邱敬敏

(中石化胜利油田分公司 石油化工总厂，山东 东营 257019)

石化行业不断发生重大安全事故，随着一系列过程安全环保法规的颁布实施，石化行业生产装置长周期运行面临着巨大的挑战，设备失修造成计划外停工等不仅严重影响了生产效率和质量，也给石化企业带来高额的维护保养成本；如何提高现有设备的利用率、降低设备维护的成本、减少由于设备故障导致的生产影响、优化工厂的运行、增加盈利率，设备完整性要求成为石化企业数字化转型亟需攻克的难题；随着IoT、大数据、边缘计算等技术的成熟，基于安全性、可靠性的预测性维修应运而生。预测性维修通过对设备运行状态的实时监测，使用工业数据建模和分析来进行设备故障诊断，预判设备状态的发展趋势和可能的故障模式，制定预测性维修计划，降低计划外停机时间。

1 预测性维修的提出

目前炼化企业控制系统制造商组成复杂、装置现场仪表设备品种多样、控制系统和自动化仪表功能各异，正确制定维修计划、合理配置备件数量，保证仪控设备的可用度，同时合理分配维修经费预算，是当前设备维修保障工作亟待解决的问题。然而，目前采用的维修策略仍然存在故障规律认识不充分、维修计划安排不合理、备品备件配置不准确的问题，难以满足当前装置长周期安全可靠维修保障的需求。

1.1 设备维修管理模式的演变

1.1.1事后维修

第一阶段是事后维修BM(break-down maintenance)，事后维修是“有故障才维修”“不坏不休、坏了再修”的方式，它是以设备是否完好或是否能用为依据的维修方式，属于非计划性维修。目前大多企业采用的事后维修方式属于盲目、失控的无计划维修方法。事后维修方式过分强调故障后维修，没有考虑设备实际状态的好坏采取预防性维修措施，导致设备出现“带病工作、频繁维修”的问题。从系统层面上，缺乏对故障高发设备、故障高发时段的整体分析，导致在制定维修计划和确定备品备件类型时，对于不同型号类型的设备、不同故障特征的设备、不同保障约束的设备没有针对性。从设备层面上，缺乏对设备故障发生时间的预测以及故障影响后果的分析，导致现有信息无法支撑预防性维修间隔时间以及备品备件需求量的预测。频繁的维修不但不能提高装备的可靠性、减少故障的发生，反而有可能将不稳定因素带入原本稳定的系统，破坏原有的平衡状态，诱发更多的故障甚至装置停车。需要实现维修保障工作由“被动依赖、主观决策、临时补漏”向“顶层规划、合理优化、统筹协调”的方向转变。

1.1.2基于时间的预防性维修

第二阶段是预防性维修PM(preventive maintenance)，又称为定时维修，是以时间为依据的维修模式(TBM)，它根据生产计划和经验，按规定的时间间隔进行停机检查、解体、更换零部件。针对通过设备故障预测后可确定故障率的装备，开展维修间隔期预测方法研究。特别针对影响系统运行的关键设备开展基于可用度约束的维修间隔期优化研究；针对故障率获取困难的装备，开展基于数据驱动的维修间隔期预测方法研究；根据装备确定的维修间隔期，结合各装备间故障相关性、功能相关性等影响，开展预防性维修策略研究。这种维修方法也就是目前所普遍采用的计划维护或定期维修，如大、中、小修等。

1.1.3预测性维修

第三阶段为预测性维修PDM(predictive maintenance)，又称预知性、预见性维修，是以设备状态为依据的维修模式，通过对运行设备定期或连续的状态监测和故障诊断，判定设备所处的状态，预测设备状态未来的发展趋势，依据状态发展趋势和可能的故障模式，制定预测性维修计划。在对设备分级分类以及设备历年故障数据统计分析的基础上，开展故障失效模式及影响分析，从故障发生概率和故障严酷度两个方面识别关键故障设备。通过对故障数据充足且有效的设备，开展基于故障预测方法研究，预测设备的平均故障间隔时间(MTBF)。对于检验结果服从多种分布类型的情况，开展分布类型优化选择研究，以选择最适用的分布模型。针对故障数据稀少且缺失的设备展开基于数据驱动的故障预测方法研究，特别对于故障规律服从典型故障率曲线和非典型故障率曲线的装备提出不同的预测方法。通过对备品备件分类方法展开研究，确定不同备品备件的优先级、重要度，针对连续型需求和间断型需求的备品备件开展需求量预测方法研究，进一步结合库存情况开展备件管理策略研究。从通用设备、专用设备两个方面梳理现有维修保障设备，进一步研究维修保障设备的分类方法，确定不同维修保障设备的优先级、重要度。结合具体的维修任务和维修保障资源开展维修保障设备的综合权衡方法研究。通过预防性维修策略研究，摸清某专用设备的故障规律、制定合理的维修计划、明确备品备件需求，可有效降低装备突发故障对系统的影响，提升系统可用度和设备可靠性，预测性维修是一种集状态监测、故障预测、故障诊断、维护决策支持于一体的维修方式。广义的预防性维修是按照预定计划或相关准则进行测试、维护保养、维修、更新改造等工作，以防止设备损坏，保证设备安全运行，提高设备运行可靠性，包含定期性维护、季节性维护、预知性维修、专项检查维护。

2 仪控预测性维修技术

仪控预测性维修基于仪表及控制系统的状态监测和智能巡检，分析设备状态检测结果，发现设备缺陷，指导开展维修工作，确定合理的预防性维修工作周期。通过仪表及控制系统状态检测，分析评估检测结果，将异常状态纳入设备缺陷管理流程。状态监测平台应具备缺陷识别、故障诊断等自动分析功能，可直接指导企业开展检维修工作。通过搭建统一的状态监测平台，对各企业设备状态检测数据进行统一管理，避免各企业重复投资。

2.1 在线监测技术

2.1.1控制系统自诊断报警监测

将DCS，SIS，CCS，PLC等控制系统自诊断数据中的控制器报警、卡件及通道状态报警、通信报警、接地报警、电源模块报警、风扇报警等报警事件自动采集到状态检测平台，可通过手机短信形式分级推送到管理人员、维护人员，及时处理控制系统异常。

2.1.2固定式气体报警器监测

将固定式可燃与有毒气体报警器零漂及故障报警信号传送到状态监测平台，并可通过手机短信形式分级推送到管理人员、维护人员。

2.1.3联锁投用状态监测

将联锁回路的投用状态信号引入状态监测平台，实现联锁回路投用状态的实时监管，并可通过手机短信形式分级推送到管理人员。

2.1.4联锁仪表报警监测

在安全仪表系统里设置冗余联锁仪表的偏差报警、开路及短路报警判断逻辑，同时将报警信号传送到状态监测平台，并可通过手机短信形式分级推送到管理人员、维护人员。

2.1.5控制阀动作时间监测

对有动作时间要求并配备阀门回讯器的控制阀，在控制系统里监控控制阀动作时间并设置超时报警，宜将超时报警传送到状态监测平台。

2.1.6仪表电源状态监测

对110 V，220 V等交流电源，以及100 V，24 V等直流电源，应在仪表电源柜内总空气开关馈线侧，增加电压互感器和电流互感器，将电流、电压以4～20 mA标准信号接入到DCS，并传送到状态监测平台。将仪表24 V直流开关电源的故障报警信号接入到DCS，并传送到状态监测平台。

2.1.7机柜间温湿度监测

机柜间应设置带4～20 mA标准信号输出的温湿度仪，将温湿度信号接入DCS，同时传送至状态监测平台，设置报警。机柜间、工程师室温度为冬季20 ℃±2 ℃，夏季26 ℃±2 ℃，相对湿度为40%～60%。

2.1.8仪表伴热监控系统

通过HART协议采集变送器膜盒温度，或者增加热电阻等对仪表伴热情况进行监控，同时传送到状态监测平台并设置报警。

2.1.9智能仪表管理系统

实现对智能变送器、流量计、液位计等HART或现场总线仪表在线组态、调试、校验、状态监测及报警管理。配备阀门管理软件对智能阀门定位器进行管理，利用自动测试、故障诊断、阀门运行特性诊断、摩擦力分析等功能，实现控制阀状态监测和检修预测。

2.2 离线检测技术

2.2.1红外温度检测

对电源柜、系统柜、端子柜、安全栅柜、网络柜等机柜内的电子设备，每月至少开展一次红外成像检测。

对达到使用寿命80%的交流220 V，直流100 V电磁阀，每季度至少开展一次红外温度检测。

2.2.2接地电阻检测

采用便携式接地环路电阻测试钳表，每年至少一次对控制系统机柜工作接地汇流排和保护接地回流排的接地干线，进行接地电阻检测，且测得的阻值不应大于4 Ω。

2.2.3仪表风露点检测

仪表风系统为气动执行机构的动力源，宜采用便携式露点检测仪离线检测仪表风露点。

2.2.4质量流量计状态检测

用HART手持终端或调试软件，每季度检查一次贸易交接、能源及物料计量用质量流量计的基础零点、驱动增益、检测线圈电压、振动频率等运行状态参数，对照历史趋势分析其稳定性。

2.3 仪控预测性维修技术常见数据接口

仪控预测性维修技术常见的IO接口如下：

1)RS-485。两线制，差分信号传输，半双工通信，最大通信距离大于1 km。

2)RS-232。三线制，全双工通信，一般通信距离小于10 m。

3)CAN。两线制，多主通信，高性能，高可靠性，每次最多传输8个字节的数据。通信距离大于1 km。

4)以太网。4线或8线，多主通信，高性能。普通网线通信距离100 m以内。

5)Zigbee。基于IEEE802.15.4标准的低功耗无线通信协议，低功率一般传输距离为100 m以内，高功率的约为1 km。

6)LoRa。基于扩频技术的超远距离无线传输方案。低功耗，多节点。

7)GPRS。通用分组无线服务技术，广域网通信。

8)NB-IoT。IoT领域是一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，亦称低功耗广域网(LPWA)。

9)模拟量输入。0～20 mA/0～5 V/0～20 V。

10)开关量输入。0～24 V。

11)继电器输出。0～220 V/2 A。

3 基于仪控物联网的预测性维护管理

仪控物联网平台提供海量设备的接入和管理，可通过华为云或其他产品同时使用，帮助快速构筑物联网应用。当用户在开通设备管理服务时，系统默认一起开通设备接入服务，即用户在使用设备管理服务时，包含设备接入服务的能力。

3.1 IoT 边缘

IoT边缘作为物联网边缘“小脑”，在靠近物或数据源头的边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台，就近提供计算和智能服务，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。

3.2 设备接入

物联网平台支持终端设备直接接入，也可以通过工业网关接入；支持多网络接入、原生协议接入、系列化Agent接入，解决设备接入复杂多样化和碎片化难题；提供基础的设备管理功能，实现设备的快速接入。

1)多网络接入。支持有线和无线接入方式，如固定宽带，2G/3G/4G/5G，NBIoT，Z-Wave，ZigBee，eLTE等。

2)原生协议接入。支持MQTT原生协议接入。

3)系列化Agent接入。支持Agent Lite和Agent Tiny，覆盖的语言包括C，Java，Android。Agent与海思、高通主流芯片、模组预集成，缩短TTM。

4)设备双向通信。物联网平台提供设备数据采集功能，例如设备业务数据、设备告警，同时支持应用对设备数据的订阅和推送。

5)应用对接。物联网平台开放了海量的API接口和SDK，帮助开发者快速孵化专业APP应用。

6)设备影子。设备影子是一个JSON文档，用于存储设备的状态、设备最近一次上报的设备属性、应用服务器期望下发的配置。每个设备有且只有一个设备影子，设备可以获取和设置设备影子以此来同步状态，该同步可以是影子同步给设备，也可以是设备同步给影子。

7)数据转发规则。数据转发规则是规则引擎的一种，用于将物联网平台接收的设备数据，转发到华为公有云的其他服务进行数据分析、存储等。

8)设备实时状态监控。物联网平台实时监控设备的状态，包括在线、离线、未激活，实时获取状态变更通知。

9)审计日志。控制台记录所有物联网平台的使用人员的操作日志、安全日志(登录、登出、密码修改等)，便于日志分析和故障定位。

3.3 接入的设备管理

在设备接入基础上，提供了更丰富完备的设备管理能力，简化海量设备管理复杂性，节省人工操作，提升管理效率。

1)产品模型定义。用于定义一款接入设备所具备的属性，如颜色、大小、采集的数据、可识别的指令或者设备上报的事件等信息，然后通过厂家、设备类型和设备型号，唯一标识一款设备，便于平台识别。产品模型可通过开发中心进行无码化开发。

2)设备访问授权。支持将设备的管理权限授权给其他应用，便于同一个用户管理多个应用的设备。

3)数据持久化存储。提供设备上报数据的存储，可按照时、天等维度查看设备上报的历史数据。历史数据最多存储7 d。

4)设备联动规则。设备联动规则是规则引擎的一种，通过设置一个规则的触发条件，如温度阈值、时间等，在满足触发条件时，物联网平台会触发一个指令来使设备执行一个操作。

5)报警管理。支持管理通过规则引擎里定义触发的设备告警，包括查看告警详情和恢复告警。

6)设备分组及标签。支持对设备进行群组和标签管理，通过有效分组和批量管理，减轻设备管理成本。

7)设备批操作。支持对设备的批量操作，包括： 批量设备注册、批量配置更新、批量命令下发、批量固件升级、批量软件升级。

8)设备远程诊断。支持远程进行设备的运行日志收集、重启模组操作。

9)设备配置更新。支持通过应用服务器或控制台下发命令的方式，更新设备的属性值。

10)设备OTA(Over the Air)升级。支持通过OTA的方式，升级终端设备的软件、硬件，并通过软固件升级策略管理，包括： 群组、升级时间、并发数控制等，有效提升升级灵活性。

11)报表统计。在控制台上提供了丰富的报表功能，方便用户查看应用和设备的使用情况。

当用户在开通设备管理服务时，系统默认一起开通设备接入服务，即用户在使用设备管理服务时，包含设备接入服务的能力。

3.4 接入设备发放服务

通过设备发放服务，可以轻松管理跨多区域海量设备的发放工作，实现单点发放管理，设备全球上线。

1)设备启动引导。通过Bootstrap流程，引导物联网设备在初次上电时获得正确的目标物联网平台地址，继而完成设备与平台的建链过程。

2)设备身份信息鉴权。支持多种设备身份鉴权能力，如PSK，X.509(RP2)等，设备发放服务完成对设备上线的身份认证鉴权。

3)多种智能发放策略。支持多种智能发放策略，比如关键字模糊匹配，设备就近选择物联网平台。

4)设备迁移能力。根据业务迁移需要，帮助企业重置设备发放信息，实现更改对端物联网平台的目的。

5)业务统计。提供关键发放业务相关统计，包括： 发放区域，发放设备数。

4 结束语

随着5G技术的普及应用，基于工业物联网技术，依托华为云平台的仪控状态监控系统克服了传统有线监控方式的不足，该系统在发生可燃有毒气体泄漏事故时能够通过GPS定位获得可燃有毒气体泄漏源位置，工作人员能够在第一时间关闭泄漏源附近的阀门，并通知抢险人员进行抢修，从而实现真正的实时检测、监控。因此，通过物联网技术，无论身在什么地方，都可以根据传感器节点采集到的信息，对仪控系统进行预测性维护，保证了仪控系统的安全性、可靠性、完整性。