（化学工程专业论文）石油化工过程人工介入控制系统的应用研究.pdf

摘要 石油化工生产过程是一复杂的人机系统，在石油化工工业日益 大型化、自动化和过程连续化的今天，生产过程中人的因素越来越 受到重视。因此，怎样克服操作人员在操作过程中的固有弱点和难 以控制性是本课题的基本任务。人工介入控制系统是以人机工程学 原理和石油化工模拟原理为依据，采用计算机和通信技术，对石油 化工生产过程的作业人员进行管理，将生产过程的人员监控管理和 过程控制融为一体。在石油化工生产过程中引入人工介入控制系统， 可以达到优化操作，提高企业经济效益的目的。 人工介入控制系统作为一门新兴技术，其研究涉及到计算机技 术、网络技术等多方面的知识。本文第2 章对国内外石油化工工业 控制现状及发展趋势进行了介绍。 第3 章从石油化工生产过程的特点出发，分析了石油化工生产 过程人机系统中人的因素，并对人的可靠性进行了定量分析。 第4 、5 章在分析石油化工过程控制的基础上，提出人工介入控 制系统的实质是监督控制，其重要功能在于优化操作。对人工介入 控制系统的基本理论进行了介绍，提出了石油化工过程的人工介入 控制系统模型和结构，对操作行为的三个阶段及过程实时状态进行 了描述，提出了石化企业的组织分析方法和石化企业的组织再设计 的原则。 第6 章介绍了人工介入生产过程控制系统在中石化长岭分公司 的下属企业湖南长盛石油化工公司的实践。电子巡检系统与设备 状态网络诊断系统的成功应用表明：在石油化工过程中引入人工介 入控制系统，对提高企业经济效益、提升企业管理水平均具有积极 意义，可以达到了安全、经济、科学、实效管理的目的。 关键词：石油化工人工介入流程模拟人因分析网络诊断 a b s t r a c t w j 山t h em c r e a s i n go fs c a l ee n l a r g i n g o p e r a t i o na u t o m a t i z i n ga n d s u c c e s s i v ep r o c e s s i n gi nc u r r e n tp e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , h u m a nf a c t o r , o n eo ft h er e a s o n sa f f e c ti t s c o m p l i c a t e dh u m a n ，m a c l l i n es y s t e m i s g e t t i n gm o r ea w a r e n e s s t h eb a s i ct a s ko ft h i sp r o j e c ti st oc a r r yo u t t r o u b l e s h o o t i n gt o o v e r c o m ei n t r i n s i cw e a k n e s s e so f o p e r a t o ra n d i m p r o v eo p e r a t i o n f l e x i b i l i t i e s b a s e do nt h e p r i n c i p l e o f h u m a n m a c h i n e e n g i n e e r i n g a n dp e t r o c h e m i c a lp r o c e s s s i m u l a t i o n ， i n t e g r a t e dp e r s o n n e ls u p e r v i s i o na n dp r o c e s sc o n t r o li n t oo p e r a t o r m a n a g e m e n t ，t h i sc o n t r o ls y s t e mb yh u m a ni n t e r f e r e n c eh a sr e a l i z e dt h e p u r p o s eo fo p t i m i z i n gp l a n to p e r a t i o na n de n h a n c i n gc o s tb e n e f i t sf o r p e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s e s a saf l o u r i s h i n g t e c h n o l o g y , t h er e s e a r c h o nh u m a ni n t e r f e r e n c e c o n t r o ls y s t e mi si n v o l v e di nt e c h n o l o g i e so fc o m p u t e ra n dw e b ，e t c c h a p t e r2i n t r o d u c e st h ec u r r e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d so f p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y c h a p t e r 3d i s c u s s e st h e p r o b l e mo f h u m a nf a c t o ra n dm a d e q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s o n r e l i a b i l i t y i nt h e r u n n i n gh u m a n - m a c h i n e c o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp e t r o c h e m i c a lp r o d u c t i o n p r o c e s s c h a p t e r4a n dc h a p t e r5s t a t et h a ts u p e r v i s i o nc o n t r o li st h ee s s e n t i a l o fh u m a ni n t e r f e r e n c ec o n t r o ls y s t e mw i t ht h ek e yf u n c t i o no fo p e r a t i o n o p t i m i z a t i o nb a s e do nt h ea n a l y s i so fp e t r o c h e m i c a lp r o c e s sc o n t r 0 1 i t a l s oi l l u s t r a t e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fh u m a ni n t e r f e r e n c ec o n t r o ls y s t e m ， t a b l e sap r o p o s a lo nd e s i g n i n gt h em o d e la n dc o n s t r u c t i o na n dd e s c r i b e s t h et h r e es t a g e sa n dp r o c e s sr e a l t i m es t a t u so fo p e r a t i o n b e h a v i o r s ， w h i l ef i n a l l y , t h em e t h o do fo r g a n i z a t i o na n a l y s i sa n d r e d e s i g np r i n c i p l e o fp e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s ea l ep u tf o r w a r d c h a p t e r 6p r e s e n t st h e a p p l i c a t i o n o fp r o c e s sc o n t r o ls y s t e mb y h u m a ni n t e r f e r e n c ei nc h a n g s h e n gc o ，a na f f i l i a t e du n i to fs i n o p e c c h a n g l i n gc o m p a n y t h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no fe l e c t r o n i cp a t r o l s y s t e ma n dd e v i c es t a t u sn e t w o r kd i a g n o s i s s y s t e ms h o w st h a t ：w i t ht h e u s a g e o fh u m a ni n t e r f e r e n c ec o n t r o l s y s t e m ，i ti ss i g n i f i c a n t f o r p e t r o c h e m i c a l e n t e r p r i s e s t oi n c r e a s eb e n e f i t sa n d u p g r a d e a d m i n i s t r a t i o n ，w h i l et h et a r g e to faf u r t h e rs e c u r e ，e c o n o m i c ，s c i e n c e a n de f f e c t i v em a n a g e m e n tp a a e mc a nb er e a l i z e d k e y w o r d s ：p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y h u m a ni n t e r f e r e n c e f l o ws i m u l a t i o nh u m a nf a c t o ra n a l y s i sn e t w o r kd i a g n o s i s 石油化工过程人工介入控制系统的应用研究 第一章绪论 1 1 课题背景及来源 随着科学技术的发展，工业过程系统及设备自身的安全与效益 得到不断提高，人一机系统的可靠性和安全性愈来愈取决于人的可靠 性。据统计1 1 1 , 9 0 的系统失效与人有关，其中宣接或间接引发事故 的比率为7 0 9 0 ，这其中包括许多重大灾难事故。在石油化工 业日益大型化、自动化和过程连续化的今天，操作人员接受和处理 的信息将会越来越多，操作人员的稍微疏忽，就可能会造成严重的 后果。因此，生产过程中人的因索己经越来越受到重视。怎样克服 操作人员在操作过程中的固有弱点和难以控制性正是本课题需要研 究和解决的基本任务。 利用计算机高超的运算能力对石油化工过程进行数学模拟，以 优化石油化工过程系统，这一技术早在7 0 年代已开始在石油化工工 业中应用。经过3 0 多年的发展，现已成为一种普遍采用的常规手段 被广泛应用于化工过程的研究开发、设计、生产操作的控制与优化 操作人员的培训。而且随着计算机硬件的性价比的迅速提高、软件 环境的改善与丰富，过程模拟技术发展的势头有增无减口l 。 本课题从人、化工过程与设备的结合出发，以人机工程学原理 和石油化工过程模拟理论为依据，研究石化过程的人机工程问题， 采用计算机和通信技术，将生产过程的人员监控管理与过程控制融 为一体| j ，对石油化工生产过程的作业人员进行管理。 1 2 课题研究的意义 一个典型的石油化工过程控制包括常规控制、先进控制手段和 监督控制。监督控制是指为实现管理目标分解为目标控制计划，通 过对实际情况与目标计划的比较分析、评价现状，发现实际情况偏 离目标计划的原因，及时采取校正措施。事实上，生产过程的人员 监控管理是相对独立的系统。由于人员的生理、心理特征和社会特 征，长期以来生产过程的人员监控管理存在人情化有余，科学化不 石油化工过程人工介入控制系统的应用研究 足，主观性有余，客观性不足等问题。 人工介入控制的过程就是监督控制过程，本文所研究的人工介 入控制系统的主要功能是：第一，检测自动化控制系统的效用；第 二，识别与排除自动化系统不能识别与排除的故障：第三，优化操 作。这个系统与自动化过程控制系统组成生产过程的多重控制系统。 本课题的重要功能在于优化操作。现有的工业生产过程都存在 提高生产率的潜力，这种潜力不仅来源于原设计的缺陷，而且来源 于工厂在生产过程中可能发生的各种变化。例如，随着生产的发展， 原料成分、设备状况、生产负荷、工艺技术等因素均可能不断变化。 因此，有必要根据不同的情况和要求通过人工介入对长期运行中的 现有生产装置其生产操作条件和工艺参数及时加以调整，以确保装 置在最优操作条件下运行，从而获取最大的经济效益。 本课题的实施过程综合了身份识别、传感、信息采集与处理、 数据库与网络等诸多先进的技术，将生产现场的设备运行状态检查、 工艺参数记录、产品质量控制等信息有机的结合在一起，课题的成 功实践改变了传统管理模式，对提高质量，改善和提高设备及工艺 管理质量、降低设备维护成本、延长设备的使用寿命以及提升企业 管理水平都具有积极意义。 本课题的实施对象是中石化长岭分公司的下属企业湖南长盛石 油化工公司，长盛石油化工公司是一家1 2 万t ，a 的聚丙烯生产企业， 生产过程要求严格控制工艺参数，及时调整工序控制中的异常波动。 装置自1 9 9 8 年4 月2 8 日开工以来，各方面都取得了很大的成绩， 年利润达到7 8 0 0 万元。由于是新建装置，定员少，对人员的素质特 别是操作层人员的素质要求高，长岭分公司老的管理模式在长盛公 司显得不太适合，必须寻求突破。 本研究从石油化工生产过程的特点出发，阐述了石化企业人机 系统的基本特征，建立人因失误的认知模型，分析了人因失误机理， 对人因失误的故障模式以及人因失误的可靠性计算、评价进行了探 讨，为防止或减少人在工作中由自己或他人的行为或设备故障而带 来的生理或心理影响、环境破坏和各种有形损失，以提高生产效率、 l 油化】：过程人工介入控制系统的应用研究 增进设备及人身安全、劳动者的健康和舒适提供了理论指导作用。 靠油化一】：过程人工介入控制系统的应用研究 第二章国内外石油化工工业控制现状及发展趋势 2 1 石油化工生产控制系统的发展过程“1 随着石化工业装置规模的不断扩大，工艺过程越来越复杂，改 进控制带来的经济效益明显，促使石油化工过程控制技术不断地发 展。 石油化工过程控制技术的发展最主要的可以说是控制论的形成 和发展、电子计算机的出现和发展、以及炼油工艺( 包括装备) 技 术本身的发展。 4 0 年代形成的经典( 反馈) 控制论，与大规模连续生产过程( 包 括石油化工过程) 中广泛采用的p i d 控制相联系；5 0 年代出现的“工 程控制论”与基于p i d 的串级、前馈、比值、选择性等控制技术相 联系；这些技术一直沿用至今口j 。 5 0 年代末，在航天技术革命过程中，形成了现代控制理论，它 的主要内容是：用状态空间模型描述系统，揭示了系统的可控性与 可观性；提出了基于模型的最优控制和多变量控制；给出在随机干 扰作用下系统运动状态的最优估计与控制。由于计算机的发展，提 供了强有力的计算工具，才使现代控制理论中各种技术得以实现。 6 0 7 0 年代，人们试图将航天工业中行之有效的现代控制方法 用于生产过程，包括石油化工过程，但并未取得成功。其主要原 因足：建立生产过程数学模型较困难，控制的目标和方法不能照搬； 缺少既懂生产工艺又懂控制理论的技术人员。 8 0 年代初，石油化工过程工艺及装备( 包括检测仪表和执行机 构) 的改进、数学模型研究与开发的进展、继承了最优控制又适应 生产过程的模型预估控制( m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) 技术的出现， 以d c s 为代表的过程控制计算机系统的出现、大系统理论和人工智 能的发展，这些技术进步，不仅形成了8 0 年代在石油化工过程中开 始付诸实现的先进控制1 7j ( a d v a n c e dp r o c e s sc o n t r 0 1 ) ，也推动了生 产装置优化、调度管理优化，朝着全厂或全公司计算机集成系统 釉化一1 ：过程人工介入控制系统的应i j 研究 ( c i m s ) 发展。 2 2 企业管理与控制一体化的发展现状 目前，随着计算机技术尤其是网络技术的蓬勃发展，很多企业 都希望拥有自己的信息和生产管理相统一的网络系统，将生产和管 理直接挂钩，形成生产管理与控制一体化的内部网络。 在工业控制中，计算机系统的管控一体化，使系统在完成控制 的同时，还可以完成系统模拟图的实时监测、历史曲线的分析察看、 超限额运行实践的统计、灵活的生产及设备运行报表等功能，大大 提高了工作效率。 企业的各部分信息原来呈孤岛状态，数据不能共享，多个控制 系统各自独立，无法统一规划全厂资源，从而使控制系统无法进行 更深层次的数据挖掘，造成数据资源浪费，作为管理者，只能到生 产现场通过控制系统了解生产情况。通过监控系统方案的设计，打 破了这个信息孤岛，数据充分共享，集成多个控制系统，实现全厂 资源的统规划，管理者可以在办公室通过m i s 网及时掌握生产现 场情况。 2 3 集散控制系统( d c s ) 美国h o n e y w e l l 公司1 9 7 5 年公布的新型控制系统t d c - - 2 0 0 0 开创了分级分布控制在过程控制领域应用的先例。这种被称为集散 系统的新型过程控制系统比较合理地吸取了仪表控制系统和d d c 的长处，有效地克服了两者的缺点，开创了过程控制系统的新时代。 d c s 是4 c 技术相结合的产物。它以微处理机为核心，把微型 计算机、工业控制计算机、数据通信系统、显示操作装置、过程通 道、模拟仪表等有机的结合起来，采用组合组装式接轨组成系统， 为实现工程大系统的综合自动化创造了条件。集散系统开发时间并 不长，但推广相当快，目前国内外过程控制领域已经得到比较广泛 的应用。 集散控制系统既有计算机控制系统算法先进、精度高、响应速 度快的优点，又有仪表控制系统安全可靠、维护方便的优点。 2 4 石油化工过程流程模拟 打油化1 ：过程人t = 介入控制系统的应用研究 从系统工程角度来看，石油化工装置由一些不同层次的子系统 组成，因此，就石油化工过程模拟而言，也就有不同层次的过程模 拟。石油化工企业流程模拟的对象在十几米至几百米的尺度规模范 围；而其单元过程子系统则为几厘米至几米大小，甚至可以进一步 深入模拟每个单元过程设备的内部传递过程和化学反应过程。 石油化工过程流程模拟就是借助计算机求解描述整个化工生产 过程的数学模型，得到有关该化工过程性能的信息。它主要是通过 流程级上的信息进行针对化工过程开发、设计和操作的分析。稳态 模拟己普遍用于物料、能量衡算，设备尺寸和费用计算，以及过程 的技术经济评价。 化学工程在2 0 世纪的二三十年代是建立在“单元操作“的概念 之上，研究的是化工参数间简单的定量关系。到了5 0 年代，单元操 作的理论有了相当的发展，能够用可靠的数学形式加以表达。6 0 年 代，开始利用计算机来辅助工程师对单元模型进行计算，但由于计 算机运算能力限制，主要的计算还只是单元操作。随着计算机技术 的发展，渐渐的可以把几个单元操作综合起来进行计算分析。过程 模拟己成为化学工程师设计新装置和分析现有装置性能、改进现有 装置操作的有力工具。 2 5 工作流的研究发展 工作流技术通过信息技术的支持为企业的经营过程提供了一个 从模型分析、建立、管理、仿真到运行的完整框架，是实现业务过 程管理与控制的一项关键性技术1 4 , 5 j 。目前，在全球范围内，对工作 流技术的研究以及相关产品的开发已进入了一个繁荣阶段，更多更 新的技术被集成进来，i n t e m e t 服务、数据库、电子邮件、移动式计 算、文件管理等都已被容纳到工作流管理系统之中。随着工作流这 “集成框架下所容纳技术的不断拓展与成熟，工作流系统将成为企 业信息环境中不可缺少的软件平台，并将最终成为覆盖于各类台式 机与网络操作系统之上的业务操作系统b o s ( b u s i n e s so p e r a t i n g s y s t e m ) ，带来操作系统的一次革命。工作流技术的出现和迅速发展 为企业先进制造战略的实施提供了重要的技术支持m j 。 石油化工过程人工介入控制系统的应用研究 2 5 1 工作流研究发展的背景 在2 0 世纪8 0 年代工作流管理技术出现和迅速发展满足了企业 组织结构重组与先进制造战略实施的客观需求，它是实现企业业务 过程建模、业务过程仿真分析、业务过程优化、业务过程管理与集 成，从而最终实现业务过程的自动化的核心技术。对企业利用工作 流方法进行业务过程建模和深入分析不仅可以规范化企业的业务流 程，发现业务流程中不合理的环节，进而对企业的业务过程进行优 化重组，而且所建立的业务过程模型本身就是企业非常重要的知识 库和规则库，可以成为指导企业实施计算机管理信息系统的模型。 9 0 年代中期对工作流的技术研究以及相关的产品开发进入了更 为繁荣的阶段，更多、更新的技术被集成进来，文件管理系统、数 据库、电子邮件、分布式计算、i n t e m e t 服务等都己被容纳到工作流 管理系统之中。 2 5 2 工作流管理系统 ：i ：作流的概念涉及许多领域，但其中最主要的是信息系统( 例 如数据库系统、数据通讯、软件过程建模、软件工程等) 和组织科 学( 组织理论、决策理论、管理科学等) 。 工作流管理系统适应于业务流程相对稳定、有规律而且人员密 集的地方。例如：办公自动化、生产流程管理、金融领域的账目流 程和软件项目开发等众多领域。 工作流管理系统能对各种业务流程进行灵活的定义，对定义的结 果自动( 或者半自动) 地执行，并且对业务流程的执行过程进行全 面监督、控制和管理。通过对业务流程全面合理的描述，能对业务 过程进行进一步分析、评估和重新组合( b p r ) ；它能自动或半自动 地执行流程，提高业务过程的执行效率、降低成本；它能对业务流 程实施监控，改善管理水平；它能快速响应环境的各种变化要求， 提高企业整体竞争力；它能对已有的业务处理逻辑进行有效的集成， 提高了资源的再利用1 9 j 。 石油化工过程人 ：介入控制系统的应用研究 第三章石化企业人机系统的特点及人的因素分析 石油化工的生产过程是一个复杂的人机综合系统，在这个系统 中，人、原材料、设备、工艺和环境是组成这个系统的基本要素1 3 i ， 人在这个系统中起主导作用。尽管系统的自动化程度提高了，但是 还要由人来控制操作，要由人来负责设计、制造、组织、管理、维 修、训练，要由人来决策，要对设备进行使用、维护和检修，要识 别故障并排除故障，要创造和管理生产活动和作业环境。同时，在 石油化工生产过程中，由于操作人员的生理、心理、社会、精神等 特性，因此，该系统既存在些固有的弱点，又具有极大可塑性和 难以控制性。 3 1 流程工业的特点 石油化：i = 企业属于流程工业，主要特点是：是各工序、各工 种或装置严密组织、分工协作，易燃、易爆、有毒、腐蚀性强；二 是石化企业采用大规模生产方式，生产工艺技术成熟，控制生产工 艺条件的自动化设备比较成熟，生产过程多数是自动化，管理人员 主要是优化操作、处理突发事件、管理、监视和设备检修；三是通 常以连续的方式进行生产，原材料和产品通常是液体、气体、粉状 等，通常采用罐、箱、柜、桶等进行存储。四是品种固定，批量大， 生产设备是一条固定的生产线、投资高、按照产品进行布置，：i ：艺 流程固定，设备维护和安全生产特别重要。 3 2 石油化工生产过程的特点 按英国曼彻斯特大学心理学家r e a s o n 的总结和归纳0 ，石油 化工的生产过程这一复杂的人机系统主要特点是：一是系统更加自 动化。操作人员的工作由过去以“操作”为主变为监视、决策、控制。 二是系统更加复杂和危险。大量使用计算机使得系统内人与机、各 子系统间相互影响更加复杂、更加密切，大量的潜在危险集中在较 少几个人身上( 如中央控制人员) 。三是系统具有更多的防御装置。为 丫防止技术失效和人因失误造成对系统运行安全的威胁，普遍采用 石油化工过程人一f ：介入控制系统的应用研究 了多重、多样专设安全装置，使其大大提高了系统的安全性。但另一 方面，对这些安全装置的依赖性又降低了操作人员对系统危险的警 觉性。四是系统更加不透明。系统的高度复杂性、耦合性和大量防 御装置增加了系统内部行为的模糊性，管理人员、维护人员、操作 人员经常不知道系统内正在发生什么，也不理解系统可以做什么。 3 _ 3 石化企业组织的主要特征 由于长期受国家重点扶持，石化企业有人才优势和管理上的优 势。生产管理规范性强，制度严格，纪律严明，是保证企业生产良 好运转的基础。 从企业组织效率和组织结构的角度来考察石化企业，目前主要存 在问题如下： ( 1 ) 机构臃肿石化企业大多是老企业，机构较多。英国著 名管理学家帕金森在分析组织的机构臃肿、效率低下的原因时指出： 人员的晋升机会与机构增加成比例，所以人们总是希望多增机构。 ( 2 ) 人员多，组织效率低2 0 0 2 年中石化集团公司名列世界 5 0 0 强第8 6 位，营业额达4 0 4 亿美元，人均营业额为4 2 7 万美元， 与美国埃克森一美孚石油公司相比，营业额仅为其1 5 ，人均营业额 仪为其1 2 0 。而职工人数却超过世界石油石化前四强埃克森一美孚、 壳牌、b p 、道达尔的员工人数之和近两倍。 ( 3 ) 企业组织目标的偏差由于石化企业的特殊地位，在其 自身流程之外存在一些社会性功能的组织，这种组织使得企业的组 织目标发生偏差。任何组织都有定的目标，有特定的功能，企业 应该是为社会提供产品或服务，追求经济效益最大化的组织。石化 企业的组织目标，需要根本地转向追求效率和效益上来，这也是石 化企业组织组织创新的基本目标。 ( 4 ) 流程链与指挥链的问题在重组改制过程中的石化企 业，存在人为分割企业流程链的问题，有的企业甚至主流程链断裂。 同时企业内部的指挥链的问题也不能很好地解决，一方面结构层次 多，执行打折，另一方面职责重叠、政出多头。 ( 5 ) 人事纠纷增加由于企业经营环境改变、观念转变、利 石油化工过程人工介入控制系统的应用研究 益调整、就业压力等综合因素影响，企业内部人事纠纷增加，积怨 冲突增加。有些企业在组织变革中，不是以组织的精减效率和经济 运行为原则。 3 4 人机系统中人的因素分析 人机工程学是人体科学、工程技术、环境科学、安全科学和社 会科学等交叉形成的一门重要学科。它以人的生理、心理特征为依 据，以提高人的工作、生活质量为目的，运用系统工程、信息理论 和工程技术的观点和方法，研究人与机器、人与环境及机器与环境 之问的相互关系，把人的因素作为系统设计的重要条件和原则，为 系统研究提供一种新的理论依据和方法p 】。 3 4 1 人机系统中人的作用 人在人机系统中的作用主要表现在如下几个方面： ( 一) 在操作上：完成自动化系统不能完成的操作。尽管系统 自动化程度提高了，但仍然有需要由人来完成的具体操作，这是由 于一方面系统自动化不完善，另一方面是需要人的行为主动调节系 统。 ( 二) 在监视与控制上：监视自动化系统的运行。 ( 三) 在维护和检修方面：对设备进行使用、维护和检修，识 别故障并排除故障。 ( 四) 在决策上：自动化系统的设计、制造、组织、管理、维 修、训练，均要由人来决策。 ( 五) 在控制上：创造和管理其生产活动和作业环境。 3 4 2 人因失误 在现代大规模复杂的人机。环境系统中，随着科技的发展与进 步，系统软、硬件可靠性不断提高，引起的事故比例逐渐下降，而 人因失误诱发的故障或事件却呈上升趋势。人因失误已成为大规模 复杂系统失效或事故最重要的原因之一。对人因失误的研究与防范 也更为突出与重要l 堙】。人因失误可能引起人机系统运行中的时间损 失、机器损伤、人员伤亡和任务失败。人因失误的具体表现形式为： 执行任务遗漏，即没有执行分配给他的任务和程序；执行任务错误， i n 石油化：过程人工介入控制系统的应用研究 对任务或现状做出错误的判断，并错误地执行了分配给他的任务和 程序；执行任务不适当、不完善，以不准确的方式和程序执行了分 配给他的任务；执行了没分配给他的任务和程序。 复杂工业系统本身的人因特征是：人机界面复杂，人机接口多 样，环境不确定性，需要处理信息复杂动态特性多样及操作人员行 为的复杂性l i 引。由于以上特征，要消除人因失误几乎是不可能的， 但可以最大限度地设法减少它。减少的办法就是研究人因失误的根 本原因，并提出改进措施加以防范f 1 。 3 4 _ 3 人因失误的原因 人因失误的原因概括起来是由于人的机能的不确定性与机器或 环境等因素相互作用而产生的，从人机工程角度可归纳为内在因素 与外部因素。 人因失误的内在因素有四类，即：( 一) 生理因素：人体尺度、 体力、耐力、视觉、听觉、运动机能、体质、疲劳等；( 二) 心理因 素：信息传递与接受能力、记忆、注意、意志、情绪、觉醒程度、 性格、气质、心理压力、心理疲劳、错觉等；( 三) 个体因素：年龄、 文化、训练程度、经验、技术能力、应变能力、责任心、个性、动 机等；( 四) 病理因素：各类慢性病、疾病初起、服药反应等。 人因失误的外部因素是指：在系统设计( 人机界面、工作环境、 组织管理等) 时，未很好地运用人机工程准则，致使设计本身潜伏 着操作者失误的可能性。 从人、机、环境系统出发，影响人因失误的外部因素有： ( 一) 人机接f j ：人机功能分配、显示系统、控制系统、报警 系统、信息系统、通信系统和工作站等的设计，对人的生理、心理 特点的适应性。 ( 二) 人环境接口：物理环境( 例如：微气候环境、照明环境、 声环境、空气品质、振动、粉尘，以及作业空间等) 设计与人的作 业的适应程度。 ( 三) 人人接口：指系统的组织管理工作设计。例如：作业时 间、安排轮班作业、班组结构；工作流程、协同作业：操作规程、 1 1 年i 油化。i ：过程人= 介入控制系统的应f j 研究 安全法规；技术培训、人际关系、企业文化、社会环境等，对人的 作业影响。 3 4 4 人因可靠性的定量分析【i 习 人的可靠性评价的主要目的，在于提供事故序列中所定义的人 员动作有一个合理可信的人误概率值，同时为系统可靠性的改善提 供决策参考【l 引。由于人员行为的多样性和高度复杂性，故不存在一 种对任何行为模式都适用的可靠性分析方法。 人因可靠性的定量分析已有几种方法，较典型的有： ( 1 ) 鲁克( r o o k ) 模型 设某项任务需要进行n 次人员操作，这n 次操作是互相独立的， 其中的每种操作i 可能会出现各种不同的失效模式k j ，已知进行第i 种操作时，发生k j 种失效模式的概率为q 如而如果这次操作失误， 那么它对整个任务功能的失效概率为q k i 。而且，完成任务时第i 种 操作不是第一次，而是s i 次。则最终任务成功的概率，即人员操作 的可靠度为： m ， r ，= 理( r ) 品= n f 丌( 1 一q k , 瓯) 】唧 i = 1k = l 上式称为鲁克公式。 ( 2 ) h c r 计算模型 h c r ( h u m a l lc o g n i t i v er e l i a b i l i t y ) 法是为了评价运行班组未能 在有限的时间内完成动作的概率而开发的，是考虑对时间变量进行 规范化以后的可靠性模型。如果把与人无关的因素去掉，可以将大 量的事故过渡工况综合地分为三种类型，而操作人员对这些瞬变1 况的响应能力可以划分为三种思维过程，即技术类型、规则类型以 及知识类型。对于不同类型要求的过渡工况，人们对它的响应时问 的町靠度为： 尺，：1 一尸( ，) ：1 一e x p 一【! 二! ；：! 二二丑】“) u q j 式中t 为完成某种事故响应操作的时间； t os 为完成这项操作所需时间的估计中值； i 油化二【：过程人工介入控制系统的应用研究 c 小d 小b | - - 各类( i 指类别，即技术、规则和知识) 人员素 质的修正系数，见表1 。 表lh c r 模型行为形成因子的关系系数 3 4 4 2 应用实例1 1 7 1 在全面开展人工介入控制系统设计之前，以长盛公司在2 0 0 2 年 5 月的一次突发事故处理为例进行人因可靠性的定量分析。 ( 1 ) 事件描述 2 0 0 2 年5 月8 日，制造工段a 工况下蒸汽发生器( s g ) 传热管因 腐蚀发生断裂事故，2 0 s 内引发二次侧放射性高报警，工段设备、工 艺i ：程师接操作员电话5 m i n 后到达主控室并进入s p i 规程，监视有 关参数，二回路操作员根据规程识别且隔离故障s g ，高压安注失败 ( 1r a i n 完成该操作) ，设备工程师发现a t s a r s 。如果以“一般”，即5 分为合格标准。从各指标的得分 情况来看，其急需提高的地方在于处理问题的能力和遵章守纪2 个 方面。 石油化工过程人工介人控制系统的应用研究 第七章结论与展望 7 1 结论 ( 1 ) 人工介入控制系统是仪表自动化和计算机控制领域的新兴 技术，它将人本管理和工程控制技术融为一体，为生产过程的安全、 稳定、长周期、满负荷、优质运行提供了基本保证。 ( 2 ) 该系统的应用表明：在石油化工生产过程中引入该系统， 可以及时掌握设备的状况和生产运行状况，为操作人员跟踪调节操 作奠定了坚实的基础。从而达到优化操作，提高产品产量和质量， 降低成本，延长设备使用率，提高企业经济效益的目的。 该系统可以使管理人员及时掌握设备的状况和生产运行状态， 以及工作人员的工作状况，并且使数据电子化达到无纸化管理，使 生产、设备的管理工作达到经济、科学、实效管理的目的，保障生 产装置的“安、稳、长、满、优”运行。 ( 3 ) 人工介入控制系统对石油化工装置均实用，随着它在实践 过程中的不断完善，必将得到越来越广泛的应用。 7 2 研究展望 人工介入控制系统作为- i 1 新兴技术，它的研究涉及到计算机 技术、网络技术等多方面的知识，研究时间有限，系统仍需要进一 步的发展和完善。 ( 1 ) 知识库的进一步扩充流程工业生产过程极为复杂，故 障形式和机理多种多样，要形成一个完整精确的故障诊断知识库， 还需要不断和现场工艺人员沟通，并且对各条诊断规则优化，才能 形成一套较为完整的专家系统。 ( 2 ) 数据采集系统的进一步完善由于故障与事故出现的概 率很小，故难以调试，因此为了验证知识库的准确性，需要开发某 一个对象的仿真数据发生器，将一批产生各种故障的数据源源不断 的送入故障诊断系统。 ( 3 ) 与其他企业子系统的集成因特网系统作为一个故障诊 石油化工过程人工介入控制系统的应用研究 断及事故预警系统，其建立的最终目的是为了企业的综合管理服务， 应该作为一个决策系统集成到企业m i s 系统，实现与固定资产、预 决算等其他系统的资源共享，从而实现整个企业资源的更有效管理。 基于因特网的智能监控系统具有收集显示信息的能力和智能监 控功能，能够利用知识分析信息，提出改进建议。一方面它不仅只 是给操作人员提供正常的操作参考，协助操作人员监督生产操作， 还告诉操作人员故障和事故形成的过程和原因，并提出处理建议， 使操作人员对所预警的故障和事故迅速的做出正确反映。 另一方面它还指导管理层制定生产计划、安排设备维护日程等， 将成为工厂安全生产的重要保障。 互塑坚蕉型丝垒缝型至蒌墼堕星堡窒 参考文献 1 张力在更广泛基础上预防和减少事故管理工程学报，1 9 9 8 ，1 2 ： 5 9 6 3 【2 】杨友麒化工过程模拟，石化进展，1 9 9 6 ，3 【3 】黄曙东工业安全与环保，2 0 0 2 ，1 8 ( 8 ) ：4 2 4 5 【4 】袁璞炼油过程先进控制技术的发展与应用石油炼制与化工， 1 9 9 4 ，2 5 【5 】钱学森，宋健工程控制论北京：科学出版社，1 9 8 0 【6 】c h e m i c a lp r o c e s sc o n t r 0 1 i ( 1 9 7 6 ) ，i ( 1 9 8 1 ) ，1 1 1 ( 1 9 8 6 ) ，i v ( 1 9 9 1 ) 7 】王立行石油化工过程先进控制技木的现状与发展趋势炼油设 计，2 0 0 0 ，3 0 ( 2 ) 【8 】基于工作流技术的发电厂管理信息系统的研究与开发 9 】工作流管理系统分类 h n l p ：价矾删s i m f i o w n e t 州0 r k f l o w w f c l a s s f y h t m 1 0 r e a s o nj h u m a ne r r o r m u k ：c a m b r i d g e ，c a m b r i d g e u n i v e r s i t yp r e s s ，1 9 9 0 【1 1 】张力等人因事故纵深防御系统模型_ 中国安全科学学报，2 0 0 2 ， 1 4 ( 2 ) ：3 7 3 9 12 】张力等人因分析：需要、问题和发展趋势 j 】系统工程理论与 实践，2 0 0 1 ，2 1 ( 2 ) ：1 6 7 - 1 7 2 【1 3 张力等复杂人机系统中的人因失误【j 中国安全科学学报， 1 9 9 6 ，6 ( 6 ) ：3 5 - 3 7 1 4 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