王俊美 鐘 軍

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無錫機電分院；2.江蘇艾德曼森工程設(shè)計有限公司)

在線分析儀管理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用①

王俊美1鐘 軍2

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無錫機電分院；2.江蘇艾德曼森工程設(shè)計有限公司)

開發(fā)在線分析儀管理系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主要功能和軟件的設(shè)計開發(fā)，將在線分析儀的數(shù)據(jù)采集、操作維護、校驗及標定等功能納入該平臺。實際應(yīng)用表明：系統(tǒng)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(chǎn)操作人員提供可靠的分析數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對在線分析儀的管理維護和優(yōu)化控制。

ADMS 在線分析儀 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 軟件流程

在線分析儀表可以直接安裝在工業(yè)生產(chǎn)工藝流程中，對被測介質(zhì)的組成或物性參數(shù)進行自動連續(xù)測量，并實現(xiàn)自動采樣、預(yù)處理，自動分析、信號處理以及遠傳，在現(xiàn)代石油化工生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。人們甚至將其應(yīng)用水平作為判斷現(xiàn)代石化企業(yè)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(jīng)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(fù)性等關(guān)鍵性能指標。提高分析儀的性能和數(shù)據(jù)可靠性，加強對在線分析儀的維護管理，成為目前石化生產(chǎn)過程中值得關(guān)注的課題。

隨著工業(yè)自動過程控制理論和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)開放性進一步擴大，為在線分析儀網(wǎng)絡(luò)化指明了方向。筆者利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和基于B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)的軟件體系，研究開發(fā)在線分析儀管理系統(tǒng) (Analyzer Data Management System，ADMS)，利用信息化手段和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，對在線分析儀進行管理、維護、標定和校驗，實現(xiàn)在線分析儀管理的規(guī)范化和自動化。

1 ADMS整體設(shè)計

根據(jù)在線分析儀網(wǎng)絡(luò)化管理控制需求，ADMS(圖1)自下而上包括生產(chǎn)現(xiàn)場的在線分析儀、數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換模塊、分析儀數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)服務(wù)器和軟件客戶端。該系統(tǒng)可集成不同廠家不同類型的分析儀，通過與分析儀Modbus網(wǎng)絡(luò)、DCS系統(tǒng)和其他系統(tǒng)接口進行通信互聯(lián)，實現(xiàn)對整個工廠在線分析儀的集中管理。同時開發(fā)了基于Web的客戶端，訪問靈活。還有企業(yè)采用具有無線通信功能的在線分析儀表，使得整個系統(tǒng)更為簡潔。

圖1 在線分析儀管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖

在系統(tǒng)通信方面，通過開放式的Modbus和OPC通信協(xié)議，以及多種通信協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備的技術(shù)支持，實現(xiàn)對在線分析儀運行狀態(tài)的實時監(jiān)控和管理。同時，智能化程度較高的企業(yè)還可以利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將ADMS數(shù)據(jù)上傳至PIMS或者MES，最終送至ERP或OA[2]，從而實現(xiàn)現(xiàn)場層、過程層和管理層間的信息互聯(lián)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(shù)進行修改。方便在線分析儀的操作維護，同時還能及時發(fā)現(xiàn)問題并及時處理，提高企業(yè)管理水平。

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

2 系統(tǒng)主要功能

目前，在線分析儀表在石油化工自動化生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越多，并向智能化、標準化方向發(fā)展。其應(yīng)用發(fā)展規(guī)?；头治鱿到y(tǒng)集成的統(tǒng)一化為在線分析儀管理系統(tǒng)的搭建提供了基礎(chǔ)[3]。該系統(tǒng)建立在ADMS平臺之上，可對在線分析儀實時監(jiān)控、全面管理，并以低成本高效益的方式進行優(yōu)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(jiān)視和管理

ADMS工程組態(tài)方便快捷，支持Excel批量導(dǎo)入和導(dǎo)出功能，可大幅提高工程組態(tài)效率。本系統(tǒng)可對不同廠家、不同型號的智能儀表進行統(tǒng)一管理，操作簡單方便?？蓪崿F(xiàn)對在線分析儀運行維護中的實時數(shù)據(jù)自動采集，如測量讀數(shù)、運行狀態(tài)、報警信號、遠程標定/校驗及對采集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析等。所有采集的數(shù)據(jù)和操作維護記錄存儲在數(shù)據(jù)庫中，便于歷史數(shù)據(jù)的查詢和對比。在ADMS中，用戶可以輸入儀表出廠數(shù)據(jù)信息，參數(shù)設(shè)置、標準樣品氣體信息，方便維護。同時能與DCS交互，使生產(chǎn)和維護更加協(xié)調(diào)和安全。

2.2 計算顯示關(guān)鍵性能參數(shù)

在線分析儀從實驗室發(fā)展而來，在惡劣的石化生產(chǎn)環(huán)境中在線分析儀表的準確性、穩(wěn)定性和可靠性對工業(yè)生產(chǎn)來說至關(guān)重要。利用數(shù)據(jù)庫中的大數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計學(xué)的分析方法，評估在線分析儀的關(guān)鍵性能指標見表1。

表1 在線分析儀的關(guān)鍵性能指標

2.3 進行儀表的預(yù)測性維護

ADMS實時采集現(xiàn)場分析儀的數(shù)據(jù)，利用趨勢圖反映生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的變化，實時監(jiān)視分析儀表的報警信息和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的狀態(tài)，使得維護工作更加快捷和有效。此外，系統(tǒng)對儀表的日常維護和故障維護信息進行分類統(tǒng)計和匯總，與之前的手寫記錄相比，不僅數(shù)據(jù)不易丟失、易于查詢，而且統(tǒng)計匯總的維護記錄通過日報、月報和年報方式更科學(xué)和準確地揭示儀表故障原因，為預(yù)防性維護計劃和決策提供可靠依據(jù)。幫助用戶定制和調(diào)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(tǒng)中對所有用戶的登錄、操作維護進行記錄，使系統(tǒng)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(chǎn)操作人員提供準確可靠的分析結(jié)果，從而保證產(chǎn)品的品質(zhì)，或者實時監(jiān)視工業(yè)生產(chǎn)排放物的安全合法。

為保證分析數(shù)據(jù)的準確性，必須進行標定和校驗[4]。ADMS參照ASTM D6299-2013[5]，利用統(tǒng)計學(xué)分析、I chart和質(zhì)量控制規(guī)則策略，對分析儀的校驗結(jié)果進行評估，同時對分析儀的關(guān)鍵性能指標進行自動統(tǒng)計。本系統(tǒng)為實際工廠生產(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)場儀表的分析結(jié)果與實驗室對生產(chǎn)取樣的分析結(jié)果進行對比，稱為Lab Validation。3種校驗方式具體實現(xiàn)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(chǎn)過程、安全性或環(huán)境要求。值得注意的是，工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場與實驗室的環(huán)境有很大差別，現(xiàn)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(tǒng)軟件開發(fā)

系統(tǒng)軟件采用B/S結(jié)構(gòu)開發(fā)，用戶操作界面可通過網(wǎng)頁瀏覽器登錄，軟件程序、功能和數(shù)據(jù)在服務(wù)器中進行部署和維護。主要功能模塊有項目層級結(jié)構(gòu)、分析儀概況、分析儀參數(shù)、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(jié)果、運行狀態(tài)、報警狀態(tài)及關(guān)鍵性能指標等，如圖3所示。通過軟件系統(tǒng)完成對儀表的實時運行狀態(tài)和測量值的監(jiān)測，并對分析儀日常運行中的操作和維護數(shù)據(jù)進行記錄，統(tǒng)計和分析，進而對分析儀的關(guān)鍵性能指標進行計算。

圖3 ADMS中分析儀的人機界面

ADMS系統(tǒng)通過集散控制理念，將分散在工廠不同區(qū)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(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行查詢、操作、維護、分析，并繪圖和制表，同時可對日常生產(chǎn)維護過程中的測量數(shù)據(jù)、測試報告、維護記錄、報表、項目數(shù)據(jù)庫進行文檔化和數(shù)字化備份，保證系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全性。

4 實際應(yīng)用

本系統(tǒng)主要針對連續(xù)流程生產(chǎn)性企業(yè)，如石化企業(yè)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(guān)鍵性能參數(shù)的主要因素，幫助設(shè)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(chǎn)操作人員提供高可靠性的儀表測量數(shù)據(jù)，延長連續(xù)生產(chǎn)時間。為企業(yè)提高生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量、降低設(shè)備采購和維護成本。實現(xiàn)管理工作的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)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(xué)習(xí)以及進行國內(nèi)外調(diào)研的基礎(chǔ)上，經(jīng)近兩年研發(fā)和完善，將所開發(fā)的ADMS進行測試，并先后成功應(yīng)用于沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司AMS系統(tǒng)、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(jié)束語

提高企業(yè)的生產(chǎn)效率并降低企業(yè)的維護成本一直是國內(nèi)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(tǒng)，已經(jīng)成為歐美和中東地區(qū)新建石化和天然氣項目的必上系統(tǒng)，未來的中國市場也將有巨大的推廣應(yīng)用空間。隨著國內(nèi)外工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標準的逐步完善，為ADMS提供了更為成熟的發(fā)展空間。因為此類系統(tǒng)涉及硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)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(yù)防網(wǎng)絡(luò)安全問題，使它更好地為工業(yè)自動化服務(wù)。

[1] 李斯亮.在線分析儀表管理系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[D].大連:大連理工大學(xué),2012.

[2] 郭建民.石化企業(yè)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(tǒng)在石化生產(chǎn)中的發(fā)展與應(yīng)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

B

1000-3932(2017)12-1122-04

2017-10-05，

2017-10-31)