煉油和化工行業(yè)是是典型的流程型生產(chǎn)模式，工藝過程高度依賴設(shè)備的長期、穩(wěn)定、安全和高效運行。因此，設(shè)備維護對煉油化工企業(yè)至關(guān)重要，任何一臺關(guān)鍵設(shè)備的故障停機都可能導(dǎo)致數(shù)以百萬甚至千萬級的經(jīng)濟損失。
設(shè)備維護分為預(yù)防性維護、預(yù)知性維護和事后維護。流程型行業(yè)的特點決定了對于非關(guān)鍵類的設(shè)備可以采取事后維修的方式，以降低維護成本；對于關(guān)鍵類的設(shè)備必須采取預(yù)防性維護和預(yù)知性維護相結(jié)合的方式，保證設(shè)備能夠長期可靠運行。對于預(yù)防性維護，通常利用3年到4年一次的生產(chǎn)裝置大修機會對設(shè)備進行解體維修。在設(shè)備運行期間，主要依靠每月的計劃維護工作開對設(shè)備進行預(yù)知性維護。
目前在中國石化北京燕山分公司制定月度維護計劃的依據(jù)主要是設(shè)備管理人員的經(jīng)驗，現(xiàn)場設(shè)備運行過程中表現(xiàn)出來的故障現(xiàn)象，以及公司規(guī)定的強制保養(yǎng)項目。我們知道，人為經(jīng)驗是有局限性的，是缺乏繼承性的，這就導(dǎo)致了企業(yè)的維護計劃不能夠完全滿足設(shè)備安全可靠運行的要求，“過修”和“失修”情況并存。而如何能夠利用設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)制定科學(xué)合理的檢修維護計劃，成為企業(yè)急需要解決的問題。另一方面，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)運行異常情況時，如何能夠通過對其狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析判斷進而在設(shè)備真正發(fā)生故障之前能夠捕捉到設(shè)備的故障征兆，為提前安排停車檢修爭取到更長的時間，也是企業(yè)一直面臨的難題。提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，提前進行生產(chǎn)計劃調(diào)整和物資準備，就意味著減少非計劃停車時間，進而為企業(yè)避免數(shù)額巨大的經(jīng)濟損失。
面對燕山石化提出的問題，極晨智道提出應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合振動分析技術(shù)為企業(yè)建設(shè)設(shè)備全生命周期預(yù)知維修系統(tǒng)解決方案。由燕山石化、極晨智道和上海星環(huán)科技三家單位組建聯(lián)合項目組，歷經(jīng)1年半的技術(shù)開發(fā)和現(xiàn)場實施服務(wù)，系統(tǒng)成功上線并達到預(yù)期的效果。
設(shè)備全生命周期預(yù)知維修系統(tǒng)從現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中獲取軸承振動、溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)。大型機組主要在線采集軸瓦位移的時域波形數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集周期為3-5秒；機泵以在線或離線方式采集振動速度或加速度數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，在線監(jiān)測方式的數(shù)據(jù)采集周期為1小時，離線監(jiān)測方式的數(shù)據(jù)采集周期為1-7天；系統(tǒng)從實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中獲取設(shè)備所對應(yīng)的工藝參數(shù)，包括壓力、溫度、流量、液位、介質(zhì)組分等等，數(shù)據(jù)采集周期為1-5秒。依據(jù)該數(shù)據(jù)采集策略和中石化集團的設(shè)備總量，預(yù)計數(shù)據(jù)規(guī)模可以達到1-5PB/年。利用傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫已經(jīng)無法處理如此大規(guī)模的數(shù)據(jù)，所以在該項目中引入了上海星環(huán)的大數(shù)據(jù)平臺作為數(shù)據(jù)獲取、轉(zhuǎn)換和計算平臺。
設(shè)備全生命周期預(yù)知維修系統(tǒng)構(gòu)建了基于規(guī)則的故障診斷、基于案例的故障診斷、設(shè)備狀態(tài)劣化趨勢預(yù)測、部件剩余壽命預(yù)測等應(yīng)用�；谝�(guī)則的故障診斷利用了經(jīng)典診斷分析技術(shù)和專家系統(tǒng)理論，通過對所獲取的數(shù)據(jù)進行故障征兆提取，再依據(jù)診斷規(guī)則，自動輸出設(shè)備將要或已經(jīng)發(fā)生的故障情況以及處理措施；基于案例的故障診斷功能在系統(tǒng)中構(gòu)建了案例模型，并且從企業(yè)歷史故障記錄中提煉總結(jié)了若干故障案例作為原案例保存在大數(shù)據(jù)平臺中，設(shè)備當(dāng)前運行狀態(tài)作為目標案例實時與原案例進行相似度計算，當(dāng)相似度達到預(yù)設(shè)值時，系統(tǒng)給出與設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)相似的歷史故障案例及相似度；劣化趨勢預(yù)測功能應(yīng)用大數(shù)據(jù)平臺中提供的若干算法，包括聚類、分類、回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰度模型等，對所采集到的數(shù)據(jù)進行分析預(yù)測，系統(tǒng)自動給出設(shè)備所處的狀態(tài)類別和參數(shù)達到報警的時間；劣化趨勢預(yù)測功能還引入了自適應(yīng)報警的概念，通過自適應(yīng)報警算法模型進行計算，系統(tǒng)能夠針對每個設(shè)備的每個測點給出符合當(dāng)前工況的報警閾值，當(dāng)然這種自適應(yīng)報警閾值一定是在符合相關(guān)企業(yè)和國家標準的前提下才能發(fā)揮其作用；部件剩余壽命預(yù)測功能利用設(shè)備啟停和歷史部件更換信息以及設(shè)備故障診斷和預(yù)測結(jié)果，系統(tǒng)通過計算得到部件的剩余壽命并對小于預(yù)設(shè)值的部件進行報警提醒。
燕山石化目前的數(shù)據(jù)量約為1000萬條/天，每年的數(shù)據(jù)規(guī)模達到20-30TB。設(shè)備全生命周期預(yù)知維修系統(tǒng)利用5臺服務(wù)器組成的集群部署了星環(huán)大數(shù)據(jù)平臺，包括內(nèi)存計算、Hbase和流處理模塊。系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示。
利用星環(huán)大數(shù)據(jù)平臺，系統(tǒng)實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的實時分析計算，使設(shè)備故障診斷和趨勢預(yù)測等功能的延遲控制在5秒之內(nèi)，完全滿足的客戶對實時性的要求；通過對各類數(shù)據(jù)的分析，顛覆了傳統(tǒng)中人們的經(jīng)驗思維，看似很多無關(guān)的數(shù)據(jù)，但卻對設(shè)備故障產(chǎn)生著實實在在的影響，例如設(shè)備運行效率過低時設(shè)備故障發(fā)生的概率增大，這就要求做好工藝參數(shù)控制；利用大數(shù)據(jù)分析自動生成的檢修維護計劃，保證了設(shè)備維護更有針對性，減少了“過修”和“失修”現(xiàn)象；大數(shù)據(jù)分析最有價值之處在于能夠在設(shè)備出現(xiàn)故障隱患時就發(fā)現(xiàn)設(shè)備的潛在故障，大大減少了生成裝置的非計劃停車，從經(jīng)濟方面和安全方面為企業(yè)帶了了巨大的價值。下圖為系統(tǒng)自動給出的故障診斷結(jié)論：
設(shè)備全生命周期預(yù)知維修系統(tǒng)在國內(nèi)乃至國際上首次將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用到流程型生產(chǎn)行業(yè)的設(shè)備診斷和預(yù)測中，取得了初步成效，但仍有很多業(yè)務(wù)和技術(shù)問題需要進行攻關(guān)。例如，如何利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)自動創(chuàng)建故障征兆算法，使系統(tǒng)更具智能性，拜托故障診斷專家的支持；如何利用進行大數(shù)據(jù)的預(yù)處理，并且是這種預(yù)處理模型化，讓系統(tǒng)自動完成；如何在對設(shè)備劣化趨勢進行預(yù)測時能夠結(jié)合失效機理的因素，使得預(yù)測的結(jié)果更加符合客觀現(xiàn)實等等。這些問題需要數(shù)據(jù)科學(xué)家、故障診斷專家和設(shè)備管理專業(yè)人員共同攻關(guān)解決，希望通過各類專業(yè)人員的努力，讓設(shè)備全生命周期預(yù)知維修系統(tǒng)發(fā)揮出更大的價值，徹底解決企業(yè)設(shè)備管理人員所面臨的種種難題，讓設(shè)備管理不再是企業(yè)中“費力不討好”的工作。
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本文標題：大數(shù)據(jù)技術(shù)助力中國石化智能工廠
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