仪控状态监测平台对于石化企业长远发展的重要影响

邢勐

(中国石油化工股份有限公司 炼油事业部,北京 100728)

随着物联网、云平台、边缘计算、数字孪生、人工智能等新兴高科技产业的发展壮大,有利促进了传统自动化时代向信息智能化时代发展[1]。应急管理部办公厅关于印发《“工业互联网+危化安全生产”试点建设方案》的通知中提到推进新一代信息技术和危险化学品安全生产深度融合,构建“工业互联网+危化安全生产”技术体系和应用生态系统,提升安全生产风险感知评估、监测预警和响应处置能力,排查化解潜在风险。推进企业信息化与工业化的融合,加大数字化管理使信息化带动工业化,工业化受益于信息化,信息化服务于专业化的发展道路[2],石化企业紧跟时代发展脚步前进,借助工业物联网(IIOT)、大数据分析、边缘计算和智能终端等成熟技术,建设仪控状态监测平台,为推进预防性维修向预知性维修方向转变、提升仪控设备可靠性提供便利条件。

1 仪控状态监测平台建设情况

石油炼化企业作为流程性连续生产型企业,生产装置具有高度自动化、技术复杂化和设备大型化等特点,生产过程中高温、高压、易燃、易爆、腐蚀环境较多,设备可靠性显得尤为重要[3]。为提高石化企业安全生产风险感知能力和响应处置能力,能够充分挖掘设备潜在隐患,中国石油化工股份有限公司炼化板块组织专家制定了《中国石化炼化企业仪控状态监测平台管理细则》,该细则依据中国石化设备完整性管理体系文件《炼化企业仪控预防性工作策略》的要求,从系统架构、数据接口、功能应用、设备规范等维度构建仪表及控制系统状态监测全套标准,强化企业数据资产保护,在企业工控网内搭建统一的状态监测平台和数据湖,全面建设“监、运、检”一体化集控中心,对各下属石化企业仪表(包括计量仪表)及控制系统状态数据进行统一管理。

各石化企业近些年来按照该管理细则开展监测平台和仪控运维集控中心建设,逐步推进智能型仪控设备应用,实现仪控设备状态数据应采尽采,并不断拓展预知性维护应用,全力保证仪控设备的可靠性,提升设备管理水平。

2 仪控状态监测平台建设难点

石化企业设备种类很多,需要周期性维护保养,否则容易引起不正常运行,导致生产安全事故、毒害物料泄漏等严重的环境风险事故[4],设备的管理一直都是石化企业管理的重中之重。

当前石化企业在仪控设备管理方面存在诸多瓶颈,如： 过程量报警、事后维修无法满足仪控设备全生命周期高标准运行,智能仪控设备海量数据无人采集、统计与分析,形成各式各样的数据“孤岛”,错失预防性维修窗口,设备寿命预估水平不客观也不可复制,全凭经验主义;运维人员素质成为判断故障的瓶颈等。这些瓶颈严重阻碍了企业实现“先工艺发现、先工艺分析、第一时间联合工艺消除风险;集中数据、集中监控、集中管理、集中调度;改变仪控专业运维管理方式、实现预知性、预测性维修”的目标,导致企业无法充分挖掘潜在隐患。

3 仪控状态监测平台重点功能

安全问题是制约石化企业发展的重要因素之一,对设备状态的监测以及管理是预知安全事故发生的重要手段之一[5]。仪控状态监测平台基本的状态监测功能覆盖仪控设备使用的全生命周期,包括设备的安装,设备数据的产生、采集、分析处理、展示及设备数据设置的改变等,直到设备无法再进行使用,从设备故障发现到处理完成,记录故障处理的每一个步骤和环节,实时跟踪,形成“闭环”。根据监测到的设备数据(包含联锁回路设备数据)波动进行判断然后根据判断结果发出报警信息,并根据设置对报警信息进行分级分类,再根据不同的类型、不同的级别发送给不同权限的人员,让不同权限的人员处理不同级别的报警,并将这些发出的报警信息、处置信息等全部汇总到设备台账中去,做到集中控制分散处理,让每一个处理步骤都在监测中,能够详细地记录仪控设备使用生命周期中的过程,便于后续发现问题时能够准确定位责任人,在一定程度上加强对操作人员的监督,减少安全事故的发生。

仪控状态监测平台除了拥有基本的仪控状态监测功能外,还拥有阀门故障诊断、设备报警库、报警解析及状态评估等创新实用性功能。

1)阀门故障诊断。通过监测到的阀门数据变化来实现,是对已监控设备中控制阀进行定期智能实时诊断,通过阀门的给定值、回讯值、电流值、气源压力、驱动信号等多项参数综合评定,通过模型计算,判断阀门当前的健康情况。同时,进行数据统计与分析,形成阀门诊断报告,支持报告的导出功能。通过仪控状态监测平台可诊断出的阀门故障类别： 阀门卡涩、驱动信号异常、IP驱动异常、气路附件故障、行程偏差异常等。

2)设备报警库。仪控状态监测平台参照《中国石化炼化企业设备缺陷管理程序》的缺陷分级管理要求,对各类仪控设备报警信息进行了分级定义,建立中石化仪控设备报警标准数据库,报警信息应分故障、异常、越限、告知4个级别,其中故障对应一类缺陷,异常、越限对应二至四类缺陷,告知为一般通知类信息,并且可以做到：

a)根据报警信息的级别,通过图像、声音、颜色等方式展示不同级别的报警信息[6]。

b)建立报警信息处理预案,指导状态监测人员快速处理报警信息。

c)聚集全部设备制造商、设备类别、版本,将设备可发出的100%设备报警进行梳理,并支持多种报警信息历史查询方式,如装置、设备型号及版本号、制造商、时间(精确到时)等查询条件。

d)借助现场信息反馈进行报警准确度迭代,使报警更具有仪表维护指导作用。

e)可将设备全部参数进行解析,统一管理,形成设备参数库,为设备高级应用、设备参数解读起到决定性作用。进行设备说明书统一管理,实现在线浏览、快速预览,实现设备说明书数字化管理。精准定位设备功能,维护手段,预防性维修建议。

3)报警解析。该功能即当设备出现故障时会出现故障代码,根据“专家库”将故障代码解析、转译为中文,给出故障信息处理意见。

4)状态评估。通过在线监测及离线检测等方式采集仪表及控制系统状态信息,包括强度、量值大小以及变化趋势等,采用多种分析方法进行状态评估和分析;并结合与同类设备的比较,做出综合判断,发现设备异常并纳入缺陷管理[7];建立用于设备状态评价的数据库和仪控状态监测平台。

仪控状态监测平台能够基于仪表及控制系统的状态监测和智能巡检,分析设备状态检测和智能巡检结果,及时发现设备缺陷,指导开展维修工作,确定合理的危险防范策略;可通过仪表及控制系统状态监测,分析评估监测结果和趋势变化,并将发现的异常纳入设备缺陷管理流程。

这些功能的实现满足了企业的发展需要,为石化企业的仪控设备的监测管理提供一个实用性强的工具以及很好的解决方案。

4 仪控状态监测平台应用优势

随着仪控状态监测平台在石化企业中的应用,体现出以下优势：

1)管理者能够实时知晓全厂设备运行状态,根据公开透明的设备信息抓好管理,掌握班组工作进度和状态,进行科学有效的管理并提升管理效率,将处理结果实时反馈给相关人员,对相关人员的后续处理操作实时监督。

2)执行者将能够及时获知设备报警状态,第一时间进行处理、查阅设备历史记录,为故障处理做出指导、通过平台记录为设备选型、维保维修做出指导。

3)石化企业将提高仪控专业完整性管理水平,可基于仪控KPI指标的完成情况,制定仪表及控制系统预防性维修策略,使得维修方式逐步从定时维修、事后维修向预知性、预测性维修跨越,在故障影响装置正常生产之前,先于工艺发现,由以往的过修、欠修转变为精准维修,保证仪表及控制系统的可靠运行,降低设备缺陷引起的生产波动[8]。

4)仪控专业将重视现场仪表及控制系统的运行环境、工作状态的程度提升,更加重视工艺操作是否符合设备特性,能否满足装置长周期运行的要求。

5)石化企业的监测范围将全面覆盖仪表设备及控制系统,包括但不限于： 常规测量控制仪表、联锁仪表、国(省)控污染源在线环保监测仪表、固定式可燃及有毒气体报警器、贸易结算计量仪表、能源及物料计量仪表等及DCS,SIS,CCS,PLC等控制系统。

6)石化企业将对仪表及控制系统实行专业化分级管理,以此为依据制定不同的预防性管理策略并逐项实施,能够以KPI指标为引领,定期开展KPI指标分析工作,评估预防性工作绩效并持续改进。从而能够使得企业做好生产装置运行期间的维护工作,优化仪表及控制系统运维方式,减少停工检修的工作量。

5 仪控状态监测平台总体架构

5.1 监测平台架构

工厂网络分为过程控制(1.0层)、操作监控(2.0层)、数据服务(3.0层)、生产运行管理(4.0层)4个层级。监测平台应位于工厂网络2.5层。企业合理规划“边-端”和智能终端,确定监测平台网络架构。典型仪控状态监测平台网络拓扑结构如图1所示。

图1 仪控状态监测平台网络拓扑结构示意

数据服务3.0层应位于信息中心,提供OPC,API数据接口,实现单向采集操作监控2.5层的数据仓库服务器的数据,对生产运行管理4.0层提供数据支撑。

5.2 监测平台构成

5.2.1 接入的设备

仪控状态监测平台接入设备包括仪表控制系统、智能仪表、非智能仪表、计量仪表、工控系统安全防护设施、仪表供电系统、仪表风监测设备等。

5.2.2 操作监控层设备

操作监控2.0层设备应安装在仪表机柜间,主要包括OPC服务器、智能设备管理服务器、智能终端等,主要功能要求如下：

1)OPC服务器。实现对DCS及其他相关数据的采集,包括数据记录、日志记录等。通过OPC协议采集时要进行负荷评估,如果超负荷应单独设置OPC服务器。

2)智能设备管理服务器。实现对HART,FF,Modbus等智能仪控设备相关数据的采集。智能设备管理软件应具备无限点的OPC,TCP/IP等数据发布功能。

3)智能终端。主要包括电源模块、存储模块、计算模块、网络模块、接口模块等组件,具备数据采集、存储、计算、压缩、缓存等功能[9]。

5.2.3 操作监控2.5层设备

操作监控2.5层设备应安装在仪控运维集控中心,主要包括数据仓库、监控站、离线检测数据站等,主要功能要求如下：

1)数据仓库。实现对仪控设备状态数据的存储、计算、分析[10]。

2)监控站。是仪控运维集控中心内主要的人机界面,实现对仪控设备的实时监控,具有设备参数、报警、KPI统计等信息显示和查询功能,并实现对监测平台的配置、维护和管理。

3)离线检测数据站。实现红外测温、接地电阻、仪表风露点等离线检测数据的录入。

6 仪控状态监测平台应用案例

6.1 某炼化一体化企业中的应用

某炼化一体化企业遵循上级公司设备完整性管理体系和数字化转型的要求,开展仪控状态监测平台建设,成立仪控监测中心,采用仪控状态监测工程师模式,实现仪控监测中心集中管理,不间断地监控仪控设备运行状态,将设备信息、故障诊断、处理过程、系统状态全部记录在册,实现设备故障处理实时跟踪,形成“闭环”管理,能够快速发觉隐患,精准处置。借助数字化仪控状态监测平台,运维室主导形成专业网格小组,负责统筹管理平台日常运行并监督指导专项排查。同时平台按责任推送短信报警,确保第一时间将故障、异常、越限通知到区域网格人员进行分析处理,使得仪控主动维护率提升至95%以上,预防性工作得到全面提升。

仪控状态监测平台目前监测范围涉及该企业炼油装置30套,覆盖阀门定位器、变送器、质量流量计等全部智能仪表,DCS,SIS,CCS,GDS,EM台账动态对比,控制阀门小开度、阀门动作时间、超速保护器状态监测、联锁仪表报警、联锁投用率、工控网络安全监测、仪表风露点检测,红外测温检测、接地连接电阻检测等50余项设备的状态监测与诊断,对仪控专业全部数据实现数据集中,操作集中、管理集中,通过大数据分析,模型计算、趋势算法分析,实现仪控专业整体智能监管,同时实现阀门故障诊断,质量流量计故障诊断等高级应用,形成多维度仪控KPI、实现总部和企业两级KPI、设备报警KPI、设备厂商KPI等重要KPI指标自动采集和监测。统一建立仪控设备报警专家库,确保设备报警标准化、数据标准化、报警级别精准定位标准化。

该仪控状态监测平台自2021年11月试运行以来,发挥的专业优势效果显著,成功实现报警诊断226次,其中,控制系统卡件、电源、网络设备等关键组件故障53次,关键控制阀异常56次,防冻防凝期间仪表伴热温度越限109次,环保仪表监测数据越限造成环保超标风险8次。

企业平台建设初期报警数变化趋势如图2所示,报警设备数变化趋势如图3所示,由图2,图3可知,仪控状态监测平台报警策略的持续优化,解决了平台自2021年年末上线以来由于报警规则设置不合理导致的无效报警干扰问题。

图2 报警数变化趋势示意

图3 报警设备数变化趋势示意

6.2 某炼油企业中的应用

2021年8月12日,某炼油企业通过仪控状态监测平台发现双脱装置控制阀的定位器发出硬件故障信息： 控制阀执行机构换向次数异常、死区异常。仪控维护人员查看DCS,发现该控制阀调节品质变差,但受该控制回路PID制约,该控制阀还未对生产造成明显影响,仪控维护人员及时通知工艺操作人员关注处理,从而使企业提前对问题进行处理,避免由于仪表问题造成装置停工而带来财产损失以及由小事故向大事故方向演变,提升生产过程的安全性。

2021年12月7日00：10,仪控值班人员第一时间通过监控平台发现二制氢机柜间DCS机柜SITOP2故障,及时消除了隐患。

仪控状态监测平台真正地打开仪控设备黑盒子,治疗设备“亚健康”问题,先于工艺发现设备问题及隐患,逐步实现设备的事后维修向预防性、预测性维修的跨越式转变。

7 结束语

作为石化企业数字化先锋队,仪控状态监测平台从架构搭建、数据收集、模块测试,始终遵循信息化、数字化、智能化的原则,以先工艺发现、先工艺排查,第一时间联合工艺消除风险为目的,逐步完成智能仪表设备实时在线状态监控、智能设备报警管理、设备故障诊断等功能,实现对多种仪控状态的实时监控分析,从而能够深挖设备潜在故障,让隐患显示在维护人员面前,达到预知性“提前报警”,实现提前消除隐患的目的。

就目前石油化工企业来说,设备的本质安全、稳定运行是企业生存发展的基础,石化企业全面应用仪控状态监测平台后,石化行业的设备维修水平将会得到全面的提升,各石化企业的故障提前维修率将大幅度提升、装置检修周期将延长,检维修费用和装置开停工的物料损失将会比应用仪控状态监测平台之前大幅度降低,生产过程中的大小安全事故也会大幅度减少,因此,仪控状态监测对于石化企业的长远发展是必不可少的。