智能儀表設備管理系統的應用分析

楊婕，謝天天，朱瑞苗

(中石化中原石油工程設計有限公司，河南 濮陽 457001)

在工程建設中，儀表設備的高可靠性是整個工程安全平穩運行的關鍵。管線上的儀表、閥門在惡劣環境下需要連續工作幾年，甚至幾十年。隨著時間的推移，自控儀表設備的損壞也日益增加。由于缺少較好的壽命評估方法，只能等設備故障后再做處理，這樣不但會增加非計劃停產，還影響正常的生產運行。而傳統現場巡檢方式既消耗大量的時間、耗費人力物力，對儀表設備的健康狀態不能實時掌握，又增加了故障的概率，嚴重時還會影響生產安全。

智能儀表設備管理系統是針對現場智能儀表設備進行故障診斷、在線組態、維護保養、數據記錄存儲及管理的一體化系統。通過對智能儀表設備的預測和前瞻性維護以及優化來提升工廠的運營效率。該系統能夠提供在線設備診斷和設備狀態信息，使現場儀表設備維護更容易，可靠性更高，提高了維護效率，降低了非計劃性停車導致的維修、生產成本。同時該系統還可以生成維護報告，為備件采購、儀表檢定、制定維護計劃、預算等提供依據。

1 工作原理及結構組成

1.1 工作原理

智能儀表設備管理系統基本工作原理： 信號采集模塊通過硬件連接將采集的現場智能儀表設備信號組合后統一上傳至智能儀表設備管理系統信息平臺，信息平臺發布智能儀表設備信息，實現對智能儀表設備在線集中調試、組態、校驗管理、故障分析、診斷等工作。

1.2 結構組成

1.2.1基本結構

該系統包括前端和后端，通過中間鏈路組成整套系統。前端設備主要為現場智能儀表設備，后端主要由信息管理平臺及服務器、軟件、操作站等組成。該系統基本結構如圖1所示，主要包括： 現場智能儀表設備、信號采集模塊、數據匯集、智能儀表設備管理軟件、智能儀表設備管理信息平臺(包括服務器、操作站等設備)等；對于長輸管線多個站場集中控制時還需在各站及控制中心增加終端設備/光端機、路由器等。

圖1 智能儀表管理系統基本結構組成示意

1)現場智能儀表設備。現場智能儀表設備可附帶多種智能信息功能，可實現上位機對多種現場智能儀表的統一管理。

2)信號采集模塊。通過DCS HART協議、 I/O模塊、PCI接口設備、HART 調制解調器等多種硬件連接方式與現場設備實現信號連接。

3)數據匯集。作為數據鏈路層將接收到的現場數據組成網絡層并通過網絡為其他終端讀取數據提供接口，實現不同人員從不同地點以不同接入方式訪問共同的數據庫。

4)智能儀表設備管理軟件。管理軟件與控制系統一體化集成，實現控制與管理的“雙贏”局面。

5)智能儀表設備管理信息平臺。為操作人員提供訪問權限，用以訪問所有智能儀表管理系統的工作站，獲取該系統所有儀表信息。

6)操作人員。操作人員通過智能儀表設備管理信息平臺傳遞過來的現場儀表設備狀態信息、運行狀況和其他重要信息，對相應的狀態監控信息采取處理措施、故障分析等儀表設備維護工作。

1.2.2系統結構

智能儀表設備管理系統采用客戶端/服務器控制系統架構。在整個工程項目的各個獨立單元控制系統中設置數據采集及傳輸模塊，采集各部分現場智能設備數據，并將這些儀表設備信息通過網絡準確、及時地上傳至控制中心客戶端/服務器；由數據服務器負責儲存數據，客戶端從數據服務器中讀取現場數據，并通過通信鏈路實現對現場智能設備狀態的監視及控制。

圖2 智能儀表設備系統數據流向示意

以長輸管道工程為例，智能儀表設備系統數據流向如圖2所示。

在調度控制中心設置系統管理客戶端(即操作站)，在生產管理處設置系統管理客戶端；該客戶端從調度控制中心系統管理服務器中讀取相應數據。操作人員能夠實時了解整個線路智能儀表設備的實時狀態、運行狀況等重要信息，同時可在調度控制中心、生產管理處實現對現場智能儀表設備的調試組態、運行狀況監控、故障類型分析處理等相關維護工作。

1.2.3系統的網絡通信架構

該系統的網絡通信架構如圖3所示，主要包括： 系統服務器、交換機及客戶端。根據系統運行設置，服務器主要包括數據庫服務器、網絡(Web)服務器、備份服務器和打印服務器,滿足系統各種功能需要。計算機操作終端通過交換機來訪問服務器，從而達到控制整套系統的目的。

圖3 智能儀表設備管理系統網絡通信架構示意

2 系統功能及特點

2.1 功 能

智能儀表設備管理系統功能如下：

1)儀表設備信息管理。在前期管理中，用戶可以查看各儀表設備的基本信息，比如： 設備性質、運行時間、屬性分析描述、預計使用壽命等；在工程管理過程中，記錄現場所有設備基本信息并對比參數，將當前組態參數與歷史組態參數比較；同時操作人員可通過系統查看所有儀表設備操作、維護等相關記錄，全面提升設備管理水平。

2)儀表設備狀態管理。該功能可以監測重要設備、系統運行環境、關鍵指標等。在故障診斷過程中按照儀表設備在工藝流程中的設定等級進行分類，同時把每臺儀表設備的故障情況進行輕、重或其他等級分類，便于操作員檢閱和分析故障信息；在狀態分析中，系統對選中儀表設備完好率、利用率、故障率進行分析，確保現場儀表處于高可靠性的穩定運行狀態，保證生產過程的質量和效率。

3)報警及安全管理。該管理功能可制做啟動報警、停止報警、報警確認、當前報警列表、未確認報警列表等，并據此進行設備監控及故障預測，預防運行過程中引發的不必要事故。

4)與DCS無縫集成。可直接通過本地或遠程方式引用已有的DCS工程，不需要重新組態，保證了工程的一致性。

5)報表管理。制定狀態信息報表，記錄重要參數走勢、故障統計及維修等。

6)預測性維護。該系統通過各驅動模塊采集現場設備的實時值，分析、挖掘和對比采集到的信息，并結合智能儀表設備自身的功能和特點，將數據通過界面的形式及時反饋給操作人員。另外，還可依據設備平時的維護信息以及設備進廠時系統錄入的信息自動生成設備維護清單，為現場操作人員制定下一步維護計劃提供依據和參考。

2.2 特 點

智能儀表設備管理系統的特點如下：

1)智能性。該系統可以和現場儀表進行雙向數字通信，可將現場儀表信息全部或有選擇性地納入系統，通過系統設備管理軟件獲取儀表設備有效信息。

2)可靠性。采用該系統可使控制系統的可靠性大幅提高，同時降低誤停車、誤報警的概率。根據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。對于控制系統，提高狹義可靠度是一個漫長的探索過程，但是維修度的提高可進一步優化，具體分析如下：

a)維修的準確性及安全性。該系統可以實時接收來自現場儀表設備的各類信息并做出判斷，以報警形式報告故障點位置及故障原因，避免了盲目性維修；維護管理人員可在控制室遠程對智能儀表設備進行組態修改，無需現場查閱和操作，保證了維修安全性。

b)設備效能管理。該系統建立的數據庫包含了智能儀表設備全部信息，這些設備的所有特征可實時記錄，用戶可全面且方便地管理及診斷所需設備，管理效能得到了大幅提高。

3)準確性。可實時判斷并通過系統邏輯判斷處理，將現場儀表設備故障產生的不真實信號加以屏蔽，從源頭上降低誤報警、誤停車率。

4)經濟性。該系統可大幅縮減現場儀表的維護工作量，節省維護費用，充分利用了儀表設備的智能功能。具體分析如下：

a)儀表組態、維護、調試。該系統通過良好的人機界面，將所有智能設備的信息納入指定的系統，形成相應的儀表設備信息庫，同時將信息下載到現場儀表。既省時省力，又減少了誤操作。

b)故障分析和診斷。該系統可以實現在線監測、診斷、分析現場儀表設備故障狀態，并采取相應處理措施，減少故障處理時間。另外，診斷軟件可實現對儀表設備的預防性維護。在故障發生前進行事前維修，減少維修開支。

5)維護的預測性、前瞻性。通過對儀表設備的實時監測，可預測設備性能和使用壽命，指導進行前瞻性維護或更換，可在保證安全的前提下，通過優化來提升項目整體的運營效率。

3 應用實踐

3.1 應用價值

該系統作為一種新型的管理系統在可靠性、準確性、實用性、經濟性方面都具有很大的優勢，在國內外均受到廣泛關注。在國內已應用于天然氣長輸管道、原油加工、電力、建筑及能源管理等行業中。

1)在煉化公司項目中，采用該系統，大幅提高了儀表設備的利用效率，保證了生產工藝的安全平穩運行，同時延長計劃生產時間，企業效益得到很大的提高。

2)在柴油加氫、制氫硫磺回收項目中，采用該系統后，保證了設備運行的可靠性、提高儀表設備的利用率及使用壽命，同時也在很大程度上節省設備管理和維護費用。

3)在長輸管道項目中，線路較長、站場數量較多，各站場之間相距較遠，采用該系統，用戶可實現來自不同廠商生產的智能儀表設備統一監測和管理。

3.2 效益分析

以長輸管道項目標準站場為例，設置該系統預計產生的效益包括兩個方面：

1)減少維護和運營成本。采用該系統可延長計劃停產時間的間隔，縮短定期檢修所需時間，減少設備故障及維護成本約50%。

2)優化資產。采用該系統可提高生產運行能力約20%～30%；減少備品備件庫存約30%；增加設備壽命約30%。

3.3 應用中注意事項

1)應分析研究控制系統和智能儀表信號采用的標準、通信協議等，找出適用于兩者相結合的

“對象鏈接與嵌入”工業軟件平臺。

2)通過智能儀表設備管理系統，確定智能儀表設備與控制系統通信的接入方式。

3)選購設備、配備工具時，應與軟件平臺所要求的硬件環境相適應。

4)保證系統的可靠性，避免干擾，建議采取以下措施。

a)該系統電源采用不間斷電源(UPS)，防止系統采集過程中因掉電而造成數據丟失。

b)電纜選擇采用屏蔽電纜，同時不同電壓等級電纜應分開鋪設，避免干擾。

c)該系統中的主要設備做接地處理，避免干擾。

4 結束語

智能儀表設備管理系統具有較高的應用性和實用性，該系統能夠充分發揮智能儀表設備的數字通信和智能化功能，通過網絡實現智能儀表設備的遠程管理、操作和維護，直觀全面地反映現場實時狀態和過程信息，使場站運行更加智能化，便利化。其技術的成熟性正在被各行各業廣泛認可，同時在節能降耗、安全生產、加強管理等方面都起到了重要作用。