楊婕，謝天天，朱瑞苗

(中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司，河南 濮陽(yáng) 457001)

在工程建設(shè)中，儀表設(shè)備的高可靠性是整個(gè)工程安全平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。管線上的儀表、閥門(mén)在惡劣環(huán)境下需要連續(xù)工作幾年，甚至幾十年。隨著時(shí)間的推移，自控儀表設(shè)備的損壞也日益增加。由于缺少較好的壽命評(píng)估方法，只能等設(shè)備故障后再做處理，這樣不但會(huì)增加非計(jì)劃停產(chǎn)，還影響正常的生產(chǎn)運(yùn)行。而傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)巡檢方式既消耗大量的時(shí)間、耗費(fèi)人力物力，對(duì)儀表設(shè)備的健康狀態(tài)不能實(shí)時(shí)掌握，又增加了故障的概率，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響生產(chǎn)安全。

智能儀表設(shè)備管理系統(tǒng)是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備進(jìn)行故障診斷、在線組態(tài)、維護(hù)保養(yǎng)、數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)及管理的一體化系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)智能儀表設(shè)備的預(yù)測(cè)和前瞻性維護(hù)以及優(yōu)化來(lái)提升工廠的運(yùn)營(yíng)效率。該系統(tǒng)能夠提供在線設(shè)備診斷和設(shè)備狀態(tài)信息，使現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備維護(hù)更容易，可靠性更高，提高了維護(hù)效率，降低了非計(jì)劃性停車(chē)導(dǎo)致的維修、生產(chǎn)成本。同時(shí)該系統(tǒng)還可以生成維護(hù)報(bào)告，為備件采購(gòu)、儀表檢定、制定維護(hù)計(jì)劃、預(yù)算等提供依據(jù)。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)組成

1.1 工作原理

智能儀表設(shè)備管理系統(tǒng)基本工作原理： 信號(hào)采集模塊通過(guò)硬件連接將采集的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備信號(hào)組合后統(tǒng)一上傳至智能儀表設(shè)備管理系統(tǒng)信息平臺(tái)，信息平臺(tái)發(fā)布智能儀表設(shè)備信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能儀表設(shè)備在線集中調(diào)試、組態(tài)、校驗(yàn)管理、故障分析、診斷等工作。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

1.2.1基本結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)包括前端和后端，通過(guò)中間鏈路組成整套系統(tǒng)。前端設(shè)備主要為現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備，后端主要由信息管理平臺(tái)及服務(wù)器、軟件、操作站等組成。該系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括： 現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)匯集、智能儀表設(shè)備管理軟件、智能儀表設(shè)備管理信息平臺(tái)(包括服務(wù)器、操作站等設(shè)備)等；對(duì)于長(zhǎng)輸管線多個(gè)站場(chǎng)集中控制時(shí)還需在各站及控制中心增加終端設(shè)備/光端機(jī)、路由器等。

圖1 智能儀表管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)組成示意

1)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備可附帶多種智能信息功能，可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)多種現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的統(tǒng)一管理。

2)信號(hào)采集模塊。通過(guò)DCS HART協(xié)議、 I/O模塊、PCI接口設(shè)備、HART 調(diào)制解調(diào)器等多種硬件連接方式與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)信號(hào)連接。

3)數(shù)據(jù)匯集。作為數(shù)據(jù)鏈路層將接收到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)組成網(wǎng)絡(luò)層并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)為其他終端讀取數(shù)據(jù)提供接口，實(shí)現(xiàn)不同人員從不同地點(diǎn)以不同接入方式訪問(wèn)共同的數(shù)據(jù)庫(kù)。

4)智能儀表設(shè)備管理軟件。管理軟件與控制系統(tǒng)一體化集成，實(shí)現(xiàn)控制與管理的“雙贏”局面。

5)智能儀表設(shè)備管理信息平臺(tái)。為操作人員提供訪問(wèn)權(quán)限，用以訪問(wèn)所有智能儀表管理系統(tǒng)的工作站，獲取該系統(tǒng)所有儀表信息。

6)操作人員。操作人員通過(guò)智能儀表設(shè)備管理信息平臺(tái)傳遞過(guò)來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備狀態(tài)信息、運(yùn)行狀況和其他重要信息，對(duì)相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)控信息采取處理措施、故障分析等儀表設(shè)備維護(hù)工作。

1.2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能儀表設(shè)備管理系統(tǒng)采用客戶(hù)端/服務(wù)器控制系統(tǒng)架構(gòu)。在整個(gè)工程項(xiàng)目的各個(gè)獨(dú)立單元控制系統(tǒng)中設(shè)置數(shù)據(jù)采集及傳輸模塊，采集各部分現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備數(shù)據(jù)，并將這些儀表設(shè)備信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確、及時(shí)地上傳至控制中心客戶(hù)端/服務(wù)器；由數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，客戶(hù)端從數(shù)據(jù)服務(wù)器中讀取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)通信鏈路實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視及控制。

圖2 智能儀表設(shè)備系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向示意

以長(zhǎng)輸管道工程為例，智能儀表設(shè)備系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向如圖2所示。

在調(diào)度控制中心設(shè)置系統(tǒng)管理客戶(hù)端(即操作站)，在生產(chǎn)管理處設(shè)置系統(tǒng)管理客戶(hù)端；該客戶(hù)端從調(diào)度控制中心系統(tǒng)管理服務(wù)器中讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)。操作人員能夠?qū)崟r(shí)了解整個(gè)線路智能儀表設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)、運(yùn)行狀況等重要信息，同時(shí)可在調(diào)度控制中心、生產(chǎn)管理處實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備的調(diào)試組態(tài)、運(yùn)行狀況監(jiān)控、故障類(lèi)型分析處理等相關(guān)維護(hù)工作。

1.2.3系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)

該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)如圖3所示，主要包括： 系統(tǒng)服務(wù)器、交換機(jī)及客戶(hù)端。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)置，服務(wù)器主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)(Web)服務(wù)器、備份服務(wù)器和打印服務(wù)器,滿(mǎn)足系統(tǒng)各種功能需要。計(jì)算機(jī)操作終端通過(guò)交換機(jī)來(lái)訪問(wèn)服務(wù)器，從而達(dá)到控制整套系統(tǒng)的目的。

圖3 智能儀表設(shè)備管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)示意

2 系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

2.1 功 能

智能儀表設(shè)備管理系統(tǒng)功能如下：

1)儀表設(shè)備信息管理。在前期管理中，用戶(hù)可以查看各儀表設(shè)備的基本信息，比如： 設(shè)備性質(zhì)、運(yùn)行時(shí)間、屬性分析描述、預(yù)計(jì)使用壽命等；在工程管理過(guò)程中，記錄現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備基本信息并對(duì)比參數(shù)，將當(dāng)前組態(tài)參數(shù)與歷史組態(tài)參數(shù)比較；同時(shí)操作人員可通過(guò)系統(tǒng)查看所有儀表設(shè)備操作、維護(hù)等相關(guān)記錄，全面提升設(shè)備管理水平。

2)儀表設(shè)備狀態(tài)管理。該功能可以監(jiān)測(cè)重要設(shè)備、系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境、關(guān)鍵指標(biāo)等。在故障診斷過(guò)程中按照儀表設(shè)備在工藝流程中的設(shè)定等級(jí)進(jìn)行分類(lèi)，同時(shí)把每臺(tái)儀表設(shè)備的故障情況進(jìn)行輕、重或其他等級(jí)分類(lèi)，便于操作員檢閱和分析故障信息；在狀態(tài)分析中，系統(tǒng)對(duì)選中儀表設(shè)備完好率、利用率、故障率進(jìn)行分析，確?，F(xiàn)場(chǎng)儀表處于高可靠性的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，保證生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量和效率。

3)報(bào)警及安全管理。該管理功能可制做啟動(dòng)報(bào)警、停止報(bào)警、報(bào)警確認(rèn)、當(dāng)前報(bào)警列表、未確認(rèn)報(bào)警列表等，并據(jù)此進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控及故障預(yù)測(cè)，預(yù)防運(yùn)行過(guò)程中引發(fā)的不必要事故。

4)與DCS無(wú)縫集成?？芍苯油ㄟ^(guò)本地或遠(yuǎn)程方式引用已有的DCS工程，不需要重新組態(tài)，保證了工程的一致性。

5)報(bào)表管理。制定狀態(tài)信息報(bào)表，記錄重要參數(shù)走勢(shì)、故障統(tǒng)計(jì)及維修等。

6)預(yù)測(cè)性維護(hù)。該系統(tǒng)通過(guò)各驅(qū)動(dòng)模塊采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)值，分析、挖掘和對(duì)比采集到的信息，并結(jié)合智能儀表設(shè)備自身的功能和特點(diǎn)，將數(shù)據(jù)通過(guò)界面的形式及時(shí)反饋給操作人員。另外，還可依據(jù)設(shè)備平時(shí)的維護(hù)信息以及設(shè)備進(jìn)廠時(shí)系統(tǒng)錄入的信息自動(dòng)生成設(shè)備維護(hù)清單，為現(xiàn)場(chǎng)操作人員制定下一步維護(hù)計(jì)劃提供依據(jù)和參考。

2.2 特 點(diǎn)

智能儀表設(shè)備管理系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

1)智能性。該系統(tǒng)可以和現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行雙向數(shù)字通信，可將現(xiàn)場(chǎng)儀表信息全部或有選擇性地納入系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)備管理軟件獲取儀表設(shè)備有效信息。

2)可靠性。采用該系統(tǒng)可使控制系統(tǒng)的可靠性大幅提高，同時(shí)降低誤停車(chē)、誤報(bào)警的概率。根據(jù)可靠性理論分析如式(1)所示：

A(t,τ)=R(t)+[1-R(t)]M(τ)

式中：A(t,τ)——有效度；R(t)——狹義可靠度；M(τ)——維修度。

綜合可靠度(有效度)取決于狹義可靠度和維修度。對(duì)于控制系統(tǒng)，提高狹義可靠度是一個(gè)漫長(zhǎng)的探索過(guò)程，但是維修度的提高可進(jìn)一步優(yōu)化，具體分析如下：

a)維修的準(zhǔn)確性及安全性。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備的各類(lèi)信息并做出判斷，以報(bào)警形式報(bào)告故障點(diǎn)位置及故障原因，避免了盲目性維修；維護(hù)管理人員可在控制室遠(yuǎn)程對(duì)智能儀表設(shè)備進(jìn)行組態(tài)修改，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)查閱和操作，保證了維修安全性。

b)設(shè)備效能管理。該系統(tǒng)建立的數(shù)據(jù)庫(kù)包含了智能儀表設(shè)備全部信息，這些設(shè)備的所有特征可實(shí)時(shí)記錄，用戶(hù)可全面且方便地管理及診斷所需設(shè)備，管理效能得到了大幅提高。

3)準(zhǔn)確性?？蓪?shí)時(shí)判斷并通過(guò)系統(tǒng)邏輯判斷處理，將現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備故障產(chǎn)生的不真實(shí)信號(hào)加以屏蔽，從源頭上降低誤報(bào)警、誤停車(chē)率。

4)經(jīng)濟(jì)性。該系統(tǒng)可大幅縮減現(xiàn)場(chǎng)儀表的維護(hù)工作量，節(jié)省維護(hù)費(fèi)用，充分利用了儀表設(shè)備的智能功能。具體分析如下：

a)儀表組態(tài)、維護(hù)、調(diào)試。該系統(tǒng)通過(guò)良好的人機(jī)界面，將所有智能設(shè)備的信息納入指定的系統(tǒng)，形成相應(yīng)的儀表設(shè)備信息庫(kù)，同時(shí)將信息下載到現(xiàn)場(chǎng)儀表。既省時(shí)省力，又減少了誤操作。

b)故障分析和診斷。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、診斷、分析現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備故障狀態(tài)，并采取相應(yīng)處理措施，減少故障處理時(shí)間。另外，診斷軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)。在故障發(fā)生前進(jìn)行事前維修，減少維修開(kāi)支。

5)維護(hù)的預(yù)測(cè)性、前瞻性。通過(guò)對(duì)儀表設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可預(yù)測(cè)設(shè)備性能和使用壽命，指導(dǎo)進(jìn)行前瞻性維護(hù)或更換，可在保證安全的前提下，通過(guò)優(yōu)化來(lái)提升項(xiàng)目整體的運(yùn)營(yíng)效率。

3 應(yīng)用實(shí)踐

3.1 應(yīng)用價(jià)值

該系統(tǒng)作為一種新型的管理系統(tǒng)在可靠性、準(zhǔn)確性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性方面都具有很大的優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外均受到廣泛關(guān)注。在國(guó)內(nèi)已應(yīng)用于天然氣長(zhǎng)輸管道、原油加工、電力、建筑及能源管理等行業(yè)中。

1)在煉化公司項(xiàng)目中，采用該系統(tǒng)，大幅提高了儀表設(shè)備的利用效率，保證了生產(chǎn)工藝的安全平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)延長(zhǎng)計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間，企業(yè)效益得到很大的提高。

2)在柴油加氫、制氫硫磺回收項(xiàng)目中，采用該系統(tǒng)后，保證了設(shè)備運(yùn)行的可靠性、提高儀表設(shè)備的利用率及使用壽命，同時(shí)也在很大程度上節(jié)省設(shè)備管理和維護(hù)費(fèi)用。

3)在長(zhǎng)輸管道項(xiàng)目中，線路較長(zhǎng)、站場(chǎng)數(shù)量較多，各站場(chǎng)之間相距較遠(yuǎn)，采用該系統(tǒng)，用戶(hù)可實(shí)現(xiàn)來(lái)自不同廠商生產(chǎn)的智能儀表設(shè)備統(tǒng)一監(jiān)測(cè)和管理。

3.2 效益分析

以長(zhǎng)輸管道項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)站場(chǎng)為例，設(shè)置該系統(tǒng)預(yù)計(jì)產(chǎn)生的效益包括兩個(gè)方面：

1)減少維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本。采用該系統(tǒng)可延長(zhǎng)計(jì)劃停產(chǎn)時(shí)間的間隔，縮短定期檢修所需時(shí)間，減少設(shè)備故障及維護(hù)成本約50%。

2)優(yōu)化資產(chǎn)。采用該系統(tǒng)可提高生產(chǎn)運(yùn)行能力約20%～30%；減少備品備件庫(kù)存約30%；增加設(shè)備壽命約30%。

3.3 應(yīng)用中注意事項(xiàng)

1)應(yīng)分析研究控制系統(tǒng)和智能儀表信號(hào)采用的標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議等，找出適用于兩者相結(jié)合的

“對(duì)象鏈接與嵌入”工業(yè)軟件平臺(tái)。

2)通過(guò)智能儀表設(shè)備管理系統(tǒng)，確定智能儀表設(shè)備與控制系統(tǒng)通信的接入方式。

3)選購(gòu)設(shè)備、配備工具時(shí)，應(yīng)與軟件平臺(tái)所要求的硬件環(huán)境相適應(yīng)。

4)保證系統(tǒng)的可靠性，避免干擾，建議采取以下措施。

a)該系統(tǒng)電源采用不間斷電源(UPS)，防止系統(tǒng)采集過(guò)程中因掉電而造成數(shù)據(jù)丟失。

b)電纜選擇采用屏蔽電纜，同時(shí)不同電壓等級(jí)電纜應(yīng)分開(kāi)鋪設(shè)，避免干擾。

c)該系統(tǒng)中的主要設(shè)備做接地處理，避免干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能儀表設(shè)備管理系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用性和實(shí)用性，該系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮智能儀表設(shè)備的數(shù)字通信和智能化功能，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能儀表設(shè)備的遠(yuǎn)程管理、操作和維護(hù)，直觀全面地反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)和過(guò)程信息，使場(chǎng)站運(yùn)行更加智能化，便利化。其技術(shù)的成熟性正在被各行各業(yè)廣泛認(rèn)可，同時(shí)在節(jié)能降耗、安全生產(chǎn)、加強(qiáng)管理等方面都起到了重要作用。