基于工業物聯網的Plantweb數字生態系統
艾默生過程控制有限公司
網絡行業應用篇/設備監控與維護
1 概述
隨著工業企業自動化水平的不斷的提高，許多企業已經實現了較高的產能，做到人員和流程的有效精簡，可以說是達到了發展的瓶頸，然面面對當今激烈的市場競爭環境，還有哪些途徑能夠提升企業的收益和競爭優勢呢？工業物聯網的到來，使工廠可以挖掘更多的潛能，Plantweb數字生態系統通過提高可靠性、提高效率、提高安全性和節能減排，幫助工業企業實現卓越運營，從而成為行業標桿。
1.1 背景
智能化、互聯網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帶來怎樣的影響呢？可以確定的是：制造業會成為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力來提高收益。
1.2 實施目標
通過工業物聯網，工業企業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為自動化、數字化、基于軟件、以及數據驅動的任務，從而發揮工廠運行潛能。
1.3 適用范圍
工業物聯網技術適用于各個行業，包括油氣、石化、煉油、化工、和電力行業，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。在提高工廠運行可靠性和安全性，實現節能環保，提高運行效率方面為工廠帶來了新的可能。
1.4 在工業互聯網網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。其可以與現有工廠架構整合，包括靈活的數據采集、安全的數據傳輸、智能化的數據分析和應用以及相關的咨詢及服務。
圖1 工業互聯網互聯示意圖
2 需求分析
1) 可靠性、維護和完整性挑戰
當操作人員無法確保預防性維護計劃順利進行時，現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，造成每年數天的生產損失。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，且由于生產損失而導致機會成本上升等挑戰。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
工廠通常會發現能耗不斷增加，卻找不到原因；這種挑戰會隨著能源價格的上漲或不穩定而不斷加劇。燃燒量可能持續上升。減少二氧化碳排放的新監管法規已經頒布，工廠可能會不時地面臨環保處罰，而工廠又無法雇傭更多的人手來實現能源的節省和可持續性。
3) 安全與合規挑戰
雖然工廠的健康、安全及環保記錄逐年有所改善，但是事故仍然發生，險兆事件頻發，響應時間過長，難以滿足全新HS＆E法規的要求。工廠也會由于不合規而被處罰。同時，工廠可能無法增加新的人力來執行這些工作。
4) 生產挑戰
在原油輸配過程中，人工進行產品轉移造成的交叉污染或不均勻的溫度分布可能影響產品質量和產量。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。
用戶希望通過工業物聯網獲得可衡量的業務提升！但是如何通過工業物聯網提升運營績效?從何入手?以多大的規模開始？是否能利用現有資源以節省成本?是否有明確獲得投資回報的應用?是否有行業實施案例可以借鑒？ 這些也都是用戶希望解決的問題。
3 解決方案
實時的數據、專家知識和移動應用是工業物聯網的基礎，Plantweb數字生態系統不僅包括范圍廣泛的傳感器網絡和網絡安全工具，還包括軟件應用、數據分析和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，幫助企業有針對性地向著可衡量的目標，逐步實施數字化轉型，實現卓越運營。
圖2 Plantweb數字生態系統架構
1) 數據采集——普適測量
工業物聯網的基礎是大數據，通過傳感器收集原始數據是數據驅動型數字化轉型的第一步。傳感器彌補了物理世界和數字世界之間的差距，沒有傳感器，就不存在分析，也不存在大數據。對于普通的過程數據，工廠一般已經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監測功能的傳感器，缺少測量數據。通過為此類設備配備智能傳感器，以獲取缺失的測量數據，可以使其成為智能連接設備。自動數據收集速度更快，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據采集技術，除了溫壓液位等傳統過程變量，還包括機械設備振動監測、腐蝕及有毒有害氣體監測、疏水閥泄漏監測等。普適測量模塊包含有線和無線傳感器，但在現有工廠中，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通訊協議，確保所有儀表可以兼容工作，安全的無線網絡能與任意主機系統無縫集成。
WirelessHART是一種向后兼容，節省成本、簡單易用的無線通訊技術，滿足工業領域對于無線通訊的簡單、可靠和安全的要求。WirelessHART 是對現有有線應用的補充，并為新的監測甚至控制應用帶來諸多可能。
? 安全——5 層措施保障網絡通訊
- 發送設備和接收設備的合法身份（Authenticate）
- 數據的有效性驗證（Verify）
- 數據包的加密（Encrypt）
- 可靠的數據訪問權限管理 （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、自適應網狀結構
- 不要求用戶具有無線技術專門知識，網絡具有自適應功能
- 網絡具有連續監視通訊路徑的功能，某個節點通訊性能下降時通道將自行切換至高性能通道
- 同時支持星形和網狀拓撲，通過網關管理網絡，自動分配最佳路徑
智能無線網絡每臺設備的通訊路徑都有冗余，數據可靠性高達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網絡，任何符合WirelessHART標準的無線儀表均可無縫接入智能無線網絡。
2) 從OT到IT的數據安全傳輸
Plantweb數字生態系統不但支持傳統的控制系統數據傳輸， 也可通過工業物聯網應用網關進行數據傳輸。采用Secure First Mile?數據單向傳輸技術，為客戶提供了從OT系統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，從而確保現有OT系統中的數據可以根據應用需要輕松、安全地連接到互聯網。
Secure First Mile提供的是一系列網絡安全手段、設備和設計，包括網絡安全服務、安全靈活的服務器、網關和數據單向傳輸技術，以確保數據運營技術系統中的數據可以方便安全地與基于網絡的應用相連接。Secure First Mile主要是在產生過程數據的地方將傳感器或其它設備信息轉化為安全的數據供英特網和云端使用。
以數據單向傳輸用于閥門監測為例，WirelessHART閥門的信息通過1410網關傳遞到現場的網關，通過數據單向傳輸防止外部接入OT（運營技術），Microsoft Windows 10英特網網關將數據轉化為物聯網協議的數據例如AMQP，然后通過微軟Azure云服務發送到遠程專家服務平臺。這種方式采取端到端的加密。
3) 數據分析與應用
Plantweb Insight 設備監測APP
Plantweb Insight設備監測APP是針對單個類別設備監測數據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或歷史數據。其通過內置專業知識對具有多種測量數據的復雜工藝設備進行性能和狀態監測，例如：壓縮機、鼓風機、風機、泵、換熱器、冷卻塔、風冷換熱器等，以預測并提前發現潛在問題，防止其進一步惡化而發生故障。該分析軟件可支持各種來源的信息（無論監測設備是哪家供應商提供的），包括新型無線傳感器、現有傳感器、成套PLC、SCADA 系統 RTU、控制系統、安全系統、機械保護系統、智能設備管理（IDM）軟件以及任何歷史數據庫或未來的平臺。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 設備監測APP
Plantweb Advisor顧問系統
Plantweb Advisor顧問系統針對特定應用需求，對相關監測數據進行分析，并提供可用于決策的信息。其專門為大多數使用OSIsoft PI系統歷史數據庫的工廠客戶而創建。也就是說，工廠現有的歷史數據庫已經在使用中，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。目前已經發布的顧問系統包括：
? Plantweb Health Advisor 機械設備健康顧問系統，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，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能源監測顧問系統，是專門為過程工廠設計的能源管理信息系統（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、區域、單元直至設備層面的報告，方便能源經理和損失控制工程師使用。
由于這些分析軟件都是基于網頁瀏覽器的程序，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據看板，可向用戶發送設備異常狀態的消息，實現信息流和工作流高效協同。
除了易于使用的Plantweb Insight設備監測APP和Plantweb Advisor顧問系統以外，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、腐蝕管理系統、以及能夠區分許多故障模式的ValveLink 控制閥診斷系統。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物聯網技術的遠程專家服務，實現從本地向云平臺安全地傳輸數據。當現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測中心的遠程專家對多個現場的設備進行監測，也可選擇由第三方服務提供商對公司全球范圍內多個現場的過程設備進行監測。目前提供的遠程專家服務包括：疏水閥、旋轉機械（振動）設備、靜態設備、控制閥、DeltaV系統、氣相色譜儀、超聲波流量計。
培訓和仿真
Plantweb數字生態系統中的數字雙胞胎系統可用于測試工藝優化所需的新的控制策略和邏輯改進，尤其是批次配方優化；也可在 FAT階段用于組態驗證和邏輯測試，以加快工藝運行；還可用于虛擬培訓，通過3D 虛擬現實（VR）仿真軟件和護目鏡，獲得真實的現場作業體驗，使操作人員在實地實踐操作前及時發現不正確的作業行為，通過不斷的仿真來快速提升技能。
圖4 通過動態仿真進行工藝優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 數字生態系統中的技術，幫助客戶發現工廠中每個部門的潛在需求和機遇，設定運營模式轉變為數字化的目標和發展藍圖，為其提供工廠運營和維護的數字化轉型支持。
4 成功案例
4.1 方案收益
圖5 據行業分析，通過數字化轉型企業將獲得顯著的績效提升
1) 應對可靠性、維護和完整性挑戰
提高可靠性的關鍵是預測性維護，豐富的數據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，利用物聯網，不僅能夠讓相關的現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250,000 桶煉油廠為例，通過預測診斷實施維護帶來的成本節省單以10臺泵的數據來看，由于運營時間更長了，工廠利潤至少增加了93,992美元，直接成本節省了60,300美元，并降低了一年內的事故發生率。總收益為每年154,292美元。
2) 應對能源和排放的挑戰
新加坡Denka化工廠，過去經常會發生一臺疏水閥泄漏一年才被發現的情況，高達20%的工廠疏水閥可能隨時出現故障，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物聯網的疏水閥遠程監測和咨詢服務，根據實時監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) 應對安全與合規的挑戰
新加坡裕廊化工園區采用本工業物聯網解決方案，布局園區安全管理、設備管理和能源管理中心，在園區覆蓋工業無線網，通過增加無線監測點，加入統一的安全管理、設備管理和能源管理平臺，從有害氣體泄漏監測到腐蝕監測，從溢罐報警到動設備性能監測，從安全噴淋監測到人員跟蹤等，有效加強安全生產的預警、預防能力。從小事故和隱患抓起，最大程度減少重大事故發生、優化能源管理、加強節能減排，強化全面環保監測管理。
4) 應對生產挑戰
在現代化智能罐區的管理中，本解決方案可實現智能化的罐區調度、物流管理，訂單管理、庫存管理、仿真和培訓、調和與配比控制、儲罐計量和安全監控、相關泵區及閥組的監控、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），庫區安全管理、智能設備診斷和管理，從而提高罐區運行效率和安全性，提高產品質量。
4.2 成功案例
1) Connected Services遠程專家服務案例
位于西菲律賓海區的Shell Malampaya海上平臺，通過智能定位器實現從陸地對平臺上的閥門進行監測，現場數據還能被送到企業局域網，這樣Shell在全球的工作人員都可以登入企業內網為平臺提供支持。
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。現在我們可以對氣相色譜儀進行遠程連接，通過診斷數據判斷是否需要標定，由于省去了到現場的檢查每次可節省6千美元。
2) 新疆克拉美麗氣田實現井口自動化監測案例
克拉美麗氣田位于古爾班通古特沙漠，氣田井數多、分布廣、產量波動頻繁、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，大多數氣井無法實現遠程監控及操作，員工巡檢勞動強度大。此外，一旦單井井口出現突發緊急情況，員工無法第一時間及時掌握現場狀況并解決問題，且處理問題時間較長，員工勞動效率低下，為氣井正常生產埋下隱患。
Plantweb數字生態系統幫助氣田實現井口生產數據實時自動化監控，用戶獲得三大收益：保證井區安全生產- 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及歷史趨勢數據，為安全穩定生產、優化氣井操作提供了可靠的技術數據；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域的操作及巡檢次數，如克拉美麗沙漠冬季道路結冰和自然環境的因素（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，勞動成本節省50%，人工工時減少近3000小時，巡井路程減少近20萬公里，相應車用油耗節省75%。