李迎麗，趙 斌，高俊峰，李 犇

（中國石油集團安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，北京 102206）

0 引言

“十四五”期間，國家要加強企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，為適應國家新態(tài)勢，近3 年來中國石油煉化企業(yè)在動設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測工作方面快速發(fā)展，預計到2022 年底，各企業(yè)安裝在線監(jiān)測機泵數(shù)量將達到10 846 臺（安裝比例14.33%），比2019 年年底的2413臺（安裝比例3.2%）增長3.5 倍，與狀態(tài)監(jiān)測相關(guān)的技術(shù)、管理和專家團隊建設(shè)工作顯著加強。闡述中國石油煉化企業(yè)動設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測現(xiàn)狀，對當前國內(nèi)外主流狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)發(fā)展進行總結(jié)，并對實現(xiàn)“智能診斷”進行前瞻性分析，為中國石油實現(xiàn)動設(shè)備監(jiān)測診斷智能化提供思路。

1 煉化企業(yè)動設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀

1.1 動設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀

中國石油煉油與化工分公司在強化煉化一體化、大型化、規(guī)?；l(fā)展的同時，持續(xù)推進“兩化融合”集成創(chuàng)新。早在2007年煉油與化工分公司即籌建煉化設(shè)備中心，建立大型關(guān)鍵機組遠程實時監(jiān)測診斷管理平臺，開展大型關(guān)鍵機組遠程在線監(jiān)測診斷，經(jīng)過15 年的發(fā)展，并入中心遠程系統(tǒng)的煉化企業(yè)從8 家擴展到27 家，監(jiān)測設(shè)備臺數(shù)從154 臺增加到2000 臺，實現(xiàn)遠程監(jiān)測的設(shè)備種類，從單一的關(guān)鍵離心壓縮機組，拓展到離心壓縮機、往復壓縮機、煙機以及機泵。據(jù)2021 年煉化企業(yè)狀態(tài)監(jiān)測調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計，26 家煉化企業(yè)安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備共計6163 臺，其中有線監(jiān)測設(shè)備2000 臺，包括離心式壓縮機組556 臺、往復式壓縮機384、機泵1048 臺、其他設(shè)備12 臺，有線監(jiān)測系統(tǒng)平臺如圖1 所示；無線監(jiān)測機泵4163 臺，無線監(jiān)測系統(tǒng)平臺示例如圖2 所示，其他設(shè)備采用離線監(jiān)測，中國石油煉化企業(yè)動設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測通過有線監(jiān)測、無線監(jiān)測、離線監(jiān)測3種方式實現(xiàn)機組、機泵的全覆蓋監(jiān)測，預測到2022 年底，煉化企業(yè)安裝在線監(jiān)測機泵數(shù)量可達到10 846 臺。

圖1 有線監(jiān)測系統(tǒng)平臺

圖2 無線監(jiān)測系統(tǒng)平臺

多年來，各煉化企業(yè)應用遠程監(jiān)測平臺開展設(shè)備監(jiān)測診斷和預知檢修，實現(xiàn)遠程預警5000 余臺次，遠程診斷機組故障500 余臺次，減少故障停機時間約6000 h，節(jié)約檢維修費用、備件費用，延長裝置運行時間，避免非計劃停車，減少經(jīng)濟損失10億元以上。遠程監(jiān)測診斷平臺的應用，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息的多角度利用，數(shù)據(jù)多層次共享，建立煉化企業(yè)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，持續(xù)地推進“兩化融合”，為煉化企業(yè)下一步集成創(chuàng)新，從信息化向智能化轉(zhuǎn)化奠定堅實的基礎(chǔ)。

伴隨數(shù)字化轉(zhuǎn)型及智慧煉化建設(shè)需要，狀態(tài)監(jiān)測工作也要向智能診斷方向發(fā)展，這是企業(yè)的需求也是發(fā)展的需要，煉油與化工分公司引領(lǐng)煉化企業(yè)以設(shè)備運行監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將動設(shè)備監(jiān)測、電氣監(jiān)測、腐蝕監(jiān)測、儀表監(jiān)測、工藝數(shù)據(jù)等多專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)整合，實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫管理，實現(xiàn)信息資源價值最大化，應用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)等信息手段，研究振動機理模型、自學習以及趨勢預測等方法，建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備故障智能診斷及預警的數(shù)學模型，將智能模型融入遠程平臺，逐步完善智能模型及系統(tǒng)自學習，建立有效的專家系統(tǒng)，逐步提高智能診斷準確率，最終建立煉化企業(yè)設(shè)備管理智能標準化體系，實現(xiàn)“智慧煉化”的目標。

1.2 動設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外主流監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)呈現(xiàn)如下6 個特點：

（1）數(shù)據(jù)采集已實現(xiàn)多通道高速、高精度并行同步整周期采樣，最大數(shù)據(jù)采樣速率可達64 kHz，A/D 有效分辨率24 位，可實現(xiàn)各類報警數(shù)據(jù)、啟停機數(shù)據(jù)的毫秒級采集存儲，滿足機組開停車、異常狀態(tài)加密采集的需要。

（2）數(shù)據(jù)處理及存儲已實現(xiàn)數(shù)據(jù)自適應加密存儲，數(shù)據(jù)處理判斷為正常的數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶需求自定義逐步稀疏存儲，判斷為異常的數(shù)據(jù)（如閾值報警數(shù)據(jù)、趨勢報警數(shù)據(jù)及基于深度學習、大數(shù)據(jù)學習的故障敏感特征挖掘等故障數(shù)據(jù)）或開停車數(shù)據(jù)，進行實時存儲、永久保存，并實現(xiàn)斷網(wǎng)保存、通網(wǎng)續(xù)傳，避免因網(wǎng)絡(luò)中斷造成數(shù)據(jù)丟失。

（3）數(shù)據(jù)傳輸滿足原始波形無損壓縮傳輸，可完整保留原始波形的全部信息。

（4）故障報警已實現(xiàn)閾值報警、趨勢報警、感知系統(tǒng)異常報警、智能預警（敏感特征報警、基于深度學習、大數(shù)據(jù)學習的特征報警等）多種報警方式。

新型絲杠螺母由高性能工程塑料 iglidur J200 制成。在 igus 測試實驗室中，這款新材料制成的螺母在硬質(zhì)陽極氧化鋁絲杠上運行的使用壽命比同樣工況下由標準螺母材料制成的螺母長三倍。配合鋁制絲杠使用時，這款新型工程塑料制成的螺母可以降低噪音、減少震動，而且重量更輕。它在火車和飛機的門系統(tǒng)以及物流搬運和自動化領(lǐng)域的應用中非常常見。圓柱形和法蘭式絲杠螺母常備庫存，適用于大螺距螺紋絲杠和自鎖梯形螺紋絲杠。

（5）分析診斷功能可滿足旋轉(zhuǎn)式機組、往復式機組及機泵的不同診斷需求，分析譜線數(shù)可達6400 線，系統(tǒng)響應速度、圖譜功能、操作性與交互等滿足用戶需求。

（6）故障診斷智能化處于初期。目前可實現(xiàn)基于設(shè)備故障機理模型驅(qū)動、基于敏感特征、基于深度學習、基于大數(shù)據(jù)學習、部分工藝量參與及部分專家知識和經(jīng)驗結(jié)合的智能分析診斷。據(jù)不完全統(tǒng)計，整體診斷結(jié)果準確率不足70%，部分具有獨特特征征兆的單一類故障，診斷準確率會高些，智能診斷是未來主要發(fā)展方向，診斷準確率仍有較大提升空間。

2 監(jiān)測診斷智能化的主要特征和改進方向

監(jiān)測診斷智能化是指無需人工干預，自動進行數(shù)據(jù)采集存儲，自動進行數(shù)據(jù)分析，對報警數(shù)據(jù)自動給出診斷結(jié)果，且診斷結(jié)果準確率至少在90%以上。監(jiān)測診斷智能化包括數(shù)據(jù)采集智能化、數(shù)據(jù)處理存儲智能化、故障預警智能化、故障診斷智能化、故障管理智能化。

數(shù)據(jù)采集智能化是指應對開停車、監(jiān)測數(shù)據(jù)異常等情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)有用數(shù)據(jù)加密采集存儲，且保證斷網(wǎng)情況下數(shù)據(jù)不丟失。目前對報警數(shù)據(jù)可實現(xiàn)加密采集存儲，斷網(wǎng)時間過長，數(shù)據(jù)續(xù)傳有一定難度。

數(shù)據(jù)處理存儲智能化是指對判斷為正常的數(shù)據(jù)，按需求自定義稀疏存儲，判斷為異常的數(shù)據(jù)加密采集，永久保存，實現(xiàn)該存才存，該存必存。目前，在存儲空間滿足要求的情況下已實現(xiàn)。

故障預警智能化包括趨勢報警、感知系統(tǒng)異常報警、敏感特征報警、基于大數(shù)據(jù)學習的特征報警等，目前雖已實現(xiàn)多種預警方式，但仍需不斷挖掘與完善。

故障診斷智能化要求對報警數(shù)據(jù)自動給出診斷結(jié)果，且診斷結(jié)果準確率至少在90%以上。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前智能診斷在煉化企業(yè)的整體診斷準確率不足70%，導致企業(yè)對智能診斷結(jié)果信任度不高，應用不足。智能診斷準確率仍有較大提升空間，是未來努力的方向。

故障管理智能化是對智能診斷結(jié)果進行檢修反饋，對診斷結(jié)果進行確認或修正，進行系統(tǒng)自學習、自完善，提升診斷準確率，同時實現(xiàn)故障閉環(huán)管理。

完善監(jiān)測診斷智能化，提升診斷準確率可從以下6 方面改進：

（1）提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。監(jiān)測診斷系統(tǒng)由于存在傳感器損壞、數(shù)據(jù)采集器等硬件老化、通信異常、網(wǎng)絡(luò)故障等問題，造成數(shù)據(jù)穩(wěn)定性不足，對預警、診斷產(chǎn)生較大影響，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定、真實是實現(xiàn)智能化診斷，提升診斷準確率的前提。

（2）提升數(shù)據(jù)全面性。監(jiān)測診斷系統(tǒng)中采集振動、溫度數(shù)據(jù)，部分系統(tǒng)中有少量工藝數(shù)據(jù)，而設(shè)備的健康狀況和工藝指標、檢維修是分不開的，因此需補充相關(guān)工藝參數(shù)和檢維修數(shù)據(jù)，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)量滿足智能診斷需求。

（3）建立數(shù)據(jù)互聯(lián)性。目前振動、溫度、工藝等數(shù)據(jù)在監(jiān)測系統(tǒng)中獨立存在，未能建立邏輯關(guān)聯(lián)。需要建立設(shè)備的工藝數(shù)據(jù)、振動數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)、故障機理、大數(shù)據(jù)學習、專家知識經(jīng)驗等有效的互聯(lián)，實現(xiàn)多角度、多方位綜合分析診斷故障，提升診斷準確率。

（4）加強故障數(shù)據(jù)庫和案例庫的積累。企業(yè)實際生產(chǎn)過程中，設(shè)備運行狀態(tài)、工作環(huán)境、負荷變化、人為操作等因素對故障分析影響較大，當前已積累的故障案例數(shù)量如考慮機組的不同類型、不同結(jié)構(gòu)、不同工況，還是遠遠不足，特別是高質(zhì)量故障案例數(shù)據(jù)的缺少將嚴重影響各類人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的實際應用，加強故障數(shù)據(jù)庫和案例庫的積累無止境。

（5）加強故障智能診斷研究。與高校、企業(yè)、系統(tǒng)廠商共同進行智能診斷科研開發(fā)，加強機理研究、數(shù)據(jù)互聯(lián)及邏輯建立，引導廠商加強診斷智能化提升，不斷提高診斷準確率。

（6）跟緊人工智能發(fā)展腳步。人工智能技術(shù)本身發(fā)展尚不成熟，目前的人工智能是由大數(shù)據(jù)驅(qū)動的機器學習的模式，不具備根據(jù)實際場景進行認知、推理的能力，人工智能的發(fā)展方向是一個完全自主的智能，具備感知、認知、推理、學習和執(zhí)行的能力，智能診斷伴隨人工智能的發(fā)展也會不斷完善。

3 煉化企業(yè)實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)測診斷智能化的思路

雖然近年國內(nèi)動設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)取得長足進展并進入相對成熟期，但與人們期望的智能化要求相比，仍有一定差距。特別是目前各主流技術(shù)的故障診斷準確率不足70%，與90%以上的期望值仍有較大差距，且現(xiàn)有措施在短期內(nèi)無法提高并實現(xiàn)這一目標。中國石油圍繞提高狀態(tài)監(jiān)測診斷的智能化水平合力攻關(guān)，重點做好以下5 個方面工作。

（1）優(yōu)選主流技術(shù)廠商并加強對標分析和考核評價，督促系統(tǒng)廠商提高系統(tǒng)硬件、軟件及服務(wù)質(zhì)量。主流技術(shù)廠商各自特色和優(yōu)勢不同，各企業(yè)要針對需求優(yōu)選適合設(shè)備的監(jiān)測形式和廠商，對主要技術(shù)參數(shù)要進行對比分析，避免單純追求低價影響系統(tǒng)硬件質(zhì)量、軟件功能及售后服務(wù)。

（2）加強狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的維護及更新，確?，F(xiàn)有系統(tǒng)充分發(fā)揮作用。企業(yè)要加強狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的日常維護，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)異?；驘o數(shù)據(jù)，要及時檢查，對安裝時間較長的老舊系統(tǒng)要有計劃更新，避免因傳感器損壞、數(shù)據(jù)采集器等硬件老化問題及通信異常、網(wǎng)絡(luò)故障等造成數(shù)據(jù)失真，無法充分發(fā)揮監(jiān)測系統(tǒng)作用。

（3）加快企業(yè)數(shù)據(jù)集成水平提升，完善系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)量。積極推進企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，加快企業(yè)數(shù)據(jù)集成水平提升，可有力保障監(jiān)測診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)更全面。

（4）引導系統(tǒng)廠商加強診斷智能化研發(fā)，加強數(shù)據(jù)互聯(lián)及邏輯建立，不斷提高診斷準確率。要加強故障智能診斷研究，與高校、企業(yè)、系統(tǒng)廠商共同進行智能診斷科研開發(fā)，加強機理研究、數(shù)據(jù)互聯(lián)及邏輯建立，引導廠商加強診斷智能化提升，不斷提高診斷準確率。

（5）加強大數(shù)據(jù)利用，增強自學習能力，提升診斷準確率。研究利用狀態(tài)監(jiān)測大數(shù)據(jù)共享，特別是不同廠商技術(shù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互通和利用，增強分析診斷模型自學習能力，從而有效發(fā)揮中國石油的集團優(yōu)勢，實現(xiàn)提高故障診斷準確率的目標。