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[摘 要] 采用实时数据库系统,提取现场DCS实时数据,智能预警设备故障,帮助操作人员及时获知潜在的故障和隐患,并能通过系统关联影响,判断故障原因,给出解决办法。
[关键词] 油气处理;智能;预警;诊断;知识库
doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2013 . 16. 027
[中图分类号] TP277 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194(2013)16- 0044- 03
0 引 言
油气处理站库工艺流程都较为复杂,而监控人员通常在站库内实习几个月后即可上岗,当DCS系统出现报警时,监控人员一般只能向班长或岗位员工汇报报警信息,并不能判断故障发生的根本原因。需要现场岗位员工再询问相关数据后判断故障点,延长故障排除时间。本系统根据运行趋势、历史运行状态提前预警可能发生的故障,并能自动判断故障发生的原因。
面对油气处理站库复杂的工艺流程,各种压力、温度、液位等参数,只有经验丰富的员工才能对参数故障快速反应。基于实时数据库,实时反映当前的生产状态,并通过计算分析,获知潜在的故障和隐患,根据知识库推理技术自动判断故障原因,并为监控人员提供解决故障的措施,提高响应速度。同时系统采用B/S结构,管理者通过网络即可随时掌握生产状态,查找影响产量运行的原因,及时优化工艺参数。
1 系统设计
1.1 设计目标
1.1.1 提前预警
寻找工艺各关联部分,根据历史运行趋势,持续发生变化时提前预警,及早发现系统隐患。系统汲取技术专家的经验为新员工服务。
1.1.2 自动诊断
报警发生时,系统自动判断相关联的参数值,通过设定条件依次判断所有可能原因,并给操作人员处理方法。
1.1.3 历史回放及运行指标
系统记录各参数点的所有历史信息,能根据时间轴查看,或设定时间段自动回放。同时分析各设备的运行曲线,判断工艺运行状况,找出经常出现报警的点,根据原因进行优化,保障系统平稳运行。
1.1.4 交互式知识库(经验库)
系统可以通过交互式的界面充实知识库。当出现DCS系统出现报警,系统从知识库中检索相关信息,并自动判断故障因,若无相关解决办法时,可由技术人员进行补充。
1.1.5 信息推送
网页浏览和信息推送的方式,便于站内领导随时掌握站内生产信息。
1.2 系统结构
1.2.1 通讯方式
物理上的连接是通过在操作员站上安装双网卡,一块网卡与现场DCS系统的操作员站、控制器通讯,另外一块网卡用于与本系统的实时数据库进行数据交换。
软件方面,实时数据库与DCS之间通过OPC接口通讯,OPC全称是Object Linking and Embedding(OLE) for Process Control,它的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制(DCS)应用建立了桥梁。OPC为数据交换提供了开放的标准接口。预警系统通过实时数据库的API调用实时数据库数据。
1.2.2 数据传输
实时数据库是预警系统的生产数据的来源,实时数据库从DCS获取生产装置的实时数据,并进行存储,每个数据具有数值、时间、质量、采集状态等信息。本系统按取样周期每秒读取现场仪表的当前值,存入实时数据库中。系统读取实时数据库的数据并展示在工艺流程上,实现远程监视。系统产生的预警状态存入实时数据库中,并通过检索知识库中相关信息,将预警产生的记录、诊断结果、处理方式存入关系数据库,便于后期的查询。
2 功能设计
系统按功能可分为实时数据库封装模块、预警引擎模块、预警模型定义模块、预警响应模块、权限定义模块和运行日志模块。
预警引擎调用预警模型定义模块获得预警定义信息,并且通过实时数据库接口模块获取生产数据,在线监测预警条件,条件满足则产生预警,产生的预警信息发送给预警响应模块,由响应模块为用户界面提供数据。
2.1 实时数据库接口模块
为了使本系统可以有更好的扩展性,对实时数据库接口的封装,若使用其他实时数据库产品,只需要重新构建本模块即可支持预警系统运行,同时该模块可以实现实时数据库调用接口的对象化。
2.2 预警模型定义模块
本模块实现定义和维护知识库功能。知识库的组织和丰富程度决定了预警系统的判断准确性,实现预警知识库的在线维护、存储、在线查询等功能,并提供给其他模块调用。
知识库采用多叉树的表述方式,知识库数的深度和广度都会在后期应用中补充,从树根到树叶每层的节点都对应一到多个子节点,每个节点都可在后期进行修改。系统推理机的推理过程,即为对知识树的遍历问题。
石西集中处理站是一套集原油处理、清水处理、注水、加药、消防等多个工艺流程组成百万吨原油处理能力为每年120万吨的集输站库。工艺流程上每个设备对应多个参数,一个参数对应高报、低报等多种报警状态,一种报警状态可能由多种原因导致。知识库对每种故障原因进行分析,尽可能寻找关联参数,分析报警可能的原因,根据判断依据自动排除无关因素,并提供处理措施。
2.3 预警引擎模块
预警模块是对预警定义的参数进行扫描,根据定义从实时数据库获得数据,计算判定条件,如果发现条件满足,则产生预警。在运行过程中,如果收到预警定义模块的知识库修改消息,则根据消息更新部分或全部的预警信息,然后继续进行预警监测。
本系统常用到的预警算法依据历史曲线判断、斜率、速率、变化趋势等。
(1)排除无效波动。根据历史运行曲线,排除参数因外界干扰,出现个别数值,或短时间内(如1分钟以内)的大幅跳动。因为该值出现了显著误差,并没有反映真实情况,系统结合历史曲线判断,数据可信度低,此时不报警。若持续出现波动,即该测量值包含故障信息。 (2)根据斜率预警。斜率可以反应某一参数的变化率。本系统中,对监测对象进行斜率计算,判定变化率是否满足生产需要,如液位上涨的速度、运行温度、压力变化等。
(3)变化趋势判断。是指参数按一定趋势逐渐变化,并在一定时间范围内达到正常的工作值。当设定时间内参数值未达到正常值或趋势变化较慢,可判断工艺部分有故障,报警提示。当运行值缓慢偏离固定值时,仍为可接受的正常工作状态,当运行值持续偏离固定值时,触发预警。
如泵启动过程中,系统检测到泵的转速提高,但出口压力持续较低,即可判断管线破或进口阀门未打开。
(4)速率变化。油气处理系统储罐液位的变化速率可以判断出液或进液是否正常。以净化油罐液位为例,预警引擎根据历史上净化油外输或进液的正常运行速率,判断净化油罐液位变化是否正常范围,若产生波动报警提示。同时根据速率计算到达阈值时间,提前预警。
(5)状态判断。判断设备或工艺是否停运,若检测设备为正常停运状态,系统不提示报警,仅在流程图上颜色标识。判断方法为检测同种功能设备是否有正常运行,关联工艺管线压力、流量判断等。
2.4 预警响应模块
2.4.1 自动诊断
预警响应模块在收到预警模块产生的报警后,自动根据知识库定义的信息逐条判断,自动判断是否符合,检测完成后列出所有故障原因及解决办法,并按历史出现故障多少排序显示。若没有测量的数据支持判断,将提示人工进行判断。
2.4.2 人机界面
接收预警引擎产生的报警,提供用户交互的调用接口,人机界面调用该接口实现对预警的确认、修改等,由用户界面指导用户交互式完成故障确认,形成完整的预警记录写入报警记录数据库。
2.5 其他模块
权限定义模块主要用于用户管理、权限分配等。用户每次对系统的修改、查看、回放等都要经过权限认证。
运行日志模块为其他的模块提供一个统一的日志记录接口,实现日志的统一管理,维护日志文件,提供日志检索。选择参数和对应的时间在历史数据库中进行查询数据,将查询出来的结果绘制成曲线显示到窗体中,并能进行自动回放。
3 应用效果
系统的应用功能有流程监控、预警功能、参数曲线分析、参数定义、预警信息查询、系统管理等。
(1)提前预警。根据规则做出判断,最大限度地弥补了DCS系统可扩展性差的劣势。同时减少装置的停产和维修也会带来经济利益。
(2)自动诊断。为监控人员提供参考方法,提供及时的故障信息、准确的判断、可靠的措施,可以最快解决故障原因,降低经济损失。
(3)历史回放。根据历史曲线回放,再现设备运行时参数变化的趋势,找寻规律。
(4)知识库规则化。系统将专家经验按树型结构组成,与当前的生产参数进行有机关联,交互式的知识库录入,价值更显著。
4 结束语
通过建立知识库系统,将油气处理站库各种工艺参数关联因素通过树型结构扩展,建立合理的推理机制。通过各种计算方法判断参数的运行状态,实现提前预警,并判断可能因素,给出解决措施。不但给监控人员提供参考,同时可以让管理者在办公室即可清楚掌握生产状态,为日常工作带来极大的便利。
主要参考文献
[1]孙东.抽油机电参数远程智能故障诊断技术研究[J].自动化仪表,2012,33(5):22-23.
[关键词] 油气处理;智能;预警;诊断;知识库
doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2013 . 16. 027
[中图分类号] TP277 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194(2013)16- 0044- 03
0 引 言
油气处理站库工艺流程都较为复杂,而监控人员通常在站库内实习几个月后即可上岗,当DCS系统出现报警时,监控人员一般只能向班长或岗位员工汇报报警信息,并不能判断故障发生的根本原因。需要现场岗位员工再询问相关数据后判断故障点,延长故障排除时间。本系统根据运行趋势、历史运行状态提前预警可能发生的故障,并能自动判断故障发生的原因。
面对油气处理站库复杂的工艺流程,各种压力、温度、液位等参数,只有经验丰富的员工才能对参数故障快速反应。基于实时数据库,实时反映当前的生产状态,并通过计算分析,获知潜在的故障和隐患,根据知识库推理技术自动判断故障原因,并为监控人员提供解决故障的措施,提高响应速度。同时系统采用B/S结构,管理者通过网络即可随时掌握生产状态,查找影响产量运行的原因,及时优化工艺参数。
1 系统设计
1.1 设计目标
1.1.1 提前预警
寻找工艺各关联部分,根据历史运行趋势,持续发生变化时提前预警,及早发现系统隐患。系统汲取技术专家的经验为新员工服务。
1.1.2 自动诊断
报警发生时,系统自动判断相关联的参数值,通过设定条件依次判断所有可能原因,并给操作人员处理方法。
1.1.3 历史回放及运行指标
系统记录各参数点的所有历史信息,能根据时间轴查看,或设定时间段自动回放。同时分析各设备的运行曲线,判断工艺运行状况,找出经常出现报警的点,根据原因进行优化,保障系统平稳运行。
1.1.4 交互式知识库(经验库)
系统可以通过交互式的界面充实知识库。当出现DCS系统出现报警,系统从知识库中检索相关信息,并自动判断故障因,若无相关解决办法时,可由技术人员进行补充。
1.1.5 信息推送
网页浏览和信息推送的方式,便于站内领导随时掌握站内生产信息。
1.2 系统结构
1.2.1 通讯方式
物理上的连接是通过在操作员站上安装双网卡,一块网卡与现场DCS系统的操作员站、控制器通讯,另外一块网卡用于与本系统的实时数据库进行数据交换。
软件方面,实时数据库与DCS之间通过OPC接口通讯,OPC全称是Object Linking and Embedding(OLE) for Process Control,它的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制(DCS)应用建立了桥梁。OPC为数据交换提供了开放的标准接口。预警系统通过实时数据库的API调用实时数据库数据。
1.2.2 数据传输
实时数据库是预警系统的生产数据的来源,实时数据库从DCS获取生产装置的实时数据,并进行存储,每个数据具有数值、时间、质量、采集状态等信息。本系统按取样周期每秒读取现场仪表的当前值,存入实时数据库中。系统读取实时数据库的数据并展示在工艺流程上,实现远程监视。系统产生的预警状态存入实时数据库中,并通过检索知识库中相关信息,将预警产生的记录、诊断结果、处理方式存入关系数据库,便于后期的查询。
2 功能设计
系统按功能可分为实时数据库封装模块、预警引擎模块、预警模型定义模块、预警响应模块、权限定义模块和运行日志模块。
预警引擎调用预警模型定义模块获得预警定义信息,并且通过实时数据库接口模块获取生产数据,在线监测预警条件,条件满足则产生预警,产生的预警信息发送给预警响应模块,由响应模块为用户界面提供数据。
2.1 实时数据库接口模块
为了使本系统可以有更好的扩展性,对实时数据库接口的封装,若使用其他实时数据库产品,只需要重新构建本模块即可支持预警系统运行,同时该模块可以实现实时数据库调用接口的对象化。
2.2 预警模型定义模块
本模块实现定义和维护知识库功能。知识库的组织和丰富程度决定了预警系统的判断准确性,实现预警知识库的在线维护、存储、在线查询等功能,并提供给其他模块调用。
知识库采用多叉树的表述方式,知识库数的深度和广度都会在后期应用中补充,从树根到树叶每层的节点都对应一到多个子节点,每个节点都可在后期进行修改。系统推理机的推理过程,即为对知识树的遍历问题。
石西集中处理站是一套集原油处理、清水处理、注水、加药、消防等多个工艺流程组成百万吨原油处理能力为每年120万吨的集输站库。工艺流程上每个设备对应多个参数,一个参数对应高报、低报等多种报警状态,一种报警状态可能由多种原因导致。知识库对每种故障原因进行分析,尽可能寻找关联参数,分析报警可能的原因,根据判断依据自动排除无关因素,并提供处理措施。
2.3 预警引擎模块
预警模块是对预警定义的参数进行扫描,根据定义从实时数据库获得数据,计算判定条件,如果发现条件满足,则产生预警。在运行过程中,如果收到预警定义模块的知识库修改消息,则根据消息更新部分或全部的预警信息,然后继续进行预警监测。
本系统常用到的预警算法依据历史曲线判断、斜率、速率、变化趋势等。
(1)排除无效波动。根据历史运行曲线,排除参数因外界干扰,出现个别数值,或短时间内(如1分钟以内)的大幅跳动。因为该值出现了显著误差,并没有反映真实情况,系统结合历史曲线判断,数据可信度低,此时不报警。若持续出现波动,即该测量值包含故障信息。 (2)根据斜率预警。斜率可以反应某一参数的变化率。本系统中,对监测对象进行斜率计算,判定变化率是否满足生产需要,如液位上涨的速度、运行温度、压力变化等。
(3)变化趋势判断。是指参数按一定趋势逐渐变化,并在一定时间范围内达到正常的工作值。当设定时间内参数值未达到正常值或趋势变化较慢,可判断工艺部分有故障,报警提示。当运行值缓慢偏离固定值时,仍为可接受的正常工作状态,当运行值持续偏离固定值时,触发预警。
如泵启动过程中,系统检测到泵的转速提高,但出口压力持续较低,即可判断管线破或进口阀门未打开。
(4)速率变化。油气处理系统储罐液位的变化速率可以判断出液或进液是否正常。以净化油罐液位为例,预警引擎根据历史上净化油外输或进液的正常运行速率,判断净化油罐液位变化是否正常范围,若产生波动报警提示。同时根据速率计算到达阈值时间,提前预警。
(5)状态判断。判断设备或工艺是否停运,若检测设备为正常停运状态,系统不提示报警,仅在流程图上颜色标识。判断方法为检测同种功能设备是否有正常运行,关联工艺管线压力、流量判断等。
2.4 预警响应模块
2.4.1 自动诊断
预警响应模块在收到预警模块产生的报警后,自动根据知识库定义的信息逐条判断,自动判断是否符合,检测完成后列出所有故障原因及解决办法,并按历史出现故障多少排序显示。若没有测量的数据支持判断,将提示人工进行判断。
2.4.2 人机界面
接收预警引擎产生的报警,提供用户交互的调用接口,人机界面调用该接口实现对预警的确认、修改等,由用户界面指导用户交互式完成故障确认,形成完整的预警记录写入报警记录数据库。
2.5 其他模块
权限定义模块主要用于用户管理、权限分配等。用户每次对系统的修改、查看、回放等都要经过权限认证。
运行日志模块为其他的模块提供一个统一的日志记录接口,实现日志的统一管理,维护日志文件,提供日志检索。选择参数和对应的时间在历史数据库中进行查询数据,将查询出来的结果绘制成曲线显示到窗体中,并能进行自动回放。
3 应用效果
系统的应用功能有流程监控、预警功能、参数曲线分析、参数定义、预警信息查询、系统管理等。
(1)提前预警。根据规则做出判断,最大限度地弥补了DCS系统可扩展性差的劣势。同时减少装置的停产和维修也会带来经济利益。
(2)自动诊断。为监控人员提供参考方法,提供及时的故障信息、准确的判断、可靠的措施,可以最快解决故障原因,降低经济损失。
(3)历史回放。根据历史曲线回放,再现设备运行时参数变化的趋势,找寻规律。
(4)知识库规则化。系统将专家经验按树型结构组成,与当前的生产参数进行有机关联,交互式的知识库录入,价值更显著。
4 结束语
通过建立知识库系统,将油气处理站库各种工艺参数关联因素通过树型结构扩展,建立合理的推理机制。通过各种计算方法判断参数的运行状态,实现提前预警,并判断可能因素,给出解决措施。不但给监控人员提供参考,同时可以让管理者在办公室即可清楚掌握生产状态,为日常工作带来极大的便利。
主要参考文献
[1]孙东.抽油机电参数远程智能故障诊断技术研究[J].自动化仪表,2012,33(5):22-23.