点识别从报警点再评审分析的过程可以看出，若报警管理系统内设置了多个重复的报警点，则它们报警产生的原因、可能造成的后果以及报警响应动作与时间应该是一样的。基于此，本文利用报警点评审分析的结果、因果报警的分组与识别以及结合对该门站工艺流程图的审查，总结出该门站SCADA重复设置报警点的类型见表8 所列。基于上述重复设置报警点分类的方法，报警点再评审人员对该门站16 4个报警点进行了再评审分析和因果报警识别，共识别出同一位置设置多个重复报警点3 个，互联互通管道重复设置报警点11个，无意义报警点在系统的堆叠2 8 个，因果联锁反应报警12 个，合计54个。32第59 卷石油化工自动化表8重复设置报警点的类型类型特征同一位置设置多个传感器安装检测位置完全重复报警点一致；报警产生的原因相同互联互通管道重复不处置报警可能造成的后果设置报警点相同；报警响应动作与时间相同多个无意义报警在无报警响应动作、处置时间系统的堆叠或重大后果因果报警识别设置位于因果报警链的末端的报警点4结束语通过对该天然气门站16 4个报警点进行再评审分析，累计取消了54个重复设置报警点，识别新增了16 个报警点，最终保留启用了12 6 个目标报警点，报警设置点总量较评估前减少了2 3.17%，为改善燃气SCADA报警泛滥提供了目标报警点。但在报警点评审中还应注意：为了确保拟取消的报警点是合理和安全的，建议由公司安全生产监督管理机构牵头召集燃气工程、机械电子工程、仪器仪表工程、化工安全工程和电气工程等专业的专家对拟取消的报警点进行二次评审；为了保证取消的重复设置报警点是被认可和可追溯的，建议由生产部门在公司OA等数字化管理平台提出了拟取消报警点申请，在完成相关职能部门逐级进行审批后，最终由SCADA维护工程师在报警管理系统中取消相关报警点的设置。参考文献：1曾曾智勇.工业报警系统时延设计及性能评估 D.北京：华北电力大学，2 0 17：1-2.21LEETorrey，强增吉.几乎把宾夕法尼亚州送掉的一星期一一三里岛核电厂事故经过 J.世界科学译刊，19 7 9(09):38-42.3名.美三里岛事故损失的估计 J.国外核新闻，19 8 0(06):15.4王华洋.基于声学激励的天然气管道水合物凝聚监测及定位技术 D.天津：天津科技大学，2 0 17：4-6.5黄文.警钟长鸣安全为本J.中国石油石化，2 0 0 9（0 1）：66-67.6 GARCL A BC,PORTS L A,PIONT F,et al.Real-timealarm management system for emergency situations J.Modern Advances in Intellligent Systems and Tolls,2012:9-18.7张宏伟.城市燃气SCADA系统中的报警管理J.城市燃气,2 0 15(0 2)：10-12.8 王丽娜，潘辉.先进报警管理平台的应用 J.仪器仪表用户,2 0 19,2 6(0 3)：17-2 1.9LEILA M.Effective alarm management planning usingANSI/ISA-18.2JJ.InTech,2014,61(05):32-34,36.10金石坚，李颜强，徐良，等.城镇燃气设计规范：GB50028一2006S.北京：建筑工业出版社，2 0 0 6.11张益农，周进，杨帆，等.基于数据的流程工业关联报警的识别 J.计算机工程与科学，2 0 14，3 6（0 7）：1417-142 2.12尚永涛，杜长河，杨斌，等.基于关联规则的流程工业报警参数的影响分析 J.科技和产业，2 0 14，14（10）：159-16 1.13吴中相，王慧锋.流程工业中报警值的优化设置及条件报警J.化工自动化及仪表，2 0 17，44（11）：10 43-10 47.宇电推出核心产品AI-8半导体专用串级温控器近日，厦门宇电自动化仪表有限公司（以下简称：宇电）在第十六届SNEC国际太阳能光伏与智慧能源（上海）大会展出其核心产品AI-8x9系列温控器。据悉，AI-8半导体设备专用温控器最大的技术突破，解决了半导体设备中的复杂串级控制问题，通过智能自动定标技术让串级仪表的调试工作和普通单回路PID仪表一样简单，遇到复杂控制对象也能轻松应对。该产品填补了国内半导核心设备温控应用领域的空白，在国家科技成果鉴定中被行业资深专家评定为“国际先进”。目前AI-8半导体设备专用温控器成功应用在扩散炉、氧化退火炉、等离子多晶硅薄膜积淀炉PECVD等设备，斩获大量客户订单。AI-8半导体设备专用温控器运用宇电全新升级的AI人工智能调节算法，可自动识别不同场景，如改变给定值、纯滞后延迟、额外扰动、开炉门、意外断电等多种现场场景并模拟专家思路调整PID控制器的工作状态，在多种不同应用场合均能实现无超调和无欠调的精确控制。宇电推出的半导体设备专用串级温控器解决关键卡脖子技术的同时，产品也成功通过国内光伏龙头企业的产线验证。（厦门宇电自动化仪表有限公司）