DCS报警分析专家系统设计与研究

董 霖 廖 果 严锡琳 蒋红梅

(中石油克拉玛依石化有限责任公司，新疆 克拉玛依 834003)



DCS报警分析专家系统设计与研究

董 霖 廖 果 严锡琳 蒋红梅

(中石油克拉玛依石化有限责任公司，新疆 克拉玛依 834003)

炼油生产过程的集散控制系统(DCS)报警信息冗余，使得处理异常工况时出现报警重复、处理不及时或判断异常等问题。采用专家系统中的专家知识和专家方法，进行报警冗余信息过滤和报警原因分析。考虑到专家系统的更新，构建了能灵活进行知识录入、修改、删除的知识库。通过过滤后的报警信息，结合专家知识与解决问题的方法和经验，设计了推理机结构，分析报警的原因和提供必要的措施。对该DCS报警分析专家系统进行了仿真测试，验证了系统的有效性，表明采用专家系统提高报警信息的利用是可行的。

炼油化工 专家系统 报警冗余 集散控制系统(DCS) PLC 人工智能

Redundancy

0 引言

集散控制系统(distributed contrd system,DCS)是20世纪70年代中期，在PLC基础上随着现代大型工业生产自动化的不断兴起而发展起来的新型控制系统，是为满足日益复杂的控制需求应运而生的综合控制系统[1]。目前，DCS已在我国各行各业得到了广泛应用[2]。随着DCS在炼油行业中的广泛应用，DCS报警管理问题逐渐凸显。专家系统内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，这些知识与经验能够解决处理该领域问题[3]。该系统的良好应用对于DCS报警管理具有促进作用。针对DCS中的报警问题，将专家系统应用于报警分析当中，使操作人员能够快捷地利用专家知识获取当前选中报警信息的报警原因及相应的应对措施。

1 DCS报警系统介绍

DCS作为先进的控制系统，其丰富的功能和简便灵活的组态方式，在提高控制回路品质、安全稳定生产和加强生产管理方面性能卓越[4]。在炼油生产过程中，为了提高DCS的安全可靠性，往往需要为监控点设置报警。这些报警可以较好地对操作人员进行提示，然而为了平稳地控制炼油装置的生产，往往会对炼油装置的各个监控点设置多个报警点，进而出现了大量重复的报警信息。

此外，在实际工厂设计中，许多工厂和控制系统报警设计师往往回避工厂最优报警数问题，因为讨论一个报警是否必要的成本，远比加一个报警的成本高[5]，这也导致了报警数量的泛滥。报警过多、过频，操作人员处理异常工况时负荷过重，未能及时、准确判断异常的原因并采取有效措施，有时疏漏严重报警，导致不必要的生产损失，降低了装置生产安全性[6]。EEMUA及早期HSE研究文件表明，由于缺乏合理严格的报警规划措施，使得报警泛滥问题愈发严峻[7]。

此外，报警系统是报警数据处理的中心环节，其能力和效率的高低直接影响着整个DCS系统的性能指标。因此，如何快速分析报警原因，作出正确整改措施，去除冗余报警，对于炼油装置安全平稳生产具有重要的意义。

2 专家系统

专家系统作为人工智能的一个重要分支，是于20世纪60 年代初期产生并发展起来的一门新兴的应用科学,并随着计算机技术的不断发展而日臻完善和成熟。DENRAL、HEARSAY、MYCIN等系统研制成功，使得专家系统越来越受学术界及工程领域的广泛关注。目前，专家系统在经历了初创期、成熟期和发展期三个发展阶段后，凭借其良好的灵活性，已广泛应用于多个行业领域当中。

Edward Feigenbaum教授定义专家系统为：一个智能的计算机程序，它运用知识和推理来解决只有专家才能解决的复杂问题。换而言之，专家系统是在某一特定领域内，以人类专家水平有效解决该领域内有关问题的计算机程序。该程序实现了对专家知识和解决问题的方法、经验的组织整理。专家系统不但能模拟领域专家的思维过程，而且能让计算机宛如人类专家那样智能地解决实际问题。专家系统具有启发性、透明性和灵活性等特点。

专家系统主要包括知识库和推理机两部分。知识库包含相关知识信息，其包括条件P={P1,P2,…,Pn}和结论C={C1,C2,…,Cn}。若条件满足，则可推断出相应的结论。

规则推理机又称规则解释器，其主要作用是运用控制策略找到可以应用的规则。专家系统可分为基于规则的专家系统和基于对象的专家系统。基于规则的专家系统组成如图1所示。

图1 基于规则的专家系统组成图

本文主要采用了基于规则的专家系统，计算机将根据知识库中相应的知识信息，推理出所选报警原因及提示采取措施。

3 专家系统的DCS报警信息分析算法设计

3.1 算法总体设计

基于专家系统的DCS报警分析算法设计如图2所示。

图2 DCS报警信息分析算法设计图

由于初建专家系统知识库时难以一一确定所有的报警情况，且随着炼油生产装置的不断技术改造，部分装置逻辑会发生变化，故在专家系统中增设了知识录入、修改、删除的功能，以便完善知识库及去除冗余。当系统启用报警原因分析功能后，专家系统将会通过分析，给出操作者选中报警的报警原因及操作提示。

滋扰报警或无意义的报警均为冗余的报警信息，这些报警信息会增加报警分析的负担。例如当仪表出现故障断线时，有时会有大量的断线(IOP)及正常(NR)(即仪表故障断线)报警交替出现，这些报警给出了相同的报警提示。这些报警的大量出现不仅不能给出更多有用的报警信息，反而增加了报警内容，故而将其设定为冗余报警。知识库会将这些冗余报警进行排除，以减少报警“捣蛋鬼”带来的影响。

3.2 推理机设计

令推理机G表示为：

G=(V,R)

(1)

式中：V为推理机各个节点的集合；R为两个节点之间关系的集合。

V={v0,v1,…,vn}

(2)

若vi与vj之间存在联系，则有：

∈R

(3)

在推理过程中，从顶点v0出发遍历图中各点，且每个点仅被访问一次。遍历依次从v0的未被访问子节点出发，直至找到符合条件的节点为止；再对该节点的子节点重复上述过程进行遍历，直至找到最终报警原因为止。

4 算法实现及软件实例

本文采用C#语言对上述专家系统进行仿真，知识库信息添加过程中报警类型为必填项，其余信息操作人员可根据需要进行填写。知识库信息添加完毕后，操作人员便可对当前报警进行分析。系统将根据相关的信息，对操作人员所选定的报警信息进行自动分析推理，并给出相应的报警原因分析及操作提示。

5 结束语

针对炼油化工中DCS系统存在大量重复报警信息的特点，为减轻分析报警的负担并获得更有用的报警信息，设计了DCS报警分析专家系统。该系统给出知识的新增、修改与删除功能，使专家知识库更为灵活；通过对过滤后的报警信息和专家知识的利用，设计推理机，实现了对报警原因的自动分析并给出措施提示。该系统能够减少冗余报警的影响，提高报警信息的利用和分析的准确性。

[1] 孙勇.DCS系统过程控制功能的设计与实现[D].厦门：厦门大学,2013.

[2] 袁振东.DCS在炼油催化装置生产过程的应用与研究[D].武汉：武汉理工大学,2006.

[3] 晁进,刘文颖.基于多智能体和专家系统的电网智能报警系统研究[J].现代电力,2010,27(5):1-5.

[4] 曹志晔.DCS技术在化工行业中的应用[J].自动化与仪器仪表，2010(6):81-83.

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

[6] 马睿.先进报警管理系统设计应用探讨[J].石油化工自动化，2015,51(4):23-26.

[7] 顾祥柏,朱群雄,耿志强.现代化工流程报警系统分析及管理策略[J].化工进展，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年毕业于北京科技大学控制科学与工程专业，获硕士学位；主要从事自动化控制方向的研究。

TH-3;TP277

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611008

修改稿收到日期：2016-05-03。