油氣處理站庫智能預警與診斷系統研究與應用

[摘 要] 采用實時數據庫系統，提取現場DCS實時數據，智能預警設備故障，幫助操作人員及時獲知潛在的故障和隱患，并能通過系統關聯影響，判斷故障原因，給出解決辦法。

[關鍵詞] 油氣處理；智能；預警；診斷；知識庫

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2013 . 16. 027

[中圖分類號] TP277 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2013）16- 0044- 03

0 引 言

油氣處理站庫工藝流程都較為復雜，而監控人員通常在站庫內實習幾個月后即可上崗，當DCS系統出現報警時，監控人員一般只能向班長或崗位員工匯報報警信息，并不能判斷故障發生的根本原因。需要現場崗位員工再詢問相關數據后判斷故障點，延長故障排除時間。本系統根據運行趨勢、歷史運行狀態提前預警可能發生的故障，并能自動判斷故障發生的原因。

面對油氣處理站庫復雜的工藝流程，各種壓力、溫度、液位等參數，只有經驗豐富的員工才能對參數故障快速反應?；趯崟r數據庫，實時反映當前的生產狀態，并通過計算分析，獲知潛在的故障和隱患，根據知識庫推理技術自動判斷故障原因，并為監控人員提供解決故障的措施，提高響應速度。同時系統采用B/S結構，管理者通過網絡即可隨時掌握生產狀態，查找影響產量運行的原因，及時優化工藝參數。

1 系統設計

1.1 設計目標

1.1.1 提前預警

尋找工藝各關聯部分，根據歷史運行趨勢，持續發生變化時提前預警，及早發現系統隱患。系統汲取技術專家的經驗為新員工服務。

1.1.2 自動診斷

報警發生時，系統自動判斷相關聯的參數值，通過設定條件依次判斷所有可能原因，并給操作人員處理方法。

1.1.3 歷史回放及運行指標

系統記錄各參數點的所有歷史信息，能根據時間軸查看，或設定時間段自動回放。同時分析各設備的運行曲線，判斷工藝運行狀況，找出經常出現報警的點，根據原因進行優化，保障系統平穩運行。

1.1.4 交互式知識庫（經驗庫）

系統可以通過交互式的界面充實知識庫。當出現DCS系統出現報警，系統從知識庫中檢索相關信息，并自動判斷故障因，若無相關解決辦法時，可由技術人員進行補充。

1.1.5 信息推送

網頁瀏覽和信息推送的方式，便于站內領導隨時掌握站內生產信息。

1.2 系統結構

1.2.1 通訊方式

物理上的連接是通過在操作員站上安裝雙網卡，一塊網卡與現場DCS系統的操作員站、控制器通訊，另外一塊網卡用于與本系統的實時數據庫進行數據交換。

軟件方面，實時數據庫與DCS之間通過OPC接口通訊，OPC全稱是Object Linking and Embedding（OLE） for Process Control，它的出現為基于Windows的應用程序和現場過程控制（DCS）應用建立了橋梁。OPC為數據交換提供了開放的標準接口。預警系統通過實時數據庫的API調用實時數據庫數據。

1.2.2 數據傳輸

實時數據庫是預警系統的生產數據的來源，實時數據庫從DCS獲取生產裝置的實時數據，并進行存儲，每個數據具有數值、時間、質量、采集狀態等信息。本系統按取樣周期每秒讀取現場儀表的當前值，存入實時數據庫中。系統讀取實時數據庫的數據并展示在工藝流程上，實現遠程監視。系統產生的預警狀態存入實時數據庫中，并通過檢索知識庫中相關信息，將預警產生的記錄、診斷結果、處理方式存入關系數據庫，便于后期的查詢。

2 功能設計

系統按功能可分為實時數據庫封裝模塊、預警引擎模塊、預警模型定義模塊、預警響應模塊、權限定義模塊和運行日志模塊。

預警引擎調用預警模型定義模塊獲得預警定義信息，并且通過實時數據庫接口模塊獲取生產數據，在線監測預警條件，條件滿足則產生預警，產生的預警信息發送給預警響應模塊，由響應模塊為用戶界面提供數據。

2.1 實時數據庫接口模塊

為了使本系統可以有更好的擴展性，對實時數據庫接口的封裝，若使用其他實時數據庫產品，只需要重新構建本模塊即可支持預警系統運行，同時該模塊可以實現實時數據庫調用接口的對象化。

2.2 預警模型定義模塊

本模塊實現定義和維護知識庫功能。知識庫的組織和豐富程度決定了預警系統的判斷準確性，實現預警知識庫的在線維護、存儲、在線查詢等功能，并提供給其他模塊調用。

知識庫采用多叉樹的表述方式，知識庫數的深度和廣度都會在后期應用中補充，從樹根到樹葉每層的節點都對應一到多個子節點，每個節點都可在后期進行修改。系統推理機的推理過程，即為對知識樹的遍歷問題。

石西集中處理站是一套集原油處理、清水處理、注水、加藥、消防等多個工藝流程組成百萬噸原油處理能力為每年120萬噸的集輸站庫。工藝流程上每個設備對應多個參數，一個參數對應高報、低報等多種報警狀態，一種報警狀態可能由多種原因導致。知識庫對每種故障原因進行分析，盡可能尋找關聯參數，分析報警可能的原因，根據判斷依據自動排除無關因素，并提供處理措施。

2.3 預警引擎模塊

預警模塊是對預警定義的參數進行掃描，根據定義從實時數據庫獲得數據，計算判定條件，如果發現條件滿足，則產生預警。在運行過程中，如果收到預警定義模塊的知識庫修改消息，則根據消息更新部分或全部的預警信息，然后繼續進行預警監測。

本系統常用到的預警算法依據歷史曲線判斷、斜率、速率、變化趨勢等。

（1）排除無效波動。根據歷史運行曲線，排除參數因外界干擾，出現個別數值，或短時間內（如1分鐘以內）的大幅跳動。因為該值出現了顯著誤差，并沒有反映真實情況，系統結合歷史曲線判斷，數據可信度低，此時不報警。若持續出現波動，即該測量值包含故障信息。

（2）根據斜率預警。斜率可以反應某一參數的變化率。本系統中，對監測對象進行斜率計算，判定變化率是否滿足生產需要，如液位上漲的速度、運行溫度、壓力變化等。

（3）變化趨勢判斷。是指參數按一定趨勢逐漸變化，并在一定時間范圍內達到正常的工作值。當設定時間內參數值未達到正常值或趨勢變化較慢，可判斷工藝部分有故障，報警提示。當運行值緩慢偏離固定值時，仍為可接受的正常工作狀態，當運行值持續偏離固定值時，觸發預警。

如泵啟動過程中，系統檢測到泵的轉速提高，但出口壓力持續較低，即可判斷管線破或進口閥門未打開。

（4）速率變化。油氣處理系統儲罐液位的變化速率可以判斷出液或進液是否正常。以凈化油罐液位為例，預警引擎根據歷史上凈化油外輸或進液的正常運行速率，判斷凈化油罐液位變化是否正常范圍，若產生波動報警提示。同時根據速率計算到達閾值時間，提前預警。

（5）狀態判斷。判斷設備或工藝是否停運，若檢測設備為正常停運狀態，系統不提示報警，僅在流程圖上顏色標識。判斷方法為檢測同種功能設備是否有正常運行，關聯工藝管線壓力、流量判斷等。

2.4 預警響應模塊

2.4.1 自動診斷

預警響應模塊在收到預警模塊產生的報警后，自動根據知識庫定義的信息逐條判斷，自動判斷是否符合，檢測完成后列出所有故障原因及解決辦法，并按歷史出現故障多少排序顯示。若沒有測量的數據支持判斷，將提示人工進行判斷。

2.4.2 人機界面

接收預警引擎產生的報警，提供用戶交互的調用接口，人機界面調用該接口實現對預警的確認、修改等，由用戶界面指導用戶交互式完成故障確認，形成完整的預警記錄寫入報警記錄數據庫。

2.5 其他模塊

權限定義模塊主要用于用戶管理、權限分配等。用戶每次對系統的修改、查看、回放等都要經過權限認證。

運行日志模塊為其他的模塊提供一個統一的日志記錄接口，實現日志的統一管理，維護日志文件，提供日志檢索。選擇參數和對應的時間在歷史數據庫中進行查詢數據，將查詢出來的結果繪制成曲線顯示到窗體中，并能進行自動回放。

3 應用效果

系統的應用功能有流程監控、預警功能、參數曲線分析、參數定義、預警信息查詢、系統管理等。

（1）提前預警。根據規則做出判斷，最大限度地彌補了DCS系統可擴展性差的劣勢。同時減少裝置的停產和維修也會帶來經濟利益。

（2）自動診斷。為監控人員提供參考方法，提供及時的故障信息、準確的判斷、可靠的措施，可以最快解決故障原因，降低經濟損失。

（3）歷史回放。根據歷史曲線回放，再現設備運行時參數變化的趨勢，找尋規律。

（4）知識庫規則化。系統將專家經驗按樹型結構組成，與當前的生產參數進行有機關聯，交互式的知識庫錄入，價值更顯著。

4 結束語

通過建立知識庫系統，將油氣處理站庫各種工藝參數關聯因素通過樹型結構擴展，建立合理的推理機制。通過各種計算方法判斷參數的運行狀態，實現提前預警，并判斷可能因素，給出解決措施。不但給監控人員提供參考，同時可以讓管理者在辦公室即可清楚掌握生產狀態，為日常工作帶來極大的便利。

主要參考文獻

[1]孫東.抽油機電參數遠程智能故障診斷技術研究[J].自動化儀表，2012，33（5）：22-23.