陳 鑫，何亞?wèn)|，高新江，茍成冬

(1. 中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東青島 266000 2. 中石化安全工程研究院有限公司化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266104)

0 前言

石化裝置生產(chǎn)控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中采用了大量的控制回路[1,2]，為保證裝置的長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)運(yùn)行及輸出產(chǎn)品的質(zhì)量，需要對(duì)控制回路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、定期評(píng)估，保證其擁有較好的控制性能[3]。由于石化裝置具有規(guī)模大、流程復(fù)雜等特點(diǎn)，其控制回路較其他裝置更加復(fù)雜，回路間互相干擾、參數(shù)設(shè)定不合理等問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，使得如何對(duì)石化裝置控制回路進(jìn)行有效評(píng)估成為行業(yè)難題[4]。

一直以來(lái)，儀表自動(dòng)控制率(簡(jiǎn)稱自控率)作為化工生產(chǎn)中儀表設(shè)備維護(hù)的核心指標(biāo)，其高低是判斷生產(chǎn)裝置自動(dòng)化程度、控制回路投用性、操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)效率的標(biāo)準(zhǔn)[5]。因此，許多石化企業(yè)都將提高自控率作為智能化工廠建設(shè)的重要手段，盡力提高自控率水平、固化自控率提升成果[6]。但實(shí)踐表明，在評(píng)價(jià)控制回路性能時(shí)，僅采用自控率這一個(gè)指標(biāo)很難準(zhǔn)確反映出控制回路的真實(shí)性能，特別對(duì)于非線性、時(shí)變型等復(fù)雜控制回路，大部分難以建立精準(zhǔn)模型[7]。

為更好地監(jiān)控石化裝置生產(chǎn)過(guò)程，有效評(píng)估與優(yōu)化控制回路性能，本文提出一種自動(dòng)化綜合指數(shù)評(píng)估方法，旨在綜合多項(xiàng)相關(guān)指標(biāo)、多維度地實(shí)現(xiàn)控制回路的評(píng)估和異常原因診斷溯源，輔助企業(yè)人員及時(shí)識(shí)別性能較差回路，減少生產(chǎn)過(guò)程波動(dòng)，有效提升系統(tǒng)控制質(zhì)量和裝置自動(dòng)化水平。

1 自動(dòng)化綜合指數(shù)評(píng)估方法

1.1 自動(dòng)化綜合指數(shù)評(píng)估模型的構(gòu)建

從自動(dòng)化、安全、平穩(wěn)、質(zhì)量4個(gè)維度對(duì)裝置設(shè)定時(shí)間內(nèi)的自控率、報(bào)警事件、操作事件等8個(gè)指標(biāo)進(jìn)行采集、分析，而后利用加權(quán)融合的思路得到裝置控制回路的綜合指數(shù)評(píng)分，實(shí)現(xiàn)對(duì)回路性能和自動(dòng)化程度的評(píng)估。該評(píng)估模型如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化綜合指數(shù)評(píng)估模型

1.2 各評(píng)估指標(biāo)的選取

1.2.1 自動(dòng)化維度指標(biāo)

a) 裝置有效自控率。自控率主要反映裝置中自動(dòng)控制回路的投用比例[8]。單回路平均有效自控率ARRate：

(1)

式中：AllTime——統(tǒng)計(jì)總時(shí)長(zhǎng)，s；

AutoRealTime——某個(gè)控制模式為自動(dòng)，且執(zhí)行器輸出、測(cè)量值及設(shè)定值未限位，且控制器未失效的時(shí)長(zhǎng)，s。

裝置平均有效自控率EARRate，以日為統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍，統(tǒng)計(jì)期間內(nèi)裝置所有回路的有效自控率的平均值，評(píng)估裝置的自動(dòng)化水平情況，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：N——控制回路總數(shù)。

b) 裝置百回路時(shí)平均操作數(shù)。根據(jù)采集到的操作事件，計(jì)算平均100個(gè)回路的小時(shí)平均操作數(shù)，并將所述時(shí)平均操作數(shù)轉(zhuǎn)換為百分制，如表1所示。

表1 時(shí)平均操作數(shù)分?jǐn)?shù)設(shè)置

裝置百回路時(shí)平均操作數(shù)AOperate，以日為統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍，統(tǒng)計(jì)回路每小時(shí)的操作次數(shù)，評(píng)估回路的操作頻繁情況，計(jì)算公式如下：

(3)

其中，(24×統(tǒng)計(jì)天數(shù))指統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍內(nèi)的小時(shí)數(shù)。

c) 裝置百回路無(wú)操作時(shí)長(zhǎng)。根據(jù)采集到的操作事件，計(jì)算所述裝置百回路的無(wú)操作時(shí)長(zhǎng)，并將裝置百回路的無(wú)操作時(shí)長(zhǎng)轉(zhuǎn)化為百分制，分?jǐn)?shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 無(wú)操作時(shí)長(zhǎng)分?jǐn)?shù)設(shè)置

裝置百回路無(wú)操作時(shí)長(zhǎng)NATime：

(4)

1.2.2 安全維度指標(biāo)

a) 裝置百回路小時(shí)平均報(bào)警數(shù)。根據(jù)采集到的報(bào)警事件，計(jì)算平均100個(gè)回路的小時(shí)平均報(bào)警數(shù)，并將所述小時(shí)平均報(bào)警數(shù)轉(zhuǎn)換為百分制，分?jǐn)?shù)設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 時(shí)平均報(bào)警數(shù)分?jǐn)?shù)設(shè)置

裝置百回路小時(shí)平均報(bào)警數(shù)AAlarm，以日為統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍，統(tǒng)計(jì)回路每小時(shí)的報(bào)警次數(shù)，評(píng)估回路的報(bào)警頻繁情況，計(jì)算公式如下：

(5)

b) 裝置平均報(bào)警率。根據(jù)采集到的報(bào)警事件，基于報(bào)警時(shí)長(zhǎng)計(jì)算回路的平均報(bào)警率，即每百回路平均報(bào)警時(shí)長(zhǎng)，反映報(bào)警的處置及時(shí)性。

平均報(bào)警率ALRate：

(6)

式中：AlarmTime——某個(gè)參數(shù)處于報(bào)警狀態(tài)的總時(shí)長(zhǎng)，s；

N——DCS已設(shè)組態(tài)報(bào)警設(shè)置的參數(shù)總數(shù)。

c) 裝置報(bào)警處置率。根據(jù)采集到的報(bào)警事件，計(jì)算所述裝置回路的報(bào)警確認(rèn)率和報(bào)警消除率，將所述報(bào)警確認(rèn)率及報(bào)警消除率加權(quán)平均得到所述裝置報(bào)警處置率。

報(bào)警確認(rèn)率CAlarm：

(7)

其中，報(bào)警確認(rèn)條數(shù)是指參與報(bào)警確認(rèn)率統(tǒng)計(jì)條數(shù)中存在確認(rèn)時(shí)間的報(bào)警數(shù)量，參與報(bào)警確認(rèn)率統(tǒng)計(jì)的條數(shù)則是指發(fā)現(xiàn)從報(bào)警到報(bào)警消除的持續(xù)時(shí)間大于設(shè)定持續(xù)時(shí)間的報(bào)警數(shù)量。

報(bào)警消除率EAlarm：

(8)

其中，報(bào)警及時(shí)消除條數(shù)是指參與報(bào)警確認(rèn)率統(tǒng)計(jì)條數(shù)中消除報(bào)警時(shí)間小于設(shè)定消除時(shí)間的報(bào)警數(shù)量。

報(bào)警處置率DAlarm：

(9)

式中：a——報(bào)警確認(rèn)率系數(shù)；

b——報(bào)警消除率系數(shù)。

1.2.3 裝置平穩(wěn)率——平穩(wěn)維度指標(biāo)

當(dāng)裝置出現(xiàn)異常波動(dòng)時(shí)，控制回路能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)偏差，消除干擾，保障裝置平穩(wěn)運(yùn)行。因此，可通過(guò)采集各控制回路控制指標(biāo)的運(yùn)行值，計(jì)算各控制指標(biāo)的平穩(wěn)率及裝置平穩(wěn)率。

單個(gè)控制指標(biāo)的當(dāng)日運(yùn)行平穩(wěn)率σ：

(10)

式中：M——單個(gè)控制指標(biāo)當(dāng)日有效實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；

xi——單個(gè)控制指標(biāo)當(dāng)日第i個(gè)有效實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的值；

裝置平穩(wěn)率steady：

(11)

式中：ωi——單個(gè)控制指標(biāo)i的權(quán)重；

n——單裝置內(nèi)控制指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

1.2.4 裝置工藝卡片合格率——質(zhì)量維度指標(biāo)

依據(jù)裝置工藝指標(biāo)的控制范圍、歷史數(shù)據(jù)，計(jì)算工藝卡片合格率Qyield：

(12)

式中：T——合格率統(tǒng)計(jì)時(shí)長(zhǎng)，按月統(tǒng)計(jì)，min；

fi——單個(gè)控制指標(biāo)i的取值時(shí)間間隔，min；

yi——單個(gè)控制指標(biāo)i剔除的無(wú)效超標(biāo)點(diǎn)數(shù)；

Xi——單個(gè)控制指標(biāo)i在控制上下限范圍內(nèi)的有效合格點(diǎn)數(shù)；

n——裝置合格率績(jī)效卡片中維護(hù)的控制指標(biāo)個(gè)數(shù)。

1.3 綜合指數(shù)計(jì)算方法

采用公式(1)～公式(12)對(duì)有效自控率、時(shí)平均操作數(shù)、無(wú)操作時(shí)長(zhǎng)等指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。為統(tǒng)一量綱，對(duì)各指標(biāo)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將百分制和百分率數(shù)值轉(zhuǎn)化為[0,100]之間的數(shù)值。

將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的各指標(biāo)值進(jìn)行加權(quán)賦值融合，計(jì)算得到控制回路的綜合指數(shù)評(píng)分Perf：

Perf=λ1×EARRate+λ2×AAlarm+λ3×ALRate+λ4×DAlarm+λ5×AOperate+λ6×NATime+λ7×Steady+λ8×Qyield

(13)

其中，λ1+λ2+λ3+λ4+λ5+λ6+λ7+λ8=1。在實(shí)際評(píng)估中，可結(jié)合不同控制類型、工況場(chǎng)景，對(duì)不同類型指標(biāo)設(shè)計(jì)多樣化、針對(duì)性的權(quán)重設(shè)置方案。

2 應(yīng)用實(shí)例

以某大型煉油企業(yè)為應(yīng)用對(duì)象，選取常減壓、催化、一硫黃和加氫處理4套裝置1個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行自動(dòng)化綜合指數(shù)評(píng)估。計(jì)算主要涉及裝置參數(shù)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)及報(bào)警和事件數(shù)據(jù)，這兩類DCS系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)如表4，可分別通過(guò)OPC DA接口和OPC A&E接口讀取。

表4 各裝置參數(shù)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)

對(duì)于綜合指數(shù)中各指標(biāo)的權(quán)重設(shè)計(jì)，給出兩種設(shè)置方案。第一種，認(rèn)為各指標(biāo)對(duì)于綜合指數(shù)的融合貢獻(xiàn)相同，賦予相同的權(quán)重值，即λ1=λ2…=λ8=0.125，計(jì)算得綜合指數(shù)A。

第二種，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，認(rèn)為有效的過(guò)程報(bào)警和正確、及時(shí)的人員操作干預(yù)是保證裝置平穩(wěn)運(yùn)行、避免安全事故的核心所在。因此，提高與報(bào)警、操作有關(guān)指標(biāo)的權(quán)重分配，為各指標(biāo)設(shè)置不同的權(quán)重值，即λ1=0.125，λ2=0.143，λ3=0.143，λ4=0.143，λ5=0.143，λ6=0.143，λ7=0.08，λ8=0.08，計(jì)算得綜合指數(shù)B。計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖2和圖3所示。

由圖2可以看出，4套裝置按單一自控率指標(biāo)從高到低排名順序?yàn)槌p壓、催化、加氫處理和一硫黃，基本都在98%以上；按綜合指數(shù)相同權(quán)重排名為加氫處理、一硫黃、常減壓和催化，按綜合指數(shù)不同權(quán)重排名則為加氫處理、常減壓、一硫黃和催化。由圖3可以看出，由于生產(chǎn)工況不同，4套裝置的二級(jí)指標(biāo)得分差異較大，后期各裝置可根據(jù)具體指標(biāo)得分情況，針對(duì)性地提出改進(jìn)措施，提高裝置整體運(yùn)行水平。

圖2 各裝置自控率和綜合指數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖3 不同權(quán)重下各裝置二級(jí)指標(biāo)得分對(duì)比

經(jīng)與企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工藝、操作人員確認(rèn)，不同權(quán)重的綜合指數(shù)排名更符合裝置當(dāng)前的實(shí)際運(yùn)行情況。說(shuō)明較以往的依靠自控率進(jìn)行評(píng)估的方法，綜合指數(shù)評(píng)估方法可以多維度、更全面地評(píng)估控制回路性能，給出更可靠的裝置排名，評(píng)估結(jié)果更加具有可信度和合理性。

3 結(jié)論

a) 提出了一種石化裝置自動(dòng)化綜合指數(shù)評(píng)估方法。該方法包括8個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，涵蓋了與工藝運(yùn)行密切相關(guān)的自動(dòng)化、安全、平穩(wěn)、質(zhì)量等多方面的影響，與當(dāng)前普遍采用的自控率作為主要指標(biāo)相比，該方法考察的內(nèi)容更完備。

b) 探索了裝置自動(dòng)化綜合指數(shù)各二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重設(shè)置方案，在4類主要煉油裝置上的驗(yàn)證結(jié)果表明，提出的權(quán)重系數(shù)具有普遍適用性，并解決了4類不同類型裝置間自控操作水平橫向量化對(duì)比的問(wèn)題。

c) 未來(lái)將在二級(jí)指標(biāo)的完善以及其權(quán)重系數(shù)的優(yōu)化方面開(kāi)展研究，以期形成適用于絕大部分煉油和化工裝置的自動(dòng)化水平表征指數(shù)。