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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.