一、前言

石化行業(yè)對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系重大，其設(shè)施建設(shè)投資巨大，設(shè)備系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜，重要的設(shè)備數(shù)量達(dá)到上萬臺(tái)套。這些設(shè)備的可靠性保障著石化企業(yè)裝置的安全性和經(jīng)濟(jì)性。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，如何從設(shè)備運(yùn)行的大量數(shù)據(jù)中提取有效信息，幫助運(yùn)維人員提高運(yùn)維效率，并最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可靠性管理，成為石化行業(yè)關(guān)于智慧工廠的主要研究方向之一。

二、現(xiàn)狀

目前，石油化工行業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要依賴于傳統(tǒng)的DCS單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、上下限報(bào)警，以及利用人工來對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)期地、頻繁地跟蹤，既做不到準(zhǔn)確可靠，又無法滿足對(duì)設(shè)備故障監(jiān)測(cè)的時(shí)效性，從而無法完全保證裝置機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間的正常運(yùn)行，存在機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)的隱患。

對(duì)于設(shè)備故障本身來說，對(duì)于長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的機(jī)組及其輔助設(shè)備大多數(shù)的故障，它其實(shí)是一個(gè)長(zhǎng)期緩慢的惡化過程，利用傳統(tǒng)的、單點(diǎn)的監(jiān)測(cè)已經(jīng)無法滿足設(shè)備實(shí)時(shí)的、故障提前預(yù)知的要求。

1、DCS監(jiān)控的盲點(diǎn)

當(dāng)今的石化行業(yè)各類自動(dòng)化控制系統(tǒng)（如DCS系統(tǒng)等）日益普及，極大提升了企業(yè)運(yùn)行管理的實(shí)時(shí)性與可靠性。然而大多數(shù)廠的DCS系統(tǒng)都側(cè)重于壓縮機(jī)、泵、汽機(jī)、鍋爐等核心設(shè)備，完成機(jī)組基本的運(yùn)行、控制功能，其監(jiān)控的對(duì)象是各設(shè)備過程變量的實(shí)時(shí)值，缺乏對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況變化的分析與預(yù)測(cè)功能。DCS系統(tǒng)對(duì)設(shè)備異常的響應(yīng)多依賴于DCS中預(yù)先設(shè)置的報(bào)警上下限（LL/L/H/HH）及對(duì)應(yīng)連鎖控制機(jī)制。在防止重大故障的同時(shí)，往往已造成設(shè)備或機(jī)組的緊急停車。而在石化行業(yè)，即使是正常的停機(jī)，經(jīng)濟(jì)損失仍然相當(dāng)可觀。

同時(shí)，DCS中各測(cè)點(diǎn)的高低限設(shè)置和連鎖機(jī)制的配置等工作，高度依賴于DCS供應(yīng)商和用戶的工程能力。在工程實(shí)施和系統(tǒng)運(yùn)行期間產(chǎn)生的各種人工疏漏和程序缺陷，即使通過嚴(yán)格測(cè)試也無法完全避免。

隨著石化行業(yè)對(duì)于裝置運(yùn)行可靠性及設(shè)備穩(wěn)定性要求的日益提高，目前DCS傳統(tǒng)的報(bào)警方式越來越不能滿足行業(yè)發(fā)展的要求。因此，石化行業(yè)希望在不增加額外傳感器等硬件的條件下，利用已有的海量數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，來為設(shè)備運(yùn)行維護(hù)提供具有前置性的和前瞻性的保護(hù)措施，及預(yù)測(cè)性運(yùn)維（PdM - Predictive Maintenance）。

2、設(shè)備運(yùn)維活動(dòng)金字塔

裝置設(shè)備的運(yùn)維活動(dòng)通常可分為以下幾個(gè)層級(jí)：

第一級(jí)：以設(shè)備可靠性為中心的維護(hù)活動(dòng)（最上層）。

第二級(jí)：預(yù)測(cè)性運(yùn)維：不僅基于設(shè)備測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)反饋，并且利用各種大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)于各測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的潛在問題，并進(jìn)行預(yù)測(cè)，幫助用戶進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)維排產(chǎn)計(jì)劃。

第三級(jí)：以設(shè)備條件為基礎(chǔ)的運(yùn)維：即生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的定檢/巡檢。

第四級(jí)：周期性運(yùn)維檢修：即發(fā)電廠以年為單位的大修小修。按一定周期，進(jìn)行運(yùn)維活動(dòng)，雖然有一定的計(jì)劃性，但由于不同的設(shè)備使用壽命及運(yùn)維周期均不相同，該層級(jí)的運(yùn)維活動(dòng)效率不是太高。

第五級(jí)：事后維護(hù)（最底層）：即設(shè)備發(fā)生故障后，才進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)活動(dòng)，效率低下。一旦設(shè)備發(fā)生故障，除了可能停機(jī)造成經(jīng)濟(jì)損失外，也存在重大的安全隱患。

目前石化企業(yè)的運(yùn)維活動(dòng)主要處于第五級(jí)至第三級(jí)之間（被動(dòng)維護(hù)/預(yù)防性維護(hù)）。如何利用現(xiàn)有設(shè)備測(cè)點(diǎn)提供的各種數(shù)據(jù)，結(jié)合先進(jìn)的大數(shù)據(jù)技術(shù)，提高企業(yè)的運(yùn)維活動(dòng)效率，提高設(shè)備的可靠性，去除安全隱患，是整個(gè)石化行業(yè)面臨的重要命題。

三、PRISM系統(tǒng)介紹

針對(duì)石化行業(yè)設(shè)備運(yùn)維的發(fā)展需求，施耐德電氣可為用戶提供基于PRISM軟件平臺(tái)的設(shè)備運(yùn)行故障監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用PRISM特有的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)（APR技術(shù)），把設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)同其特有運(yùn)行模式進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)行為的細(xì)微差異，從而對(duì)設(shè)備可能存在的問題進(jìn)行提前預(yù)警，幫助用戶實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)測(cè)性運(yùn)維（PdM）。

1、PRISM系統(tǒng)特點(diǎn)

PRISM系統(tǒng)的主要特點(diǎn)包括：

1）大數(shù)據(jù)建模及閾值設(shè)定的報(bào)警機(jī)制 – APR Model and Threshold Config.

不同于以往的各種機(jī)理模型，PRISM系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)（APR技術(shù)），根據(jù)設(shè)備運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，建立相關(guān)的設(shè)備模型。通過對(duì)比實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和設(shè)備模型的差異（delta = real_time_value – model_predicte_value）及相關(guān)的閾值設(shè)定，進(jìn)行報(bào)警。該報(bào)警信息將大大提前于傳統(tǒng)DCS（或PLC）系統(tǒng)的上下限報(bào)警機(jī)制，從而為運(yùn)維工程師的實(shí)時(shí)決策提供更多的信息，并為分析問題、解決問題贏得更多的時(shí)間。

2）設(shè)備故障分析 – Fault Diagnostics

設(shè)備運(yùn)行時(shí)可能存在各種問題，而測(cè)點(diǎn)的信號(hào)變化的不同組合，則能反映導(dǎo)致設(shè)備故障的不同原因。如汽機(jī)的軸溫升高問題（見下表）。

PRISM系統(tǒng)可為使用人員提供Fault Diagnostics功能，即根據(jù)觀測(cè)到的不同測(cè)點(diǎn)的信號(hào)變化，幫助用戶分析可能導(dǎo)致故障的具體原因，并根據(jù)每個(gè)測(cè)點(diǎn)值變化的大小，計(jì)算各種故障原因的可能性，從而幫助用戶快速鎖定潛在設(shè)備問題。

3）同類設(shè)備的可靠性評(píng)級(jí) – Asset Health Rating of Similar Equipments

不同測(cè)點(diǎn)反映設(shè)備故障問題的嚴(yán)重性各不相同。在PRISM中，運(yùn)維工程師可根據(jù)需要，結(jié)合設(shè)備特性，為同類定義相關(guān)測(cè)點(diǎn)的權(quán)重，形成該類設(shè)備的權(quán)重測(cè)點(diǎn)表單（weighted point value metrics）。利用該預(yù)定義的表單，同時(shí)監(jiān)測(cè)多臺(tái)相似設(shè)備（如多臺(tái)水泵、多臺(tái)換熱器等），并對(duì)一定時(shí)間內(nèi)該類設(shè)備的可靠性進(jìn)行評(píng)級(jí)，從而幫助用戶了解同類設(shè)備的不同運(yùn)行情況及健康程度。

4）網(wǎng)頁發(fā)布及報(bào)警管理 – Web Server and Alarm Management

PRISM可提供網(wǎng)頁服務(wù)器，即用戶可通過瀏覽器訪問PRISM服務(wù)器，并進(jìn)行相關(guān)的操作。

同時(shí)，用戶可以利用網(wǎng)頁，有效的管理PRISM的各類報(bào)警，大大提高新系統(tǒng)的使用效率。

2、PRISM系統(tǒng)架構(gòu)

PRISM系統(tǒng)的架構(gòu)如下圖所示。

各不同節(jié)點(diǎn)的主要作用見下表。

四、企業(yè)應(yīng)用案例

全球范圍內(nèi)，眾多大型公司已經(jīng)選擇PRISM作為其設(shè)備運(yùn)行故障預(yù)警系統(tǒng)的軟件平臺(tái)。以下是幾個(gè)典型的PRISM應(yīng)用案例分享。

1、案例研究：法國液化空氣集團(tuán)

成立于1902年的法國液化空氣集團(tuán)，是世界上最大的工業(yè)氣體和醫(yī)療氣體以及相關(guān)服務(wù)的供應(yīng)商，2005年的銷售額達(dá)到104億歐元。法液空向眾多的行業(yè)提供氧氣、氮?dú)狻錃夂推渌鼩怏w及相關(guān)的服務(wù)，目前，在七十多個(gè)國家擁有約三萬六千名員工。在福布斯2005年的世界500強(qiáng)中，法國液化空氣集團(tuán)排名第354 位，穩(wěn)踞氣體行業(yè)榜首。

2014年，根據(jù)法液空研發(fā)部門的調(diào)研報(bào)告，造成其ASU裝置非計(jì)劃停車的主要原因?yàn)閯?dòng)設(shè)備的機(jī)械故障。針對(duì)該情況，法液空與2015年，實(shí)施一期4套裝置的PRISM試點(diǎn)應(yīng)用。在一期應(yīng)用中，法液空主要通過SaaS方式，即將數(shù)據(jù)傳至施耐德美國的PRISM監(jiān)控中心，由中心的設(shè)備專家進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并定期提交設(shè)備診斷報(bào)告，收效顯著。2016年，法液空繼續(xù)開展二期應(yīng)用，針對(duì)16套AUS裝置。通過集團(tuán)軟件采購的方式，購買corporate license，并組建專門的設(shè)備團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于裝置核心設(shè)備的監(jiān)控。

下圖為某ASU裝置主壓縮機(jī)的PRISM預(yù)警。如圖所示，在DCS系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常前，PRISM提前約1個(gè)月時(shí)間就對(duì)#2級(jí)壓縮機(jī)的振動(dòng)進(jìn)行了預(yù)警，為現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)維爭(zhēng)取了寶貴的時(shí)間。

2、案例研究：美國愛克斯龍電力公司

愛克斯龍電力公司是美國最大的核能發(fā)電商，擁有世界第三大的核電規(guī)模，運(yùn)行著14個(gè)核電站，總計(jì)23個(gè)核反應(yīng)堆。公司擁有超過34,700MW的清潔低碳電力生產(chǎn)能力，約占全美總的核電生產(chǎn)能力的20%。

愛克斯龍電力公司的工程人員意識(shí)到公司需要一套解決方案，幫助他們做出更好的知情決策，提升工廠運(yùn)行可靠性，提前發(fā)現(xiàn)問題所在。這一方案要能針對(duì)潛在設(shè)備故障提供早期設(shè)別能力，以幫助他們阻止工廠的各種氣體和液體的泄漏，提升工廠的核與放射性安全。愛克斯龍電力公司確定使用先進(jìn)的模式匹配軟件能幫助減少停機(jī)時(shí)間，降低25%的計(jì)劃外收入損失，而且無需增加員工負(fù)擔(dān)或是聘用新的員工。

愛克斯龍電力公司基于PRiSM開發(fā)了500個(gè)不同的模型，僅僅在實(shí)施PRiSM設(shè)備性能監(jiān)控軟件的兩個(gè)月期間，就避免了540,000美元的故障損失。

案例一，PRiSM軟件確認(rèn)有一個(gè)冷凝水泵的軸承潤(rùn)滑油溫度超出了模型所定義的正常范圍，這是由于連接器組裝錯(cuò)誤造成的，如果繼續(xù)運(yùn)行很快就會(huì)導(dǎo)致機(jī)械故障。如果這個(gè)問題沒有被發(fā)現(xiàn)，這一連接器會(huì)同時(shí)導(dǎo)致馬達(dá)和泵的受損，而替換它們將會(huì)需要四至六周的時(shí)間。涉及到的替換成本，加急費(fèi)用以及加班費(fèi)用總計(jì)會(huì)在700,000美元左右，這一發(fā)生的概率在0.70左右，即可能發(fā)生的成本在490,000美元。

第二個(gè)確認(rèn)的重要報(bào)警是一個(gè)循環(huán)水溫度控制器故障。發(fā)生在主渦輪軸承的一個(gè)微小的階躍變化向渦輪振動(dòng)模型發(fā)出報(bào)警，振動(dòng)程度本身并不足以在任何普通的工廠監(jiān)控系統(tǒng)(DCS或SCADA)中引發(fā)報(bào)警。這一階躍變化是由發(fā)電機(jī)氫氣溫度的變化所導(dǎo)致，氫氣是由氫冷器進(jìn)行冷卻，氫冷器的冷卻水來自循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。循環(huán)水溫度的大幅波動(dòng)，極易導(dǎo)致渦輪停機(jī)事故。這一由軟件發(fā)現(xiàn)的異常情況可能幫助阻止了一次渦輪停機(jī)，從而防止了反應(yīng)堆的停機(jī)和工廠效益受損。主渦輪的停機(jī)會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)達(dá)24小時(shí)的中止發(fā)電，折合約600,000美元，以0.050的故障發(fā)生可能性來計(jì)算，這一次報(bào)警的潛在收益達(dá)到30,000美元。

第三個(gè)案例是一次反應(yīng)堆給水泵(RFP)潤(rùn)滑油冷卻系統(tǒng)溫度控制器故障。當(dāng)時(shí)一個(gè)核電裝置正從一次由變壓器故障誘發(fā)的電壓瞬變中恢復(fù)運(yùn)行，這一故障造成一些系統(tǒng)被隔離并瞬時(shí)失去電力。在瞬變之后不久，所有三個(gè)泵的軸承模型就進(jìn)入報(bào)警模式。工廠注意到在隨后的幾天里其中一個(gè)控制器并未從初始的瞬變中回復(fù)正常，而是明顯進(jìn)入了循環(huán)報(bào)警模式。在PRiSM模型給維護(hù)人員發(fā)出報(bào)警后，工廠確認(rèn)這一給水泵(RFP)潤(rùn)滑油冷卻系統(tǒng)溫度控制器已經(jīng)發(fā)生故障，并通過人工實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定控制直到失效的控制器被替換。在最嚴(yán)重的情況下，這一故障會(huì)導(dǎo)致軸承由于快速過熱而損壞，從而造成給水泵故障。故障的損失大約在100,000美元，發(fā)生可能性系數(shù)為0.10。同時(shí)在24小時(shí)內(nèi)損失33%的發(fā)電能力，約合200,000美元，以0.050的可能性系數(shù)計(jì)算，約為20,000美元。

3、案例研究：美國南方電力公司

美國南方電力公司（Southern Company）是一家位于美國南方的電力控股公司。是世界排名第十六大電力公司，在美國排名第四。通過在阿拉巴馬、佐治亞、佛羅里達(dá)和密西西比四個(gè)州下屬的電力公司，其擁有的總發(fā)電量已經(jīng)超過4萬2千兆瓦，用戶總數(shù)達(dá)到430萬。南方電力公司的電力覆蓋面積總和約有31萬平方公里，輸電線總長(zhǎng)度4萬3千多公里。

南方電力公司采用Avantis PRiSM系統(tǒng)共建立了2200組設(shè)備模型，包含了所有主要的設(shè)備如：燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、變壓器、各類泵設(shè)備等，監(jiān)控它的所有天然氣和燃煤發(fā)電機(jī)組總計(jì)76個(gè)單元。

僅在2013年，通過應(yīng)用PRiSM，南方電力公司在性能和效率上的收益就達(dá)到4,500,000美元

案例一，鍋爐給水泵(BFP)連接件墊圈問題。通過給水泵的振動(dòng)模型，發(fā)現(xiàn)多個(gè)軸承的振動(dòng)步伐在上升，但尚未達(dá)到監(jiān)控傳感器設(shè)定的報(bào)警值，但模型顯示振動(dòng)并非偶發(fā)現(xiàn)象而是呈不斷上升趨勢(shì)。在給設(shè)備維護(hù)人員發(fā)出報(bào)警后，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，該給水泵的一個(gè)連接件墊圈即將失效。通過及時(shí)更換避免了高達(dá)260,000美元的損失。

案例二，渦輪軸承油溫異常問題。在渦輪啟動(dòng)前期，尚處于盤車裝置工作期間（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于12PRM），PRiSM模型發(fā)現(xiàn)了軸承油溫度高于常規(guī)值，在通知操作人員后，對(duì)冷卻裝置做出了調(diào)整以降低溫度，避免了軸承的損傷和進(jìn)一步的擴(kuò)散。

案例三，低壓透平L-0葉片損傷問題。機(jī)組在一次停機(jī)重啟后，PRiSM模型發(fā)現(xiàn)了其中一個(gè)低壓透平的振動(dòng)異常（但幅度遠(yuǎn)小于控制系統(tǒng)的報(bào)警值），在工程師收到相關(guān)報(bào)警后，通過對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析，認(rèn)為機(jī)組需要停機(jī)檢修。在檢修中發(fā)現(xiàn)透平的下半部分導(dǎo)流襯套的螺栓脫落導(dǎo)致襯套與轉(zhuǎn)子的L-0葉片發(fā)生接觸，造成葉片損傷。如果未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將會(huì)造成對(duì)多級(jí)葉片損傷甚至葉片脫落，損失不可估量。這次提前預(yù)警避免了高達(dá)4,100,000美元的損失。

以上這些來自不同用戶的真實(shí)案例顯示了在設(shè)備性能監(jiān)控系統(tǒng)中運(yùn)用模式識(shí)別技術(shù)，為迫近的故障提供早期警告，支持了電廠設(shè)備可靠性管理過程的應(yīng)用。沒有模式匹配功能，這一能力可能就無法實(shí)現(xiàn)。 PRiSM軟件自動(dòng)完成對(duì)海量?jī)x表數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析和識(shí)別，將超出正常范圍的高價(jià)值報(bào)警數(shù)據(jù)通知相關(guān)人員，允許工廠工程師花費(fèi)更少的時(shí)間發(fā)現(xiàn)潛在問題，擁有更多時(shí)間來主動(dòng)進(jìn)行維護(hù)規(guī)劃，提升設(shè)備的可靠性。

五、小結(jié)

基于PRISM的設(shè)備運(yùn)行故障預(yù)警及監(jiān)控系統(tǒng)，并不會(huì)取代工程師或是人工決策，而是幫助工程師和其它工廠人員更有效地工作。有了PRISM軟件的幫助，運(yùn)維工程師可以分析從傳感器來的成千上萬的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為運(yùn)維人員的及時(shí)決策提供更多的信息，從而實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備更高的可靠性、可用性和生產(chǎn)能力。

另外，PRISM平臺(tái)可作為設(shè)備運(yùn)行預(yù)警系統(tǒng)，可無縫的植入裝置現(xiàn)有的可靠性管理流程中。由于PRISM預(yù)測(cè)技術(shù)提供的早期報(bào)警通知，工廠員工可以有更多時(shí)間做出主動(dòng)決策，不再被動(dòng)等待問題發(fā)生。裝置人員能夠?yàn)樾枰^長(zhǎng)到貨周期的零部件提前下單，在裝置間合理分配負(fù)荷，為計(jì)劃維修合理安排時(shí)間。PRISM預(yù)測(cè)性分析工具也能夠提供各類診斷信息，比如對(duì)于異常的原因分析，是否源自傳感器故障、無效數(shù)據(jù)、環(huán)境因素、機(jī)械問題或是其他可能的因素。

以下是上線PRISM系統(tǒng)可為用戶帶來的典型效益：

? 減少裝置非計(jì)劃停車時(shí)間

? 降低設(shè)備的運(yùn)維成本

? 提高資產(chǎn)利用率

? 防止設(shè)備故障

? 發(fā)現(xiàn)低效資產(chǎn)

? 延長(zhǎng)設(shè)備生命周期

? 提高裝置生產(chǎn)能力