機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在大型石化工廠中的應(yīng)用

劉齊忠,林 融

(1.福建聯(lián)合石油化工有限公司一體化項(xiàng)目部,福建泉州 362800; 2.中國(guó)石化工程建設(shè)公司,北京 100101)

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模越來(lái)越大、工藝越來(lái)越復(fù)雜,所用旋轉(zhuǎn)機(jī)械也向著大型化、高速化、連續(xù)性和自動(dòng)化的方向發(fā)展。眾所周知,大型機(jī)組和機(jī)泵等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械是石油化工裝置的主要?jiǎng)恿?lái)源,其運(yùn)行狀態(tài)的好壞將直接影響裝置的經(jīng)濟(jì)效益或危及生產(chǎn)的安全。

長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和維護(hù)均處于人工和被動(dòng)狀態(tài)下,只能靠人工和經(jīng)驗(yàn)加強(qiáng)機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)檢查,及時(shí)處理出現(xiàn)的問(wèn)題或定期檢修相關(guān)設(shè)備,從實(shí)際情況來(lái)看也只能是盡可能地減少事故(事故率相對(duì)較高)和降低事故損失,且易出現(xiàn)維護(hù)過(guò)剩出現(xiàn)的人力和物力成本增加。近年來(lái),隨著機(jī)組狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)(MMS)的工業(yè)化應(yīng)用,使得機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視和維護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)檢測(cè)、故障識(shí)別和主動(dòng)維護(hù),這樣既可把事故消滅在萌芽狀態(tài),也可避免事故發(fā)生并使維護(hù)成本最小化。

1 MMS簡(jiǎn)介

1.1 作 用

MMS從功能上分為信號(hào)檢測(cè)和狀態(tài)診斷分析。信號(hào)檢測(cè)部分的作用是利用檢測(cè)儀表測(cè)出機(jī)組運(yùn)行中的振動(dòng)、位移、鍵相位、轉(zhuǎn)速和溫度等參數(shù),用于設(shè)備保護(hù)控制系統(tǒng)的輸入條件和設(shè)備狀態(tài)診斷分析的信息依據(jù);狀態(tài)診斷分析系統(tǒng)則通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集器采集信號(hào)檢測(cè)部分的數(shù)據(jù)并結(jié)合機(jī)組負(fù)荷、壓力等數(shù)據(jù),利用相應(yīng)的軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,利用專(zhuān)家系統(tǒng)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷分析和運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)。

1.2 發(fā)展歷史

旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)的發(fā)展過(guò)程,即從人工檢查、手動(dòng)檢測(cè)、人工分析和被動(dòng)維護(hù)或定期維護(hù)到自動(dòng)檢測(cè)、在線分析和預(yù)知維護(hù)的過(guò)程。狀態(tài)監(jiān)測(cè)的分析手段從單純數(shù)據(jù)采集和處理,發(fā)展為基于專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)的診斷分析和預(yù)測(cè)過(guò)程;檢修維護(hù)也從計(jì)劃和被動(dòng)維護(hù),發(fā)展為預(yù)知和主動(dòng)維護(hù)。

1.3 發(fā)展趨勢(shì)

從近年來(lái)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品來(lái)看,發(fā)展趨勢(shì)主要有兩種:向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展;機(jī)組控制與狀態(tài)監(jiān)測(cè)一體化整合。

在檢測(cè)儀表、狀態(tài)分析軟件在線自動(dòng)獲取信息繼續(xù)向智能化方向發(fā)展的同時(shí),隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,MMS也向著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展:將全廠或整個(gè)項(xiàng)目所有重要旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)檢測(cè)信息集成于冗余的工業(yè)以太網(wǎng)上,在完成數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)分析的同時(shí),將分析結(jié)果送到相應(yīng)的客戶(hù)端,便于管理和設(shè)備維護(hù);同時(shí),在條件允許的前提下還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷,利用廠商對(duì)MMS、機(jī)組控制系統(tǒng)和設(shè)備故障進(jìn)行遠(yuǎn)程支持。另外,除對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理,并通過(guò)先進(jìn)診斷分析設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)以外,還將對(duì)機(jī)組在今后一段時(shí)間的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè),從而真正達(dá)到預(yù)知維護(hù)的目的。

與此同時(shí),人們已把設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與機(jī)組控制系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái),利用監(jiān)測(cè)軟件的診斷結(jié)果對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)進(jìn)行操作指導(dǎo),直至實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,從而達(dá)到提高機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量、減少停機(jī)和維護(hù)次數(shù)的目的。

2 項(xiàng)目背景和需求

近年來(lái),國(guó)內(nèi)實(shí)施的大型石化項(xiàng)目從性質(zhì)看主要有新建、改造、新建加改造項(xiàng)目。不同項(xiàng)目因規(guī)模和現(xiàn)場(chǎng)基本條件不同對(duì)MMS的需求也不盡相同。一般來(lái)說(shuō),新建國(guó)內(nèi)外大型項(xiàng)目因大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械使用量較大,特別是中外合資項(xiàng)目對(duì)機(jī)械設(shè)備安全運(yùn)行非常重視,普遍采用了MMS,所有數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)、集中分析診斷和管理;而對(duì)于改造項(xiàng)目或依托老廠新建的項(xiàng)目則由于受規(guī)模或現(xiàn)場(chǎng)條件限制,大部分只使用了信號(hào)檢測(cè)儀表及其變送設(shè)備,各機(jī)組獨(dú)立配置,設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)診斷和分析由人工完成。

就大型石化項(xiàng)目而言,由于其大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械數(shù)量多、結(jié)構(gòu)及控制復(fù)雜、對(duì)裝置的安全運(yùn)行影響大且維護(hù)人員精簡(jiǎn)等,所以盡可能地提高機(jī)組自動(dòng)控制水平的同時(shí),對(duì)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)和診斷分析的要求也越來(lái)越高,具體表現(xiàn):

a)對(duì)機(jī)械運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)的檢測(cè)。一般來(lái)說(shuō)影響大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備安全運(yùn)行的參數(shù)主要有徑向軸振動(dòng)、軸向位移、鍵相位、扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度及加速度等,檢測(cè)到的這些參數(shù)一方面作為邏輯輸入將信號(hào)引致安全儀表系統(tǒng)(SIS)實(shí)施非正常情況下的安全聯(lián)鎖停車(chē);另一方面作為其運(yùn)行狀態(tài)診斷分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

b)對(duì)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的診斷分析。以設(shè)備運(yùn)行參數(shù)為依據(jù)應(yīng)用相關(guān)軟件進(jìn)行綜合的系統(tǒng)化分析,從而判斷出機(jī)械設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障或預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)可能發(fā)生的故障,提醒維護(hù)人員進(jìn)行及時(shí)、正確的設(shè)備維護(hù)工作。

c)對(duì)MMS的管理。在廠區(qū)面積大、機(jī)械設(shè)備數(shù)量多且維保人員較少的情況下,為提高M(jìn)MS的應(yīng)用和管理水平,有必要將全廠的MMS進(jìn)行聯(lián)網(wǎng),以實(shí)現(xiàn)集中維護(hù)、管理和對(duì)系統(tǒng)診斷結(jié)果的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及處理。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)適用于關(guān)鍵泵、所有壓縮機(jī)、齒輪箱、燃?xì)廨啓C(jī)及汽輪機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械設(shè)備,能自動(dòng)采集、分析、監(jiān)視和顯示直接采自現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換器或其他保護(hù)類(lèi)監(jiān)視器的數(shù)據(jù),并實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)送入相關(guān)軟件進(jìn)行深入分析,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MMS結(jié)構(gòu)

3.1.1 關(guān)鍵參數(shù)信號(hào)檢測(cè)部分

該部分主要由檢測(cè)探頭、3500機(jī)架組成。從探頭檢測(cè)產(chǎn)生的原始信號(hào)經(jīng)過(guò)3500機(jī)架中的相關(guān)測(cè)量卡件進(jìn)行放大、解調(diào)形成可處理的電信號(hào)。然后,再分為三路進(jìn)行相關(guān)處理:一路通過(guò)3500的繼電器卡件按組態(tài)要求對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行邏輯組合并做出判斷,輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào),通過(guò)硬接線,直接輸出到SIS,以實(shí)現(xiàn)事故狀態(tài)下的安全聯(lián)鎖停車(chē);第二路通過(guò)通信卡采用Modbus協(xié)議傳送到機(jī)組控制系統(tǒng)(ITCC)、可編程控制器(PLC)、分散型控制系統(tǒng)(DCS)等,顯示在操作員站上以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制;第三路通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集卡件,采用以太網(wǎng)傳送給系統(tǒng)1服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析(系統(tǒng)1分析診斷所需的其他機(jī)械設(shè)備數(shù)據(jù)可通過(guò) ITCC經(jīng)Modbus通信至DCS控制器,再經(jīng)DCS的工業(yè)以太網(wǎng)OPC接口送至系統(tǒng)1服務(wù)器)。

3.1.2 機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)診斷分析部分

該部分主要由高速數(shù)據(jù)采集器、系統(tǒng)1服務(wù)器及相關(guān)數(shù)據(jù)處理、診斷分析軟件組成,來(lái)自高速數(shù)據(jù)采集器和DCS的OPC服務(wù)器的機(jī)械設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)被引入MMS服務(wù)器后,經(jīng)過(guò)相關(guān)軟件的分析后將機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)以趨勢(shì)、極坐標(biāo)圖、懸泉圖、波特圖、級(jí)聯(lián)、光譜(利用快速傅立葉變換(FFT)分析)、軌道、瞬態(tài)等信息和基線信號(hào)與起始段、終止段、當(dāng)前信號(hào)等動(dòng)態(tài)的形式顯示出來(lái),為設(shè)備維護(hù)技術(shù)人員提供直觀的診斷分析和預(yù)測(cè)結(jié)果。

3.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如前所述,在大型石化項(xiàng)目中各種大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備多且維護(hù)人員較少的情況下,有必要將全廠的MMS進(jìn)行聯(lián)網(wǎng),以實(shí)現(xiàn)集中維護(hù)、管理,并對(duì)系統(tǒng)診斷結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視及處理。近年來(lái)已開(kāi)工的大型石化項(xiàng)目,現(xiàn)場(chǎng)均以裝置為單位設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室(FAR)(小裝置兩個(gè)或多個(gè)共用一個(gè)FAR,大裝置可以有兩個(gè)或以上的FAR),所有現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)均引入放置于機(jī)柜室內(nèi)的DCS,SIS,ITCC,PLC等控制器。MMS的3500機(jī)架、高速數(shù)據(jù)采集器也放置于機(jī)柜間,服務(wù)器則放置于中心控制室以便于實(shí)時(shí)監(jiān)控和維護(hù)管理,如圖2所示。

圖2 MMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從圖2可以看出,來(lái)自3500機(jī)架的機(jī)械設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)入相關(guān)FAR的高速數(shù)據(jù)采集器,在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的同時(shí)經(jīng)交換機(jī)給 Enterprise服務(wù)器提供數(shù)據(jù)信息;同時(shí),與機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)診斷分析相關(guān)的其他數(shù)據(jù)由 ITCC經(jīng)Modbus通信至DCS控制器,再經(jīng)DCS的 OPC服務(wù)器提供給Enterprise服務(wù)器。在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,由Enterprise服務(wù)器利用相關(guān)軟件進(jìn)行處理并輸出診斷及預(yù)測(cè)分析結(jié)果,并由該服務(wù)器管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。另外,為了便于相關(guān)維保技術(shù)人員及生產(chǎn)管理人員及時(shí)了解全廠大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),還可以利用Ctrix服務(wù)器將MMS網(wǎng)絡(luò)與工廠信息管理網(wǎng)相聯(lián),將MMS納入全廠的資產(chǎn)管理系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)辦公室遠(yuǎn)程監(jiān)視。

4 工程應(yīng)用

MMS的應(yīng)用與主要控制系統(tǒng)的應(yīng)用不盡相同。在石化項(xiàng)目中由于機(jī)械設(shè)備數(shù)量多,需使用的MMS設(shè)備量也就很大。為保證項(xiàng)目?jī)x表設(shè)備的一致性、設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化及便于后續(xù)生產(chǎn)維護(hù)和降低維護(hù)成本,需在兩方面引起重視:

a)設(shè)備采購(gòu)策略。對(duì)于大量的旋轉(zhuǎn)機(jī)械,由于來(lái)自不同的廠商,如果沒(méi)有統(tǒng)一的要求,則可能出現(xiàn)多種品牌的產(chǎn)品。為避免該問(wèn)題的出現(xiàn),確保設(shè)備和設(shè)計(jì)的一致性和標(biāo)準(zhǔn)化,簡(jiǎn)化實(shí)施界面,現(xiàn)在的大型石化項(xiàng)目均采用了框架性保護(hù)傘協(xié)議:由用戶(hù)在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段初期,在項(xiàng)目管理承包商(PMC)或總體設(shè)計(jì)院的幫助下編制完成詢(xún)價(jià)文件實(shí)施框架性招標(biāo)協(xié)議,簽署技術(shù)和商務(wù)協(xié)議,明確設(shè)備供貨商、設(shè)備列表清單和單價(jià)要求,供貨、設(shè)計(jì)、培訓(xùn)和現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)條款等,明確各方的職責(zé),編制項(xiàng)目進(jìn)度和各種界面協(xié)調(diào)程序。然后由框架協(xié)議供貨商實(shí)施基礎(chǔ)設(shè)計(jì),并盡可能早地將框架協(xié)議文件和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)文件提供給機(jī)械設(shè)備供貨商,以便按照用戶(hù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和采購(gòu)。

b)工程實(shí)施策略。作為MMS核心的系統(tǒng)1部分,由于需要獲取所有大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù),所以在整個(gè)設(shè)計(jì)和實(shí)施中與相關(guān)的機(jī)械設(shè)備供貨商和相應(yīng)裝置單元的EPC承包商都有著密切的聯(lián)系:3500設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料獲取、FAR中設(shè)備(網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜、高速數(shù)據(jù)采集器和交換機(jī)等)的安裝調(diào)試等。考慮到機(jī)械設(shè)備供貨商或相應(yīng)的EPC和系統(tǒng)1供貨商及承包商之間沒(méi)有合同關(guān)系,在項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程中將不可避免地會(huì)出現(xiàn)大量的問(wèn)題需用戶(hù)協(xié)調(diào)。所以一般有兩種項(xiàng)目管理模式:用戶(hù)直接采用E+P+C模式或另找一承包商采取EPC模式,但由于該EPC與框架協(xié)議供貨商一樣與機(jī)械設(shè)備供貨商和相應(yīng)裝置單元的EPC沒(méi)有合同關(guān)系,協(xié)調(diào)中的問(wèn)題相同,因此在用戶(hù)的技術(shù)和項(xiàng)目管理實(shí)力充分的前提下,可優(yōu)先采用E+P+C模式。下面以E+P+C模式為例就項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施階段的主要工作進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。由框架協(xié)議供貨商實(shí)施MMS系統(tǒng)1的詳細(xì)設(shè)計(jì)(業(yè)主和設(shè)計(jì)單位進(jìn)行設(shè)計(jì)審查)、軟硬件采購(gòu)和配置,經(jīng)過(guò)用戶(hù)從機(jī)械設(shè)備供貨商處獲取3500機(jī)架數(shù)量、參數(shù)信息和機(jī)組控制系統(tǒng)中相關(guān)參數(shù)信息資料,進(jìn)行系統(tǒng)軟件組態(tài)和功能調(diào)試。經(jīng)過(guò)用戶(hù)和設(shè)計(jì)單位參加工廠驗(yàn)收試驗(yàn)(FAT)并經(jīng)整改合格后即可將MMS發(fā)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)。

2)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試階段。設(shè)備運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后,整個(gè)系統(tǒng)需分散安裝到多個(gè)不同EPC承包的FAR中,由于不同EPC的施工進(jìn)度不同而且其他單位施工人員和供貨商要進(jìn)入其區(qū)域作業(yè)也非常不便,只能采取將設(shè)備的安裝工作分包給相應(yīng)FAR的EPC;而設(shè)備的上電調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)修改則可由框架協(xié)議供貨商在完成相關(guān)3500機(jī)架調(diào)試的過(guò)程中同時(shí)完成,在完成所有現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、技術(shù)培訓(xùn)工作且系統(tǒng)運(yùn)行正常后即可實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)(SAT),最終交付用戶(hù)使用。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō),系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)施,整合全廠機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),組態(tài)資料的收集,現(xiàn)場(chǎng)施工管理和調(diào)試工作協(xié)調(diào)的難度大于設(shè)計(jì)管理難度,但后續(xù)是否能很好地使用MMS并充分發(fā)揮其作用,更好地服務(wù)于生產(chǎn),搞好預(yù)知維護(hù),確保相關(guān)旋轉(zhuǎn)機(jī)械始終在高效、安全的狀態(tài)下運(yùn)行,則是一個(gè)更具有挑戰(zhàn)性的課題。也就是說(shuō),成功的項(xiàng)目實(shí)施只是為MMS的使用創(chuàng)造了條件,成功的應(yīng)用還需在后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)一步摸索。

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