过程设备监测预警-ECM

1、过程监测、预测和预警过程监测、预测和预警 （Process Performance Monitoring and Predicting） -先进的实时数据分析系统 北京星步科技发展有限责任公司北京星步科技发展有限责任公司 项目主要通过引进加拿大Matrikon公司先进的PPM (Process Performance Monitoring and Predicting) 设备状态监测预警平台，对高温、高压、长周期运转的 设备进行动态监测，实现对非正常工况的预测预警，从 而达到装置平稳操作、避免非计划停车，长周期安全运 行的目的。 石油石化属易燃易爆、有毒有害、高温高压的高危行业；石油石化属易燃

2、易爆、有毒有害、高温高压的高危行业； 装置复杂，生产任务繁重，迫切需要引进和建立更加高效有力装置复杂，生产任务繁重，迫切需要引进和建立更加高效有力 的预测预警平台，通过对现有数据资源进行进一步分析、优化、的预测预警平台，通过对现有数据资源进行进一步分析、优化、 整合，更好地在预测预警管理方面发挥作用，达到装置安稳长整合，更好地在预测预警管理方面发挥作用，达到装置安稳长 运行的目的。运行的目的。 石化企业广泛采用了石化企业广泛采用了DCSDCS、PLCPLC以及实时数据库系统，在保障安全、平稳生以及实时数据库系统，在保障安全、平稳生 产中发挥了重要作用，但这些报警系统只停留在对观测点实施超限报警

3、的产中发挥了重要作用，但这些报警系统只停留在对观测点实施超限报警的 水平，无法对生产装置的整体运行状态的扰动进行前瞻性监测和预警，因水平，无法对生产装置的整体运行状态的扰动进行前瞻性监测和预警，因 此此DCSDCS、PLCPLC等监控系统存在很大的局限性。等监控系统存在很大的局限性。 这些报警系统也存在自身固有的弱点这些报警系统也存在自身固有的弱点, ,以以DCSDCS报警系统为例报警系统为例: : 一是一是从发出报警到发生事故的时间差很小，通常为几分钟到几小时；从发出报警到发生事故的时间差很小，通常为几分钟到几小时； 二是二是报警发生频率很高，超出操作人员的报警处理能力。报警发生频率很高，超

4、出操作人员的报警处理能力。 ISAISA（美国仪器仪表协会）的（美国仪器仪表协会）的ISA18.02ISA18.02标准中规定操作人员能够响应的标准中规定操作人员能够响应的1010分钟分钟 内平均报警次数为内平均报警次数为1 1，而实际的工业统计数多大于，而实际的工业统计数多大于6 6，特别是当生产装置出现扰，特别是当生产装置出现扰 动和紊乱时，报警次数迅速增加。如果每动和紊乱时，报警次数迅速增加。如果每1010分钟的报警次数超过分钟的报警次数超过3030，持续时间，持续时间 从几分钟到几小时不等，这种情况就被称为报警泛滥，此时操作人员往往会惊从几分钟到几小时不等，这种情况就被称为报警泛滥，此

5、时操作人员往往会惊 恐不安、无所适从，事故也就乘虚而入。恐不安、无所适从，事故也就乘虚而入。 建设预测预警系统，可充分利用现有的DCS、PLC等系统的数据资 源，用先进的数学方法对这些数据进行分析、建立有关工艺中关 键设备、压缩机、塔器等的预测预警模型，建立各重要设备和塔 器从数据源到数据预处理、数据分析、检测结果展示和预警信息 发布数据处理的流程，实现对生产工艺过程的实时监控和预测预 警。该平台可在系统出现紊乱和扰动之前检测出异常征兆，及时 将预警信息发送给相关管理和指挥人员。生产管理人员以及一线 生产人员根据相关信息可以及时采取措施避免异常工况演变成装 置运行的扰动和紊乱，从而避免事故的发

6、生。 正常 过程优化 （重要） 偏离正常 （轻微扰动） 生产平稳 (很重要) 不正常 （扰动） 设备损坏 (紧迫) 事故 停工 安全和环境 (紧急) 原料消耗增加原料消耗增加 泄漏问题泄漏问题 能耗大能耗大 磨损增加磨损增加 设备损坏设备损坏 人员伤人员伤/ /亡亡 紧急停车系统切入紧急停车系统切入 环境污染环境污染 不良控制不良控制 能耗增加能耗增加 工厂状态 操作优先级 报警系统开始发出超限报警报警系统开始发出超限报警 距离事故发生有几分钟到几十距离事故发生有几分钟到几十 分钟时间差分钟时间差 预测预警系统可以提前几小时乃至几天发出运预测预警系统可以提前几小时乃至几天发出运 行状态偏离正常

7、的预警行状态偏离正常的预警 可以避免因运行紊乱导致可以避免因运行紊乱导致DCSDCS报警系统性能下报警系统性能下 降乃至出现重大事故的隐患降乃至出现重大事故的隐患 故障类型故障类型 过程参数变化引起过程参数变化引起 “参数故障参数故障” 生产设备引起的生产设备引起的 “结构故障结构故障” 误操作引起的误操作引起的 故障故障 控制系统故障控制系统故障 外界特殊扰动引起外界特殊扰动引起 故障故障 “硬故障”，导致局部 或整个装置设备停车， 甚至发生严重事故 “软故障”，导致产品 质量的下降或者增加各 种能耗，使装置的工作 状态偏离最优区间 通过对软故障的监测可 以实现硬故障的早期预 测预警 过程工

8、业的应用软件和数据源 企业运行企业运行非实时应用和数据源实时应用和实时数据源 生 产 管 理 计划管理生产计划和调度、油品调和管理、产生产计划和调度、油品调和管理、产 品规格指标管理、原油评价品规格指标管理、原油评价 物料管理油罐库存管理、物料移动管理、装置油罐库存管理、物料移动管理、装置 运行管理、实验室信息管理、原料和运行管理、实验室信息管理、原料和 产品输运管理、物料跟踪产品输运管理、物料跟踪 统计核算物料平衡和数据整定、产率统计、生物料平衡和数据整定、产率统计、生 产统计产统计 运行管理KPIKPI管理和展示、所罗门（管理和展示、所罗门（SolomonSolomon） 指数、环境保护指

9、数、环境保护 操作优化操作日志、操作文档索引操作日志、操作文档索引过程实时监测预测预警过程实时监测预测预警、报警和事件、报警和事件 管理、管理、MPCMPC、在线优化在线优化 资产性能和使用效率设备检测、设备维护计划、备品备件、设备检测、设备维护计划、备品备件、 仪表管理、设备规格指标管理仪表管理、设备规格指标管理 设备状态实时监测预测预警设备状态实时监测预测预警 数据源计划数据、计划数据、ERPERP、LIMSLIMS、财务、生产统财务、生产统 计数据、等等计数据、等等 DCSDCS、PLCPLC、实时数据库等实时数据库等 过程监测、预测和预警所处的位置过程监测、预测和预警所处的位置 Tg1

10、 Tg2 Tg3 . Tg n V1t1 V2t1 V3t1 Vnt1 V1t2 V2t2 V3t2 Vnt2 . . . . . . V1tm V2tm V3tm Vntm 实际上，加工过程连续产生海量实时数据， 如何通过数据分析，预测过程运行是否偏离 正常工况，已成为当务之急 依据现有硬件以及监测点位，以现有DCS、SCADA控制系统数据 资源为基础，结合装置生产特点，建立分析监测预警模型，实现对 在DCS、SCADA环境下无法直接监测的装置隐含变量、状态以及运行 趋势的监测功能，达到对装置生产安全状态预测预警的目标。 在问题出现前期、早期发现，并通过调节运行参数来弥补某一 参数不正常所带

11、来的影响，减少停车次数，并避免小问题由于没有 及时有效解决而转变成大问题。 致力于集成化的工业智能软件和服务的全球性公司 有18年历史的加拿大上市公司，为油气、石化、电力、采 矿等行业提供实时应用、数据集成、及各个专业应用软件 和技术服务 应用的业务领域主要是过程企业生产及设备维护，特别是 生产监测和预警。 Proven Success Went from thousands of alarms per day to a few dozen Reduced alarms by 70% in just 4 weeks! Reduced alarms 70%, investment of 1hr/

12、week for 6 months Reduced standing alarms 50% and nuisance alarms 60% “Over 50 people using ProcessGuard for alarm management” 70% reduction in alarms within 4 weeks “ProcessGuard with OSI PI is very useful for diagnosing incidents” 主要客户 石油和天然气 BP ISIS，Shell 、Valero Refining， Inc.、Air Products & Che

13、micals、Petroleum Company LLC、Sasol Chemicals、Tesoro、 PetrotecQatar、SyncrudeCanada Ltd.、ChevronPhillips、 Chemical Co.、ConocoPhillips、NexenPetroleum UK Ltd、UOP - Universal Oil Products、 Aramco、 Dow Chemicals、 Mitsubishi Chemical Corp Husky Energy 油井监控 业务包括监控钻井井泵、天然气节涌、抛砂等。 电力 Meridian Energy PAM 变压器、控

14、制器、涡轮。 Southern Company 涡轮 水加热器 冷凝器、节能装置 主要客户 美洲一个大炼油厂将ECM用于加氢裂化、重 整、烷基化等炼油装置； 美国HOVIC的Hovensa炼油厂，日原油加工 量为50万桶，该炼油厂将ECM用于原油蒸 馏塔、FCC反应器、再生器、主分馏塔、吸 收/稳定、及脱戊烷塔的监测和维护； Marathon Ashland 的Robinson炼油厂用 ECM监测其多个分馏装置等。 国内主要客户 中石油乌石化公司炼油厂加氢裂化装置 中石化湖北化肥分公司煤气化装置 中石油西南油气田分公司重庆天然气净化 总厂长寿分厂 采 用 P P M 一是一是通过对装置生产流程

15、以及流程历史数据的分析，建立生产流程的状态通过对装置生产流程以及流程历史数据的分析，建立生产流程的状态 趋势模型，对非正常工况做出预警判断。发现装置在传统趋势模型，对非正常工况做出预警判断。发现装置在传统DCSDCS报警系统无报警系统无 法发现的流程系统出现紊乱的迹象，提前做出预警判断和提示，减少非正法发现的流程系统出现紊乱的迹象，提前做出预警判断和提示，减少非正 常工况的发生。常工况的发生。 二是二是采用组态模式进行开发，可以方便灵活的利用采用组态模式进行开发，可以方便灵活的利用MATLIBMATLIB、C+C+、VBVB、R R等等 其他工具开发的模型进行扩展。其他工具开发的模型进行扩展。

16、 三是三是采用集成化的图形展示手段，可以集中显示所有监控设备的运行状态。采用集成化的图形展示手段，可以集中显示所有监控设备的运行状态。 四是四是系统的设计采用组件化模式，可以方便连接各种现场数据源（系统的设计采用组件化模式，可以方便连接各种现场数据源（DCSDCS、 PLCPLC、SCADASCADA、LIMSLIMS数据库），可以灵活地与其他系统实现集成。数据库），可以灵活地与其他系统实现集成。 过程监测、预测预报的要点过程监测、预测预报的要点 连接数据源连接数据源: :DCS、PLC、实时数据库、润滑油分析数据、振动数据等等实时数据库、润滑油分析数据、振动数据等等 实时数据预处理实时数据预

17、处理 数据分析（故障诊断）方法数据分析（故障诊断）方法 基于规则的故障诊断：基于规则的故障诊断：如压缩机的工作曲线、KPI 多元统计分析：多元统计分析：如PCA、PLS 用正常工况实时数据用正常工况实时数据“训练训练”预测模型预测模型( (称为统计模型）称为统计模型） 将当前实时数据同预测模型对比，实现状态预报将当前实时数据同预测模型对比，实现状态预报 使用过程动力学模型使用过程动力学模型 软件容易操作：采用鼠标操作软件容易操作：采用鼠标操作 数据展示清晰数据展示清晰 预警通告：预警通告：通过Email、手机通告，并不断升级 同设备维护软件（如同设备维护软件（如Maximo、SAP）集成）集成

18、 过程监测预警平台的特点过程监测预警平台的特点 平台独立性平台独立性 - 可连到所有工业数据源可连到所有工业数据源，包括，包括DCS、PLC、历史数据库、关系历史数据库、关系 数据库、文本文件、其它软件等数据源数据库、文本文件、其它软件等数据源 容易使用容易使用 - 类似于矢量图绘制软件（类似于矢量图绘制软件（VISIO的基于目标的的基于目标的 拖放拖放式接口，无式接口，无 需需 程序员编程程序员编程) 客户客户/服务器结构服务器结构 - 支持多用户同多个不同数据源的连接支持多用户同多个不同数据源的连接 分析模式分析模式 -支持离线、调度、和事件驱动分析支持离线、调度、和事件驱动分析 内置各种

19、工具供用户选用以适合具体业务环境内置各种工具供用户选用以适合具体业务环境 嵌入数学方法库、嵌入数学方法库、MVS(Math Visualization System)、6 SIGMA 函数函数 MatLab及有关工具（如及有关工具（如Fuzzy、NN神经元网络等等神经元网络等等) COM组件对象模型接口支持组件对象模型接口支持VB、Java、C、C+ 等程序语言等程序语言 监测模版监测模版 WEB 报表报表 客户化的报表；可通过电子邮件或客户化的报表；可通过电子邮件或WEB浏览器提交或阅览报表浏览器提交或阅览报表 Connectivity Foxboro Honeywell TDC3000 A

20、BB Advant/Mod300 ABB Bailey Siemens Moore Yokogawa DeltaV Fisher Provox & RS/3 Westinghouse DCSsHMIsHistorians Intellution iFix Wonderware Citect RSView GE Cimplicity 过程监测预警平台可连接各种过程监测预警平台可连接各种DCS, HMI, PLC, 和历史数据库，如：和历史数据库，如： AspenTech IP.21 Honeywell PHD OSISoft PI Yokogawa Exaquantum Any OPC-comp

21、liant process historian Allen Bradley Modicon GE Siemens PLCs 过程监测预警系统结构过程监测预警系统结构 PPM应用服务器应用服务器 客户机连接，服务器客户机连接，服务器 配置，数据处理流程配置，数据处理流程 配置等配置等 WEB 客户机客户机: 报表显示报表显示 DCS or PLC Data Historian PI, IP/21, AIM*, PHD ODBC, JDBC Text WEB 服务器服务器: 报表存储报表存储 数据源数据源 运行运行KPI指标指标 装置运行安全装置运行安全 因子因子 运行运行 数据数据 装置运行 安

22、全分析 数据库 运行安全状况展示平台 其他 管理 系统 装置运行安全分析模型 设备运行安全分析模型 MESMES系统系统 装置运行实时装置运行实时 数据数据 MESMES系统系统 装置运行历史装置运行历史 数据库数据库 分析分析 结果结果 分析分析 结果结果 运行运行 数据数据 分析分析 数据数据 分析模型设计平台PPM Designer 在线数据分析服务器 系统配置管理 WEB展示平台 PPM Designer 通用连接性 鼠标拖放配置环境 支持预先内置的目标模板 执行预定的数据分析步骤 内置过程设备模型模板举例内置过程设备模型模板举例 Gas Turbine 气体涡轮 Steam Turb

23、ine 蒸汽涡轮 Condensers 冷凝器 Deaerators 脱气器 Economizer 节能器 Transformers 变压器 Breakers 断路器 Compressors 压缩机 Heat Exchangers热交换器 Chillers 冷却器 Dryers 干燥器 Pumps 泵 Motors 电动机 Generators 发电机 Chemical Reactors 化学反应器 Fired Heaters 燃烧加热炉 Distillation Columns 蒸馏塔 Emission Stacks 尾气排放 数据连接模块 数据预处理模块 数据取样模块 数据同步清理模块 M

24、atLAB扩展模块 COM扩展模块 PCA多元统计分析模块 PLS偏最小二乘回归模块 模块化灵活组态模块化灵活组态 各种数据源接入各种数据源接入 数据预处理数据预处理 数据分析方法数据分析方法 MATLABMATLAB扩展扩展 C C、C+C+、VBVB扩展扩展 数据相关性分析 用颜色将复杂数 据集合中的相关 性标识出来 方块大小方块大小: : 装置设备重要程度装置设备重要程度 颜色颜色: : 预测预警结果预测预警结果 采用TreeMap集成显示所有监测设备 使用多元分析统计方法直观展示装置设备运行状态是否处在安 全或异常状态区域 采用PCA模型描述状态设备运行状态，通过相关分析反应影响状态

25、的主要因素 -8-6-4-20246 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 1 2 34 5 6 7 8 9 10 11 12 131415 16 17 18 19 2021 22 23 24 25 26 272829 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 5556 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 7677 78 79 80 81 82 83 84 85 86 8788 89 90 91 92 Pro

26、cess upset Region of in control Ellipse: Hotelling T2PS (0.05) Simca-P3.0byUmetriAB1996-05-0917:12 PROCUnTitled Scores M2.tPS1 / M2.tPS2 tPS2 tPS1 通过PLS模型计算出的关键指标并同实测相比较，预工况是否 偏离正常 流速 实测实测 计算计算 开始偏离正常开始偏离正常 温度，温度，C C 采样时间序列采样时间序列 推理模型 软仪表 利用日常过程操作数 据推算出的难以测定 的量值 可以独立展示重点装置设备的KPI运行指标 针对装置运行状况可以提供操作处理

27、的提示信息 气体压缩机运行状态监测气体压缩机运行状态监测 l 压缩机是昂贵设备 l 在事故发生或不得不强制停工前就采用预防性维护可以减少损失 l 通常是轴承发生问题 l 可以用偏最小二乘（PLS）和主组分分析（PCA）根据实时数据建立 压缩机工作模型 l 模型采用的过程变量为：吸入和流出的压力和温度、流速、再循环 阀、功率和速度、轴承温度、气体组成 l 数据要经过清洁处理，去掉不好的数据点，包括：缺失数据、噪音 大（大于3倍标准偏差）、仪表错误等 l 根据压缩机工作曲线数据相关性分析 l数据相关性分析 多变压头系数多变压头系数 蜗杆的曲径式密封轴承蜗杆的曲径式密封轴承 根据压缩机工作曲线监测压

28、缩机工作状态根据压缩机工作曲线监测压缩机工作状态 压缩机工况变量相关性分析压缩机工况变量相关性分析 过程状态的主因子分析过程状态的主因子分析（PCA） 通过通过PLS模型计算出的压缩机轴承温度同实测温度的比较模型计算出的压缩机轴承温度同实测温度的比较 预测压缩机工况是否偏离正常预测压缩机工况是否偏离正常 加氢裂化反应器是炼油厂比较重要的设备，操作不当引起 反应器飞温将带来重大的损失。 本案例选用了反应器36个变量，486个点的数据。 370点时，单参数都在正常范围之内，但反应器已经偏离 正常状态 470点反应器飞温发生，每个参数都急剧变化 加氢裂化反应器的的监测预警 370点时，反应 器偏离正

29、常状态、 但单参数都在正 常范围之内 480点时反应器 飞温，每个参 数都急剧变化 370点时，反应 器偏离正常状态 反应器监测预警 煤气化装置 设备及位号设备名称分析模式 V1301/02/03气化炉PCA+PLS F-1101A/B惰性气体发生器PCA S-1103A/B粉煤过滤器PCA V-1205-Z1-4粉煤给料罐通气锥PCA V-1501-Z飞灰收集罐通气锥PCA V-1502-Z飞灰放料罐通气锥PCA V-1504-ZA/B飞灰卸料冷却罐通气锥PCA S-1501高温高压过滤器PCA V-1205A/B粉煤给料罐PCA V-1304汽包PCA V-1401渣池PCA V-1402

30、收集罐PCA V-1403渣放料罐PCA V-1502飞灰放料罐PCA V-1504A/B飞灰卸料冷却罐PCA U2701旋膜除氧器PCA V-1201A/B粉煤储罐PCA K-1301循环气压缩机PCA+PLS K3001反吹气压缩机PCA 气化炉 目前13TI9001、13TI9002、13TI9003三个测量 点的温度不是太精确，如要通过仪表测量方式实 现可靠准度，成本太高，而且也没有对这三个关 键部位的热含量和热比情况未曾有计算和监控， 通过预警系统的V1301模型，利用PLS统计学原理， 通过对气化炉的相关工艺分析，通过工艺参数组 合，实现对温度的预测、已及相关温度点的热含 量和热比

31、进行计算跟踪，可以通过查看预测温度 和实际温度的趋势，监控是否发生偏离，提示工 艺是否发生异常或扰动。 概览图 报表展示中的设备运行状态图，方便直观 地查看气化装置监测设备中有可能运行异 常的的设备 故障检测视图 定位引起当前设备工艺异常的主要原因的 三个工位号参数，按贡献值大小顺序排列 冷高分（D105） 热高分（D103） 加热炉（F101） 反应器(R101) 反应器(R102) 反应进料泵（P-102A） 反应进料泵（P-102B） 新氢压缩机（K-101A） 新氢压缩机（K-101B） 新氢压缩机（K-101C） 循环氢压缩机（K-102） 高压换热器（E101） 高压换热器（E10

32、2） 高压换热器（E103） 乌石化安全预警系统项目 模型建立 七大类 14台设备 加热炉的实时状态监测 炉管状态监测：炉管内壁结焦降低导热系数，导致炉管外 壁过热，甚至烧裂炉管，使反应气体进入炉膛，十分危险 ；并且结焦还导致炉管内径减小，升高压降，不仅减低处 理量，还影响产率和选择性。监测炉管内壁结焦状况十分 重要 加热解炉的实时状态监测 模型实现（F101） 选取了37个变量，结合 炉出口温度、炉膛氧含量、 压力变化模式，建立主元 分析PCA模型，对F101主要 运行参数异常进行监测预 警 。 乌石化安全预警系统项目 FCS0101!TIC1118.PVF-101出口分支温度 FCS010

33、1!TIC1120.PVF-101出口分支温度 FCS0101!TI1122.PVF-101出口总线温度 FCS0101!TIC1110.PVF-101进口温度 FCS0101!PI1107.PVF-101进口压力 FCS0101!PI1111.PVF-101出口压力 PI1108.PVF-101燃料气总线压力 FCS0101!PI1109A.PVF-101燃料气支线压力 FCS0101!PI1109B.PVF-101燃料气支线压力 FCS0101!PI1110.PVF-101燃料气长明灯线压力 FCS0102!FI1109.PVF-101燃料气总线流量 FCS0101!FIC1110A.MV

34、F-101燃料气支线流量 FV1110A.PVF-101燃料气支线流量 FCS0101!FIC1110B.PVF-101燃料气支线流量 FV1110B.PVF-101燃料气支线流量 FCS0102!TI1601A.PVF-101烟气出辐射室温度 FCS0102!TI1601B.PVF-101烟气出辐射室温度 FCS0102!TI1602A.PVF-101烟气出辐射室温度 FCS0102!TI1602B.PVF-101烟气出辐射室温度 FCS0102!TI1603A.PVF-101烟气出对流室温度 TI1603B.PVF-101烟气出对流室温度 TI1604AF-101烟气入对流室温度 TI1604BF-101烟气入对流室温度 乌石化安全预警系统项目汇报 模型实现（F101） 模型实现（F101） 状态监测预警状态监测预警 利用模型计算结果与正常工况下模型空间的偏 差，来判断运行发生变化的情况，是否偏离正 常工况的情况。利用模型计算结果与实时数据 的变化差异，结合平方