陳鑫

(中國石化青島煉化油化工有限責任公司，山東 青島 266500)

2001年，美國Gartner公司的一份研究報告首次出現(xiàn)“大數(shù)據(jù)”概念的提法[1]。進入2012年，“大數(shù)據(jù)”一詞越來越多地被提及，人們用它來描述和定義信息時代產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，并命名與之相關的技術發(fā)展與創(chuàng)新?！按髷?shù)據(jù)為新財富，價值堪比石油”[2]，越來越多的企業(yè)開始意識到數(shù)據(jù)正在成為最重要的資產(chǎn)之一，數(shù)據(jù)分析能力也成為企業(yè)的核心競爭力。因此，推進企業(yè)信息化與工業(yè)化的融合，加大數(shù)字化管理是信息化帶動工業(yè)化，工業(yè)化受益于信息化，信息化服務于專業(yè)化的發(fā)展道路。通過數(shù)字化技術與管理理念相結(jié)合，促進勞動組織架構(gòu)轉(zhuǎn)變、生產(chǎn)組織方式轉(zhuǎn)變、及生產(chǎn)運行方式轉(zhuǎn)變，提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈管理水平，促進信息化與工業(yè)化的融合。

1 “大數(shù)據(jù)”在石化行業(yè)中的應用

根據(jù)原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局文件《危險化學品重大危險源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》(總局令第40號)中規(guī)定：“?；飞a(chǎn)企業(yè)必須建立有效的生產(chǎn)過程監(jiān)測監(jiān)控體系，充分滿足全方位數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)遠傳、報警、存儲、分析和緊急狀況下的聯(lián)動等管理要素”[3]。石化企業(yè)工藝操作人員24 h利用DCS監(jiān)測各項工藝參數(shù)并控制在設計指標范圍內(nèi)；現(xiàn)場操作人員則需要日常監(jiān)督、指導和平衡生產(chǎn)工藝過程，依據(jù)工廠的操作數(shù)據(jù)，及早發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)運行過程中的安全隱患，決策設備維護維修時機；生產(chǎn)技術管理部門則負責監(jiān)督工廠安全、質(zhì)量、效益設定的工藝指標是否被有效執(zhí)行；設備維修維護部門需要保證各類設備的可靠安全穩(wěn)定運行，相應制訂設備全生命周期的維修維護策略，而這些工作同樣離不開工廠設備狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)。例如： 某企業(yè)在生產(chǎn)運行期間，DCS每天產(chǎn)生過程歸檔數(shù)據(jù)約4.7×108個，現(xiàn)場智能設備狀態(tài)信息約2.62×104種，各項自診斷信息約9.43×104種，統(tǒng)計2021年3月期間產(chǎn)生各類報警信息約1.5×105條，工藝操作記錄約2.4×105條，這些數(shù)據(jù)都是工廠工藝管理、設備管理和安全管理的信息基礎，這些信息的時間跨度可能數(shù)天、數(shù)月、或數(shù)年，又分布在不同控制系統(tǒng)和不同的生產(chǎn)裝置中，使工廠技術管理人員在橫向分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)時耗時耗力，很難也無法準確統(tǒng)計，因此錯過很多發(fā)現(xiàn)隱患和解決問題的時機[4]。

同時，現(xiàn)場檢測儀表、閥門、DCS設備、SIS設備、CCS設備、PLC設備等數(shù)量眾多，又沒有有效的手段進行設備狀態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，造成目前被動的維護模式。日常維護通常依靠一線操作工發(fā)現(xiàn)儀表設備可能出現(xiàn)的問題，報告儀表人員進行確認和維修，這種模式時間滯后，一旦出現(xiàn)設備損壞就已經(jīng)影響了生產(chǎn)。儀表工程師無法掌握每套裝置中各個儀表、閥門的實時狀態(tài)，造成儀表人員對智能設備狀態(tài)的把控性不強，不能主動進行維護。企業(yè)在預防性維修工作中，迫切需求對儀表設備從進廠、安裝、運行、狀態(tài)、維修、下線、報廢的整個生命周期進行管理和掌控。

目前，大部分石化企業(yè)通常采用OPC加實時數(shù)據(jù)庫的方式，將原始數(shù)據(jù)采集到專門的工廠管理平臺上展示，為避免數(shù)據(jù)量過大、數(shù)據(jù)存儲成本高、檢查效率低等問題，通常設置數(shù)據(jù)采集周期最快5 min/次，在實時數(shù)據(jù)庫內(nèi)設定上、下限工藝報警值提示現(xiàn)場操作情況，負責生產(chǎn)技術監(jiān)督的主管們得到的信息往往都是被加工過的或者是離散化的，如果現(xiàn)場工藝發(fā)生變更，數(shù)據(jù)不可能及時得到更新，無法真實同步反映工廠各個裝置的實際情況。

2 基于儀控設備狀態(tài)監(jiān)測的智能監(jiān)控平臺

“大數(shù)據(jù)”是指不用隨機分析方法(抽樣調(diào)查)的捷徑，而采用所有數(shù)據(jù)進行分析處理，“大數(shù)據(jù)”需要新處理模式才能具有更強的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力[5]。

儀控設備狀態(tài)監(jiān)測是近年提出的新一代現(xiàn)場智能設備管理模式，基于HART協(xié)議實時采集儀控智能設備狀態(tài)信息和技術參數(shù)，建設一個符合目前儀表設備管理要求，及未來儀表設備管理發(fā)展方向，集成化、開放式儀表設備預知維修及狀態(tài)監(jiān)控手段，提高儀控設備的狀態(tài)監(jiān)測水平，達到“管設備要管設備運行”的要求，提高設備預防性維護能力。該企業(yè)建立的基于儀控設備狀態(tài)監(jiān)測的智能監(jiān)控平臺通過應用OPC接口，將DCS過程數(shù)據(jù)以及產(chǎn)生的所有消息和事件進行抓取、存取并統(tǒng)計分析，找到運行過程中不正常的儀表設備；通過統(tǒng)計分析工藝報警、工藝操作等數(shù)據(jù)，找到生產(chǎn)操作過程中不正常或者操作不流暢的工藝過程，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的本質(zhì)安全；通過統(tǒng)計分析監(jiān)控生產(chǎn)裝置的自動控制情況，生產(chǎn)平穩(wěn)情況，為工廠“安穩(wěn)長滿優(yōu)”運行提供可靠保證。

該智能監(jiān)控平臺可實現(xiàn)儀表設備、控制系統(tǒng)DCS，SIS，CCS狀態(tài)報警、機柜間溫度濕度、電源模塊、固定式可燃有毒氣體報警、儀表伴熱、紅外測溫檢測、接地連接電阻、儀表風露點檢測、質(zhì)量流量計狀態(tài)監(jiān)測等狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、集中分析和管理。實時了解儀表設備故障信息，通過設備自診斷預警、系統(tǒng)診斷預警，設備分類、分級判斷故障的程度等多維度、綜合評判工廠及裝置的整體運行情況。通過該平臺動態(tài)界面、歷史趨勢查詢、設備操作記錄、檢測報告生成、短信或APP推送等形式向用戶傳遞有效信息，促進企業(yè)實現(xiàn)工廠設備大數(shù)據(jù)應用于管理。

3 儀控設備狀態(tài)監(jiān)控平臺“大數(shù)據(jù)”的應用

3.1 數(shù)據(jù)采集

圖1 采集網(wǎng)絡架構(gòu)示意

3.2 信息化管理

3.2.1對工藝運行中報警的管理

2021年3月，該企業(yè)22套裝置加公用工程及儲運配套設施月產(chǎn)生報警信息約1.5×105條，一直存儲于DCS中，缺乏綜合性分析。經(jīng)過該智能監(jiān)控平臺對報警信息的抓取并分類、分級后，形成重復報警、超時報警、高頻報警等統(tǒng)計報告，由生產(chǎn)技術人員牽頭，聯(lián)合設備技術人員，對這些報警信息進一步分析，查找報警原因，尤其對長時間無法恢復和反復操作仍然無法消除的報警進行分析，找到工藝操作的缺陷。以高頻報警為例，3月份全廠共有91個位號報警次數(shù)超過100次，其中苯乙烯裝置1個儀表位號月報警數(shù)達到了1.22×104次，另有SZorb和聚丙烯裝置有4個儀表位號報警數(shù)超過了2.0×103次。5月份，全廠報警次數(shù)超過100次的儀表位號降至52個。借助于該平臺，工藝管理人員可以將最直觀的信息數(shù)據(jù)應用于日常報警管理中，提升工藝管理水平。

3.2.2對工藝報警屏蔽的監(jiān)控

在DCS中，操作人員有屏蔽報警的操作權限，主要是為避免儀表、設備檢修期間，出現(xiàn)大量無效報警湮滅正常工藝報警而設置，但工藝報警屏蔽的管理因定位困難一直是一個弱點。該智能監(jiān)控平臺可實現(xiàn)對報警屏蔽操作信息的抓取統(tǒng)計，展示DCS中的報警屏蔽信息，包括位號、報警屏蔽時間等，為工藝管理人員對工藝報警屏蔽工作提供了關鍵的信息。

3.2.3對裝置高頻操作歸類分析

根據(jù)正常操作分析，裝置在自控率水平較高的情況下，裝置日常操作類型應該以修改設定值為主，少量存在切換手/自動狀態(tài)和修改閥位值，真正實現(xiàn)自動控制的回路修改閥門高低限位的操作應該是極少情況下才出現(xiàn)。通過智能監(jiān)控平臺的應用發(fā)現(xiàn)問題遠非如此。以常解壓裝置為例，閥門高頻操作及操作類型統(tǒng)計如圖2所示。

圖2 閥門高頻操作及操作類型統(tǒng)計示意

現(xiàn)場進行確認后，發(fā)現(xiàn)閥門高頻操作中修改閥門高限和低限以及修改輸出值占比非常大，加起來達到68%，而且發(fā)現(xiàn)很多回路的閥門輸出高限等于低限，通過強限位卡閥的方式實現(xiàn)自動控制，這種情況屬于假自動。因此可以有針對性地制訂整改措施：

1)安排專門自控優(yōu)化人員檢查裝置控制回路情況，尤其是強限位卡閥的回路。

（2）采取McCormack量表評分[3]評價患者的癥狀，主要包括腹部壓痛或是反跳痛，子宮壓痛、宮頸舉擺痛、附件區(qū)壓痛。各項0～3分，1分：有疼痛主訴，不過患者無肌緊張、面部表情變化；2分：疼痛多伴有肌緊張或者面部表情變化；3分：患者疼痛，十分痛苦。

2)根據(jù)排查出的情況對回路PID參數(shù)、儀表閥門問題進行處理。

3)加強對操作人員的培訓，改變使用強限位卡閥操作的不良習慣。

3.2.4總覽全廠控制系統(tǒng)及設備異常情況

該監(jiān)控平臺可動態(tài)展示控制器、交換機、卡件、I/O通道位置、分布與現(xiàn)場完全一樣，當出現(xiàn)異常時，直接通過圖示即可鎖定問題所在，任何一個單元出現(xiàn)異常，都會在相應單元上紅燈閃爍。定義控制器、交換機故障為高級別預警，顯示“紅色”，卡件、I/O通道故障顯示“黃色”，正常顯示藍色。傳統(tǒng)方法依靠系統(tǒng)維護人員日常人員巡檢，現(xiàn)場逐一檢查設備與系統(tǒng)故障工作量巨大，發(fā)現(xiàn)問題不及時，不能迅速解除安全隱患，通過儀控設備監(jiān)控可以實現(xiàn)設備狀態(tài)智能巡檢，提高工廠過程大數(shù)據(jù)應用率，使得信息化手段服務于工廠管理。

3.3 管理效果

該企業(yè)應用智能監(jiān)控平臺對企業(yè)實施管理后，效果如下：

1)提高全廠工藝管理水平。該廠2月份全廠紅色報警和黃色報警共產(chǎn)生約1.8×105條，日均產(chǎn)生6.6×103條。通過該平臺的應用，4月份報警數(shù)據(jù)大幅降低，全廠日平均報警數(shù)降為2.4×103條，減少約60%，至8月份全廠日平均報警數(shù)只有672條，減少了總量的90%，管理效果顯著。

2)多維度數(shù)據(jù)評估提高工作質(zhì)量。根據(jù)《石油化工設備維護檢修規(guī)程》，可燃有毒氣體報警器的日常完好管理要求是企業(yè)每月自檢1次零點，每個季度自檢1次量程，每年由當?shù)刭|(zhì)量技術監(jiān)督部門授權的專業(yè)隊伍強制檢定1次。該工作是防止可燃有毒氣體報警器失效或測量誤差偏大的一個有效手段。該企業(yè)有可燃氣體報警器1 614臺，有毒氣體報警器524臺。為了獲得穩(wěn)定的數(shù)值，按照檢修規(guī)程通標準氣體時間不小于120 s，由于報警器數(shù)量多檢查耗時長，檢定或檢查人員難免有疏忽或偷工減料的情況，如何保證檢定或檢查質(zhì)量對業(yè)務管理部門是一個難題。應用該平臺統(tǒng)計在可燃有毒氣體報警系統(tǒng)(GDS)中產(chǎn)生的報警來檢查維護單位的工作質(zhì)量是高效方法。以儲運區(qū)域GDS報警記錄為例，報警器有335臺，發(fā)現(xiàn)校驗過程滿足規(guī)范要求并報警合格的有261臺，沒有按照檢定要求通標準氣體時間不到位的有43臺，同時意料之外的發(fā)現(xiàn)在控制系統(tǒng)中組態(tài)不正確的有12臺，報警器實際已經(jīng)取消但仍然在GDS中有組態(tài)的2臺。這些問題都被“大數(shù)據(jù)”統(tǒng)計時發(fā)現(xiàn)并有效得到整改。

3)提高專業(yè)管理深度。各個企業(yè)非常重視對工藝卡片的管理，工藝卡片是一個企業(yè)運行裝置的技術管理、生產(chǎn)操作和安全運行過程的保證和約束，是對裝置、設備、設施運行參數(shù)進行操作、調(diào)整的重要依據(jù)。該公司工藝卡片實行分級管理，對關鍵性操作參數(shù)或?qū)Π踩\行、質(zhì)量控制有重要影響的操作參數(shù)，列入公司級控制指標，但在生產(chǎn)運行周期內(nèi)，由于種種原因很多設定值往往會被各種因素修改。按照制度要求每個季度都要對工藝參數(shù)的報警設定值檢查，檢查是否在工藝卡片范圍內(nèi)，應用該平臺后，使該工作變得非常簡單準確，并能發(fā)現(xiàn)諸多問題。通過對操作記錄信息的抓取分析，可以將發(fā)生在DCS上所有修改報警值記錄清晰地展示出來，可以很清晰地看到修改位號、修改時間、修改前后的數(shù)值等數(shù)據(jù)，也可導出到Excel表格，查看統(tǒng)計更加清晰。

4)及時發(fā)現(xiàn)工藝變更的衍生問題。通過該平臺查看報警記錄，發(fā)現(xiàn)是二級除鹽水泵出口pH測量(位號1170/AI-20301)在反復報警，屬于異常情況。經(jīng)過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，該儀表測量介質(zhì)已發(fā)生工藝變更，由原常溫二級除鹽水變更為經(jīng)過換熱后的二級除鹽水，水溫度較高，介質(zhì)溫度超過了儀表使用要求，在儀表進樣處增加盤管散熱降溫后投用正常。通過該異常報警數(shù)據(jù)分析，及時發(fā)現(xiàn)并解決了工藝流程變更引發(fā)的儀表設備測量問題。

5)及時發(fā)現(xiàn)設備隱性故障。采用該平臺導出的7月高頻黑色報警數(shù)據(jù)統(tǒng)計，見表1所列。其中硫磺裝置的三個通道發(fā)生故障報警均達萬次以上，屬異?，F(xiàn)象，經(jīng)查找該3個通道組態(tài)信息為儀表1109-FV-30601，是其開指令通道斷線報警，經(jīng)過檢查現(xiàn)場定位器正常，測量信號線正常，最終發(fā)現(xiàn)是DCS卡件通道異常，更換AO卡件后，該報警消失。

表1 2021年7月高頻黑色報警統(tǒng)計

表1所述報警不同于工藝信號設定值的紅色和黃色報警，是DCS控制系統(tǒng)內(nèi)部監(jiān)測發(fā)出的提示設備異?；蛘吖收蠄缶に嚥僮魅藛T往往會忽略，如果沒有大數(shù)據(jù)平臺統(tǒng)計，該類故障很難被及時發(fā)現(xiàn)并處理。

4 結(jié)束語

通過大數(shù)據(jù)分析，工藝管理人員深入透析每日工藝過程變量預警、報警信息，可以科學地監(jiān)控生產(chǎn)過程；設備維護人員及時利用每日設備故障報警信息提示，對自動化控制系統(tǒng)設備運行狀況做到了然于心；通過跨裝置、跨區(qū)域、跨時間同類異類信息的比對和統(tǒng)計，盡早發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控體系中發(fā)生的數(shù)據(jù)的質(zhì)量狀況，消除生產(chǎn)過程中的“低、老、壞”情況，大幅提升了生產(chǎn)過程監(jiān)控體系中的工作效率，提高了質(zhì)量，節(jié)省了人力。利用控制系統(tǒng)的“大數(shù)據(jù)”來管理企業(yè)具有很多優(yōu)勢，但本文對于數(shù)據(jù)的利用還僅僅是冰山一角，控制系統(tǒng)的“大數(shù)據(jù)”潛力仍然有待于進一步發(fā)掘。