Удобство использования и управление сигнализациями в промышленности.

Введение

Удобство использования в системах сигнализации

Управление сигнализацией – это применение принципов человеческого фактора и эргономики в сочетании с приборостроением и системным подходом для оптимизации проектирования системы сигнализации с целью повышения ее удобства использования. Наиболее распространенная проблема удобства использования заключается в том, что при возникновении сбоя на предприятии генерируется слишком большое количество сигналов тревоги, что обычно называют «сигнальным потопом» (по аналогии с перегрузкой прерываниями), поскольку это очень похоже на наводнение, вызванное избыточным количеством осадков при ограниченной пропускной способности дренажной системы. Однако в системе сигнализации могут возникать и другие проблемы, такие как плохо спроектированные сигналы, некорректно установленные пороговые значения срабатывания, неэффективное оповещение, нечеткие сообщения тревоги и т.д. Неэффективное управление сигнализацией является одной из основных причин незапланированных остановок производства, приводящей к потере более 20 миллиардов долларов ежегодно, а также серьезных промышленных аварий, таких как авария в Техас-Сити. Разработка эффективных практик управления сигнализацией – это не разовое мероприятие, а скорее непрерывный процесс (то есть это скорее путь, чем конечная цель).

История проблем с сигнализацией

С самого начала крупные химические, нефтеперерабатывающие, электрогенерирующие и другие перерабатывающие предприятия нуждались в системе управления для обеспечения успешной работы процесса и производства продукции. Ввиду хрупкости компонентов по сравнению с самим процессом, эти системы управления часто требовали помещения управления для защиты от внешних воздействий и условий процесса. В первые дни использования помещений управления применялись так называемые "щиты управления", которые были укомплектованы контрольно-измерительными приборами и индикаторами. Они подключались к датчикам, расположенным в технологических потоках и на внешней стороне оборудования. Датчики передавали информацию на контрольно-измерительные приборы посредством аналоговых сигналов, таких как токовая петля 4-20 мА в виде витой пары проводов. Первоначально эти системы лишь предоставляли информацию, и требовался хорошо обученный оператор для внесения корректировок путем изменения расхода или регулирования энергоподачи, чтобы поддерживать процесс в пределах заданных параметров. Сигнализация (аварийные сигналы) была добавлена для предупреждения оператора о приближении к проектному пределу или его превышении. Кроме того, использовались системы аварийного останова для прекращения процесса, находящегося под угрозой превышения допустимых пределов безопасности, экологических требований или экономической целесообразности. Оператору аварийные сигналы поступали через звуковые оповещатели и световые индикаторы разных цветов. (Например, зеленый – нормально, желтый – отклонение, красный – авария). Щиты управления обычно компоновались таким образом, чтобы отражать схему технологического процесса на предприятии. Приборы, отображающие параметры рабочих единиц, группировались вместе для облегчения идентификации и решения проблем. Было достаточно взглянуть на весь щит управления, чтобы определить, какой участок предприятия работает с перебоями. Это было обусловлено как конструкцией приборов, так и реализацией связанной с ними сигнализации. Компании, производящие приборы, прикладывали значительные усилия к проектированию и индивидуальной компоновке выпускаемой продукции. Для этого они использовали методы поведенческой психологии, которые позволяли определить, какой объем информации человек может воспринять одним взглядом. Более сложные предприятия имели более сложные щиты управления и, следовательно, требовали большего количества операторов или контролеров. Таким образом, в первые дни использования щитов управления сигнализация ограничивалась размером и стоимостью. По сути, она была ограничена доступной площадью щита, стоимостью прокладки кабелей и подключения звукового оповещателя (сирены), светового индикатора и переключателей для подтверждения и сброса аварийного сигнала. Часто для установки нового аварийного сигнала приходилось отказываться от старого. С развитием технологий система управления и методы управления должны были постоянно совершенствоваться, повышая степень автоматизации предприятия с каждым годом. Высокосложные процессы переработки материалов требовали высокосложных методологий управления. Кроме того, глобальная конкуренция стимулировала производственные предприятия к увеличению объемов производства при одновременном снижении энергопотребления и образования отходов. В эпоху щитов управления требовался специальный инженер, обладающий знаниями в области электронного оборудования, связанного с измерением и управлением процессом, алгоритмов управления (основы ПИД-регулирования) и самого процесса производства продукции. Примерно в середине 80-х годов мы вступили в цифровую революцию. Распределенные системы управления (РСУ) стали благом для отрасли. Инженер теперь мог управлять процессом, не вдаваясь в детали оборудования, необходимого для выполнения функций управления. Щиты управления больше не требовались, поскольку вся информация, ранее поступавшая с аналоговых приборов, могла быть оцифрована, помещена в компьютер и обработана для достижения тех же результатов управления, которые ранее достигались с помощью усилителей и потенциометров. Как побочный эффект, это также означало, что настройка и развертывание сигнализации стали простыми и дешевыми. Достаточно было ввести местоположение, значение порога срабатывания и активировать ее. Непреднамеренным следствием стало то, что люди вскоре стали сигнализировать обо всем. Первоначальные установщики устанавливали аварийные сигналы на 80% и 20% рабочего диапазона любого параметра просто по привычке. Интеграция программируемых логических контроллеров, систем противоаварийной защиты и комплектных контроллеров оборудования сопровождалась огромным увеличением количества связанных с ними аварийных сигналов. Еще одним негативным аспектом цифровой революции стало то, что информация, которая ранее занимала несколько квадратных метров площади щита управления, теперь должна была поместиться на 17-дюймовом компьютерном мониторе. Для воспроизведения информации с замененного щита управления использовались многочисленные страницы информации. Аварийные сигналы использовались для указания оператору на необходимость перейти на страницу, которую он не просматривал. Аварийные сигналы использовались для информирования оператора о заполнении резервуара. Каждая ошибка, допущенная в процессе эксплуатации, обычно приводила к появлению нового аварийного сигнала. С внедрением правил OSHA 1910, исследования HAZOP обычно требовали установки нескольких новых аварийных сигналов. Аварийные сигналы были повсюду. Инциденты начали накапливаться в результате столкновения избыточного количества данных с недостатком полезной информации.

From their conception, large chemical, refining, power generation, and other processing plants required the use of a control system to keep the process operating successfully and producing products. Due to the fragility of the components as compared to the process, these control systems often required a control room to protect them from the elements and process conditions. In the early days of control rooms, they used what were referred to as "panel boards" which were loaded with control instruments and indicators. These were tied to sensors located in the process streams and on the outside of process equipment. The sensors relayed their information to the control instruments via analogue signals, such as a 4 20 mA current loop in the form of twisted pair wiring. At first these systems merely yielded information, and a well trained operator was required to make adjustments either by changing flow rates, or altering energy inputs to keep the process within its designed limits. Alarms were added to alert the operator to a condition that was about to exceed a design limit, or had already exceeded a design limit. Additionally, shutdown systems were employed to halt a process that was in danger of exceeding either safety, environmental or monetarily acceptable process limits. Alarm were indicated to the operator by annunciator horns, and lights of different colours. (For instance, green lights meant OK, Yellow meant not OK, and Red meant BAD.) Panel boards were usually laid out in a manner that replicated the process flow in the plant. So instrumentation indicating operating units with the plant was grouped together for recognition sake and ease of problem solution. It was a simple matter to look at the entire panel board, and discern whether any section of the plant was running poorly. This was due to both the design of the instruments and the implementation of the alarms associated with the instruments. Instrumentation companies put a lot of effort into the design and individual layout of the instruments they manufactured. To do this they employed behavioural psychology practices which revealed how much information a human being could collect in a quick glance. More complex plants had more complex panel boards, and therefore often more human operators or controllers. Thus, in the early days of panel board systems, alarms were regulated by both size and cost. In essence, they were limited by the amount of available board space, and the cost of running wiring, and hooking up an annunciator (horn), indicator (light) and switches to flip to acknowledge, and clear a resolved alarm. It was often the case that if a new alarm was needed, an old one had to be given up. As technology developed, the control system and control methods were tasked to continue to advance a higher degree of plant automation with each passing year. Highly complex material processing called for highly complex control methodologies. Also, global competition pushed manufacturing operations to increase production while using less energy, and producing less waste. In the days of the panel boards, a special kind of engineer was required to understand a combination of the electronic equipment associated with process measurement and control, the control algorithms necessary to control the process (PID basics), and the actual process that was being used to make the products. Around the mid 80's, we entered the digital revolution. Distributed control systems (DCS) were a boon to the industry. The engineer could now control the process without having to understand the equipment necessary to perform the control functions. Panel boards were no longer required, because all of the information that once came across analogue instruments could be digitised, stuffed into a computer and manipulated to achieve the same control actions once performed with amplifiers and potentiometers. As a side effect, that also meant that alarms were easy and cheap to configure and deploy. You simply typed in a location, a value to alarm on and set it to active. The unintended result was that soon people alarmed everything. Initial installers set an alarm at 80% and 20% of the operating range of any variable just as a habit. The integration of programmable logic controllers, safety instrumented systems, and packaged equipment controllers has been accompanied by an overwhelming increase in associated alarms. One other unfortunate part of the digital revolution was that what once covered several square yards of panel space, now had to be fit into a 17 inch computer monitor. Multiple pages of information was thus employed to replicate the information on the replaced panel board. Alarms were used to tell an operator to go look at a page he was not viewing. Alarms were used to tell an operator that a tank was filling. Every mistake made in operations usually resulted in a new alarm. With the implementation of the OSHA 1910 regulations, HAZOPS studies usually requested several new alarms. Alarms were everywhere. Incidents began to accrue as a combination of too much data collided with too little useful information.

История управления сигнализацией

Признавая, что сигнализация становится проблемой, пользователи промышленных систем управления объединились и сформировали рабочую группу по управлению сигнализацией, которая в 1990 году представляла собой консультативный совет клиентов под руководством Honeywell. В состав AMTF входили представители химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслей. Они собрали информацию и подготовили документ, посвященный проблемам, связанным с управлением сигнализацией. Эта группа быстро осознала, что проблемы с сигнализацией – это лишь часть более широкой проблемы, и создала Консорциум по управлению нештатными ситуациями (ASM является зарегистрированным товарным знаком Honeywell). Консорциум ASM разработал исследовательское предложение и получил финансирование от Национального института стандартов и технологий (NIST) в 1994 году. Основное внимание в этой работе было уделено сложному взаимодействию человека и системы, а также факторам, влияющим на успешную работу операторов технологических процессов. Решения автоматизации часто разрабатываются без учета человека, которому необходимо с ними взаимодействовать. В частности, сигнализация предназначена для повышения ситуационной осведомленности оператора в диспетчерской, но плохо настроенная система сигнализации не достигает этой цели. Консорциум ASM разработал документы о передовых методах управления сигнализацией, а также об осведомленности оператора о ситуации, эффективности оператора и других вопросах, ориентированных на оператора. Изначально эти документы были доступны только для членов Консорциума ASM, но недавно ASMC сделала их общедоступными. Консорциум ASM также участвовал в разработке руководства по управлению сигнализацией, опубликованного Ассоциацией пользователей инженерного оборудования и материалов (EEMUA) в Великобритании. Консорциум ASM предоставил данные от компаний-членов и внес вклад в редактирование руководства. Результатом стал документ EEMUA 191 "Системы сигнализации – руководство по проектированию, управлению и закупкам". Несколько организаций и сообществ разрабатывают стандарты по управлению сигнализацией, чтобы помочь своим членам в применении лучших практик использования сигнализации в промышленных производственных системах. Среди них ISA (ISA 18.2), API (API 1167) и NAMUR (Namur NA 102). Ряд компаний также предлагают программные пакеты для помощи пользователям в решении проблем управления сигнализацией, включая производителей DCS и сторонних поставщиков, предлагающих дополнительные системы.

Recognizing that alarms were becoming a problem, industrial control system users banded together and formed the Alarm Management Task Force, which was a customer advisory board led by Honeywell in 1990. The AMTF included participants from chemical, petrochemical, and refining operations. They gathered and wrote a document on the issues associated with alarm management. This group quickly realised that alarm problems were simply a subset of a larger problem, and formed the Abnormal Situation Management Consortium (ASM is a registered trademark of Honeywell). The ASM Consortium developed a research proposal and was granted funding from the National Institute of Standards and Technology (NIST) in 1994. The focus of this work was addressing the complex human system interaction and factors that influence successful performance for process operators. Automation solutions have often been developed without consideration of the human that needs to interact with the solution. In particular, alarms are intended to improve situation awareness for the control room operator, but a poorly configured alarm system does not achieve this goal. The ASM Consortium has produced documents on best practices in alarm management, as well as operator situation awareness, operator effectiveness, and other operator oriented issues. These documents were originally for ASM Consortium members only, but the ASMC has recently offered these documents publicly. The ASM consortium also participated in development of an alarm management guideline published by the Engineering Equipment & Materials Users' Association (EEMUA) in the UK. The ASM Consortium provided data from their member companies, and contributed to the editing of the guideline. The result is EEMUA 191 "Alarm Systems A Guide to Design, Management and Procurement". Several institutions and societies are producing standards on alarm management to assist their members in the best practices use of alarms in industrial manufacturing systems. Among them are the ISA (ISA 18.2), API (API 1167) and NAMUR (Namur NA 102). Several companies also offer software packages to assist users in dealing with alarm management issues. Among them are DCS manufacturing companies, and third party vendors who offer add on systems.

Необходимость управления тревожными сигналами

Управление аварийными сигналами обычно необходимо в технологическом производственном процессе, контролируемом оператором с помощью системы диспетчерского управления, такой как DCS, SCADA или программируемый логический контроллер (PLC). В такой системе может быть несколько сотен отдельных аварийных сигналов, которые до недавнего времени, вероятно, проектировались с недостаточным учетом других сигналов в системе. Поскольку человек способен выполнять только одну задачу одновременно и концентрировать внимание на ограниченном количестве вещей, необходимо обеспечить подачу аварийных сигналов с такой скоростью, чтобы оператор мог их обработать, особенно в условиях нарушения технологического процесса или необычной ситуации. Аварийные сигналы также должны направлять внимание оператора на наиболее важную проблему, требующую немедленных действий, например, с помощью приоритетов, указывающих степень важности или ранг. Для обеспечения непрерывного производства, бесперебойной работы и стабильного качества в любое время суток должна существовать организация, включающая несколько групп специалистов, последовательно обрабатывающих возникающие события. Это чаще называют дежурным управлением. Дежурное управление опирается на команду из одного или нескольких человек (руководитель смены, обслуживающий персонал) или на внешние организации (охрана, центр телемониторинга). Чтобы избежать необходимости постоянного присутствия персонала для контроля одного процесса или уровня, обязательна передача информации и/или событий. Эта передача информации позволит дежурному персоналу быть более мобильным, эффективным и выполнять другие задачи одновременно.

Некоторые методы улучшения

Методы снижения частоты ложных срабатываний варьируются от крайне простых, таких как устранение незначительных и малоинформативных тревог, до полной переработки системы сигнализации с учетом взаимосвязей между отдельными сигналами.

Руководство по проектированию

Этот шаг включает документирование методологии или философии разработки сигнализаций. Это может включать определение того, какие события должны вызывать сигнализацию, стандарты оповещения о сигнализации и форматирование текстовых сообщений, а также описание взаимодействия оператора с сигнализациями.

Рационализация и документация

На этом этапе проводится детальный анализ всех аварийных сигналов для документирования их функционального назначения, а также для проверки правильности их выбора и настройки и соответствия критериям проектирования. В идеале, этот этап должен привести к сокращению количества сигналов, но это не всегда происходит.

Передовые методы

Вышеуказанные шаги часто оказываются недостаточными для предотвращения лавины тревог при отклонениях в работе, поэтому требуются более продвинутые методы, такие как подавление тревог в определенных ситуациях. Например, остановка насоса всегда вызывает сигнал тревоги о низком расходе на выходе насоса, поэтому этот сигнал можно подавить, если насос был остановлен намеренно, поскольку он не предоставляет оператору никакой полезной информации – он и так знает, что это произошло из-за остановки насоса. Эта техника, конечно, может быть очень сложной и требует тщательного проектирования. В приведенном примере, например, можно утверждать, что сигнал о низком расходе все же полезен, так как подтверждает оператору факт остановки насоса. Необходимо также учитывать границы технологического процесса (управление границами). Управление тревогами становится все более важным по мере роста сложности и масштаба производственных систем. Значительная потребность в управлении тревогами обусловлена тем, что в современных DCS настройка тревог практически не требует дополнительных затрат, в то время как в прошлом, при использовании физических панелей управления с отдельными пневматическими или электронными аналоговыми приборами, каждая тревога требовала финансовых вложений и занимала место на панели, поэтому к необходимости установки каждой тревоги относились более обдуманно. Многочисленные катастрофы, такие как авария на Три-Майл-Айленд, Чернобыльская авария и инцидент на платформе Deepwater Horizon, наглядно продемонстрировали необходимость эффективного управления тревогами.