在線分析儀管理系統的開發與應用①

王俊美 鐘 軍

(1.江蘇聯合職業技術學院無錫機電分院；2.江蘇艾德曼森工程設計有限公司)

在線分析儀管理系統的開發與應用①

王俊美1鐘 軍2

(1.江蘇聯合職業技術學院無錫機電分院；2.江蘇艾德曼森工程設計有限公司)

開發在線分析儀管理系統，給出了系統結構、主要功能和軟件的設計開發，將在線分析儀的數據采集、操作維護、校驗及標定等功能納入該平臺。實際應用表明：系統具有較高的可靠性和實用性，在提高維護效率、降低維護成本的同時，為生產操作人員提供可靠的分析數據，實現了對在線分析儀的管理維護和優化控制。

ADMS 在線分析儀 系統結構 軟件流程

在線分析儀表可以直接安裝在工業生產工藝流程中，對被測介質的組成或物性參數進行自動連續測量，并實現自動采樣、預處理，自動分析、信號處理以及遠傳，在現代石油化工生產中被廣泛應用。人們甚至將其應用水平作為判斷現代石化企業自動化程度的重要指標[1]。分析儀表的工作特性又決定了它需要經常性做校驗、標定和維護工作，以保證測量的可靠性、精度及重復性等關鍵性能指標。提高分析儀的性能和數據可靠性，加強對在線分析儀的維護管理，成為目前石化生產過程中值得關注的課題。

隨著工業自動過程控制理論和工業物聯網的快速發展，工業控制系統開放性進一步擴大，為在線分析儀網絡化指明了方向。筆者利用工業物聯網技術和基于B/S(Browser/Server)結構的軟件體系，研究開發在線分析儀管理系統 (Analyzer Data Management System，ADMS)，利用信息化手段和數據統計分析，對在線分析儀進行管理、維護、標定和校驗，實現在線分析儀管理的規范化和自動化。

1 ADMS整體設計

根據在線分析儀網絡化管理控制需求，ADMS(圖1)自下而上包括生產現場的在線分析儀、數據采集轉換模塊、分析儀數據管理系統服務器和軟件客戶端。該系統可集成不同廠家不同類型的分析儀，通過與分析儀Modbus網絡、DCS系統和其他系統接口進行通信互聯，實現對整個工廠在線分析儀的集中管理。同時開發了基于Web的客戶端，訪問靈活。還有企業采用具有無線通信功能的在線分析儀表，使得整個系統更為簡潔。

圖1 在線分析儀管理系統網絡結構框圖

在系統通信方面，通過開放式的Modbus和OPC通信協議，以及多種通信協議轉換設備的技術支持，實現對在線分析儀運行狀態的實時監控和管理。同時，智能化程度較高的企業還可以利用工業互聯網將ADMS數據上傳至PIMS或者MES，最終送至ERP或OA[2]，從而實現現場層、過程層和管理層間的信息互聯共享。通過辦公室計算機終端可以觀察在線分析儀的運行情況，甚至對在線分析儀的參數進行修改。方便在線分析儀的操作維護，同時還能及時發現問題并及時處理，提高企業管理水平。

值得一提的是，根據實際項目設計的不同需求，ADMS與DCS之間的數據通信設有3種形式：第1種是ADMS和DCS并行從現場儀表讀取數據；第2種是ADMS將現場分析儀的數據集中統一后與DCS進行數據通信，DCS將ADMS作為一個子系統；第3種是ADMS作為DCS的上一層級，即ADMS從DCS中讀取分析儀數據，通過DCS進行操作和維護。

2 系統主要功能

目前，在線分析儀表在石油化工自動化生產中的應用越來越多，并向智能化、標準化方向發展。其應用發展規模化和分析系統集成的統一化為在線分析儀管理系統的搭建提供了基礎[3]。該系統建立在ADMS平臺之上，可對在線分析儀實時監控、全面管理，并以低成本高效益的方式進行優化，提升在線分析儀的性能和維護效率。

2.1 對分析儀進行集中監視和管理

ADMS工程組態方便快捷，支持Excel批量導入和導出功能，可大幅提高工程組態效率。本系統可對不同廠家、不同型號的智能儀表進行統一管理，操作簡單方便。可實現對在線分析儀運行維護中的實時數據自動采集，如測量讀數、運行狀態、報警信號、遠程標定/校驗及對采集的數據進行統計分析等。所有采集的數據和操作維護記錄存儲在數據庫中，便于歷史數據的查詢和對比。在ADMS中，用戶可以輸入儀表出廠數據信息，參數設置、標準樣品氣體信息，方便維護。同時能與DCS交互，使生產和維護更加協調和安全。

2.2 計算顯示關鍵性能參數

在線分析儀從實驗室發展而來，在惡劣的石化生產環境中在線分析儀表的準確性、穩定性和可靠性對工業生產來說至關重要。利用數據庫中的大數據，采用統計學的分析方法，評估在線分析儀的關鍵性能指標見表1。

表1 在線分析儀的關鍵性能指標

2.3 進行儀表的預測性維護

ADMS實時采集現場分析儀的數據，利用趨勢圖反映生產過程數據的變化，實時監視分析儀表的報警信息和網絡系統的狀態，使得維護工作更加快捷和有效。此外，系統對儀表的日常維護和故障維護信息進行分類統計和匯總，與之前的手寫記錄相比，不僅數據不易丟失、易于查詢，而且統計匯總的維護記錄通過日報、月報和年報方式更科學和準確地揭示儀表故障原因，為預防性維護計劃和決策提供可靠依據。幫助用戶定制和調整維護維修計劃，減少不必要的周期性維護和停機，減少維護成本，提高維護效率。另外，ADMS采用電子簽名的方式，可以在系統中對所有用戶的登錄、操作維護進行記錄，使系統更加安全。

2.4 在線分析儀的校驗

在線分析儀最主要的作用是及時為生產操作人員提供準確可靠的分析結果，從而保證產品的品質，或者實時監視工業生產排放物的安全合法。

為保證分析數據的準確性，必須進行標定和校驗[4]。ADMS參照ASTM D6299-2013[5]，利用統計學分析、I chart和質量控制規則策略，對分析儀的校驗結果進行評估，同時對分析儀的關鍵性能指標進行自動統計。本系統為實際工廠生產中不同類型的分析儀提供了3種校驗方式：第1種是對帶有遠程校驗功能的分析儀進行標準樣品校驗，稱為Auto模式或Semi-Auto模式；第2種是對不帶有遠程校驗功能的分析儀進行現場手動標準樣品校驗，即Manual模式；第3種是對不帶有標準樣品的分析儀，將ADMS記錄的現場儀表的分析結果與實驗室對生產取樣的分析結果進行對比，稱為Lab Validation。3種校驗方式具體實現的流程如圖2所示，校驗方式的選用取決于在線分析儀的類型和能力，以及被測量的生產過程、安全性或環境要求。值得注意的是，工業生產現場與實驗室的環境有很大差別，現場條件惡劣，影響因素較多，在標定校驗時需進行多次取樣測量。

圖2 在線分析儀的校驗流程

3 系統軟件開發

系統軟件采用B/S結構開發，用戶操作界面可通過網頁瀏覽器登錄，軟件程序、功能和數據在服務器中進行部署和維護。主要功能模塊有項目層級結構、分析儀概況、分析儀參數、校驗、標定、維護、故障、趨勢圖、控制圖及報表等。其中分析儀概況中包含分析儀的基本信息、分析結果、運行狀態、報警狀態及關鍵性能指標等，如圖3所示。通過軟件系統完成對儀表的實時運行狀態和測量值的監測，并對分析儀日常運行中的操作和維護數據進行記錄，統計和分析，進而對分析儀的關鍵性能指標進行計算。

圖3 ADMS中分析儀的人機界面

ADMS系統通過集散控制理念，將分散在工廠不同區域的大量不同廠家和型號的分析儀表集中在一個平臺上進行遠程管理和維護。用戶可借助強大的數據庫系統進行查詢、操作、維護、分析，并繪圖和制表，同時可對日常生產維護過程中的測量數據、測試報告、維護記錄、報表、項目數據庫進行文檔化和數字化備份，保證系統和數據的安全性。

4 實際應用

本系統主要針對連續流程生產性企業，如石化企業的在線分析儀(如色譜分析儀、氧分析儀、pH分析儀、硫化物分析儀及氮氧化物分析儀等)進行有效管理。并深層挖掘影響儀表關鍵性能參數的主要因素，幫助設備維護人員進行故障原因分析、制定周期性維護計劃及備品備件的管理等。為生產操作人員提供高可靠性的儀表測量數據，延長連續生產時間。為企業提高生產產品質量、降低設備采購和維護成本。實現管理工作的數字化、網絡化和智能化，可提高管理效率以及對管理決策具有積極的輔助作用。在學習以及進行國內外調研的基礎上，經近兩年研發和完善，將所開發的ADMS進行測試，并先后成功應用于沙特基礎工業公司AMS系統、沙特阿美石油公司Fadhili Gas Program項目和巴林國家天氣公司CGP-III項目。

5 結束語

提高企業的生產效率并降低企業的維護成本一直是國內外各石化公司技改的重要方向。ADMS作為先進的在線分析儀表管理系統，已經成為歐美和中東地區新建石化和天然氣項目的必上系統，未來的中國市場也將有巨大的推廣應用空間。隨著國內外工業物聯網標準的逐步完善，為ADMS提供了更為成熟的發展空間。因為此類系統涉及硬件、軟件、網絡及平臺等多方面的集成，其中標準化、兼容性是不容忽視的重要問題。同時還需要進一步考慮完善信息安全，預防網絡安全問題，使它更好地為工業自動化服務。

[1] 李斯亮.在線分析儀表管理系統的設計與開發[D].大連:大連理工大學,2012.

[2] 郭建民.石化企業在線分析儀表管理模式的初步探討[J].化工自動化及儀表,2001,28(5):57～60.

[3] 劉蓉.ANMS在線分析儀表管理系統在石化生產中的發展與應用[J].中國儀器儀表,2013,(9):52～56.

[4] ASTM D3764-2015,Standard Practice for Validation of the Performance of Process Stream Analyzer Systems[S].Philadelphia:American Society for Testing and Materials，2015.

[5] ASTM D6299-2013,Standard Practice for Applying Statistical Quality Assurance and Control Charting Techniques to Evaluate Analytical Measurement System Performance[S].Philadelphia：American Society for Testing and Materials,2013.

DevelopmentandApplicationofOn-lineAnalyzerManagementSystem

WANG Jun-mei1, ZHONG Jun2
(1.WuxiMechanical&ElectricalBranch,JiangsuUnionTechnicalInstitute; 2.JiangsuAutomationEngineeringDesignCo.,Ltd.)

The ADMS (analyzer data management system) was developed and both design and development of its structure, main functions and software were presented; the analyzer’s data acquisition, operation maintenance and validation were brought into the system platform. The practical application shows that, this ADMS has high reliability and practicability and it provides operators with reliable analysis data while having maintenance efficiency increased and the maintenance cost reduced. The maintenance, management and optimal control of on-line analyzers can be realized.

ADMS, on-line analyzer, system structure, software process

王俊美(1981-)，講師，從事控制理論與控制工程、智能儀表與檢測的研究，wangjunmei81@163.com。

TH865

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1000-3932(2017)12-1122-04

2017-10-05，

2017-10-31)