中石油寶石機預測性維修項目
案例背景

寶雞石油機械有限責任公司(以下簡稱寶石機),是中石油下屬全資子公司,經營範圍包括油氣勘探設備、油氣鑽採設備及工具、配件的研發、設計、製造、銷售與服務等。

寶石機具有引領我國油氣鑽井裝備行業研發製造方向的技術實力,是國家油氣鑽井裝備工程技術研究中心承建單位,是全球第二家能夠研發12000米特深井鑽機的機構,是行業內唯一承擔有兩個國家標準化工作部(國家鑽機標準化工作部、國家海洋鑽採設備標準化工作部)祕書處工作的企業。

截至目前,寶石機已榮獲國家級和省部級科技獎項83項,累計申請專利514件,獲國家專利授權406件,專利技術穩居中國石油裝備製造系統榜首。

現有挑戰

石油生產的連續性生產要求,對石油裝備的非計劃停機提出了非常高的要求,需要通過各種實時監控、定期的計劃性維修和不定期的視情維修,對設備進行有效的維護,避免由於設備的無計劃停機造成巨大的損失。

由於鑽井平臺的複雜設備,如何做一個邊緣監測方案,把所有的數據都收集起來統一分析,而不是像原來那樣,需要很多專家到現場逐點查看,這成爲設備供應急需解決的首要問題之一。

對於設備運營商,在故障維修模式上,由於缺少有效的設備狀態數據採集、數據存儲、分析和壽命預測手段,在關鍵設備的維護上往往無法在過度維修和被動維修之間取得有效的統一。一方面,對於可預見的易損部件,如鑽頭、軸承等,可以通過定期的保養,對部件進行及早更換,但帶來的卻是維護成本、備品備件的管理成本居高不下;另一方面,對於無法預計的一些狀態,可以採用基於振動分析和狀態監測的手段,根據檢測結果來優化維修策略,但往往只能實現固定場景下的有限的故障預測,無法覆蓋到更廣的範圍。這種維護模式雖然能夠在一定程度上保證設備的可靠性,但客戶不得不去安排更多的人力、預留更多的備品備件來配合,因此帶來的維修成本往往是非常高的。

同時,對於在設備運行過程中出現的各種故障,現有的手段只能通過記錄表格的方式進行登記和描述,無法通過數字化的手段進行精確的描述和保存,以至於無法實現更精準的故障匹配和故障預測。

如何在工業大數據及工業物聯網技術發展的浪潮中,通過數字化的手段實現設備軟性價值的增長點,是寶石機考慮的問題之一。

解決方案

寄雲NeuSeer平臺提供從採集、處理、存儲、分析到建模全流程的數據工作流能力,以及靈活的應用開發能力,以平臺爲基礎,配合中油瑞飛的物聯網平臺能力,寄雲科技爲寶石機設計了預測性維修的方案。

總體架構
數據採集系統
通过寄云NeuSeer Edge工業網關,從鑽機集成控制系統、鑽井儀表、電氣傳動PLC控制站以及新增的各種狀態傳感器等控制系統和傳感器中,通過OPC UA、ModBus、CAN、Profibus/Profinet等通信接口,讀取鑽井工藝參數、設備運行參數、運維管理參數等信息,通過MQTT發送到物聯網平臺。
邊緣測一體機先對數據進行預處理,再進行緩存和歸檔,最後上傳至物聯網,上傳至物聯網應支持數據加密解密、壓縮解壓縮、斷點續傳等功能。現場可實現數據的傳輸、WIFI路由及遠程調試等多個子功能。
寄雲科技提供的數據採集方案通過二層交換機結構,有效的提升了網絡的物理安全問題。
同時,針對各種現場處理日誌、記錄,提供統一的數據格式和預處理標準,將採集的數據歸檔並回傳至物聯網平臺。
狀態檢測系統
實時的指標和健康狀態監控
基於寄雲NeuSeer網關採集的實時數據,構建設備的元數據模型,並定義相應的關鍵指標,構建實時的監控和歷史數據的查詢功能。基於設備專用的健康模型可以迅速的分析設備的實時數據,及時將設備運行的指數分析、穩定性分析以及趨勢分析,以多種形式展現出來,使用戶可以徹底擺脫從大量指標數據自行分析設備運行狀態的局面。
歷史數據查詢
基於寄雲NeuSeer時序數據庫,爲採集的數據提供長期的、多維度的時序數據的存儲和擴展能力,方便應用系統通過開放的API接口,對數據進行受限的訪問。
智能告警
基於寄雲NeuSeer智能運維框架,可以爲用戶提供設定的固定閾值或者基於模型構建的殘差閾值,實現智能的告警,給出告警相關的信號特徵,並記錄告警確認、處理和關閉的記錄。基於故障知識庫支撐,可以構建複雜的根源告警處理策略,從而自動化的完成根源告警確認,減少人工判斷用時,加快故障處理的速度。
故障輔助診斷
基於寄雲NeuSeer智能運維框架,開發了故障輔助診斷系統,包括故障知識庫開發、自動推薦和匹配故障類型原因等功能,實現基於實時運行參數和運行狀態的各個監測設備故障報警模型,對採集回來的運行參數和運行狀態進行實時分析,發現異常情況及時生成報警信息,並通過郵件、短信等方式通知用戶。
故障管理
對於設備產生的告警,實現完整的告警經確認轉故障的記錄,給出專家對告警的描述信息,並提供記錄告警特徵的功能。在實時的告警處理中,基於告警代碼和關鍵字,自動匹配故障特徵。
故障知識庫開發
在故障處理完成後,經過對由告警確認爲故障以及故障處理方案分析,可以將其重要的特徵表象輸入到故障知識庫中,同時支撐開發新的告警策略,以便自動化完成根源告警分析、自動故障產生,進而實現部分自動故障恢復操作,最大化的提高排障效率。
分析和報告
統計分析包括四個方面的功能:
  1. 運行數據:生產作業分析、能耗分析、運行情況分析、運行效率分析。
  2. 異常事件:運行狀態異常分析、運行數據異常分析、維護狀態異常分析。
  3. 維護記錄:故障根源分析、故障次數分析、故障頻次分析、故障分佈分析。
  4. 關鍵績效(KPI):包括維護效率、維護費用、利用率、故障率、完好率、平均無故障時間、平均故障修復時間、壽命週期成本等。
  5. 鑽機設備健康報告功能:通過後臺的管理人員、專家對設備參數進行分析和診斷,實現對設備健康狀況的評估,將分析診斷的結果以及發現的故障信息通知鑽井現場,指導現場正確使用維護好設備。同時後臺的管理人員還可以通過該系統實現對鑽機檔案數據的錄入和存檔。主要包括設備概述、各單元設備檢查結果、維護保養建議、附件等內容。
運行數據:生產作業分析、能耗分析、運行情況分析、運行效率分析。
設備健康報告
基於設備的實時參數、告警、故障、維保、模型數據,建立設備的完整健康報告,並結合專家知識,爲客戶打造數字化的體檢報告。
移動端支持
實時的設備監控
在移動客戶端上顯示所有設備的位置、關鍵運行狀態參數、關鍵參數的趨勢曲線、具備關鍵參數的報警和故障預警消息推送功能,並支持維保信息錄入、現場拍照回傳功能。
專家支持系統
爲了方便專家通過遠程的方式實現對設備故障的定位和診斷,寄雲科技還開發了基於手機App的音視頻協同及視頻塗鴉功能模塊,提供至少5方的互動通道,實現現場與後端專家的音視頻互動,幫助專家通過圖像、視頻的方式瞭解現場情況,指導現場人員快速實現故障診斷和恢復。
RFID及QR掃描系統
寄雲科技爲客戶提供防爆識別終端,支持RFID及二維碼掃描功能。
識別並顯示設備檔案功能
能夠識別RFID無源標籤及二維碼條碼,同時自動檢索鑽機檔案數據庫,並將檢索到的設備檔案信息通過APP展示出來,以便於現場操作人員維護設備。
識別並錄入編碼信息至設備檔案功能
若識別出的RFID無源標籤和二維碼條碼信息,在鑽機檔案數據庫中沒有對應設備時,則切換至鑽機設備檔案編碼信息錄入功能頁面,用於將編碼信息與鑽機檔案庫中的設備信息相關聯。
項目總結

通過寄雲科技提供的智能運維解決方案,不僅幫助寶石機的客戶構建了基於設備實時數據實現預測性維修的完整方案,同時還提供了故障知識庫幫助客戶提高故障診斷效率,實現運維經驗的沉澱。同時,通過移動端,能夠幫助運營人員隨時隨地瞭解設備的健康狀態,並能夠通過遠程專家的指導,對異常做出及時處理。