Pl System在化工生產(chǎn)車間應(yīng)用方式的探討

＊田靖南 張磊 胡曉浩 肖峰 孫磊

（南通醋酸纖維有限公司 江蘇 226008）

我國(guó)化工生產(chǎn)行業(yè)在安全、綠色、環(huán)保、職業(yè)健康等方面做出了很多努力，但是仍存在許多困難，比如安全隱患排查依舊需要安全、工藝管理和操作人員依靠專業(yè)知識(shí)技能通過(guò)流程分析與現(xiàn)場(chǎng)排查的方式開(kāi)展，排查效果不僅跟個(gè)人、團(tuán)隊(duì)的專業(yè)能力有關(guān)，還會(huì)受到參與人員主觀因素影響，很難精確界定是否存在風(fēng)險(xiǎn)。大數(shù)據(jù)的不斷發(fā)展和深入應(yīng)用為各類事故提供了有效的分析，通過(guò)大量的安全生產(chǎn)事件、事故數(shù)據(jù)的匯總、梳理與分析，可以發(fā)現(xiàn)其中的特征規(guī)律，進(jìn)而輔助安全生產(chǎn)企業(yè)的管理者們做好源頭預(yù)防與系統(tǒng)控制，提升企業(yè)安全生產(chǎn)水平。

化工生產(chǎn)具有工藝復(fù)雜、過(guò)程連續(xù)、物耗能耗大、公用介質(zhì)要求高的特點(diǎn)，其生產(chǎn)流程機(jī)理復(fù)雜，最終產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)除開(kāi)受工藝本身影響外還會(huì)受到外部環(huán)境影響，有些難以簡(jiǎn)單套用工藝原理公式進(jìn)行結(jié)果預(yù)判。在近年大數(shù)據(jù)的使用探索中，研究者們將工藝原理與大數(shù)據(jù)分析二者相結(jié)合，從海量斑駁的信息中找到關(guān)鍵的影響因子，建立更加可靠的工藝流程模型，減少生產(chǎn)成本與物耗能耗，提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量[1]。

化工生產(chǎn)涉及大量的設(shè)備設(shè)施，包含工藝、安全、環(huán)保、輔助等各種應(yīng)用功能。連續(xù)生產(chǎn)型企業(yè)對(duì)設(shè)備運(yùn)維情況有著很高的要求，非計(jì)劃性停機(jī)引起的產(chǎn)量損失或安全問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致企業(yè)蒙受巨大的損失。除開(kāi)定期的人工專業(yè)點(diǎn)巡檢方式外，可以利用大數(shù)據(jù)分析建立設(shè)備狀態(tài)模型[2]，借助各類數(shù)據(jù)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控以提升設(shè)備運(yùn)維水平，減少設(shè)備故障引起的損失。

1.Pl System者簡(jiǎn)

PI System憑借其帶有擴(kuò)展功能的標(biāo)準(zhǔn)接口，可以連接DCS、PCS等不同運(yùn)行模式的監(jiān)控或操作系統(tǒng)。結(jié)合組件對(duì)象模型技術(shù)，可以將PI System與檢驗(yàn)、倉(cāng)儲(chǔ)、辦公等各類系統(tǒng)聯(lián)通，建立具備實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和傳輸功能的數(shù)據(jù)庫(kù)，彌補(bǔ)業(yè)務(wù)管理與生產(chǎn)控制之間的信息缺口，其功能強(qiáng)大的應(yīng)用服務(wù)和客戶端工具，幫助用戶提高管理效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量。

PI System包含PI Data Archive（歷史數(shù)據(jù)歸檔）、PI Snapshot（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)快照）、PI Universal Data Server（通用數(shù)據(jù)服務(wù)器核心模塊）、PI PE（性能公式模塊）、PI SQL Server（數(shù)據(jù)查詢模塊）、PI Totalizer（總加器模塊）等服務(wù)器端結(jié)構(gòu)、兼容400多種接口的PI-IN-OPC（PI標(biāo)準(zhǔn)OPC接口軟件和各具特色的PI Client（PI客戶端））。

PI客戶端工具形式多樣，其中利用PI Processbook（圖形用戶界面）可以建立圖形畫(huà)面形式的生產(chǎn)工藝流程，便于用戶查看與分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史趨勢(shì)圖。制作完成的PI Processbook流程圖以文件形式存儲(chǔ)，可以被傳輸至其余連接進(jìn)PI服務(wù)器的客戶端中查看。用戶根據(jù)自身需求，可以在PI Processbook中利用Visual Basic程序語(yǔ)言開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)個(gè)性化功能應(yīng)用。

PI Vision（可視化PI數(shù)據(jù)）作為PI Processbook之后的替代版本，以網(wǎng)頁(yè)為載體，通過(guò)瀏覽器查看的方式解決了查看長(zhǎng)期數(shù)據(jù)時(shí)PI Processbook運(yùn)行響應(yīng)慢的問(wèn)題。PI Vision減弱了對(duì)客戶端軟件的需求，除開(kāi)PC外，用戶還可以通過(guò)手機(jī)等移動(dòng)端登錄網(wǎng)址查看生產(chǎn)流程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史趨勢(shì)。

PI Datalink（PI數(shù)據(jù)表連接）與PI Processbook、PI Vision有所區(qū)別，是OSIsoft公司為連接PI Universal Data Server（通用數(shù)據(jù)服務(wù)器核心模塊）與Microsoft Excel等電子表格軟件而設(shè)計(jì)的專業(yè)程序。PI Datalink可以幫助用戶通過(guò)Excel直接訪問(wèn)PI服務(wù)器中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，PI Datalink結(jié)合Excel電子表格本身的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能，可以方便用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、監(jiān)控[4]。

圖1 PI Datalink詳細(xì)功能模塊

2.PI應(yīng)用場(chǎng)景

PI System的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)，從工控系統(tǒng)中讀取。工程師可以根據(jù)數(shù)據(jù)重要性和用戶需求差異設(shè)置不同的采集頻率。除開(kāi)簡(jiǎn)單的工藝、質(zhì)量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或趨勢(shì)圖展示外，PI System還可以實(shí)現(xiàn)一些較為復(fù)雜的、工控系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)的功能[5]。

(1)圖形化展示生產(chǎn)流程

圖形化展示是PI System的基本功能，PI Processbook與PI Vision都自帶有工藝流程相關(guān)的繪圖模塊，內(nèi)置有設(shè)備、管道、閥門等典型的工業(yè)生產(chǎn)圖標(biāo)。用戶可以方便的繪制工藝流程圖乃至全廠設(shè)備設(shè)施總覽圖。工藝參數(shù)的趨勢(shì)圖可以直接繪制在流程圖中，或是結(jié)合Visual Basic for Applications語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)圖點(diǎn)擊打開(kāi)的功能。除單個(gè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)顯示外，還可以將多個(gè)相關(guān)參數(shù)加入同一趨勢(shì)圖中，便于用戶對(duì)比分析。

為方便排產(chǎn)調(diào)度與能耗統(tǒng)計(jì)分析，PI Processbook與PI Vision的圖形化展示功能還可以用于監(jiān)控介質(zhì)供應(yīng)與消耗情況。針對(duì)需求的不同，用戶可以制作蒸汽供應(yīng)總覽、水消耗總圖、供電總覽圖、化學(xué)品儲(chǔ)罐監(jiān)控圖等。以化學(xué)品儲(chǔ)罐監(jiān)控圖為例，在化學(xué)品罐區(qū)布置圖的基礎(chǔ)上加入化學(xué)品流量、壓力、液位、溫度等工藝參數(shù)與化學(xué)品罐，輸送管道附近的泄露檢測(cè)數(shù)值等安全指標(biāo)。與工控系統(tǒng)不同的是，由于PI System整合了全公司甚至是集團(tuán)的數(shù)據(jù)，PI Processbook與PI Vision的流程畫(huà)面不僅可以展示同一工控服務(wù)器的數(shù)據(jù)，還可以將上下游其他車間等數(shù)據(jù)進(jìn)行整合展示，實(shí)現(xiàn)直觀的全流程畫(huà)面展示。

(2)輔助工藝控制

PI Processbook與PI Vision可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)流程畫(huà)面的整合和對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，但如果需要實(shí)現(xiàn)更深入的工藝過(guò)程監(jiān)控預(yù)警，就需要利用到PI Datalink工具的數(shù)據(jù)處理分析功能。

圖2 PI Datalink數(shù)據(jù)讀取功能頁(yè)面

通過(guò)PI Datalink內(nèi)置函數(shù)語(yǔ)句可以實(shí)現(xiàn)在Excel軟件中讀取PI數(shù)據(jù)庫(kù)中的當(dāng)前值、存檔值等直接數(shù)據(jù)和均值、計(jì)數(shù)、變化范圍等經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理的數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)或時(shí)間范圍，用戶可以方便快捷的調(diào)取所需數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，可以對(duì)讀取數(shù)據(jù)設(shè)定簡(jiǎn)單上下限報(bào)警，利用Excel函數(shù)和VBA編程實(shí)現(xiàn)顏色變化提醒、彈窗提醒與聲音提醒。

對(duì)于更為復(fù)雜的工藝控制模型，需要綜合考慮多個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)，甚至是跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)，結(jié)合Excel函數(shù)、VBA語(yǔ)句等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理和分析以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)實(shí)時(shí)判異，再通過(guò)編程將數(shù)據(jù)監(jiān)控過(guò)程不斷重復(fù)，構(gòu)建生產(chǎn)過(guò)程預(yù)警輔助系統(tǒng)，在生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)異常時(shí)提醒生產(chǎn)操作人員及時(shí)處置。

(3)檢查操作合規(guī)性

與工藝參數(shù)的監(jiān)控預(yù)警相比，人工現(xiàn)場(chǎng)操作合規(guī)性的監(jiān)控和檢核的實(shí)現(xiàn)更為困難。按照一般做法，可以利用視頻監(jiān)控檢查、管理人員現(xiàn)場(chǎng)抽查的方式完成，但是這種做法耗時(shí)耗力，需要浪費(fèi)大量的人力資源，與減員增效的精益趨勢(shì)相違背。對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)型車間，由于夜間也有作業(yè)，管理人員工藝檢查難以實(shí)施。為應(yīng)對(duì)這些情況，可以通過(guò)PI Datalink調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)歷史數(shù)據(jù)，分析生產(chǎn)過(guò)程中人工操作引起的特征參數(shù)，如操作引起的溫度、壓力、流量等輸入或輸出參數(shù)變化，并確認(rèn)這些參數(shù)不會(huì)受到或不會(huì)同時(shí)受到其他影響而發(fā)生相同變化。再利用PI Datalink對(duì)這些遠(yuǎn)傳信號(hào)進(jìn)一步特征篩選，找到操作開(kāi)始、操作過(guò)程、操作結(jié)束的參數(shù)特征。最后，通過(guò)函數(shù)對(duì)特征變量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與篩選，將人員操作行為數(shù)字化再現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)操作的智能監(jiān)控與智能檢核。

(4)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)

最基礎(chǔ)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控可以通過(guò)PI Processbook與PI Vision實(shí)現(xiàn)，如全場(chǎng)設(shè)備的啟停流程圖，可以用于顯示設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，確認(rèn)關(guān)鍵介質(zhì)供應(yīng)設(shè)備是否正常運(yùn)行，監(jiān)控類似尾氣檢測(cè)儀表等環(huán)保設(shè)施、安全設(shè)施是否處于投用狀態(tài)。結(jié)合PI Datalink可以計(jì)算設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，用于設(shè)備故障次數(shù)率、平均故障間隔時(shí)間MTBF、平均故障修復(fù)時(shí)間MTTR和設(shè)備綜合效率OEE等設(shè)備管理指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

圖3 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)畫(huà)面

進(jìn)一步的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控涉及到設(shè)備缺陷的判斷與設(shè)備狀態(tài)的預(yù)測(cè)。由于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控儀表的投入與產(chǎn)出比相對(duì)較高，特別是對(duì)于更換或維修成本相對(duì)低的設(shè)備來(lái)說(shuō)，企業(yè)管理者很難愿意投入更多資金用于提升設(shè)備在線監(jiān)控水平，這就造成了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控更依賴于操作人員與維修人員的現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)巡檢。在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控的實(shí)際運(yùn)用中，趨勢(shì)相對(duì)限值來(lái)說(shuō)更加重要。特別在某些設(shè)備限值受多種因素干擾的情況，對(duì)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控就顯得尤為重要。

(5)預(yù)測(cè)產(chǎn)品、環(huán)保指標(biāo)

傳統(tǒng)的生產(chǎn)流程末端輸出指標(biāo)的預(yù)估方法有經(jīng)驗(yàn)分析、理論分析兩種。對(duì)于簡(jiǎn)單的生產(chǎn)流程或傳統(tǒng)工藝，可以通過(guò)上述兩種方法預(yù)測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量等流程末端輸出指標(biāo)。但隨著工業(yè)自動(dòng)化、信息化與智能化的發(fā)展和精益管理對(duì)降本增效的需求逐步提高，在預(yù)測(cè)復(fù)雜的或是受干擾多的流程末端輸出指標(biāo)時(shí)，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)、理論分析無(wú)法滿足用戶實(shí)際需求。

利用PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與PI Datalink工具，在對(duì)相關(guān)工藝流程數(shù)據(jù)進(jìn)行判異和篩選的基礎(chǔ)上，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)與末端輸出指標(biāo)的相關(guān)性分析、擬合，建立過(guò)程參數(shù)與末端輸出指標(biāo)的擬合方程，并結(jié)合自學(xué)習(xí)程序不斷矯正、優(yōu)化。建立可靠的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的擬合方程后，通過(guò)函數(shù)、編程實(shí)時(shí)從PI數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)出生產(chǎn)數(shù)據(jù)代入方程，根據(jù)擬合結(jié)果判斷生產(chǎn)末端指標(biāo)的趨勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)保排放等指標(biāo)的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。后續(xù)可以將預(yù)測(cè)工具整合進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程預(yù)警輔助系統(tǒng)，協(xié)助工藝操作人員實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)過(guò)程參數(shù)，避免發(fā)生質(zhì)量數(shù)據(jù)偏離、排放超標(biāo)的問(wèn)題。

(6)制作和推送生產(chǎn)日?qǐng)?bào)表

生產(chǎn)車間每日數(shù)據(jù)有很多，除過(guò)程工藝參數(shù)外，還有安全生產(chǎn)、環(huán)保排放、質(zhì)量控制、產(chǎn)量完成情況、能耗物耗、員工績(jī)效、設(shè)備運(yùn)行狀況等等。數(shù)據(jù)量大、種類繁多，數(shù)據(jù)來(lái)源涉及的崗位多，每日數(shù)據(jù)檢查分析時(shí)間長(zhǎng)、牽扯人員精力多。對(duì)于生產(chǎn)車間管理者來(lái)說(shuō)，如何在每日上班后迅速掌握生產(chǎn)情況就尤為重要。

為實(shí)現(xiàn)快速掌握生產(chǎn)情況的目標(biāo)，首先將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，根據(jù)關(guān)鍵度的不同確認(rèn)所需數(shù)據(jù)，方便后續(xù)將數(shù)據(jù)錄入Excel表格，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)量過(guò)大加載速度慢或展示數(shù)據(jù)過(guò)多找不到關(guān)鍵指標(biāo)的情況。接著需要區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)中限值控制和需要趨勢(shì)圖展示的內(nèi)容，按照種類和重要度對(duì)表格進(jìn)行排版，完成報(bào)表的初步規(guī)劃設(shè)計(jì)。再使用PI Datalink錄入篩選出的關(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)Excel函數(shù)或VBA編程等方式，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出并處理至所需的展示形式。最后通過(guò)編程程序?qū)㈦娮訄?bào)表以郵件、短信等形式每日定時(shí)發(fā)送至相關(guān)管理者處。

3.結(jié)語(yǔ)

隨著時(shí)代發(fā)展，智能工廠逐步推進(jìn)，PI大數(shù)據(jù)軟件在工藝控制、環(huán)保排放、設(shè)備監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)管理等方面有了更豐富、更深入的應(yīng)用[6]，為實(shí)際生產(chǎn)提供了更快捷、更可靠的分析、監(jiān)控、預(yù)警等功能。如何更加深入的利用好PI系統(tǒng)及其各類應(yīng)用作品，讓大數(shù)據(jù)更好的為化工生產(chǎn)服務(wù)，這不僅是各級(jí)管理人員的職責(zé)，也是每位一線員工應(yīng)該思考的內(nèi)容。