儀控狀態監測平臺對于石化企業長遠發展的重要影響

邢勐

(中國石油化工股份有限公司 煉油事業部,北京 100728)

隨著物聯網、云平臺、邊緣計算、數字孿生、人工智能等新興高科技產業的發展壯大,有利促進了傳統自動化時代向信息智能化時代發展[1]。應急管理部辦公廳關于印發《“工業互聯網+危化安全生產”試點建設方案》的通知中提到推進新一代信息技術和危險化學品安全生產深度融合,構建“工業互聯網+危化安全生產”技術體系和應用生態系統,提升安全生產風險感知評估、監測預警和響應處置能力,排查化解潛在風險。推進企業信息化與工業化的融合,加大數字化管理使信息化帶動工業化,工業化受益于信息化,信息化服務于專業化的發展道路[2],石化企業緊跟時代發展腳步前進,借助工業物聯網(IIOT)、大數據分析、邊緣計算和智能終端等成熟技術,建設儀控狀態監測平臺,為推進預防性維修向預知性維修方向轉變、提升儀控設備可靠性提供便利條件。

1 儀控狀態監測平臺建設情況

石油煉化企業作為流程性連續生產型企業,生產裝置具有高度自動化、技術復雜化和設備大型化等特點,生產過程中高溫、高壓、易燃、易爆、腐蝕環境較多,設備可靠性顯得尤為重要[3]。為提高石化企業安全生產風險感知能力和響應處置能力,能夠充分挖掘設備潛在隱患,中國石油化工股份有限公司煉化板塊組織專家制定了《中國石化煉化企業儀控狀態監測平臺管理細則》,該細則依據中國石化設備完整性管理體系文件《煉化企業儀控預防性工作策略》的要求,從系統架構、數據接口、功能應用、設備規范等維度構建儀表及控制系統狀態監測全套標準,強化企業數據資產保護,在企業工控網內搭建統一的狀態監測平臺和數據湖,全面建設“監、運、檢”一體化集控中心,對各下屬石化企業儀表(包括計量儀表)及控制系統狀態數據進行統一管理。

各石化企業近些年來按照該管理細則開展監測平臺和儀控運維集控中心建設,逐步推進智能型儀控設備應用,實現儀控設備狀態數據應采盡采,并不斷拓展預知性維護應用,全力保證儀控設備的可靠性,提升設備管理水平。

2 儀控狀態監測平臺建設難點

石化企業設備種類很多,需要周期性維護保養,否則容易引起不正常運行,導致生產安全事故、毒害物料泄漏等嚴重的環境風險事故[4],設備的管理一直都是石化企業管理的重中之重。

當前石化企業在儀控設備管理方面存在諸多瓶頸,如： 過程量報警、事后維修無法滿足儀控設備全生命周期高標準運行,智能儀控設備海量數據無人采集、統計與分析,形成各式各樣的數據“孤島”,錯失預防性維修窗口,設備壽命預估水平不客觀也不可復制,全憑經驗主義;運維人員素質成為判斷故障的瓶頸等。這些瓶頸嚴重阻礙了企業實現“先工藝發現、先工藝分析、第一時間聯合工藝消除風險;集中數據、集中監控、集中管理、集中調度;改變儀控專業運維管理方式、實現預知性、預測性維修”的目標,導致企業無法充分挖掘潛在隱患。

3 儀控狀態監測平臺重點功能

安全問題是制約石化企業發展的重要因素之一,對設備狀態的監測以及管理是預知安全事故發生的重要手段之一[5]。儀控狀態監測平臺基本的狀態監測功能覆蓋儀控設備使用的全生命周期,包括設備的安裝,設備數據的產生、采集、分析處理、展示及設備數據設置的改變等,直到設備無法再進行使用,從設備故障發現到處理完成,記錄故障處理的每一個步驟和環節,實時跟蹤,形成“閉環”。根據監測到的設備數據(包含聯鎖回路設備數據)波動進行判斷然后根據判斷結果發出報警信息,并根據設置對報警信息進行分級分類,再根據不同的類型、不同的級別發送給不同權限的人員,讓不同權限的人員處理不同級別的報警,并將這些發出的報警信息、處置信息等全部匯總到設備臺賬中去,做到集中控制分散處理,讓每一個處理步驟都在監測中,能夠詳細地記錄儀控設備使用生命周期中的過程,便于后續發現問題時能夠準確定位責任人,在一定程度上加強對操作人員的監督,減少安全事故的發生。

儀控狀態監測平臺除了擁有基本的儀控狀態監測功能外,還擁有閥門故障診斷、設備報警庫、報警解析及狀態評估等創新實用性功能。

1)閥門故障診斷。通過監測到的閥門數據變化來實現,是對已監控設備中控制閥進行定期智能實時診斷,通過閥門的給定值、回訊值、電流值、氣源壓力、驅動信號等多項參數綜合評定,通過模型計算,判斷閥門當前的健康情況。同時,進行數據統計與分析,形成閥門診斷報告,支持報告的導出功能。通過儀控狀態監測平臺可診斷出的閥門故障類別： 閥門卡澀、驅動信號異常、IP驅動異常、氣路附件故障、行程偏差異常等。

2)設備報警庫。儀控狀態監測平臺參照《中國石化煉化企業設備缺陷管理程序》的缺陷分級管理要求,對各類儀控設備報警信息進行了分級定義,建立中石化儀控設備報警標準數據庫,報警信息應分故障、異常、越限、告知4個級別,其中故障對應一類缺陷,異常、越限對應二至四類缺陷,告知為一般通知類信息,并且可以做到：

a)根據報警信息的級別,通過圖像、聲音、顏色等方式展示不同級別的報警信息[6]。

b)建立報警信息處理預案,指導狀態監測人員快速處理報警信息。

c)聚集全部設備制造商、設備類別、版本,將設備可發出的100%設備報警進行梳理,并支持多種報警信息歷史查詢方式,如裝置、設備型號及版本號、制造商、時間(精確到時)等查詢條件。

d)借助現場信息反饋進行報警準確度迭代,使報警更具有儀表維護指導作用。

e)可將設備全部參數進行解析,統一管理,形成設備參數庫,為設備高級應用、設備參數解讀起到決定性作用。進行設備說明書統一管理,實現在線瀏覽、快速預覽,實現設備說明書數字化管理。精準定位設備功能,維護手段,預防性維修建議。

3)報警解析。該功能即當設備出現故障時會出現故障代碼,根據“專家庫”將故障代碼解析、轉譯為中文,給出故障信息處理意見。

4)狀態評估。通過在線監測及離線檢測等方式采集儀表及控制系統狀態信息,包括強度、量值大小以及變化趨勢等,采用多種分析方法進行狀態評估和分析;并結合與同類設備的比較,做出綜合判斷,發現設備異常并納入缺陷管理[7];建立用于設備狀態評價的數據庫和儀控狀態監測平臺。

儀控狀態監測平臺能夠基于儀表及控制系統的狀態監測和智能巡檢,分析設備狀態檢測和智能巡檢結果,及時發現設備缺陷,指導開展維修工作,確定合理的危險防范策略;可通過儀表及控制系統狀態監測,分析評估監測結果和趨勢變化,并將發現的異常納入設備缺陷管理流程。

這些功能的實現滿足了企業的發展需要,為石化企業的儀控設備的監測管理提供一個實用性強的工具以及很好的解決方案。

4 儀控狀態監測平臺應用優勢

隨著儀控狀態監測平臺在石化企業中的應用,體現出以下優勢：

1)管理者能夠實時知曉全廠設備運行狀態,根據公開透明的設備信息抓好管理,掌握班組工作進度和狀態,進行科學有效的管理并提升管理效率,將處理結果實時反饋給相關人員,對相關人員的后續處理操作實時監督。

2)執行者將能夠及時獲知設備報警狀態,第一時間進行處理、查閱設備歷史記錄,為故障處理做出指導、通過平臺記錄為設備選型、維保維修做出指導。

3)石化企業將提高儀控專業完整性管理水平,可基于儀控KPI指標的完成情況,制定儀表及控制系統預防性維修策略,使得維修方式逐步從定時維修、事后維修向預知性、預測性維修跨越,在故障影響裝置正常生產之前,先于工藝發現,由以往的過修、欠修轉變為精準維修,保證儀表及控制系統的可靠運行,降低設備缺陷引起的生產波動[8]。

4)儀控專業將重視現場儀表及控制系統的運行環境、工作狀態的程度提升,更加重視工藝操作是否符合設備特性,能否滿足裝置長周期運行的要求。

5)石化企業的監測范圍將全面覆蓋儀表設備及控制系統,包括但不限于： 常規測量控制儀表、聯鎖儀表、國(省)控污染源在線環保監測儀表、固定式可燃及有毒氣體報警器、貿易結算計量儀表、能源及物料計量儀表等及DCS,SIS,CCS,PLC等控制系統。

6)石化企業將對儀表及控制系統實行專業化分級管理,以此為依據制定不同的預防性管理策略并逐項實施,能夠以KPI指標為引領,定期開展KPI指標分析工作,評估預防性工作績效并持續改進。從而能夠使得企業做好生產裝置運行期間的維護工作,優化儀表及控制系統運維方式,減少停工檢修的工作量。

5 儀控狀態監測平臺總體架構

5.1 監測平臺架構

工廠網絡分為過程控制(1.0層)、操作監控(2.0層)、數據服務(3.0層)、生產運行管理(4.0層)4個層級。監測平臺應位于工廠網絡2.5層。企業合理規劃“邊-端”和智能終端,確定監測平臺網絡架構。典型儀控狀態監測平臺網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 儀控狀態監測平臺網絡拓撲結構示意

數據服務3.0層應位于信息中心,提供OPC,API數據接口,實現單向采集操作監控2.5層的數據倉庫服務器的數據,對生產運行管理4.0層提供數據支撐。

5.2 監測平臺構成

5.2.1 接入的設備

儀控狀態監測平臺接入設備包括儀表控制系統、智能儀表、非智能儀表、計量儀表、工控系統安全防護設施、儀表供電系統、儀表風監測設備等。

5.2.2 操作監控層設備

操作監控2.0層設備應安裝在儀表機柜間,主要包括OPC服務器、智能設備管理服務器、智能終端等,主要功能要求如下：

1)OPC服務器。實現對DCS及其他相關數據的采集,包括數據記錄、日志記錄等。通過OPC協議采集時要進行負荷評估,如果超負荷應單獨設置OPC服務器。

2)智能設備管理服務器。實現對HART,FF,Modbus等智能儀控設備相關數據的采集。智能設備管理軟件應具備無限點的OPC,TCP/IP等數據發布功能。

3)智能終端。主要包括電源模塊、存儲模塊、計算模塊、網絡模塊、接口模塊等組件,具備數據采集、存儲、計算、壓縮、緩存等功能[9]。

5.2.3 操作監控2.5層設備

操作監控2.5層設備應安裝在儀控運維集控中心,主要包括數據倉庫、監控站、離線檢測數據站等,主要功能要求如下：

1)數據倉庫。實現對儀控設備狀態數據的存儲、計算、分析[10]。

2)監控站。是儀控運維集控中心內主要的人機界面,實現對儀控設備的實時監控,具有設備參數、報警、KPI統計等信息顯示和查詢功能,并實現對監測平臺的配置、維護和管理。

3)離線檢測數據站。實現紅外測溫、接地電阻、儀表風露點等離線檢測數據的錄入。

6 儀控狀態監測平臺應用案例

6.1 某煉化一體化企業中的應用

某煉化一體化企業遵循上級公司設備完整性管理體系和數字化轉型的要求,開展儀控狀態監測平臺建設,成立儀控監測中心,采用儀控狀態監測工程師模式,實現儀控監測中心集中管理,不間斷地監控儀控設備運行狀態,將設備信息、故障診斷、處理過程、系統狀態全部記錄在冊,實現設備故障處理實時跟蹤,形成“閉環”管理,能夠快速發覺隱患,精準處置。借助數字化儀控狀態監測平臺,運維室主導形成專業網格小組,負責統籌管理平臺日常運行并監督指導專項排查。同時平臺按責任推送短信報警,確保第一時間將故障、異常、越限通知到區域網格人員進行分析處理,使得儀控主動維護率提升至95%以上,預防性工作得到全面提升。

儀控狀態監測平臺目前監測范圍涉及該企業煉油裝置30套,覆蓋閥門定位器、變送器、質量流量計等全部智能儀表,DCS,SIS,CCS,GDS,EM臺賬動態對比,控制閥門小開度、閥門動作時間、超速保護器狀態監測、聯鎖儀表報警、聯鎖投用率、工控網絡安全監測、儀表風露點檢測,紅外測溫檢測、接地連接電阻檢測等50余項設備的狀態監測與診斷,對儀控專業全部數據實現數據集中,操作集中、管理集中,通過大數據分析,模型計算、趨勢算法分析,實現儀控專業整體智能監管,同時實現閥門故障診斷,質量流量計故障診斷等高級應用,形成多維度儀控KPI、實現總部和企業兩級KPI、設備報警KPI、設備廠商KPI等重要KPI指標自動采集和監測。統一建立儀控設備報警專家庫,確保設備報警標準化、數據標準化、報警級別精準定位標準化。

該儀控狀態監測平臺自2021年11月試運行以來,發揮的專業優勢效果顯著,成功實現報警診斷226次,其中,控制系統卡件、電源、網絡設備等關鍵組件故障53次,關鍵控制閥異常56次,防凍防凝期間儀表伴熱溫度越限109次,環保儀表監測數據越限造成環保超標風險8次。

企業平臺建設初期報警數變化趨勢如圖2所示,報警設備數變化趨勢如圖3所示,由圖2,圖3可知,儀控狀態監測平臺報警策略的持續優化,解決了平臺自2021年年末上線以來由于報警規則設置不合理導致的無效報警干擾問題。

圖2 報警數變化趨勢示意

圖3 報警設備數變化趨勢示意

6.2 某煉油企業中的應用

2021年8月12日,某煉油企業通過儀控狀態監測平臺發現雙脫裝置控制閥的定位器發出硬件故障信息： 控制閥執行機構換向次數異常、死區異常。儀控維護人員查看DCS,發現該控制閥調節品質變差,但受該控制回路PID制約,該控制閥還未對生產造成明顯影響,儀控維護人員及時通知工藝操作人員關注處理,從而使企業提前對問題進行處理,避免由于儀表問題造成裝置停工而帶來財產損失以及由小事故向大事故方向演變,提升生產過程的安全性。

2021年12月7日00：10,儀控值班人員第一時間通過監控平臺發現二制氫機柜間DCS機柜SITOP2故障,及時消除了隱患。

儀控狀態監測平臺真正地打開儀控設備黑盒子,治療設備“亞健康”問題,先于工藝發現設備問題及隱患,逐步實現設備的事后維修向預防性、預測性維修的跨越式轉變。

7 結束語

作為石化企業數字化先鋒隊,儀控狀態監測平臺從架構搭建、數據收集、模塊測試,始終遵循信息化、數字化、智能化的原則,以先工藝發現、先工藝排查,第一時間聯合工藝消除風險為目的,逐步完成智能儀表設備實時在線狀態監控、智能設備報警管理、設備故障診斷等功能,實現對多種儀控狀態的實時監控分析,從而能夠深挖設備潛在故障,讓隱患顯示在維護人員面前,達到預知性“提前報警”,實現提前消除隱患的目的。

就目前石油化工企業來說,設備的本質安全、穩定運行是企業生存發展的基礎,石化企業全面應用儀控狀態監測平臺后,石化行業的設備維修水平將會得到全面的提升,各石化企業的故障提前維修率將大幅度提升、裝置檢修周期將延長,檢維修費用和裝置開停工的物料損失將會比應用儀控狀態監測平臺之前大幅度降低,生產過程中的大小安全事故也會大幅度減少,因此,儀控狀態監測對于石化企業的長遠發展是必不可少的。