Научно-методические основы обеспечения безопасной эксплуатации опасных производственных объектов нефтегазового комплекса на основе управления системными рисками (стр. 12 )

- результаты экспертизы промышленной безопасности, включая экспертизу Деклараций о промышленной безопасности;

- результаты расследования и анализа аварийных ситуаций;

- результаты мониторинга ОПО;

- результаты аттестации кадров;

- результаты анализа рисков и расчетов по оценке ущерба, необходимые для страхования ответственности;

- банк данных ОПО, включающий локальные базы данных по отдельным модулям технологических установок;

- информационно-вычислительная сеть (ИВС) ИУС-предприятия, обеспечивающая передачу данных и сетевое обеспечение БД предприятия.

Информационную основу управления промышленной безопасностью предприятий составляют функциональные взаимосвязи информационно-вычислительной сети предприятия, включая банк данных с автоматизированной информационно-управляющей системой государственного регулирования промышленной безопасности (ИУС ГРПБ) (рисунок 17).

Требования к организационному обеспечению [38-53] должны включать:

- комплекс мероприятий по организации технологических служб безопасной эксплуатации ОПО;

- организационные мероприятия по ревизии, ремонту и замене вышедших из строя элементов оборудования;

- организация проверок технического состояния оборудования;

- разработка технологических регламентов по управлению минимизаций рисков и контролю реализации проектных решений;

- организация контроля за соблюдением персоналом инструкций по технике безопасности и охране труда;

- организация аттестации работников;

- организация на предприятии эффективной системы контроля исполнительской дисциплины инженерно-технического персонала;

- организация мероприятий по предупреждению аварийных ситуаций;

- принятие и реализация решений о проведении аварийных работ по локализации и ликвидации опасных ситуаций.

Требования к техническому обеспечению [38-53, 126]

Несмотря на то, что практически все технологические установки оснащены отдельными элементами противоаварийной защиты в виде отдельных автоматизированных систем блокировок, сигнализаций, в настоящее время на предприятиях с потенциально опасными модулями нефтегазового оборудования отсутствуют многоуровневые компьютеризированные системы противоаварийной защиты с комплексом соответствующих датчиков, позволяющие согласно нормативным документам обеспечить интегрированную территориально-распределенную обработку входной информации и осуществить реализацию обратных связей в режиме «On-Line» по критерию минимизации синергетического риска до приемлемого уровня на ранней стадии возникновения аварийных ситуаций.

Требования к разработке технического обеспечения должны включать:

- технические средства мониторинга и управления («АРМ-оператор», коммуникационные средства, модемные стойки);

- необходимость разработки модулей ввода, вывода, графических устройств отображения информации, модемов и др.;

- необходимость разработки системы интегрированной противоаварийной защиты;

- необходимость разработки программно-логических контроллеров (ПЛК), обеспечивающих тройное дублирование полевой аппаратуры;

- необходимость разработки противозащитных средств, электронных и электрических схем и устройств с повышенной надежностью;

- при создании ИВС предприятия должны быть использованы компьютеры только в индустриальном исполнении;

- характеристики технических средств не должны ограничивать возможность расширения системы противоаварийной защиты и дальнейшего дублирования;

- все технические средства должны быть сертифицированы в установленном порядке на предмет надежности и точности измерений;

- системы технического обеспечения должны иметь надежную грозозащиту, а также защиту по электропитанию от электрических помех;

- датчики, приборы и средства автоматизации, установленные на наружных площадках, должны сохранять работоспособность при температуре до минус 60 оС;

- применяемые компьютерные системы должны иметь встроенные средства устранения «зависания» (сторожевой таймер).

Требования к программному обеспечению [38-53, 89, 126]

Требуемый уровень безопасности для программируемой системы противоаварийной защиты (ПАЗ) базируется на критерии уменьшения риска, равного вероятности технического отказа системы ПАЗ и для применяемых программно-логических контроллеров [42] может быть рассчитан программным путем при помощи соответствующих модулей, при этом безопасность технологических установок будет зависеть от правильного выбора структуры программируемых логических контроллеров в соответствии с вероятностью возникновения аварийной ситуации. Не останавливаясь подробно на архитектурных особенностях известных систем ПАЗ, следует привести известный принцип выбора структуры ПАЗ и типа программно-логических контроллеров, учитывающий вероятность возникновения аварийной ситуации и вероятность отказа системы ПАЗ, представленной в таблице 13 [89].

Таблица 13 ‒ Выбор структуры программного обеспечения ПАЗ
«ИУС-Безопасность»

Относительный энергетический потенциал	Вероятность возникновения аварийной ситуации	Вероятность отказа системы ПАЗ	Структура системы ПАЗ
до 27	10-2	10-4	Троированный ПЛК
10-3	10-3	Двоированный ПЛК
10-4	10-2	Одинарный ПЛК
27—37	10-2	10-4	Троированный ПЛК
10-3	10-3	Двоированный ПЛК
более 37	10-3	10-5	Троированный ПЛК

Как видно из анализа данных таблицы 13, для минимизации рисков наиболее эффективным является выбор программного обеспечения троированного ПЛК, обеспечивающего максимальную безопасность в эксплуатации путем использования межпроцессорной связи и соответствующего защитного кодирования информации от ошибочных срабатываний [89], когда электронное оборудование для повышения надежности и проведения ремонтных работ без отключения ПАЗ должно быть изготовлено в дублированном и троированном исполнении.

Таким образом, можно сформулировать следующие требования к разработке программного обеспечения, обеспечивающего минимизацию системных рисков для ОПО:

- желательно использование ПО троированных программируемых логических контроллеров;

- должно быть использовано ПО для тройного дублирования электронных датчиков ПАЗ;

- необходимость разработки ПО, обеспечивающего многоуровневую систему остановов технологических установок;

- при разработке ПО ПАЗ должны быть использованы алгоритмы управления минимизацией синергетического риска в форме корреляционных матриц, позволяющих в отличие от экспертных систем осуществлять в режиме «On-Line» безопасную эксплуатацию ОПО на ранней стадии возникновения аварийной ситуации без аварийных остановов;

- для взаимодействия операторов с «ИУС-Безопасность» должно быть разработано ПО иерархической системы графических экранов. При этом основной экран должен содержать общую мнемосхему потенциально опасного объекта, где выделяются участки нестационарности технологических процессов, и осуществлять переход к более детальной мнемосхеме.

Каждый графический экран должен содержать окно аварийной сигнализации:

‒ по степени детализации отображения информации должен быть разработан операторский интерфейс, включающий следующие виды мнемосхем:

· детальные мнемосхемы, соответствующие функциональным схемам АСУТП технологических установок;

· групповые мнемосхемы систем сигнализации;

· обзорные мнемосхемы систем сигнализации;

· стандартные видеограммы.

‒ стандартные видеограммы должны включать:

· тренды реального времени и ретроспективные тренды;

· экраны аварийной сигнализации и защитных установок, содержащие сведения об отклонениях функционирования системы;

· экраны генерации отчетов.

- на экране нестационарных трендов должно быть отражение ранее зарегистрированных и текущих значений входной информации;

- должна быть предусмотрена возможность задания четырех установок сигнализации: S1 – аварийный верхний уровень; S2 – предупредительный верхний; S3 – предупредительный нижний; S4 – аварийный нижний;

- должны быть обеспечены регистрация и хранение всех текущих значений аналоговых и дискретных данных, передаваемых по протоколу динамического обмена;

- время хранения архивной информации должно быть не менее 6 месяцев;

- должна быть обеспечена автоматически по времени или по запросу оператора печать промежуточных и итоговых отчетов, содержание и формат которых определяется инструктивно-нормативными документами;

- в состав ПО должен входить программный модуль вычисления функции взаимных корреляций двух технологических процессов R1,2 (τ), сдвинутых на заданное время Δτ, причем временной интервал Δτ должен задаваться как фиксированное значение, так и в автоматическом режиме с линейным во времени измерением задержки τ. Коррелятор должен работать в реальном времени для оперативной оценки нестационарности технологических процессов [92, 138];

- в состав ПО должен входить модуль предварительной обработки информационных сигналов, включающий программы фильтрации, усиления и нормирования информационных сигналов;

- требования к разработке прикладных программ контроллеров должны включать требования к интерфейсам для организации локальных сетей (Ethernet и RS-485);

- в состав ПО должен входить программный модуль управления минимизацией рисков, основанный на сравнении измеряемого синергетического риска с потенциальным минимальным уровнем риска;

- требования к оперативной системе сводятся к необходимости адресации и переадресации оперативной памяти более 10 Мб;

- для функционирования «ИУС-Безопасность» должна быть использована ОС Windows;

- функционирование ПО «ИУС-Безопасность» в режиме «Off-Line» должно обеспечивать корректирование проектов, планов безопасного размещения потенциально опасных модулей технологических установок, планов локализации и ликвидации аварийных ситуаций.

В режиме «On-Line» ПО «ИУС-Безопасность» должно обеспечить решение следующих задач [126]:

· непрерывный прием информации с датчиков технологической установки;

· предварительная обработка поступаемой информации;

· запись и хранение информации;

· печать полученной информации;

· оформление информации;

· мониторинг заданного технологического режима;

· распознавание предаварийных ситуаций;

· ведение диалога оператора с подсистемами АСУТП технологических установок;

· обработка результатов мониторинга;

· оптимизация технологических режимов модулей технологических установок с целью минимизации технического риска;

· ведение баз данных.

3.3 Разработка принципов построения информационно-управляющей системы обеспечения безопасности
при эксплуатации опасных производственных объектов

На основании сформулированных требований нами разработаны принципы построения 4-уровневой иерархической модели информационно-управляющей системы обеспечения безопасности, позволяющей обеспечить экологическую и промышленную безопасность ОПО на нижнем уровне, представленной на рисунке 20.

В основу создания «ИУС-Безопасность» положен четырехуровневый иерархический принцип построения.

I уровень включает подсистему управления нефтеперерабатывающим или нефтехимическим предприятием, обеспечивающую безопасность функционирования данного предприятия, включая банк данных БД и главный информационно-вычислительный центр ГИВЦ.

II уровень включает подсистему прогнозирования постоянно действующих цифровых корреляционных моделей возникновения и развития сценариев аварийных ситуаций, позволяющую в рамках «САПР-Безопасность» реализовать планы размещения ОПО для их безопасной эксплуатации.

III уровень обеспечивает реализацию технологии проектирования безопасной эксплуатации ОПО на основе данных корреляционного анализа входной информации и построения нестационарных моделей управления минимизацией рисков.

IV уровень обеспечивает оперативное управление минимизацией рисков на основе распределенной системы сбора и обработки информации, получаемой с удаленных рабочих мест «АРМ-оператор» (автоматизированное рабочее место оператора) и измерительных комплексов.

Вычислительные ресурсы предприятия сосредотачиваются в главном информационно-вычислительном центре (ГИВЦ) предприятия и узлах информационно-вычислительной сети ИВС, связанных с локальными информационно-вычислительными центрами (ЛИВЦ) технологических установок предприятия в составе «АРМ-оператор», объединяемым линиями связи, с которыми связаны удаленные рабочие места «АРМ» и программно-логические контроллеры ПЛК.

Разработанная нами и представленная на рисунке 20 модель информационно-вычислительной системы, обеспечивающая 4-уровневый принцип управления промышленной безопасностью, приведена также на рисунке 21 [126].

Рисунок 20 ‒ Обобщенная модель информационно-управляющей
системы обеспечения безопасности при эксплуатации ОПО нефтегазового комплекса

На рисунке 22 представлена функциональная схема банка данных нижнего уровня, обеспечивающего безопасность эксплуатации ОПО.

Основными входными данными БД предприятия являются нормативно-техническая документация, технологические регламенты соответствующих производств и корреляционные модели сценариев развития аварийных ситуаций.

Основной входной информацией для БД эксплуатации ОПО и управления противоаварийной защиты являются базы данных технологических параметров, измеряемых средствами автоматизации, статистические данные возможных нарушений технологических процессов, ошибок персонала и отказов технологического оборудования.

Разработанная первая очередь компьютеризированного аппаратно-программного комплекса для 4-ого уровня «ИУС-Безопасность» построена на основе индустриальных программируемых контроллеров ПЛК и состоит из «АРМ-оператор» и «АРМ-администратор» и, кроме того, включает «Ethernet-коммутатор» и источник бесперебойного питания.

«АРМ-оператор» предназначен для контроля технологических процессов модулей установки, задания оптимальных параметров и режимов работы модулей ПАЗ. «АРМ-оператор» состоит из системного блока в индустриальном исполнении, цветного монитора и принтера. На компьютере «АРМ-оператор» устанавливается ОС Microsoft Windows 2000 Professional.

«АРМ-администратор» предназначен для ведения ПО и внесения дополнений в программное обеспечение системы.

Источник бесперебойного питания обеспечивает работу «АРМ» в течение 6 ч после отключения электрической сети.

Ethernet-коммутатор обеспечивает связь между ПЛК и «АРМ», образуя независимые участки информационно-вычислительной сети предприятия.

Рисунок 21 ‒ Функциональная схема информационно-вычислительной сети информационно-управляющей системы [126] ИУС ГРПБ – автоматизированная информационно-управляющая система государственного
регулирования промышленной безопасности

Рисунок 22 ‒ Функциональная схема банка данных
«ИУС-Безопасность» для нижнего уровня (4-ый уровень)

3.4 Принципы обеспечения безопасной эксплуатации
опасных производственных объектов с использованием
компьютеризированной технологии управления
минимизацией рисков

Технология управления минимизацией рисков с использованием разработанной системы «ИУС-Безопасность» [38-53] включает следующую последовательность реализации инженерных технологических решений в процессе эксплуатации ОПО:

- мониторинг оперативной информации;

- сбор и анализ ретроспективной информации;

- формирование и анализ исходной информации для оценки степени опасности ОПО и составление технологического регламента безопасной эксплуатации установки;

- количественная оценка прогнозных и текущей вероятностей аварийных ситуаций;

- сравнительный анализ прогнозного и текущего синергетического риска;

- выдача заключения об изменении текущих технологических режимов;

- формирование нового технологического решения ПАЗ и изменение логической схемы ПЛК.

Алгоритмическая взаимосвязь при реализации технологии управления минимизацией рисков приведена на рисунке 23.

Технология оперативного управления системой ПАЗ строится на принципе сравнения текущего значения синергетического риска с его верхней и нижней уставками прогнозных безопасных величин. В случае отклонения параметров уставок за допустимые границы ПЛК осуществляет адаптивный поиск возможных технологических причин отказов согласно табличным данным корреляционных матриц отказов, по которым формируются сообщения и логические схемы по причинам предаварийной ситуации с выдачей соответствующей рекомендации по минимизации риска и устранению причины опасной ситуации.

Рисунок 23 ‒ Алгоритмическая взаимосвязь реализации

компьютеризированной технологии управления
минимизацией рисков

3.5 Исследование результатов промышленной апробации первой очереди информационно-программного обеспечения
на пилотных опасных производственных объектах
нефтегазового комплекса

Опробование первой очереди «ИУС-Безопасность» и разработанной технологии управления проведено нами на пилотных объектах в течение гг. (Приложения 1, 2, 3, 4, 5, 6). В качестве наиболее опасных объектов выбраны колонные аппараты и нагревательные модули технологических установок ОПО нефтегазового комплекса. Система противоаварийной защиты включает дополнительно широкополосные акустические датчики вибрации подшипников, датчики температуры и датчики давления в насосном оборудовании. При этом автоматический пуск и остановка насосов обеспечиваются установкой управляемых задвижек на приемном и нагнетательном трубопроводах при помощи обратных связей системы адаптивного управления минимизацией рисков.

Для исключения возможности воспламенения нефтепродуктов и взрывоопасной парогазовой смеси установлены датчики концентрации паров, позволяющие предотвратить возгорание при превышении допустимой концентрации.