耿慶安

(中石化北京燕山分公司 生產(chǎn)運行保障中心，北京 102500)

由于石油化工行業(yè)具有連續(xù)性生產(chǎn)的特點，要求自動化儀表設(shè)備運維要處于完好狀態(tài)，而且能夠適當延長設(shè)備零部件的使用壽命，最大限度地降低設(shè)備運維費用，杜絕因設(shè)備突發(fā)故障給生產(chǎn)造成的中斷或運維費用的嚴重超支，避免給企業(yè)造成重大損失。長期以來，石化行業(yè)的自動化儀表設(shè)備均沿用預防性維護方式，具體表現(xiàn)為制訂“五定期”維護方案和定期計劃檢修，它基于“預防為主”、“防患于未然”的理念，根據(jù)設(shè)備的特點和使用情況的不同，定期對設(shè)備實行不同規(guī)格的保養(yǎng)，并以此為基礎(chǔ)，制訂設(shè)備的預知維修周期。該體制與傳統(tǒng)的事后維修相比是一大進步，因為它可以把故障消滅在萌芽狀態(tài)，避免嚴重故障或事故的發(fā)生，也減少了因事后維修造成的裝置停車損失，但因為無法準確了解設(shè)備的使用壽命和及時掌握設(shè)備運行狀態(tài)，所以該維護模式無法避免設(shè)備的失修和過修。

目前，在國內(nèi)石化行業(yè)自動化儀表設(shè)備管理中，尚未形成一套完整有效的設(shè)備故障模型預測與分析系統(tǒng)，多數(shù)還是依靠聽、摸、看等傳統(tǒng)的手段感性判斷設(shè)備的運行狀態(tài)。近年來，中國石化北京燕山石化分公司提出了“打造數(shù)字公司，建設(shè)智能工廠”的信息化發(fā)展戰(zhàn)略，大力推動“兩化”深度融合，努力實現(xiàn)傳統(tǒng)國企向現(xiàn)代企業(yè)的轉(zhuǎn)型。為此，以設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷為基礎(chǔ)，將設(shè)備管理由事后管理向事前預測和事中控制轉(zhuǎn)變，該公司建設(shè)了預知維修大數(shù)據(jù)分析平臺，在實際運行檢驗過程中，應(yīng)用效果良好，提高了儀表設(shè)備的可靠性，確保了生產(chǎn)裝置的長周期安穩(wěn)運行。

1 項目建設(shè)目標和架構(gòu)

1.1 項目建設(shè)目標

搭建燕山石化預知維修大數(shù)據(jù)分析平臺，通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對現(xiàn)場儀表設(shè)備壽命周期以及冬季關(guān)鍵儀表回路伴熱溫度、特護機組關(guān)鍵儀表參數(shù)、DCS狀態(tài)實時監(jiān)測，進行運行狀態(tài)的分析、故障診斷、劣化趨勢的預測以及生成報警信息，得到儀表設(shè)備目前可能存在的故障風險，從而達到預知設(shè)備運行故障的目的。

1.2 項目總體架構(gòu)

預知維修分析平臺總體架構(gòu)基于面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)的理念，分為數(shù)據(jù)庫層，通用服務(wù)/工具層、業(yè)務(wù)層和展示層4個層次。數(shù)據(jù)庫層負責與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換及數(shù)據(jù)存儲；通用服務(wù)/工具層提供信息系統(tǒng)的通用服務(wù)和工具，包括日志、權(quán)限、建模、算法、內(nèi)存計算、分布式計算、展示工具等；業(yè)務(wù)層提供核心業(yè)務(wù)應(yīng)用，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、知識庫、參數(shù)預測、故障診斷、部件壽命管理等；展示層面向用戶，提供系統(tǒng)應(yīng)用的結(jié)果呈現(xiàn)，包括圖形、表格、報告等[1]。預知維修分析平臺總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 預知維修分析平臺總體架構(gòu)示意

2 基于互聯(lián)網(wǎng)的預知維修大數(shù)據(jù)分析平臺的建立

在石化行業(yè)中，不同設(shè)備的監(jiān)測方法都不是相對獨立的，各個方法之間相互關(guān)聯(lián)、相互依托。因此將不同設(shè)備的監(jiān)測技術(shù)整合到一起，不管是哪一種監(jiān)測方法，也不管是國內(nèi)技術(shù)還是國外技術(shù)，使其形成一個完整的預知維修分析平臺體系是非常必要的。

基于該思路，將預知維修大數(shù)據(jù)分析平臺與中國石化統(tǒng)一建設(shè)的身份認證系統(tǒng)集成，拓展為基于云桌面的企業(yè)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，采用成熟的技術(shù)架構(gòu)作為儀表設(shè)備數(shù)據(jù)分析的核心設(shè)計思路，以構(gòu)造松散耦合的應(yīng)用系統(tǒng)，滿足對系統(tǒng)的靈活性、可集成性、統(tǒng)一性的要求，讓更多具有中石化統(tǒng)一身份認證的管理者和使用者能夠登錄進入儀表預知維修系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)功能描述

儀表預知維修系統(tǒng)包括5個功能模塊： 儀表防凍凝實時監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及趨勢預測、DCS狀態(tài)實時監(jiān)控及故障診斷、關(guān)鍵機組特護儀表巡檢記錄及趨勢預測、儀表設(shè)備生命周期管理以及預知維修記錄和故障統(tǒng)計臺賬管理。

3.1 儀表防凍凝實時監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及趨勢預測

在冬季儀表設(shè)備防凍凝承包期，將裂解裝置和三催化裝置等公司級重點裝置的實時伴熱監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過專用工控機數(shù)據(jù)采集站與儀表設(shè)備預知維修系統(tǒng)接口對接，對伴熱防凍凝系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測診斷分析，給出相應(yīng)的趨勢診斷對策和建議。儀表管理人員利用該軟件系統(tǒng)，在冬季伴熱期內(nèi)，每天登錄系統(tǒng)檢查、監(jiān)督現(xiàn)場儀表伴熱的情況，確保每臺儀表的正常使用。

3.2 DCS狀態(tài)實時監(jiān)測及故障診斷

目前該公司重點裝置DCS大多數(shù)采用Honeywell PKS以及CENTUM-CS3000/VP，通過查閱DCS資料以及系統(tǒng)組態(tài)實踐，自主完成了不同類別DCS報警點的實時數(shù)據(jù)采集，通過DCS中的OPC協(xié)議，將DCS報警診斷信息，添加到實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，并實時傳送到預知維修系統(tǒng)服務(wù)器，進行監(jiān)測診斷、指導DCS出現(xiàn)問題時的預測及應(yīng)對策略。

儀表作業(yè)部管理人員每天登錄系統(tǒng)，查看管轄裝置的DCS運行狀態(tài)，查看DCS狀態(tài)是否出現(xiàn)預警和報警提醒，當預知維修系統(tǒng)實際監(jiān)測到DCS狀態(tài)值發(fā)生超出規(guī)定限值時，會將超限的信息條目推送到總預覽信息平臺上，根據(jù)DCS報警信息的傳遞，自動判斷出DCS產(chǎn)生問題的原因，選中條目后，點擊診斷報告，給出對應(yīng)條目信息的自動診斷結(jié)果，根據(jù)診斷結(jié)果，具體指導維護人員，快速排查故障。如果指導信息不全面或者沒有指導信息，有經(jīng)驗的技術(shù)人員找到原因并排除故障后，可以在DCS數(shù)據(jù)維護配置中對診斷知識庫進行完善。

3.3 特護儀表巡檢及趨勢預測

離線巡檢是預知維修的手段之一，通過離線巡檢記錄診斷預測大型機組聯(lián)鎖儀表系統(tǒng)設(shè)備的健康度狀況。根據(jù)控制系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表設(shè)備的運行參數(shù)，預知性地掌控機組儀表系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)。根據(jù)巡檢示值，描繪出相應(yīng)的趨勢曲線圖表；根據(jù)聯(lián)鎖限值進行比較，接近限值區(qū)域之前，即給出相應(yīng)的診斷維護對策建議。

3.4 儀表設(shè)備生命周期管理

該模塊用來自動監(jiān)測大型機組、裝置聯(lián)鎖、重要控制回路等關(guān)鍵儀表設(shè)備以及一般儀表設(shè)備投入使用的實際時間，根據(jù)國家標準、廠家標準、自定義標準規(guī)定的使用壽命標準，系統(tǒng)提前6個月進行預警提醒，提示維護人員注意檢測或者儲存?zhèn)浼鼡Q。根據(jù)檢修機會，擇機進行檢測或者更換，并給出相應(yīng)的維護對策建議。

在2016年該公司大檢修后，逐步完善ERP儀表設(shè)備主數(shù)據(jù)，將新增儀表設(shè)備批量導入儀表預知維修系統(tǒng)，添加了所選儀表設(shè)備的壽命監(jiān)測功能。同時對儀表設(shè)備預警信息逐一確認，實時更新儀表設(shè)備使用壽命。

3.5 預知維修記錄和故障統(tǒng)計臺賬管理

為了統(tǒng)計儀表預知維修情況，每天將儀表設(shè)備故障和預知維修情況進行錄入保存，作為案例，供預知維修小組成員借鑒和分享，在工作中具體落實。預知維修情況統(tǒng)計臺賬用來統(tǒng)計分析預知維修記錄中跟預知維修類型相對應(yīng)的各個作業(yè)部的預知維修狀況。

操作時，采用下拉菜單選擇的方式選擇作業(yè)部、輸入班組名稱、點擊設(shè)備名稱后面的查詢按鈕，在彈出的對話框中找到自己需要的條目，系統(tǒng)自動將設(shè)備的名稱、位號、裝置名稱信息導入表格中，故障類別選擇預知故障或者其他故障。手動錄入工藝介質(zhì)，故障描述從13種儀表故障類型中選擇。

4 應(yīng)用情況及開發(fā)建議

4.1 儀表預知維修系統(tǒng)應(yīng)用情況

該儀表預知維修系統(tǒng)自2012年開發(fā)至今，系統(tǒng)模塊在不斷開發(fā)和完善中，為了提高儀表設(shè)備故障預測，成立了儀表預知維修小組，定期開展基于預知維修軟件的設(shè)備故障預測工作，作業(yè)部以及班組參與率100%，并制訂了儀表預知維修率大于70%的工作目標。

截至目前，該儀表預知維修系統(tǒng)實時監(jiān)控了4 009臺關(guān)鍵儀表設(shè)備生命周期，共計預測了13套主要裝置的機組和聯(lián)鎖儀表設(shè)備元件的剩余壽命，共計更新了2 875臺關(guān)鍵儀表設(shè)備壽命周期，新增了841臺關(guān)鍵儀表設(shè)備，確認了1 009臺關(guān)鍵儀表設(shè)備報警，例如，高壓裝置一/二/三線高壓熱電偶測溫元件，擇機一年強制報廢一次，因此在大檢修中更換了12支達到報廢期的高壓熱偶，避免了因熱電偶故障導致裝置的非計劃停車；冬季實時監(jiān)控重點裝置裂解和三催化960條伴熱回路溫度數(shù)值，2018年冬季伴熱投用期內(nèi)，共監(jiān)測到伴熱溫度異常數(shù)據(jù)53條，班組員工及時發(fā)現(xiàn)并處理了故障問題，確保每臺伴熱回路儀表設(shè)備正常使用和安全過冬，無儀表凍凝事故的發(fā)生。2018年儀表預知維修記錄共發(fā)現(xiàn)問題558項，大幅降低了儀表設(shè)備故障率，避免裝置波動5起和非計劃停工3起，預知維修情況統(tǒng)計見表1所列。

表1 預知維修情況統(tǒng)計

截至目前，共計50套DCS的實時狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷順利引入儀表預知維修系統(tǒng)，基本覆蓋了該公司絕大多數(shù)重點裝置。將DCS報警的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與短信平臺系統(tǒng)接口對接，實現(xiàn)了實時推送報警信息給相關(guān)領(lǐng)導，第一時間獲取DCS報警問題。2018年該儀表預知維修系統(tǒng)共監(jiān)測到DCS報警54條，儀表班組技術(shù)員及時進行了確認并采取了處理措施，無法在線處理的故障及時聯(lián)系系統(tǒng)廠家并制訂了應(yīng)急預案，避免了3起裝置波動和2起非計劃停工，在2018年的大檢修中，無法在線處理的DCS故障已經(jīng)逐一處理完成。

公司級特護機組控制系統(tǒng)儀表巡檢記錄參數(shù)組態(tài)通信到DCS，通過OPC站上傳到實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并實時傳送到儀表預知維修系統(tǒng)服務(wù)器，實現(xiàn)了19套生產(chǎn)裝置共計39臺特護機組692點儀表巡檢記錄的自動獲取功能，降低了工人巡檢強度，提高了工作效率。2018年關(guān)鍵機組特護儀表巡檢記錄共錄入5 463條，通過趨勢預測儀表設(shè)備是否線路松動或者存在潛在故障，發(fā)現(xiàn)問題11項，避免2起公司級關(guān)鍵機組波動和1起停機事故發(fā)生。

4.2 典型故障分析

2012年10月24～28日，延遲焦化富氣壓縮機高壓側(cè)通道儀表振動探頭振動值異常波動，波動值約16 μm，同時現(xiàn)場設(shè)備操作人員也反映儀表振動探頭指示波動。通過對S8000系統(tǒng)圖譜做診斷分析，主要振動頻率是工頻，相位存在突變，懷疑壓縮機轉(zhuǎn)子失去平衡，經(jīng)查詢關(guān)鍵機組特護儀表巡檢記錄的數(shù)據(jù)和趨勢，發(fā)現(xiàn)儀表顯示數(shù)據(jù)真實客觀，如圖2所示，可以看出，振動值正常波動范圍2 μm左右，從2012年10月24～28日，波動范圍最大為16.2 μm。2012年10月29日停機檢查處理，發(fā)現(xiàn)壓縮機轉(zhuǎn)子及隔板表面嚴重結(jié)焦。

圖2 VISA2542振動值趨勢曲線

4.3 儀表預知維修系統(tǒng)開發(fā)建議

1)儀表預知維修系統(tǒng)五大功能模塊的開發(fā)與應(yīng)用，從根本上降低了儀表設(shè)備的故障率，但是儀表功能模塊比較單一，存在監(jiān)測盲區(qū)，需要繼續(xù)開發(fā)完善各項功能，如引入安全儀表系統(tǒng)的系統(tǒng)報警信息以及聯(lián)鎖旁路開關(guān)實時監(jiān)控，100%覆蓋各廠家DCS報警信息，消除監(jiān)測盲區(qū)，擴大監(jiān)測范圍。

2)加強ERP系統(tǒng)中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理，逐步完善存續(xù)板塊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對變更參數(shù)要及時進行維護，以確保模型計算的準確性，使專家診斷結(jié)果和實際情況更加吻合。

3)設(shè)備管理員需要實時更新儀表設(shè)備使用壽命，利用儀表預知維修系統(tǒng)的設(shè)備壽命預警功能，自動生成采購訂單，降低設(shè)備管理人員工作量，提高備件提報計劃的準確率，有計劃地維修設(shè)備，節(jié)約各項設(shè)備修理費用。

4)加強儀表預知維修系統(tǒng)與其他儀表智能分析軟件的信息資源共享，實現(xiàn)系統(tǒng)之間的無縫對接，實時獲取更多的設(shè)備故障預警信息。

5 結(jié)束語

通過儀表預知維修系統(tǒng)可以實時監(jiān)測設(shè)備運行狀況，診斷故障問題，以實現(xiàn)設(shè)備的全生命周期管理，降低儀表設(shè)備故障率，提高維修服務(wù)水平，進而提高設(shè)備可靠性，降低運行維修成本和人工工作量，實現(xiàn)儀表設(shè)備零故障的目標。