一、前言

石化行業(yè)對國民經(jīng)濟的穩(wěn)定運行關(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)濟性。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，如何從設(shè)備運行的大量數(shù)據(jù)中提取有效信息，幫助運維人員提高運維效率，并最終實現(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)備運行狀態(tài)監(jiān)測主要依賴于傳統(tǒng)的DCS單個監(jiān)測點、上下限報警，以及利用人工來對設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行長期地、頻繁地跟蹤，既做不到準(zhǔn)確可靠，又無法滿足對設(shè)備故障監(jiān)測的時效性，從而無法完全保證裝置機組長時間的正常運行，存在機組非計劃停機的隱患。

對于設(shè)備故障本身來說，對于長期連續(xù)運行的機組及其輔助設(shè)備大多數(shù)的故障，它其實是一個長期緩慢的惡化過程，利用傳統(tǒng)的、單點的監(jiān)測已經(jīng)無法滿足設(shè)備實時的、故障提前預(yù)知的要求。

1、DCS監(jiān)控的盲點

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

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

隨著石化行業(yè)對于裝置運行可靠性及設(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)測性運維（PdM - Predictive Maintenance）。

2、設(shè)備運維活動金字塔

裝置設(shè)備的運維活動通常可分為以下幾個層級：

第一級：以設(shè)備可靠性為中心的維護(hù)活動（最上層）。

第二級：預(yù)測性運維：不僅基于設(shè)備測點的現(xiàn)場反饋，并且利用各種大數(shù)據(jù)技術(shù)，對于各測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行的潛在問題，并進(jìn)行預(yù)測，幫助用戶進(jìn)行相關(guān)的運維排產(chǎn)計劃。

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

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

第五級：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，效率低下。一旦設(shè)備發(fā)生故障，除了可能停機造成經(jīng)濟損失外，也存在重大的安全隱患。

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

三、PRISM系統(tǒng)介紹

針對石化行業(yè)設(shè)備運維的發(fā)展需求，施耐德電氣可為用戶提供基于PRISM軟件平臺的設(shè)備運行故障監(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)備的實時運行數(shù)據(jù)同其特有運行模式進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)行為的細(xì)微差異，從而對設(shè)備可能存在的問題進(jìn)行提前預(yù)警，幫助用戶實現(xiàn)設(shè)備的預(yù)測性運維（PdM）。

1、PRISM系統(tǒng)特點

PRISM系統(tǒng)的主要特點包括：

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

不同于以往的各種機理模型，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)備運行的歷史數(shù)據(jù)，建立相關(guān)的設(shè)備模型。通過對比實時運行數(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)行報警。該報警信息將大大提前于傳統(tǒng)DCS（或PLC）系統(tǒng)的上下限報警機制，從而為運維工程師的實時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間。

2）設(shè)備故障分析 – Fault Diagnostics

設(shè)備運行時可能存在各種問題，而測點的信號變化的不同組合，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)觀測到的不同測點的信號變化，幫助用戶分析可能導(dǎo)致故障的具體原因，并根據(jù)每個測點值變化的大小，計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)備的可靠性評級 – Asset Health Rating of Similar Equipments

不同測點反映設(shè)備故障問題的嚴(yán)重性各不相同。在PRISM中，運維工程師可根據(jù)需要，結(jié)合設(shè)備特性，為同類定義相關(guān)測點的權(quán)重，形成該類設(shè)備的權(quán)重測點表單（weighted point value metrics）。利用該預(yù)定義的表單，同時監(jiān)測多臺相似設(shè)備（如多臺水泵、多臺換熱器等），并對一定時間內(nèi)該類設(shè)備的可靠性進(jìn)行評級，從而幫助用戶了解同類設(shè)備的不同運行情況及健康程度。

4）網(wǎng)頁發(fā)布及報警管理 – 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，用戶可以利用網(wǎng)頁，有效的管理PRISM的各類報警，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)備運行故障預(yù)警系統(tǒng)的軟件平臺。以下是幾個典型的PRISM應(yīng)用案例分享。

1、案例研究：法國液化空氣集團

成立于1902年的法國液化空氣集團，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、氮氣、氫氣和其它氣體及相關(guān)的服務(wù)，目前，在七十多個國家擁有約三萬六千名員工。在福布斯2005年的世界500強中，法國液化空氣集團排名第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)研報告，造成其ASU裝置非計劃停車的主要原因為動設(shè)備的機械故障。針對該情況，法液空與2015年，實施一期4套裝置的PRISM試點應(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)備診斷報告，收效顯著。2016年，法液空繼續(xù)開展二期應(yīng)用，針對16套AUS裝置。通過集團軟件采購的方式，購買corporate license，并組建專門的設(shè)備團隊，實現(xiàn)對于裝置核心設(shè)備的監(jiān)控。

下圖為某ASU裝置主壓縮機的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個月時間就對#2級壓縮機的振動進(jìn)行了預(yù)警，為現(xiàn)場的運維爭取了寶貴的時間。

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，運行著14個核電站，總計23個核反應(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，提升工廠運行可靠性，提前發(fā)現(xiàn)問題所在。這一方案要能針對潛在設(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時間，降低25%的計劃外收入損失，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個不同的模型，僅僅在實施PRiSM設(shè)備性能監(jiān)控軟件的兩個月期間，就避免了540,000美元的故障損失。

案例一，PRiSM軟件確認(rèn)有一個冷凝水泵的軸承潤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誤造成的，如果繼續(xù)運行很快就會導(dǎo)致機械故障。如果這個問題沒有被發(fā)現(xiàn)，這一連接器會同時導(dǎo)致馬達(dá)和泵的受損，而替換它們將會需要四至六周的時間。涉及到的替換成本，加急費用以及加班費用總計會在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。

第二個確認(rèn)的重要報警是一個循環(huán)水溫度控制器故障。發(fā)生在主渦輪軸承的一個微小的階躍變化向渦輪振動模型發(fā)出報警，振動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)報警。這一階躍變化是由發(fā)電機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，極易導(dǎo)致渦輪停機事故。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，從而防止了反應(yīng)堆的停機和工廠效益受損。主渦輪的停機會導(dǎo)致長達(dá)24小時的中止發(fā)電，折合約600,000美元，以0.050的故障發(fā)生可能性來計算，這一次報警的潛在收益達(dá)到30,000美元。

第三個案例是一次反應(yīng)堆給水泵(RFP)潤滑油冷卻系統(tǒng)溫度控制器故障。當(dāng)時一個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)運行，這一故障造成一些系統(tǒng)被隔離并瞬時失去電力。在瞬變之后不久，所有三個泵的軸承模型就進(jìn)入報警模式。工廠注意到在隨后的幾天里其中一個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)報警模式。在PRiSM模型給維護(hù)人員發(fā)出報警后，工廠確認(rèn)這一給水泵(RFP)潤滑油冷卻系統(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。同時在24小時內(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、蒸汽輪機、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)電機組總計76個單元。

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。通過給水泵的振動模型，發(fā)現(xiàn)多個軸承的振動步伐在上升，但尚未達(dá)到監(jiān)控傳感器設(shè)定的報警值，但模型顯示振動并非偶發(fā)現(xiàn)象而是呈不斷上升趨勢。在給設(shè)備維護(hù)人員發(fā)出報警后，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，該給水泵的一個連接件墊圈即將失效。通過及時更換避免了高達(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)一步的擴散。

案例三，低壓透平L-0葉片損傷問題。機組在一次停機重啟后，PRiSM模型發(fā)現(xiàn)了其中一個低壓透平的振動異常（但幅度遠(yuǎn)小于控制系統(tǒng)的報警值），在工程師收到相關(guān)報警后，通過對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析，認(rèn)為機組需要停機檢修。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。如果未能及時發(fā)現(xiàn)，將會造成對多級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案例顯示了在設(shè)備性能監(jiān)控系統(tǒng)中運用模式識別技術(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現(xiàn)。 PRiSM軟件自動完成對海量儀表數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析和識別，將超出正常范圍的高價值報警數(shù)據(jù)通知相關(guān)人員，允許工廠工程師花費更少的時間發(fā)現(xiàn)潛在問題，擁有更多時間來主動進(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)備運行故障預(yù)警及監(jiān)控系統(tǒng)，并不會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，運維工程師可以分析從傳感器來的成千上萬的實時數(shù)據(jù)，為運維人員的及時決策提供更多的信息，從而實現(xiàn)各類設(shè)備更高的可靠性、可用性和生產(chǎn)能力。

另外，PRISM平臺可作為設(shè)備運行預(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)測技術(shù)提供的早期報警通知，工廠員工可以有更多時間做出主動決策，不再被動等待問題發(fā)生。裝置人員能夠為需要較長到貨周期的零部件提前下單，在裝置間合理分配負(fù)荷，為計劃維修合理安排時間。PRISM預(yù)測性分析工具也能夠提供各類診斷信息，比如對于異常的原因分析，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：

? 減少裝置非計劃停車時間

? 降低設(shè)備的運維成本

? 提高資產(chǎn)利用率

? 防止設(shè)備故障

? 發(fā)現(xiàn)低效資產(chǎn)

? 延長設(shè)備生命周期

? 提高裝置生產(chǎn)能力