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1、,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,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。,企 业 形 势,石油石化属易燃易爆、有毒有害、高温高压的高危行业；,行业特点,企业特点,装置复杂，生产任务繁重，迫切需要引进
2、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、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。,现有报警系统的弱点,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
3、异常工况演变成装置运行的扰动和紊乱，从而避免事故的发生。,PPM平台作用,生产平稳(很重要),原料消耗增加 泄漏问题 能耗大,磨损增加 设备损坏,人员伤/亡 紧急停车系统切入 环境污染,不良控制 能耗增加,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行状态偏离正常的预警可以避免因运行紊乱导致DCS报警系统性能下降乃至出现重大事故的隐患,PPM平台作用,故障类型分类,故障类型,过程参数变化引起“参数故障”,生产设备引起的“结构故障”,误操作引起的故障,控制系统故障,外界特殊扰动引起故障,“硬故障”，导致局部或整个装置设备停车，甚至发生严重
4、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,故障分析方法,过程监测、预测和预警所处的位置,Tg1 Tg2 Tg3.Tg nV1t1 V2t1 V3t1 Vnt1V1t2 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、
5、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。,能够更有效地利用现有数据资源,采用Matrikon公司PPM预测预警平台,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 pe
6、r day to a few dozen,Reduced alarms by 70%in just 4 weeks!,Reduced alarms 70%,investment of 1hr/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
7、 for diagnosing incidents”,主要客户,石油和天然气BP ISIS，Shell、Valero Refining，Inc.、Air Products&Chemicals、Petroleum Company LLC、Sasol Chemicals、Tesoro、PetrotecQatar、SyncrudeCanada Ltd.、ChevronPhillips、Chemical Co.、ConocoPhillips、NexenPetroleum UK Ltd、UOP-Universal Oil Products、Aramco、Dow Chemicals、Mitsubishi
8、Chemical CorpHusky 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
9、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PPM监测预警平台,预测技术具有先进性,一是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DCS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，减少非正常工况的发生。,二是采用组态模式进行开发，可以方便灵活的利用MATLIB、C+、VB、R等其他工具开发的模型进行扩展。,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。,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（DCS、PLC、SCADA、LIMS
10、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,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预处理数据分析（故障诊断）方法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：如PCA、PLS用正常工况实时数据“训练”预测模型(称为统计模型）将当前实时数据同预测模型对比，实现状态预报使用过程动力学模型软件容易操作：采用鼠标操作数据展示清晰预警通告：通过Email、手机通告，并不断升级同设备维护软件（如Maximo、SAP）集成,过程监测预警平台的特点,平台独立性-可连到所有工业数据源，包括DCS、PLC、历史数据库、关系数据库、文本文件
11、、其它软件等数据源 容易使用-类似于矢量图绘制软件（VISIO的基于目标的 拖放式接口，无需 程序员编程)客户/服务器结构-支持多用户同多个不同数据源的连接分析模式-支持离线、调度、和事件驱动分析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、MVS(Math Visualization System)、6 SIGMA 函数MatLab及有关工具（如Fuzzy、NN神经元网络等等)COM组件对象模型接口支持VB、Java、C、C+等程序语言监测模版WEB 报表 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,Connectivity,Foxboro Honeywell TDC
12、3000 ABB Advant/Mod300 ABB Bailey Siemens Moore Yokogawa DeltaV Fisher Provox&RS/3 Westinghouse,DCSs,HMIs,Historians,Intellution iFix Wonderware Citect RSView GE Cimplicity,过程监测预警平台可连接各种DCS,HMI,PLC,和历史数据库，如：,AspenTech IP.21 Honeywell PHD OSISoft PI Yokogawa Exaquantum Any OPC-compliant process histo
13、rian,Allen Bradley Modicon GE Siemens,PLCs,过程监测预警系统结构,PPM应用服务器,客户机连接，服务器配置，数据处理流程配置等,WEB 客户机:报表显示,DCS or PLC,Data Historian PI,IP/21,AIM*,PHD,ODBC,JDBC,Text,WEB 服务器:报表存储,数据源,运行KPI指标,装置运行安全因子,运行数据,装置运行安全分析数据库,PPM平台系统架构,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,MES系统装置运行实时数据,MES系统装置运行历史数据库,分析结果,分析结果,运行数
14、据,分析数据,监测预警平台工作流程,预测预警的技术关键是将预测预警模型输出数据为基准，并同实际实时操作数据比较，及早发现设备运行状态异常,PPM系统构成要素,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,分析模型设计平台,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,Gas Turbine 气体涡轮Steam Turbine 蒸汽涡轮Condensers 冷凝器Deaerators 脱气器Economizer 节能器Transformers 变压器Breakers 断路器Co
15、mpressors 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,分析模型设计平台,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MatLAB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,开发平台,模块化灵活组态各种数据源接入数据预处理数据分析方法MATLAB扩展C、C+、VB扩展,分析
16、模型设计平台,数据相关性分析,方块大小:装置设备重要程度颜色:预测预警结果,采用TreeMap集成显示所有监测设备,结果展示WEB界面,在线分析计算服务平台,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,结果展示WEB界面,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的主要因素,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,结果展示WEB界面,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的提示信息,结果展示WEB界面,气体压缩机运行状态监测,压
17、缩机是昂贵设备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通常是轴承发生问题可以用偏最小二乘（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）、仪表错误等根据压缩机工作曲线数据相关性分析数据相关性分析,多变压头系数,蜗杆的曲径式密封轴承,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,过程状态的主因子分析（PCA）,通过PLS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
18、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,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
19、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
20、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（E102）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
21、常进行监测预警。,乌石化安全预警系统项目,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 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，结合平方预测误差、统计量。对实际工况发生的偏离作出诊断。,乌石化安全预警系统项目,项目实施风险,系统运行风险,在预警系统的实施过程中会碰到各种风险，我们将采取以下措施：使用科学的实施办法和程序；实施预警系统项目时，设立项目专项小组，最大程度地保证各项工作能够在可控范围内进行；在实施中协调各部门的工作、统筹安排所有参与人员、提高工作效率；对
22、应急预测预警系统项目涉及的人员分别进行项目培训。,系统在运行过程中，数据的处理和分析不改变任何装置原始实时数据，所以本系统运行过程监测预警是不会对生产装置的运转造成任何风险。由于网络设备故障以及其他自然灾害影响可能造成的网络中断或通信堵塞，将可能造成系统运行的风险，所以数据连接以及实时数据分析服务器将尽量部署在生产现场生产网络上，以保证在远程网络出现问题时，能够确保装置实时数据分析的速度。,北京星步科技发展有限责任公司,成立于2003年，配合中石化总公司信息部企业信息化工作2003和AspenTech合作在中石化推广炼油调度优化系统天津分公司炼油厂（国内第一套）镇海炼化武汉石化洛阳石化福建联合
23、石化和美国Baytech国际公司合作在中石化实施LIMS系统洛阳石化塔河石化湖北化肥和加拿大Matrikon公司合作实施装置预警系统中石油乌石化加氢裂化装置中石化湖北化肥分公司煤气化装置中石油重庆天然气净化总厂长寿分厂,项目实施,设计部门：提供基础设计文件PID图、PFD图及有关工艺设备数据用户：提供装置操作规程，DCS工程师站OPC接入许可Matrikon：软件许可、技术支持星步科技：数据连接、数据处理、模型建立、Web展示开发,项目实施,数据收集：星步科技，业主功能设计：星步科技功能设计审查：Matrikon总部Calgary,Alberta、Canada（Vancouver,Ontario、BC、QC）模型建立：星步科技模型调整：装置现场,项目工程周进度计划：,
