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★寶鋼湛江鋼鐵有限公司柯理文，幸嘉銘

★艾默生過程控制有限公司鄧新亮

1　工程概況

某鋼鐵自備電廠二期擴(kuò)建2×135MW亞臨界超高溫煤氣機(jī)組（B-T-G），于2021年4月完成168小時試運(yùn)行。兩臺機(jī)組均采用艾默生Ovation DCS系統(tǒng)，涵蓋鍋爐、汽機(jī)、電氣、脫硫脫硝等設(shè)備控制。

2　項目挑戰(zhàn)及解決方案

面對寶鋼湛江鋼鐵自備電廠運(yùn)行人員監(jiān)盤范圍廣、監(jiān)控負(fù)荷大、海量歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)待挖掘及經(jīng)驗傳承難的痛點(diǎn)，艾默生致力于通過智能監(jiān)盤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電廠監(jiān)控智能化。系統(tǒng)整合了先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析與智能診斷算法，依托智能監(jiān)盤實(shí)時監(jiān)測、故障預(yù)警、自動診斷等功能，使運(yùn)行監(jiān)測實(shí)現(xiàn)由人工監(jiān)控向計算機(jī)智能監(jiān)控的轉(zhuǎn)變。相比人工監(jiān)控，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了7×24小時不間斷的智能監(jiān)測與預(yù)警，大幅降低了運(yùn)行監(jiān)盤人員的監(jiān)控負(fù)荷。

與此同時，智能監(jiān)盤以知識庫的形式保留了老師傅的運(yùn)行經(jīng)驗，通過各項運(yùn)行數(shù)據(jù)綜合研判，劍指異常點(diǎn)，新人可以快速查詢以指導(dǎo)工作，極大地提高了新人的成長速度，確保寶貴操作技能得到有效傳承，助力機(jī)組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

智能監(jiān)盤提升了生產(chǎn)過程監(jiān)控的效率、質(zhì)量和智能化水平以及勞動效率，極大地釋放了運(yùn)行人員的時間，運(yùn)行人員可以將更多精力用于系統(tǒng)優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新，推動電廠向更高效、更智能的發(fā)展方向轉(zhuǎn)變。

3　項目創(chuàng)新點(diǎn)

（1）智能監(jiān)盤基于Ovation Intelligent Framework（OIF）智能框架，在安全一區(qū)與DCS系統(tǒng)一體化部署，保證數(shù)據(jù)交互可靠性，解決了廠級SIS/MIS系統(tǒng)不能返回控制系統(tǒng)從而無法指導(dǎo)實(shí)時運(yùn)行的痛點(diǎn)問題。

（2）創(chuàng)新的人機(jī)界面DCS一體化層級展示設(shè)計，通過嵌入式和報警聯(lián)動的方式，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控預(yù)警信息與DCS系統(tǒng)的無縫融合。監(jiān)盤畫面輪播功能減輕了運(yùn)行人員在監(jiān)盤過程不斷翻頁畫面的工作量。報警處理實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)管理，有效減少了遺漏與誤操作的風(fēng)險。無需額外學(xué)習(xí)成本，輕松查看，幫助作出決策。

（3）一體化的OIF/Ovation Analytics Studio（OAS）軟件部署簡單，與DCS系統(tǒng)的連接無需配置復(fù)雜的接口，可簡單快速從DCS系統(tǒng)中獲取所需測點(diǎn)數(shù)據(jù)（硬件點(diǎn)、中間點(diǎn)、算法點(diǎn)等）、測點(diǎn)質(zhì)量信息、DCS報警信息等，提取數(shù)據(jù)的速度、精度優(yōu)勢顯著。平臺運(yùn)行可靠穩(wěn)定，易于維護(hù)。

（4）數(shù)據(jù)分析方面，OAS數(shù)據(jù)分析軟件支持多種數(shù)據(jù)接口，方便在線讀取DCS歷史數(shù)據(jù)，具備高效的數(shù)據(jù)清洗與質(zhì)量檢查能力。使用簡易的可視化操作完成訓(xùn)練、驗證、調(diào)優(yōu)的全流程機(jī)器學(xué)習(xí)建模。模型參數(shù)閾值可自動生成，使得數(shù)據(jù)分析和模型建立變得簡單高效。

（5）采用Ovation OPET多狀態(tài)識別算法，解決設(shè)備多參數(shù)耦合狀態(tài)下的異常和故障識別問題。顯著提高故障預(yù)知能力，減少設(shè)備意外停機(jī)，降低維護(hù)成本。

（6）智慧監(jiān)盤充分考慮設(shè)備特性，評估設(shè)備實(shí)時狀態(tài)，為設(shè)備優(yōu)化控制提供依據(jù)，使調(diào)整更加精確有效。

（7）智能監(jiān)盤系統(tǒng)采用機(jī)理模型、人工經(jīng)驗、大數(shù)據(jù)技術(shù)和AI算法，構(gòu)建了一個智能的監(jiān)控、分析和診斷平臺。該平臺充分利用了模型表示、推理、數(shù)據(jù)驅(qū)動等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了對運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、系統(tǒng)性能的持續(xù)監(jiān)測和評估。平臺具有全天候不間斷的監(jiān)控能力，大幅減輕了運(yùn)行人員的監(jiān)盤勞動強(qiáng)度，同時提高了發(fā)電機(jī)組的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性。

4　解決方案設(shè)計思路、實(shí)施流程和主要功能

艾默生公司與用戶進(jìn)行了多次充分交流討論，根據(jù)電廠的實(shí)際情況和用戶需求，定制開發(fā)了整體的智能監(jiān)盤解決方案，該項目解決方案充分考慮了電力行業(yè)的特點(diǎn)，以提升監(jiān)控效率和保障系統(tǒng)安全性兩方面為主要著力點(diǎn)。一方面利用智能算法和模型驅(qū)動技術(shù)實(shí)現(xiàn)全時域監(jiān)測和預(yù)警，自動化程度高，減輕人工監(jiān)控強(qiáng)度；另一方面借助數(shù)據(jù)和經(jīng)驗知識建立智能診斷系統(tǒng)，在故障發(fā)生早期就可進(jìn)行預(yù)警，指導(dǎo)運(yùn)行人員按照指導(dǎo)意見進(jìn)行處理，縮短故障恢復(fù)時間，提高系統(tǒng)可靠性。

該方案基于OIF智能框架，與機(jī)組DCS系統(tǒng)一體化部署。分別在U3&U4機(jī)組的DCS系統(tǒng)中部署高性能OIF模型運(yùn)算服務(wù)器和OAS數(shù)據(jù)分析及建模服務(wù)器。OAS可直接連接Ovation歷史站進(jìn)行運(yùn)行數(shù)據(jù)的提取，利用大數(shù)據(jù)分析與AI算法，完成數(shù)據(jù)清洗、特征提取、模型訓(xùn)練、驗證等工作。OIF通過標(biāo)準(zhǔn)接口獲取DCS實(shí)時數(shù)據(jù)，用于驅(qū)動診斷模型和專家規(guī)則的運(yùn)算，運(yùn)行各類智能監(jiān)控與故障診斷模型，實(shí)時進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測、設(shè)備監(jiān)視、狀態(tài)評估、故障預(yù)測等分析。模型運(yùn)算結(jié)果以報警、預(yù)警等形式反饋到DCS，指導(dǎo)操作員進(jìn)行處理。基本流程步驟如圖1所示。

圖1 方案實(shí)施流程

智慧監(jiān)盤系統(tǒng)集成了參數(shù)預(yù)警、設(shè)備健康度評估、故障診斷與專家知識管理4種核心功能模塊。參數(shù)預(yù)警模塊通過多維數(shù)據(jù)分析和預(yù)測，實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)參數(shù)異常時，可快速發(fā)出預(yù)警，避免發(fā)生跳閘、跳機(jī)等事故；設(shè)備健康度評估模塊綜合考慮多項運(yùn)行指標(biāo)，利用智能算法評判設(shè)備的實(shí)時狀態(tài)，可提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在故障，指導(dǎo)操作員進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)；故障診斷與根源分析模塊收集設(shè)備故障案例，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)故障庫，當(dāng)新故障發(fā)生時，可快速匹配得到故障原因，生成處理意見，指導(dǎo)現(xiàn)場快速恢復(fù)；專家知識庫模塊儲存豐富的過程數(shù)據(jù)和操作經(jīng)驗知識，幫助新操作員快速獲取專業(yè)技能，縮短成長周期，確保操作效率和質(zhì)量。各功能模塊相互協(xié)同支持，共同提升過程監(jiān)控和設(shè)備管理的智能化水平，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的主動識別與預(yù)知控制。

5　項目成果

通過模型驗收和現(xiàn)場驗證，智慧監(jiān)盤系統(tǒng)展示了強(qiáng)大的預(yù)測與故障診斷功能，達(dá)到了設(shè)定的技術(shù)指標(biāo)和用戶需求，為電廠的智能化運(yùn)維提供了有力支撐。

利用U3和U4機(jī)組的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，對各類智能模型進(jìn)行了復(fù)算驗證。結(jié)果表明，模型可以準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)歷史故障案例，實(shí)現(xiàn)故障的準(zhǔn)確定位與預(yù)警。與設(shè)備維修記錄對比，模型診斷結(jié)果與實(shí)際故障情況有較高的吻合度。模型驗證還考慮了機(jī)組改造和檢修等重要時間節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際運(yùn)行中，通過參數(shù)預(yù)警、設(shè)備健康評估等手段，模型實(shí)現(xiàn)了對潛在故障的預(yù)測性監(jiān)控，誤報率和漏報率較低，為電廠故障預(yù)防提供了有效依據(jù)。

總體而言，智慧監(jiān)盤的應(yīng)用顯著提升了過程監(jiān)控和設(shè)備管理的智能化水平。我們將持續(xù)優(yōu)化各類智能算法，使系統(tǒng)產(chǎn)生的診斷結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

（1）OAS數(shù)據(jù)分析功能，提供完整的可視化交互，幫助運(yùn)行工程師通過數(shù)據(jù)分析視角，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析和處理，深入探索歷史數(shù)據(jù)背后的狀態(tài)信息，幫助創(chuàng)建適用于本廠的專家規(guī)則和故障診斷模型。

通過對電廠海量現(xiàn)場歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)：

·漿液循環(huán)泵B轉(zhuǎn)速與電流關(guān)系異常，查閱規(guī)程泵一直處于超速狀態(tài)，與現(xiàn)場熱控聯(lián)系，經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)，泵確認(rèn)存在超速情況，聯(lián)系設(shè)備維護(hù)人員進(jìn)行處理，提前避免了大型環(huán)保輔機(jī)異常對環(huán)保達(dá)標(biāo)排放帶來了的潛在風(fēng)險。

·發(fā)現(xiàn)4B送風(fēng)機(jī)電機(jī)驅(qū)動端軸承振動信號突然發(fā)現(xiàn)變化，與其他信號規(guī)則變化剛好相反，經(jīng)現(xiàn)場深入檢查排摸，發(fā)現(xiàn)振動測點(diǎn)信號確有接反情況，經(jīng)檢修處理已經(jīng)恢復(fù)，成功解決了機(jī)組大型6kV輔機(jī)的深層次風(fēng)險。

（2）對重要關(guān)鍵參數(shù)實(shí)現(xiàn)多維度動態(tài)分析及預(yù)警功能

整個項目，從人工監(jiān)盤的底層需求出發(fā)，結(jié)合人工監(jiān)盤經(jīng)驗、利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和AI算法，實(shí)現(xiàn)對重要關(guān)鍵參數(shù)多維度動態(tài)分析預(yù)警。

具體來說，該模塊集成了統(tǒng)計分析、趨勢預(yù)測、關(guān)聯(lián)分析等多種智能算法技術(shù)，構(gòu)建了參數(shù)的全方位監(jiān)測與故障預(yù)知體系。

在統(tǒng)計分析方面，考慮參數(shù)的運(yùn)行區(qū)間、期望偏差、閾值修正等指標(biāo)，監(jiān)測參數(shù)的靜態(tài)分布情況。在趨勢預(yù)測方面，利用遞歸模型、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)參數(shù)運(yùn)行趨勢的前瞻性預(yù)測。在關(guān)聯(lián)分析方面，考察參數(shù)之間的相關(guān)性，利用相關(guān)性識別參數(shù)的異常情況。

綜合運(yùn)用以上技術(shù)手段，參數(shù)預(yù)警模塊可以對關(guān)鍵參數(shù)實(shí)現(xiàn)全天候、全場景的監(jiān)測，快速發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常并預(yù)警，保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。例如：高爐煤氣燃燒器調(diào)閥定位器與實(shí)際機(jī)械開度反向、液壓油冷卻器出口油溫溫度過高、高加液位波動過大、空預(yù)器出口煙氣壓降大、鍋爐壁溫超限時常統(tǒng)計及超限極值、EH油壓力偏小等。

同時，該模塊輸出的預(yù)警信息可指導(dǎo)操作員優(yōu)化參數(shù)，提高過程運(yùn)維的主動性。未來，隨著模型不斷優(yōu)化，預(yù)警效果將持續(xù)提升，更好地服務(wù)于電廠的智能化運(yùn)維。

（3）實(shí)現(xiàn)送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、電動給水泵、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵、漿液循環(huán)泵等電廠重要設(shè)備健康度預(yù)警。

泵與風(fēng)機(jī)是火力發(fā)電中應(yīng)用最多的設(shè)備，特別是大型輔機(jī)，其安全穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，也是運(yùn)行人員的監(jiān)盤重點(diǎn)內(nèi)容。其在實(shí)際運(yùn)行過程中表現(xiàn)的工況點(diǎn)，往往單測點(diǎn)無法對其工況點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，這也導(dǎo)致其一些故障很難被提前察覺，無法預(yù)測故障的發(fā)生。

該項目智慧監(jiān)盤重點(diǎn)實(shí)施了對送風(fēng)機(jī)、給水泵、循環(huán)水泵等重要設(shè)備的健康度評估與預(yù)警。設(shè)備健康評估模塊綜合考量設(shè)備的振動、溫度、流量等參數(shù)信息，采用Ovation OPET智能算法對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行多維度分析，對系統(tǒng)/設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行識別。

相較于單一傳感器監(jiān)測，該模塊實(shí)現(xiàn)了更全面、更準(zhǔn)確的設(shè)備健康評估。系統(tǒng)可以持續(xù)監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，一旦檢測到性能衰退跡象，立即產(chǎn)生健康度預(yù)警，指導(dǎo)現(xiàn)場采取預(yù)防性維護(hù)措施，避免事故發(fā)生。同時，設(shè)備健康評估結(jié)果還可為維保人員的檢修決策提供依據(jù)。隨著運(yùn)行數(shù)據(jù)積累，繼續(xù)優(yōu)化模型，設(shè)備健康評估和預(yù)警效果將持續(xù)提升，使運(yùn)維更加智慧化。

設(shè)備健康評估是智慧監(jiān)盤的重要功能之一。其應(yīng)用將大幅減少突發(fā)事故，使電廠實(shí)現(xiàn)更安全、更經(jīng)濟(jì)的運(yùn)營目標(biāo)。

（4）實(shí)現(xiàn)重要設(shè)備的在線故障診斷與根源分析

智慧監(jiān)盤實(shí)現(xiàn)了對關(guān)鍵設(shè)備的在線故障診斷與根源定位。重點(diǎn)應(yīng)用于6kV重要設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、給水泵、循環(huán)水泵等。針對這些設(shè)備，系統(tǒng)除監(jiān)測運(yùn)行參數(shù)外，還集成了故障診斷與性能評估功能。該功能融合模型分析與數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對設(shè)備故障進(jìn)行智能識別與定位。

模塊可以根據(jù)設(shè)備特性曲線，評估設(shè)備的工況狀態(tài)，為參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。利用Ovation高級算法實(shí)時評分設(shè)備工作狀態(tài)，判斷設(shè)備健康程度。當(dāng)故障發(fā)生時，可快速鎖定根因，并提供建議指導(dǎo)現(xiàn)場處理，將損失降到最小。

相較于傳統(tǒng)經(jīng)驗分析，該功能實(shí)現(xiàn)了更加智能、快速的故障處理。它結(jié)合先進(jìn)算法與運(yùn)行數(shù)據(jù)，提升了故障識別與定位的效率。設(shè)備在線故障診斷功能的應(yīng)用將大幅減少設(shè)備故障對生產(chǎn)的影響。

（5）專家知識庫的建立和積累

運(yùn)行經(jīng)驗是最寶貴的財富，智慧監(jiān)盤通過構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的專家知識庫，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行經(jīng)驗的沉淀與共享。例如，針對電廠疏水閥門泄漏問題，系統(tǒng)收集了老師傅根據(jù)閥門溫度變化判斷內(nèi)漏的寶貴經(jīng)驗。將該經(jīng)驗以專家規(guī)則的形式建模，實(shí)現(xiàn)了對閥門狀態(tài)的智能監(jiān)測和預(yù)警。

隨著人工經(jīng)驗知識的積累，智慧監(jiān)盤已初步建立了故障診斷庫和專家規(guī)則庫。這不僅提高了故障處理效率，還使寶貴的經(jīng)驗知識得到積累和利用，縮短了新人技能培養(yǎng)周期。相較于經(jīng)驗的個人化傳承，智慧監(jiān)盤實(shí)現(xiàn)了集約化的知識管理。知識模型化可使知識體系化，易于傳播和共享。同時，還可持續(xù)豐富知識庫內(nèi)容，不斷提升系統(tǒng)的智能化水平。

專家知識庫的建設(shè)是智慧監(jiān)盤的重要一環(huán)。它實(shí)現(xiàn)了知識的連續(xù)化積累利用，助力企業(yè)向智慧化轉(zhuǎn)型。

（6）智能監(jiān)盤系統(tǒng)與常規(guī)DCS系統(tǒng)監(jiān)視畫面無縫融合

智能監(jiān)盤系統(tǒng)展示畫面采用嵌入式方式和報警光字牌，與DCS系統(tǒng)監(jiān)視畫面無縫融合。同時，監(jiān)盤系統(tǒng)配有自動輪播功能，有效減少了運(yùn)行人員頻繁切換畫面的工作負(fù)擔(dān)。

這種融合創(chuàng)新設(shè)計理念把智能監(jiān)盤完全一體化到DCS中，無需再監(jiān)控額外系統(tǒng)。極大降低了操作負(fù)荷，提升了工作效率。操作員可以及時發(fā)現(xiàn)預(yù)警信息并處理，無需在不同系統(tǒng)間切換，節(jié)約了時間和精力。

智慧監(jiān)盤與DCS的無縫集成，實(shí)現(xiàn)了信息融合和操作融合，將監(jiān)管過程優(yōu)化到了新水平。這將進(jìn)一步提升電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

6　項目收益

該自備電廠智能監(jiān)盤的成功投入，達(dá)到機(jī)組運(yùn)行時少人值守、減輕運(yùn)行人員勞動強(qiáng)度的效果。實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備及重要參數(shù)的預(yù)警和在線診斷，變被動響應(yīng)為主動應(yīng)對，極大地提升了機(jī)組安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。同時助力用戶智慧運(yùn)營，積極響應(yīng)集團(tuán)智慧制造戰(zhàn)略布局，使其管理水平站在了同行業(yè)前列，起到很好的示范引領(lǐng)作用。

（1）實(shí)現(xiàn)計算機(jī)代替人員對運(yùn)行系統(tǒng)、設(shè)備、參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控、分析和診斷，并可按照診斷結(jié)果提供指導(dǎo)意見。智能監(jiān)盤旨在幫助提高整個工廠運(yùn)行的效率，幫助運(yùn)行人員減輕工作負(fù)荷，讓運(yùn)行人員投入更多的精力在如何提高整個系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)作從而進(jìn)一步降低運(yùn)營成本。

（2）通過模型對設(shè)備及參數(shù)的異常征兆進(jìn)行預(yù)警，助力運(yùn)行、檢修人員科學(xué)決策，提前進(jìn)行人為干預(yù)，減少非計劃停機(jī)，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

（3）提前研判設(shè)備狀態(tài)、長周期分析設(shè)備運(yùn)行變化趨勢，對設(shè)備診斷提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，可有效避免輔機(jī)故障或損壞，降低設(shè)備維護(hù)成本。

（4）運(yùn)行監(jiān)盤人員通過智慧監(jiān)盤系統(tǒng)，研究挖掘機(jī)組最佳運(yùn)行工況，及時干預(yù)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，依托班組經(jīng)濟(jì)小指標(biāo)競賽，實(shí)現(xiàn)機(jī)組各項經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)，效益最優(yōu)。

（5）傳承固化經(jīng)驗，通過知識提取將專業(yè)經(jīng)驗沉淀于系統(tǒng)中，持續(xù)迭代，形成企業(yè)寶貴財富。同時電廠的生產(chǎn)運(yùn)行與生產(chǎn)管理有機(jī)結(jié)合起來，將生產(chǎn)管理的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)實(shí)時、動態(tài)地貫徹到一線生產(chǎn)運(yùn)行崗位，提高電廠的運(yùn)行效益。

（6）第一個Ovation DCS一體化的全廠智能監(jiān)盤，有效推動電廠工業(yè)4.0進(jìn)程。在實(shí)施過程中解決了眾多技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)用性很強(qiáng)，整體解決方案達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平，顯著促進(jìn)行業(yè)進(jìn)步并有重大戰(zhàn)略意義。

摘自《自動化博覽》2023年9月刊