过程监测预测和预警课件

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第一部分 总论第二部分 软件平台介绍第三部分 运用实例第四部分 项目实施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

2、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。石化企业广泛采用了DCS、PLC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，因此DCS、PLC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,以DCS报警系统为例: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；二是报警发生频率很高，超出操作人员的报

3、警处理能力。ISA（美国仪器仪表协会）的ISA18.02标准中规定操作人员能够响应的10分钟内平均报警次数为1，而实际的工业统计数多大于6，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10分钟的报警次数超过30，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恐不安、无所适从，事故也就乘虚而入。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

4、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，从而避免事故的发生。PPM平台作用正常过程优化（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 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 能耗增加工厂状态操作优先级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

5、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第一部分 总论第二部分 软件平台介绍第三部分 运用实例第四部分 项目实施过程工业的应用软件和数据源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

6、、油品调和管理、产品规格指标管理、原油评价物料管理油罐库存管理、物料移动管理、装置运行管理、实验室信息管理、原料和产品输运管理、物料跟踪统计核算物料平衡和数据整定、产率统计、生产统计运行管理KPI管理和展示、所罗门（Solomon）指数、环境保护操作优化操作日志、操作文档索引过程实时监测预测预警、报警和事件管理、MPC、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、仪表管理、设备规格指标管理设备状态实时监测预测预警数据源计划数据、ERP、LIMS、财务、生产统计数据、等等DCS、PLC、实时数据库等过程监测、预测和预警所处的位置Tg1 Tg2 Tg3 . Tg nV1t1 V2t

7、1 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、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

8、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 SuccessWent from thousands of alarms per day to a few dozenReduced alarms by 70% in just 4 weeks!Reduced alarms 70%, investment of 1hr/week fo

9、r 6 monthsReduced 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 & Chemicals、Petrole

10、um Company LLC、Sasol Chemicals、Tesoro、PetrotecQatar、SyncrudeCanada Ltd.、ChevronPhillips、Chemical Co.、ConocoPhillips、NexenPetroleum UK Ltd、UOP -Universal Oil Products、 Aramco、 Dow Chemicals、 Mitsubishi 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

11、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

12、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

13、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、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

14、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 TDC3000 ABB Advant/Mod300 ABB Bailey Siemens Moore Yokogawa DeltaV Fisher Provox & RS/3 WestinghouseDCSsHMIs

15、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 historian Allen Bradley Modicon GE SiemensPLCs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 PLCD

16、ata Historian PI, IP/21, AIM*, PHDODBC, JDBCTextWEB 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

17、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Disti

18、llation 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扩展分析模型设计平台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: 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

19、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界面流速实测计算开始偏离正常温度，C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的提示信息结果展示WEB界面第一部分 总论第二部分 软件平台介绍第三部分 运用实例第四部分 项目实施气体压缩机运行状态监测压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

20、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

21、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设备及位号设备名称分析模式V1301/02/03气化炉PCA+PLSF-1101A/B惰性气体发生器PCAS-1103A/B粉煤过滤器PCAV-1205-Z1-4粉煤给料罐通气锥PCAV-1501-Z飞灰收集罐通气锥PCAV-1502-Z飞灰放料罐通气锥PCAV-1504-ZA/B飞灰卸料冷却罐通气锥PCAS-1501高温高压过滤器PCAV-12

22、05A/B粉煤给料罐PCAV-1304汽包PCAV-1401渣池PCAV-1402收集罐PCAV-1403渣放料罐PCAV-1502飞灰放料罐PCAV-1504A/B飞灰卸料冷却罐PCAU2701旋膜除氧器PCAV-1201A/B粉煤储罐PCAK-1301循环气压缩机PCA+PLSK3001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

23、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

24、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FCS0101!TIC1120.PV

25、F-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.MVF-101燃料气支线流量FV1110A.PV

26、F-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 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