董 霖 廖 果 嚴錫琳 蔣紅梅

(中石油克拉瑪依石化有限責任公司，新疆 克拉瑪依 834003)

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DCS報警分析專家系統(tǒng)設(shè)計與研究

董 霖 廖 果 嚴錫琳 蔣紅梅

(中石油克拉瑪依石化有限責任公司，新疆 克拉瑪依 834003)

煉油生產(chǎn)過程的集散控制系統(tǒng)(DCS)報警信息冗余，使得處理異常工況時出現(xiàn)報警重復、處理不及時或判斷異常等問題。采用專家系統(tǒng)中的專家知識和專家方法，進行報警冗余信息過濾和報警原因分析。考慮到專家系統(tǒng)的更新，構(gòu)建了能靈活進行知識錄入、修改、刪除的知識庫。通過過濾后的報警信息，結(jié)合專家知識與解決問題的方法和經(jīng)驗，設(shè)計了推理機結(jié)構(gòu)，分析報警的原因和提供必要的措施。對該DCS報警分析專家系統(tǒng)進行了仿真測試，驗證了系統(tǒng)的有效性，表明采用專家系統(tǒng)提高報警信息的利用是可行的。

煉油化工 專家系統(tǒng) 報警冗余 集散控制系統(tǒng)(DCS) PLC 人工智能

Redundancy

0 引言

集散控制系統(tǒng)(distributed contrd system,DCS)是20世紀70年代中期，在PLC基礎(chǔ)上隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動化的不斷興起而發(fā)展起來的新型控制系統(tǒng)，是為滿足日益復雜的控制需求應運而生的綜合控制系統(tǒng)[1]。目前，DCS已在我國各行各業(yè)得到了廣泛應用[2]。隨著DCS在煉油行業(yè)中的廣泛應用，DCS報警管理問題逐漸凸顯。專家系統(tǒng)內(nèi)部含有大量的某個領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R與經(jīng)驗，這些知識與經(jīng)驗能夠解決處理該領(lǐng)域問題[3]。該系統(tǒng)的良好應用對于DCS報警管理具有促進作用。針對DCS中的報警問題，將專家系統(tǒng)應用于報警分析當中，使操作人員能夠快捷地利用專家知識獲取當前選中報警信息的報警原因及相應的應對措施。

1 DCS報警系統(tǒng)介紹

DCS作為先進的控制系統(tǒng)，其豐富的功能和簡便靈活的組態(tài)方式，在提高控制回路品質(zhì)、安全穩(wěn)定生產(chǎn)和加強生產(chǎn)管理方面性能卓越[4]。在煉油生產(chǎn)過程中，為了提高DCS的安全可靠性，往往需要為監(jiān)控點設(shè)置報警。這些報警可以較好地對操作人員進行提示，然而為了平穩(wěn)地控制煉油裝置的生產(chǎn)，往往會對煉油裝置的各個監(jiān)控點設(shè)置多個報警點，進而出現(xiàn)了大量重復的報警信息。

此外，在實際工廠設(shè)計中，許多工廠和控制系統(tǒng)報警設(shè)計師往往回避工廠最優(yōu)報警數(shù)問題，因為討論一個報警是否必要的成本，遠比加一個報警的成本高[5]，這也導致了報警數(shù)量的泛濫。報警過多、過頻，操作人員處理異常工況時負荷過重，未能及時、準確判斷異常的原因并采取有效措施，有時疏漏嚴重報警，導致不必要的生產(chǎn)損失，降低了裝置生產(chǎn)安全性[6]。EEMUA及早期HSE研究文件表明，由于缺乏合理嚴格的報警規(guī)劃措施，使得報警泛濫問題愈發(fā)嚴峻[7]。

此外，報警系統(tǒng)是報警數(shù)據(jù)處理的中心環(huán)節(jié)，其能力和效率的高低直接影響著整個DCS系統(tǒng)的性能指標。因此，如何快速分析報警原因，作出正確整改措施，去除冗余報警，對于煉油裝置安全平穩(wěn)生產(chǎn)具有重要的意義。

2 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)作為人工智能的一個重要分支，是于20世紀60 年代初期產(chǎn)生并發(fā)展起來的一門新興的應用科學,并隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展而日臻完善和成熟。DENRAL、HEARSAY、MYCIN等系統(tǒng)研制成功，使得專家系統(tǒng)越來越受學術(shù)界及工程領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。目前，專家系統(tǒng)在經(jīng)歷了初創(chuàng)期、成熟期和發(fā)展期三個發(fā)展階段后，憑借其良好的靈活性，已廣泛應用于多個行業(yè)領(lǐng)域當中。

Edward Feigenbaum教授定義專家系統(tǒng)為：一個智能的計算機程序，它運用知識和推理來解決只有專家才能解決的復雜問題。換而言之，專家系統(tǒng)是在某一特定領(lǐng)域內(nèi)，以人類專家水平有效解決該領(lǐng)域內(nèi)有關(guān)問題的計算機程序。該程序?qū)崿F(xiàn)了對專家知識和解決問題的方法、經(jīng)驗的組織整理。專家系統(tǒng)不但能模擬領(lǐng)域?qū)＜业乃季S過程，而且能讓計算機宛如人類專家那樣智能地解決實際問題。專家系統(tǒng)具有啟發(fā)性、透明性和靈活性等特點。

專家系統(tǒng)主要包括知識庫和推理機兩部分。知識庫包含相關(guān)知識信息，其包括條件P={P1,P2,…,Pn}和結(jié)論C={C1,C2,…,Cn}。若條件滿足，則可推斷出相應的結(jié)論。

規(guī)則推理機又稱規(guī)則解釋器，其主要作用是運用控制策略找到可以應用的規(guī)則。專家系統(tǒng)可分為基于規(guī)則的專家系統(tǒng)和基于對象的專家系統(tǒng)?；谝?guī)則的專家系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 基于規(guī)則的專家系統(tǒng)組成圖

本文主要采用了基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，計算機將根據(jù)知識庫中相應的知識信息，推理出所選報警原因及提示采取措施。

3 專家系統(tǒng)的DCS報警信息分析算法設(shè)計

3.1 算法總體設(shè)計

基于專家系統(tǒng)的DCS報警分析算法設(shè)計如圖2所示。

圖2 DCS報警信息分析算法設(shè)計圖

由于初建專家系統(tǒng)知識庫時難以一一確定所有的報警情況，且隨著煉油生產(chǎn)裝置的不斷技術(shù)改造，部分裝置邏輯會發(fā)生變化，故在專家系統(tǒng)中增設(shè)了知識錄入、修改、刪除的功能，以便完善知識庫及去除冗余。當系統(tǒng)啟用報警原因分析功能后，專家系統(tǒng)將會通過分析，給出操作者選中報警的報警原因及操作提示。

滋擾報警或無意義的報警均為冗余的報警信息，這些報警信息會增加報警分析的負擔。例如當儀表出現(xiàn)故障斷線時，有時會有大量的斷線(IOP)及正常(NR)(即儀表故障斷線)報警交替出現(xiàn)，這些報警給出了相同的報警提示。這些報警的大量出現(xiàn)不僅不能給出更多有用的報警信息，反而增加了報警內(nèi)容，故而將其設(shè)定為冗余報警。知識庫會將這些冗余報警進行排除，以減少報警“搗蛋鬼”帶來的影響。

3.2 推理機設(shè)計

令推理機G表示為：

G=(V,R)

(1)

式中：V為推理機各個節(jié)點的集合；R為兩個節(jié)點之間關(guān)系的集合。

V={v0,v1,…,vn}

(2)

若vi與vj之間存在聯(lián)系，則有：

∈R

(3)

在推理過程中，從頂點v0出發(fā)遍歷圖中各點，且每個點僅被訪問一次。遍歷依次從v0的未被訪問子節(jié)點出發(fā)，直至找到符合條件的節(jié)點為止；再對該節(jié)點的子節(jié)點重復上述過程進行遍歷，直至找到最終報警原因為止。

4 算法實現(xiàn)及軟件實例

本文采用C#語言對上述專家系統(tǒng)進行仿真，知識庫信息添加過程中報警類型為必填項，其余信息操作人員可根據(jù)需要進行填寫。知識庫信息添加完畢后，操作人員便可對當前報警進行分析。系統(tǒng)將根據(jù)相關(guān)的信息，對操作人員所選定的報警信息進行自動分析推理，并給出相應的報警原因分析及操作提示。

5 結(jié)束語

針對煉油化工中DCS系統(tǒng)存在大量重復報警信息的特點，為減輕分析報警的負擔并獲得更有用的報警信息，設(shè)計了DCS報警分析專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)給出知識的新增、修改與刪除功能，使專家知識庫更為靈活；通過對過濾后的報警信息和專家知識的利用，設(shè)計推理機，實現(xiàn)了對報警原因的自動分析并給出措施提示。該系統(tǒng)能夠減少冗余報警的影響，提高報警信息的利用和分析的準確性。

[1] 孫勇.DCS系統(tǒng)過程控制功能的設(shè)計與實現(xiàn)[D].廈門：廈門大學,2013.

[2] 袁振東.DCS在煉油催化裝置生產(chǎn)過程的應用與研究[D].武漢：武漢理工大學,2006.

[3] 晁進,劉文穎.基于多智能體和專家系統(tǒng)的電網(wǎng)智能報警系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電力,2010,27(5):1-5.

[4] 曹志曄.DCS技術(shù)在化工行業(yè)中的應用[J].自動化與儀器儀表，2010(6):81-83.

[5] BROWN N.Effective alarm management[J].Hydrocarbon Processing，2004,83(1):68-71.

[6] 馬睿.先進報警管理系統(tǒng)設(shè)計應用探討[J].石油化工自動化，2015,51(4):23-26.

[7] 顧祥柏,朱群雄,耿志強.現(xiàn)代化工流程報警系統(tǒng)分析及管理策略[J].化工進展，2004,23(12):1348-1352.

Design and Research on the Expert System of Alarm Analysis for DCS

In refinery process,the redundant alarm information provided in DCS makes alarms repeated and leads to untimely handling and wrong judgement under abnormal operation conditions.By using expertized knowledge and solution of the expert system,the redundant alarm information is filtered and the causes of alarms are analyzed.Considering the updates of expert system,the flexible knowledge library for knowledge input,modification,and deletion is built.With the filtered alarm information,and combining with the expertized knowledge,solutions and experience,the structure of inference machine is designed for analyzing the causes of alarms and adopting necessary solutions.The simulation tests of this expert system are conducted,and the effectiveness of the system is verified.It shows that the method of using expert system to improve the utilization of alarm information is feasible.

Oil refining chemical industry Expert system Alarm Redundancy DCS PLC Expertized method Artifical intelligence

董霖(1987—)，女，2013年畢業(yè)于北京科技大學控制科學與工程專業(yè)，獲碩士學位；主要從事自動化控制方向的研究。

TH-3;TP277

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611008

修改稿收到日期：2016-05-03。