中石油宝石机预测性维修项目
案例背景

宝鸡石油机械有限责任公司(以下简称宝石机),是中石油下属全资子公司,经营范围包括油气勘探设备、油气钻采设备及工具、配件的研发、设计、制造、销售与服务等。

宝石机具有引领我国油气钻井装备行业研发制造方向的技术实力,是国家油气钻井装备工程技术研究中心承建单位,是全球第二家能够研发12000米特深井钻机的机构,是行业内唯一承担有两个国家标准化工作部(国家钻机标准化工作部、国家海洋钻采设备标准化工作部)秘书处工作的企业。

截至目前,宝石机已荣获国家级和省部级科技奖项83项,累计申请专利514件,获国家专利授权406件,专利技术稳居中国石油装备制造系统榜首。

现有挑战

石油生产的连续性生产要求,对石油装备的非计划停机提出了非常高的要求,需要通过各种实时监控、定期的计划性维修和不定期的视情维修,对设备进行有效的维护,避免由于设备的无计划停机造成巨大的损失。

由于钻井平台的复杂设备,如何做一个边缘监测方案,把所有的数据都收集起来统一分析,而不是像原来那样,需要很多专家到现场逐点查看,这成为设备供应急需解决的首要问题之一。

对于设备运营商,在故障维修模式上,由于缺少有效的设备状态数据采集、数据存储、分析和寿命预测手段,在关键设备的维护上往往无法在过度维修和被动维修之间取得有效的统一。一方面,对于可预见的易损部件,如钻头、轴承等,可以通过定期的保养,对部件进行及早更换,但带来的却是维护成本、备品备件的管理成本居高不下;另一方面,对于无法预计的一些状态,可以采用基于振动分析和状态监测的手段,根据检测结果来优化维修策略,但往往只能实现固定场景下的有限的故障预测,无法覆盖到更广的范围。这种维护模式虽然能够在一定程度上保证设备的可靠性,但客户不得不去安排更多的人力、预留更多的备品备件来配合,因此带来的维修成本往往是非常高的。

同时,对于在设备运行过程中出现的各种故障,现有的手段只能通过记录表格的方式进行登记和描述,无法通过数字化的手段进行精确的描述和保存,以至于无法实现更精准的故障匹配和故障预测。

如何在工业大数据及工业物联网技术发展的浪潮中,通过数字化的手段实现设备软性价值的增长点,是宝石机考虑的问题之一。

解决方案

寄云NeuSeer平台提供从采集、处理、存储、分析到建模全流程的数据工作流能力,以及灵活的应用开发能力,以平台为基础,配合中油瑞飞的物联网平台能力,寄云科技为宝石机设计了预测性维修的方案。

总体架构
数据采集系统
通过寄云NeuSeer Edge工业网关,从钻机集成控制系统、钻井仪表、电气传动PLC控制站以及新增的各种状态传感器等控制系统和传感器中,通过OPC UA、ModBus、CAN、Profibus/Profinet等通信接口,读取钻井工艺参数、设备运行参数、运维管理参数等信息,通过MQTT发送到物联网平台。
边缘测一体机先对数据进行预处理,再进行缓存和归档,最后上传至物联网,上传至物联网应支持数据加密解密、压缩解压缩、断点续传等功能。现场可实现数据的传输、WIFI路由及远程调试等多个子功能。
寄云科技提供的数据采集方案通过二层交换机结构,有效的提升了网络的物理安全问题。
同时,针对各种现场处理日志、记录,提供统一的数据格式和预处理标准,将采集的数据归档并回传至物联网平台。
状态检测系统
实时的指标和健康状态监控
基于寄云NeuSeer网关采集的实时数据,构建设备的元数据模型,并定义相应的关键指标,构建实时的监控和历史数据的查询功能。基于设备专用的健康模型可以迅速的分析设备的实时数据,及时将设备运行的指数分析、稳定性分析以及趋势分析,以多种形式展现出来,使用户可以彻底摆脱从大量指标数据自行分析设备运行状态的局面。
历史数据查询
基于寄云NeuSeer时序数据库,为采集的数据提供长期的、多维度的时序数据的存储和扩展能力,方便应用系统通过开放的API接口,对数据进行受限的访问。
智能告警
基于寄云NeuSeer智能运维框架,可以为用户提供设定的固定阈值或者基于模型构建的残差阈值,实现智能的告警,给出告警相关的信号特征,并记录告警确认、处理和关闭的记录。基于故障知识库支撑,可以构建复杂的根源告警处理策略,从而自动化的完成根源告警确认,减少人工判断用时,加快故障处理的速度。
故障辅助诊断
基于寄云NeuSeer智能运维框架,开发了故障辅助诊断系统,包括故障知识库开发、自动推荐和匹配故障类型原因等功能,实现基于实时运行参数和运行状态的各个监测设备故障报警模型,对采集回来的运行参数和运行状态进行实时分析,发现异常情况及时生成报警信息,并通过邮件、短信等方式通知用户。
故障管理
对于设备产生的告警,实现完整的告警经确认转故障的记录,给出专家对告警的描述信息,并提供记录告警特征的功能。在实时的告警处理中,基于告警代码和关键字,自动匹配故障特征。
故障知识库开发
在故障处理完成后,经过对由告警确认为故障以及故障处理方案分析,可以将其重要的特征表象输入到故障知识库中,同时支撑开发新的告警策略,以便自动化完成根源告警分析、自动故障产生,进而实现部分自动故障恢复操作,最大化的提高排障效率。
分析和报告
统计分析包括四个方面的功能:
  1. 运行数据:生产作业分析、能耗分析、运行情况分析、运行效率分析。
  2. 异常事件:运行状态异常分析、运行数据异常分析、维护状态异常分析。
  3. 维护记录:故障根源分析、故障次数分析、故障频次分析、故障分布分析。
  4. 关键绩效(KPI):包括维护效率、维护费用、利用率、故障率、完好率、平均无故障时间、平均故障修复时间、寿命周期成本等。
  5. 钻机设备健康报告功能:通过后台的管理人员、专家对设备参数进行分析和诊断,实现对设备健康状况的评估,将分析诊断的结果以及发现的故障信息通知钻井现场,指导现场正确使用维护好设备。同时后台的管理人员还可以通过该系统实现对钻机档案数据的录入和存档。主要包括设备概述、各单元设备检查结果、维护保养建议、附件等内容。
运行数据:生产作业分析、能耗分析、运行情况分析、运行效率分析。
设备健康报告
基于设备的实时参数、告警、故障、维保、模型数据,建立设备的完整健康报告,并结合专家知识,为客户打造数字化的体检报告。
移动端支持
实时的设备监控
在移动客户端上显示所有设备的位置、关键运行状态参数、关键参数的趋势曲线、具备关键参数的报警和故障预警消息推送功能,并支持维保信息录入、现场拍照回传功能。
专家支持系统
为了方便专家通过远程的方式实现对设备故障的定位和诊断,寄云科技还开发了基于手机App的音视频协同及视频涂鸦功能模块,提供至少5方的互动通道,实现现场与后端专家的音视频互动,帮助专家通过图像、视频的方式了解现场情况,指导现场人员快速实现故障诊断和恢复。
RFID及QR扫描系统
寄云科技为客户提供防爆识别终端,支持RFID及二维码扫描功能。
识别并显示设备档案功能
能够识别RFID无源标签及二维码条码,同时自动检索钻机档案数据库,并将检索到的设备档案信息通过APP展示出来,以便于现场操作人员维护设备。
识别并录入编码信息至设备档案功能
若识别出的RFID无源标签和二维码条码信息,在钻机档案数据库中没有对应设备时,则切换至钻机设备档案编码信息录入功能页面,用于将编码信息与钻机档案库中的设备信息相关联。
项目总结

通过寄云科技提供的智能运维解决方案,不仅帮助宝石机的客户构建了基于设备实时数据实现预测性维修的完整方案,同时还提供了故障知识库帮助客户提高故障诊断效率,实现运维经验的沉淀。同时,通过移动端,能够帮助运营人员随时随地了解设备的健康状态,并能够通过远程专家的指导,对异常做出及时处理。