流程工業(yè)中報警值的優(yōu)化設置及條件報警

吳中相 王慧鋒

(1.拜耳技術工程(上海)有限公司；2.華東理工大學信息科學與工程學院)

流程工業(yè)中報警值的優(yōu)化設置及條件報警

吳中相1王慧鋒2

(1.拜耳技術工程(上海)有限公司；2.華東理工大學信息科學與工程學院)

針對很多工廠報警點設置不合理的狀況，給出了合理的報警點設置的定量模型，并以此為基礎編制智能化工具，實現(xiàn)了對大量報警點的快速檢查。闡述了自適應工藝狀態(tài)條件報警的原理、程序結構和實施案例。應用結果表明：在保證報警點合理性的前提下，報警數(shù)目大幅度降低，且報警數(shù)目不因工藝的變化而發(fā)生明顯改變。

報警管理 報警設置合理化 Excel VBA 條件報警

在化工廠的運行過程中，操作人員除了要根據(jù)工藝過程完成必要的生產操作，還需要結合生產經驗處理大量的報警。尤其是在裝置的開、停車，或是類似啟、停泵這樣的單元操作過程中，均會引發(fā)大量且無意義的報警，使得過程中真正需要操作人員關注的報警淹沒其中，容易引起操作延遲或失誤。合理的報警優(yōu)化和管理，雖不能給企業(yè)帶來直接的經濟效益，卻能夠使操作人員更加專注在工藝過程上，增加操作響應的時效性和準確性，提高工藝過程的穩(wěn)定性，間接地提高企業(yè)效益。

報警系統(tǒng)中，最基本的組成元素為報警的設置值。一套設置合理的報警點，能使報警觸發(fā)的更加準確、及時且必要。在合理報警設定點的基礎上對報警系統(tǒng)進行深化處理，諸如報警點設置的閾值(Threshold)、延遲開/關(Delay-on/off)，報警的聚類分析和處理[1,2]，或基于各類算法的動態(tài)閾值/延時設置等方法[3,4]，才能得到有效的應用效果。但是，由于現(xiàn)代流程工業(yè)的工廠工藝越來越復雜，報警點數(shù)目數(shù)以千計，因此設置和檢查報警點都變得異常困難[5]。為解決這個問題，筆者提出了合理化報警點的定量模型，并以此為基礎編制智能化報警點分析工具，幫助生產管理人員快速、準確地檢查并合理地設置工廠內的報警點。為了使報警點工作在合適的工況下，筆者還提出了自適應工藝條件的條件報警概念、軟件結構和實施方法，以此來消除工藝變化期內的報警泛濫。

1 報警點設置的合理化

1.1合理的報警點模型

合理的報警點設置是報警管理的基礎和前提。在實際生產中不難發(fā)現(xiàn)，很多報警點的設置只參考了測量點的量程，如低報設置為量程的20%，高報設置為量程的80%。類似的報警設置邏輯雖然能快速地設置報警值，但未考慮實際的工藝而降低了報警的精準性，在工廠運營后容易引起報警數(shù)目激增。經長期的生產實踐了解到，合理的報警點設置應當以實際的運行區(qū)間(即正常情況下工藝參數(shù)的波動范圍)為基礎[6]，使得報警點不被正常工況觸發(fā)，同時還可響應工藝的異常情況。

圖1為某一工藝測量點的設置情況，在此以高報類(高報，高高報等)為例，詳細闡述合理的報警點模型。圖中，RC(Range Calibration)為該測量點的量程，RCh、RC1分別為其上下限；RR(Range Running)為正常情況下的運行區(qū)間，RRh、RR1為其上下限。圖中曲線為模擬的測量點變化情況。對于運行區(qū)間RR，生產人員應根據(jù)生產經驗、工藝特點及歷史趨勢等方面給出此范圍。因為工藝參數(shù)在其范圍內的波動皆為正常的狀態(tài)，不需要生產操作人員干預，所以此范圍內無需設置任何報警點。

圖1 合理的報警設置范圍

如高報設置在A1位置，即運行區(qū)間的上限。當工藝參數(shù)發(fā)生t1時間段內的緊貼于運行區(qū)間上限的小幅度高頻振蕩時，A1報警點將會被頻繁觸發(fā)。但在實際生產中，t1時間范圍內的工藝波動會經常出現(xiàn)且無需操作人員干預，比如控制回路剛剛調整平穩(wěn)，或是控制點受到了輕微干擾而短時間、小幅度地偏離運行區(qū)間。此時，操作人員將被報警點A1所觸發(fā)的報警頻繁打擾，卻只能采取確認報警的操作。因此，合理的報警點設置條件之一為避免緊貼于運行區(qū)間RR的上下限，使報警點的設置距離操作區(qū)間大于一定的距離T1以避免正常情況下的波動。T1的計算方法如下：

(1)

其中，TP1為距離算子的下限，TP1≥0，由生產管理人員根據(jù)實際工藝情況設置該值。

如高報設置在A2位置，此報警點遠離操作區(qū)間。雖然此類報警點將避免A1類報警點所常發(fā)生的正常波動所導致的誤報，但當工藝測量點發(fā)生t2時間段內的較大幅度的異常波動時，A2報警點將無法被觸發(fā)。此時，過分遠離操作區(qū)間的報警點設置將會使操作人員忽略真正需要關注的報警，影響產品質量甚至發(fā)生危險。因此，合理的報警點設置條件之二為避免遠離運行區(qū)間RR，使報警點設置距離操作區(qū)間小于一定的距離Th以監(jiān)測異常情況下的波動。Th的計算方法如下：

(2)

其中，TPh為距離算子的上限，由生產管理人員根據(jù)實際工藝情況設置該值。

綜上所述，對于高報類報警(高報、高高報等)，合理的設置區(qū)間RH為[RRh+T1,RRh+Th]，高報類報警應設置其中。

同理，對于低報類報警(低報、低低報等)，合理的設置區(qū)間RL為[RR1-Th,RR1-T1]，低報類報警應設置其中。

1.2報警點設置合理化的Excel實現(xiàn)

每個工廠都擁有數(shù)以千計乃至萬計的報警點，如按1.1節(jié)進行報警點的設置或檢查，需要耗費大量的時間進行計算。筆者提出基于Excel VBA的智能化報警點檢查表格，幫助生產管理人員快速地對報警點進行合理化設置。

該Excel分為兩個工作表，分別為距離算子TP設置和報警點設置信息與診斷。在距離算子TP設置中，生產人員需根據(jù)不同種類的工藝回路(如溫度、流量、壓力、濃度及液位等)設置距離算子的上下限(TPh、TPl)，單位為%。設置完成后，進入報警點設置信息頁面(圖2)，填寫各回路報警點的基本信息，包括單元號、位號、回路描述、回路量程RC、運行區(qū)間RR、單位和現(xiàn)有的報警點設置。此頁面的上方有兩個按鈕，分別為“All”和“One”。兩個按鈕均連接相應的VBA程序，“All”的功能為檢查表格內所有報警點，“One”則為檢查當前所選中單元格行的報警點。VBA程序將自動提取位號名稱的特征位，從而判斷回路類別，并調用相應的距離算子TP值，將檢查結果輸出至圖3所示的診斷信息表格中。診斷信息表格中，“Range”為量程檢查，判斷報警點是否設置在回路的量程內；“SLL/SL”為低低報、低報檢查；“SHH/SH”為高高報、高報檢查。同時，如生產人員需自定義某一回路的TP值，在診斷信息表格中，可將“Customized Threshold”由“x”改為“o”，并在隨后的兩個單元格內設置TP的上下限。此時，VBA程序將根據(jù)自定義的TP值檢查報警點。

點擊圖2中的“All”按鈕對所有報警點進行檢查。在報警點基本信息頁，表格的右上方顯示報警點檢查的統(tǒng)計信息，包括回路總數(shù)目(Total loop)、報警點設置合理的回路數(shù)目(Good loop)、報警點設置不合理的回路數(shù)目(Bad loop)和報警點設置合理的回路百分比(Pass%)。在表格位號Tag處以顏色表示該回路的報警點設置是否合理，綠色表示合理，紅色表示不合理。在報警點設置區(qū)域，以紅色表示具體哪一個點不合理。圖2中第2個回路“LI0001”的低報SL、高報SH設置不合理。對于低報類的診斷信息為“SL is in the Running range,Recommended value = [0 , 6]”，即低報在運行區(qū)間內，推薦的低報設定范圍應在0～6之間；對于高報類的診斷信息為“SH is closer to Running_100%,Recommended value = [94 , 100]”，即高報離運行區(qū)間的上限過近，推薦的高報設定點應在94～100之間。此時，生產管理人員可根據(jù)此工具給出的推薦范圍，并結合自身的生產經驗，重新設定該回路的報警值。更改完畢后點擊按鈕“One”重新檢查新的報警點設置情況，直至回路名稱的顏色變綠，即完成了報警點的合理化設置。

圖2 報警點設置信息

圖3 報警點的診斷信息

Excel的VBA編程在解決本文任務中的重復運算和邏輯判斷方面凸顯出了優(yōu)勢。在軟件編程方面，筆者列舉高報類核心模塊的源代碼。低報類模塊原理與之相同，不再列舉。

高報類報警設定點推薦值計算模塊如圖4所示。

圖4 高報類報警設定點推薦值計算模塊

該模塊根據(jù)生產管理人員設置的距離算子TP計算出高報類報警設定點的范圍RH，為后續(xù)報警點檢查模塊提供數(shù)據(jù)輸入。

高報設定點檢查模塊如圖5所示。

該模塊接收高報類報警設定點推薦值計算模塊的輸出結果，對自身的高報設定點進行判斷。模塊引入高報的狀態(tài)變量SH_Status，如高報設置合理，則最終輸出1，否則輸出0。該變量為后續(xù)模塊提供狀態(tài)信息，以改變相應單元格的顏色。

對報警點完成合理化設置后，生產管理人員需準備變更申請，批準后方可逐步地將新的報警點設置到控制系統(tǒng)中。在此基礎上，還可根據(jù)工藝條件設置報警的閾值和延遲開、關時間，進一步優(yōu)化報警點。

圖5 高報設定點檢查模塊

2 條件報警

由上述可知，所得報警點設置均基于運行區(qū)間RR，即工藝在正常運行時報警才有意義。但是在生產間歇期內，上文所述“合理”的報警點設置又變得不再合理，大量的無意義報警會被觸發(fā)，影響操作人員對生產間歇期內重要報警的關注。解決此問題需要控制系統(tǒng)能自動地辨識當前工藝狀態(tài)，進而進行改變報警點設定值或關閉報警點使能等操作，使報警點工作在合理的工況下，從而避免觸發(fā)無意義的報警。而這種隨工藝的變化而改變工作模式的報警點，便稱為條件報警。

圖6為條件報警的程序結構圖。異常條件應由生產管理人員定義，當異常條件滿足特定時間后，程序執(zhí)行異常情況下的報警點操作。當異常條件不滿足時，邏輯否輸出將為真，程序執(zhí)行恢復報警點的操作。程序結構中，延遲模塊需設定具體的時間長度，作用為當異常條件滿足特定時長后才觸發(fā)后續(xù)模塊，以過濾生產過程中的異常干擾而錯誤地觸發(fā)相關操作。時間脈沖模塊的功能為輸出有限時長的使能信號，防止程序持續(xù)控制相關報警點設置而無法被生產操作人員控制。還應當特別注意的是，程序條件的選擇應為“異常條件”，而非“正常條件”。因為生產管理人員抽象出生產的異常條件總是容易的，且范圍是有限的。當定義好特定的異常情況后，與之相反地所有的工況均會使報警點恢復至原始狀態(tài)，保證最佳的安裝報警值設定狀態(tài)。

圖6 條件報警程序結構

筆者以Emerson DeltaV控制系統(tǒng)為例，簡要描述條件報警程序的實施細節(jié)。定義停車條件為：入口流量FI0001不大于500kg/h并持續(xù)5min后，關閉儲罐音叉LI0001的高報使能，其他條件下均恢復正常的報警功能。新建處理條件報警的模塊(Module)，在模塊內拖拽DeltaV標準組件進行組態(tài)，程序結構如圖7所示。組件CND1為該條件報警的主條件；OND1、OND2為延遲開組件；TP1、TP2為時間脈沖組件；NOT1位邏輯否組件；ACT1為異常情況下報警點的動作組件，ACT2為非異常情況下報警點的恢復動作組件。各組件的報警參數(shù)設置見表1。

圖7 條件報警在Emerson DeltaV控制系統(tǒng)中的實現(xiàn)

模塊名設置參數(shù)CND1FI0001/AI1/OUT．CV>=500OND1/OND25minTP1/TP21sACT1LI0001/HI＿ALM．ENABLE：=1ACT2LI0001/HI＿ALM．ENABLE：=0

組態(tài)完成后即可下裝模塊至控制器內。由于該模塊是獨立于回路本身的控制模塊，因此在線修改和下裝都不會影響回路本身的控制功能。同時，在CND組件內，可借助邏輯“與”、“或”、“非”等語句對復雜的條件進行抽象化，從而適應不同的工藝情況。實際應用中，可以工藝單元為單位配置條件報警模塊，并將該工藝單元內所有具有條件報警回路的條件報警程序放至在該模塊內。為了方便操作人員觀察條件報警所處的狀態(tài)，可在上位機繪制相應的畫面，并鏈接相關模塊的數(shù)據(jù)。

3 結束語

采用基于Excel VBA的報警點檢查程序，可以快速準確地對數(shù)以千計的報警點進行檢查，并提供給生產管理人員直觀的檢查報告，方便他們進行報警點優(yōu)化設置。在保證安全和可靠性的前提下，降低了生產間歇期間所發(fā)生的大量的、無意義的報警。在此基礎上，結合報警點的閾值和延遲開、關設置，報警次數(shù)也得到了大幅度的降低。

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OptimalSettingofAlarmValuesandAlarmConditionsinProcessIndustry

WU Zhong-xiang1, WANG Hui-feng2

(1.BayerTechnology&Engineering(Shanghai)Co.,Ltd.; 2.SchoolofInformationScienceandEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology)

Considering unreasonable setting of alarm points in factories, the model for reasonable setting of alarm points was presented and then having it based to develop alarm analysis tool to check alarm points quickly was implemented, including description of the principle of adaptive condition alarm, program structure and method and cases implemented. Application results show that, under the premise that alarm points are reasonable, the alarm number decreases a lot with more reasonable setting and they are not influenced obviously by the process transition.

alarm management, rationalization of alarm setting, Excel VBA, alarm condition

吳中相(1989-)，工程師，從事工業(yè)自動化、智能儀表的應用工作，wzhongxiang@foxmail.com。

TH865

B

1000-3932(2017)11-1043-05

2017-07-03，

2017-07-13)