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基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的Plantweb數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)

艾默生過程控制有限公司

網(wǎng)絡行業(yè)應用篇/設備監(jiān)控與維護

1 概述

隨著工業(yè)企業(yè)自動化水平的不斷的提高，許多企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了較高的產(chǎn)能，做到人員和流程的有效精簡，可以說是達到了發(fā)展的瓶頸，然面面對當今激烈的市場競爭環(huán)境，還有哪些途徑能夠提升企業(yè)的收益和競爭優(yōu)勢呢？工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的到來，使工廠可以挖掘更多的潛能，Plantweb數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)通過提高可靠性、提高效率、提高安全性和節(jié)能減排，幫助工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)卓越運營，從而成為行業(yè)標桿。

1.1 背景

智能化、互聯(lián)網(wǎng)在不知不覺中逐漸滲透到我們的日常生活中。智能汽車、智能手表、智能房屋……只要你想到的，都可以是智能的。

那么這種變化將給制造業(yè)帶來怎樣的影響呢？可以確定的是：制造業(yè)會成為IoT 解決方案的主要采用者之一。這不僅僅是因為他們不想落后于潮流，而且也希望通過降低運營成本、拓展新的市場和提高生產(chǎn)力來提高收益。

1.2 實施目標

通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，工業(yè)企業(yè)可將過程管理和全廠范圍的管理整合到一起，消除信息孤島，更有效地利用資源，同時將人工紙質工作轉變?yōu)樽詣踊?shù)字化、基于軟件、以及數(shù)據(jù)驅動的任務，從而發(fā)揮工廠運行潛能。

1.3 適用范圍

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術適用于各個行業(yè)，包括油氣、石化、煉油、化工、和電力行業(yè)，也包括食品飲料、生命科學、造紙、冶金、輪胎橡膠和水處理等行業(yè)。在提高工廠運行可靠性和安全性，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，提高運行效率方面為工廠帶來了新的可能。

1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡體系架構中的位置

本解決方案在圖1上處于1、4、5、6、7。其可以與現(xiàn)有工廠架構整合，包括靈活的數(shù)據(jù)采集、安全的數(shù)據(jù)傳輸、智能化的數(shù)據(jù)分析和應用以及相關的咨詢及服務。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖

2 需求分析

1) 可靠性、維護和完整性挑戰(zhàn)

當操作人員無法確保預防性維護計劃順利進行時，現(xiàn)場可能會因意外的設備故障而導致計劃外停機，或由于用于大修的計劃內停車時間過長或太頻繁，造成每年數(shù)天的生產(chǎn)損失。在大修期間可能無法完成檢修計劃，工廠或許會因為維修導致維護成本不斷增加，且由于生產(chǎn)損失而導致機會成本上升等挑戰(zhàn)。一些工藝設備的壽命也可能會大大縮減，這可能是被動維護方式所造成的。另一個挑戰(zhàn)是由于管道和船舶老化而造成的效率降低損失。此外，工廠還期望在不增加人工的情況下，提升可靠性。

2) 能源和排放挑戰(zhàn)

工廠通常會發(fā)現(xiàn)能耗不斷增加，卻找不到原因；這種挑戰(zhàn)會隨著能源價格的上漲或不穩(wěn)定而不斷加劇。燃燒量可能持續(xù)上升。減少二氧化碳排放的新監(jiān)管法規(guī)已經(jīng)頒布，工廠可能會不時地面臨環(huán)保處罰，而工廠又無法雇傭更多的人手來實現(xiàn)能源的節(jié)省和可持續(xù)性。

3) 安全與合規(guī)挑戰(zhàn)

雖然工廠的健康、安全及環(huán)保記錄逐年有所改善，但是事故仍然發(fā)生，險兆事件頻發(fā)，響應時間過長，難以滿足全新HS＆E法規(guī)的要求。工廠也會由于不合規(guī)而被處罰。同時，工廠可能無法增加新的人力來執(zhí)行這些工作。

4) 生產(chǎn)挑戰(zhàn)

在原油輸配過程中，人工進行產(chǎn)品轉移造成的交叉污染或不均勻的溫度分布可能影響產(chǎn)品質量和產(chǎn)量。儲罐和批量反應器的手動操作和利用不足可能會導致生產(chǎn)瓶頸。工廠必須處理來自不同市場的原料差異，從而維持收益，例如煉油廠的機會原油。工廠需要面對不斷變化的客戶需求；運營成本可能由于多種原因而不斷攀升；客戶要求交貨時間更短；隨著資深員工的退休，剩下的工作人員需要完成更多的工作。

用戶希望通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)獲得可衡量的業(yè)務提升！但是如何通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提升運營績效?從何入手?以多大的規(guī)模開始？是否能利用現(xiàn)有資源以節(jié)省成本?是否有明確獲得投資回報的應用?是否有行業(yè)實施案例可以借鑒？ 這些也都是用戶希望解決的問題。

3 解決方案

實時的數(shù)據(jù)、專家知識和移動應用是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎，Plantweb數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)不僅包括范圍廣泛的傳感器網(wǎng)絡和網(wǎng)絡安全工具，還包括軟件應用、數(shù)據(jù)分析和IIoT相關的咨詢及服務，旨在提高過程可靠性、能源效率、安全和整體運營性能，幫助企業(yè)有針對性地向著可衡量的目標，逐步實施數(shù)字化轉型，實現(xiàn)卓越運營。

圖2 Plantweb數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)架構

1) 數(shù)據(jù)采集——普適測量

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎是大數(shù)據(jù)，通過傳感器收集原始數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)驅動型數(shù)字化轉型的第一步。傳感器彌補了物理世界和數(shù)字世界之間的差距，沒有傳感器，就不存在分析，也不存在大數(shù)據(jù)。對于普通的過程數(shù)據(jù)，工廠一般已經(jīng)擁有比較成熟的采集方案，但對于泵、壓縮機、換熱器，鼓風機、冷卻塔、風冷換熱器、手動閥和水箱，甚至疏水閥等工藝設備，通常都沒有配備具有狀態(tài)監(jiān)測功能的傳感器，缺少測量數(shù)據(jù)。通過為此類設備配備智能傳感器，以獲取缺失的測量數(shù)據(jù)，可以使其成為智能連接設備。自動數(shù)據(jù)收集速度更快，還可以提供潛在問題的早期“標記”，從而使資產(chǎn)管理更具預測性且效率更高。本解決方案提供范圍廣泛的數(shù)據(jù)采集技術，除了溫壓液位等傳統(tǒng)過程變量，還包括機械設備振動監(jiān)測、腐蝕及有毒有害氣體監(jiān)測、疏水閥泄漏監(jiān)測等。普適測量模塊包含有線和無線傳感器，但在現(xiàn)有工廠中，無線傳感器更易于部署。本解決方案采用符合國際標準的IEC62591 WirelessHART通訊協(xié)議，確保所有儀表可以兼容工作，安全的無線網(wǎng)絡能與任意主機系統(tǒng)無縫集成。

WirelessHART是一種向后兼容，節(jié)省成本、簡單易用的無線通訊技術，滿足工業(yè)領域對于無線通訊的簡單、可靠和安全的要求。WirelessHART 是對現(xiàn)有有線應用的補充，并為新的監(jiān)測甚至控制應用帶來諸多可能。

? 安全——5 層措施保障網(wǎng)絡通訊

- 發(fā)送設備和接收設備的合法身份（Authenticate）

- 數(shù)據(jù)的有效性驗證（Verify）

- 數(shù)據(jù)包的加密（Encrypt）

- 可靠的數(shù)據(jù)訪問權限管理 （Key Management）

- 應用跳頻擴頻（FHSS）和直接序列擴頻（DSSS）技術提高抗干擾能力

? 可靠——自組織、自適應網(wǎng)狀結構

- 不要求用戶具有無線技術專門知識，網(wǎng)絡具有自適應功能

- 網(wǎng)絡具有連續(xù)監(jiān)視通訊路徑的功能，某個節(jié)點通訊性能下降時通道將自行切換至高性能通道

- 同時支持星形和網(wǎng)狀拓撲，通過網(wǎng)關管理網(wǎng)絡，自動分配最佳路徑

智能無線網(wǎng)絡每臺設備的通訊路徑都有冗余，數(shù)據(jù)可靠性高達99.9%。

? 兼容

- 遵從IEEE 802.15.4 無線標準

- 采用2.4 GHz 通用頻段

智能無線儀表可以輕松接入任何Wireless HART網(wǎng)絡，任何符合WirelessHART標準的無線儀表均可無縫接入智能無線網(wǎng)絡。

2) 從OT到IT的數(shù)據(jù)安全傳輸

Plantweb數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)不但支持傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸， 也可通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)傳輸。采用Secure First Mile?數(shù)據(jù)單向傳輸技術，為客戶提供了從OT系統(tǒng)和工廠架構中更低層設備的連接，無需大量中間軟件，以消除原來無論使用任何連接都會成為惡意攻擊入口的問題，從而確保現(xiàn)有OT系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可以根據(jù)應用需要輕松、安全地連接到互聯(lián)網(wǎng)。

Secure First Mile提供的是一系列網(wǎng)絡安全手段、設備和設計，包括網(wǎng)絡安全服務、安全靈活的服務器、網(wǎng)關和數(shù)據(jù)單向傳輸技術，以確保數(shù)據(jù)運營技術系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可以方便安全地與基于網(wǎng)絡的應用相連接。Secure First Mile主要是在產(chǎn)生過程數(shù)據(jù)的地方將傳感器或其它設備信息轉化為安全的數(shù)據(jù)供英特網(wǎng)和云端使用。

以數(shù)據(jù)單向傳輸用于閥門監(jiān)測為例，WirelessHART閥門的信息通過1410網(wǎng)關傳遞到現(xiàn)場的網(wǎng)關，通過數(shù)據(jù)單向傳輸防止外部接入OT（運營技術），Microsoft Windows 10英特網(wǎng)網(wǎng)關將數(shù)據(jù)轉化為物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)例如AMQP，然后通過微軟Azure云服務發(fā)送到遠程專家服務平臺。這種方式采取端到端的加密。

3) 數(shù)據(jù)分析與應用

Plantweb Insight 設備監(jiān)測APP

Plantweb Insight設備監(jiān)測APP是針對單個類別設備監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析的應用程序，它是獨立的平臺，不依賴于任何特定的控制系統(tǒng)或歷史數(shù)據(jù)。其通過內置專業(yè)知識對具有多種測量數(shù)據(jù)的復雜工藝設備進行性能和狀態(tài)監(jiān)測，例如：壓縮機、鼓風機、風機、泵、換熱器、冷卻塔、風冷換熱器等，以預測并提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，防止其進一步惡化而發(fā)生故障。該分析軟件可支持各種來源的信息（無論監(jiān)測設備是哪家供應商提供的），包括新型無線傳感器、現(xiàn)有傳感器、成套PLC、SCADA 系統(tǒng) RTU、控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、機械保護系統(tǒng)、智能設備管理（IDM）軟件以及任何歷史數(shù)據(jù)庫或未來的平臺。反之，設備分析結果也可以傳送至整個裝置或工廠的其它分析應用程序中，同樣，還可以集成到（AR）可視化解決方案中。

圖3 設備監(jiān)測APP

Plantweb Advisor顧問系統(tǒng)

Plantweb Advisor顧問系統(tǒng)針對特定應用需求，對相關監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，并提供可用于決策的信息。其專門為大多數(shù)使用OSIsoft PI系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫的工廠客戶而創(chuàng)建。也就是說，工廠現(xiàn)有的歷史數(shù)據(jù)庫已經(jīng)在使用中，無需由其它中間件平臺代替，因此不需要添加其它中間件平臺，從而保護工廠的投資并降低管理成本。目前已經(jīng)發(fā)布的顧問系統(tǒng)包括：

? Plantweb Health Advisor 機械設備健康顧問系統(tǒng)，可對泵、換熱器、鼓風機、風冷換熱器、壓縮機、冷卻塔等進行分析，有助于推動維護管理

? Plantweb Performance Advisor設備性能顧問系統(tǒng)，可對離心壓縮機、往復式壓縮機、燃氣輪機、蒸汽輪機、鍋爐、燃燒式加熱器、熔爐、HRSG、冷凝器、泵、冷卻塔、風扇等許多其它設備進行分析，提高設備性能管理

? Plantweb Energy Advisor能源監(jiān)測顧問系統(tǒng)，是專門為過程工廠設計的能源管理信息系統(tǒng)（EMIS），可管理多種能源流，如：水、空氣、天然氣、電力、蒸汽和其它能源，并自動生成工廠、區(qū)域、單元直至設備層面的報告，方便能源經(jīng)理和損失控制工程師使用。

由于這些分析軟件都是基于網(wǎng)頁瀏覽器的程序，因此可隨時隨地通過平板電腦或智能手機進行訪問，歷史庫通常也可支持文本/短信、電子郵件以及運行數(shù)據(jù)看板，可向用戶發(fā)送設備異常狀態(tài)的消息，實現(xiàn)信息流和工作流高效協(xié)同。

除了易于使用的Plantweb Insight設備監(jiān)測APP和Plantweb Advisor顧問系統(tǒng)以外，還有一些專門的預測分析專家工具，如AMS機械設備管理系統(tǒng)、腐蝕管理系統(tǒng)、以及能夠區(qū)分許多故障模式的ValveLink 控制閥診斷系統(tǒng)。這些工具甚至可以應用于單臺傳感器的分析和健康診斷。

隨時隨地獲取信息

將正確的信息傳遞給正確的人，無論他在何處，工作人員都能夠通過手機、iPad等移動設備安全、快捷、直觀地獲得關鍵設備的狀態(tài)信息和報警，從而更高效地做作出決策。

4) 咨詢與服務

遠程專家服務

本解決方案與微軟公司合作，推出基于Microsoft Azure云平臺和Windows 10物聯(lián)網(wǎng)技術的遠程專家服務，實現(xiàn)從本地向云平臺安全地傳輸數(shù)據(jù)。當現(xiàn)場沒有足夠的專家資源時，工廠可以選擇基于IIoT技術的解決方案借助公司自有全球監(jiān)測中心的遠程專家對多個現(xiàn)場的設備進行監(jiān)測，也可選擇由第三方服務提供商對公司全球范圍內多個現(xiàn)場的過程設備進行監(jiān)測。目前提供的遠程專家服務包括：疏水閥、旋轉機械（振動）設備、靜態(tài)設備、控制閥、DeltaV系統(tǒng)、氣相色譜儀、超聲波流量計。

培訓和仿真

Plantweb數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)中的數(shù)字雙胞胎系統(tǒng)可用于測試工藝優(yōu)化所需的新的控制策略和邏輯改進，尤其是批次配方優(yōu)化；也可在 FAT階段用于組態(tài)驗證和邏輯測試，以加快工藝運行；還可用于虛擬培訓，通過3D 虛擬現(xiàn)實（VR）仿真軟件和護目鏡，獲得真實的現(xiàn)場作業(yè)體驗，使操作人員在實地實踐操作前及時發(fā)現(xiàn)不正確的作業(yè)行為，通過不斷的仿真來快速提升技能。

圖4 通過動態(tài)仿真進行工藝優(yōu)化的測試或虛擬培訓

咨詢服務

Plantweb顧問、專家可以幫助客戶部署Plantweb 數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)中的技術，幫助客戶發(fā)現(xiàn)工廠中每個部門的潛在需求和機遇，設定運營模式轉變?yōu)閿?shù)字化的目標和發(fā)展藍圖，為其提供工廠運營和維護的數(shù)字化轉型支持。

4 成功案例

4.1 方案收益

圖5 據(jù)行業(yè)分析，通過數(shù)字化轉型企業(yè)將獲得顯著的績效提升

1) 應對可靠性、維護和完整性挑戰(zhàn)

提高可靠性的關鍵是預測性維護，豐富的數(shù)據(jù)采集設備和分析工具為用戶提供完整的可操作的運行信息，利用物聯(lián)網(wǎng)，不僅能夠讓相關的現(xiàn)場工程師及時收到設備故障的預報，還能讓技術專家提供遠程支持和可靠性咨詢服務。

中東某化工公司擁有四個大型綜合工廠，通過實施完整的一體化維護計劃公司的維護成本降低12％，可用性提高2％。以典型的日產(chǎn)250,000 桶煉油廠為例，通過預測診斷實施維護帶來的成本節(jié)省單以10臺泵的數(shù)據(jù)來看，由于運營時間更長了，工廠利潤至少增加了93,992美元，直接成本節(jié)省了60,300美元，并降低了一年內的事故發(fā)生率。總收益為每年154,292美元。

2) 應對能源和排放的挑戰(zhàn)

新加坡Denka化工廠，過去經(jīng)常會發(fā)生一臺疏水閥泄漏一年才被發(fā)現(xiàn)的情況，高達20%的工廠疏水閥可能隨時出現(xiàn)故障，導致蒸汽損失或加熱效率低下，從而增加能源成本。Denka化工廠使用了基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的疏水閥遠程監(jiān)測和咨詢服務，根據(jù)實時監(jiān)測情況及時更換故障疏水閥，從而使蒸汽的使用量降低了7%。

3) 應對安全與合規(guī)的挑戰(zhàn)

新加坡裕廊化工園區(qū)采用本工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案，布局園區(qū)安全管理、設備管理和能源管理中心，在園區(qū)覆蓋工業(yè)無線網(wǎng)，通過增加無線監(jiān)測點，加入統(tǒng)一的安全管理、設備管理和能源管理平臺，從有害氣體泄漏監(jiān)測到腐蝕監(jiān)測，從溢罐報警到動設備性能監(jiān)測，從安全噴淋監(jiān)測到人員跟蹤等，有效加強安全生產(chǎn)的預警、預防能力。從小事故和隱患抓起，最大程度減少重大事故發(fā)生、優(yōu)化能源管理、加強節(jié)能減排，強化全面環(huán)保監(jiān)測管理。

4) 應對生產(chǎn)挑戰(zhàn)

在現(xiàn)代化智能罐區(qū)的管理中，本解決方案可實現(xiàn)智能化的罐區(qū)調度、物流管理，訂單管理、庫存管理、仿真和培訓、調和與配比控制、儲罐計量和安全監(jiān)控、相關泵區(qū)及閥組的監(jiān)控、貿易交接的審核、移動裝卸控制（裝卸船、火車裝車或槽車裝車），庫區(qū)安全管理、智能設備診斷和管理，從而提高罐區(qū)運行效率和安全性，提高產(chǎn)品質量。

4.2 成功案例

1) Connected Services遠程專家服務案例

位于西菲律賓海區(qū)的Shell Malampaya海上平臺，通過智能定位器實現(xiàn)從陸地對平臺上的閥門進行監(jiān)測，現(xiàn)場數(shù)據(jù)還能被送到企業(yè)局域網(wǎng)，這樣Shell在全球的工作人員都可以登入企業(yè)內網(wǎng)為平臺提供支持。

澳大利亞遠程煤層氣田需要對其正在運行的氣相色譜儀進行檢查，確定有哪些設備需要重新標定，一臺設備停止工作每天可能會造成高達10萬美元的損失，以前是由一名工作人員工花1到3天時間到現(xiàn)場完成一臺設備的檢查，而大部分情況下設備都沒有問題。現(xiàn)在我們可以對氣相色譜儀進行遠程連接，通過診斷數(shù)據(jù)判斷是否需要標定，由于省去了到現(xiàn)場的檢查每次可節(jié)省6千美元。

2) 新疆克拉美麗氣田實現(xiàn)井口自動化監(jiān)測案例

克拉美麗氣田位于古爾班通古特沙漠，氣田井數(shù)多、分布廣、產(chǎn)量波動頻繁、管理難度大，由于單井自動化水平低，RTU遠傳、UPS覆蓋面較小，僅有2口單井井口配有RTU及UPS，大多數(shù)氣井無法實現(xiàn)遠程監(jiān)控及操作，員工巡檢勞動強度大。此外，一旦單井井口出現(xiàn)突發(fā)緊急情況，員工無法第一時間及時掌握現(xiàn)場狀況并解決問題，且處理問題時間較長，員工勞動效率低下，為氣井正常生產(chǎn)埋下隱患。

Plantweb數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)幫助氣田實現(xiàn)井口生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時自動化監(jiān)控，用戶獲得三大收益：保證井區(qū)安全生產(chǎn)- 為判斷井口管線積液、凍堵及地層壓力變化提供了實時參數(shù)及歷史趨勢數(shù)據(jù)，為安全穩(wěn)定生產(chǎn)、優(yōu)化氣井操作提供了可靠的技術數(shù)據(jù)；保障人員安全- 由于可以在控制室完遠程診斷和維護，減少人員在井口危險區(qū)域的操作及巡檢次數(shù)，如克拉美麗沙漠冬季道路結冰和自然環(huán)境的因素（有時野狼群出沒）的影響，提高了操作人員的工作效率和安全保； 降低巡檢維護成本- 由于可以減少人工巡井次數(shù)，勞動成本節(jié)省50%，人工工時減少近3000小時，巡井路程減少近20萬公里，相應車用油耗節(jié)省75%。