提高工廠可靠性，減少災難性事件發生的風險，降低維護成本

      “可靠性”在控制過程行業中可以定義為某系統在常規情況下以及在不利或意外情況下執行和維護其功能的能力。運行設備中的意外情況很容易導致災難性事件的發生。提高設備可靠性可以減少上述事件的風險和發生概率，降低維護成本。提高設備可靠性是指確保過程設備得到很好的維護，能夠持續運行。據 Solomon Associates 公司稱，世界級設備制造商是指維護成本低于設備重置價值 1.4% 且機械可用率大于 96.7% 的企業。若要成為世界級設備制造商，必須實施有效的資產管理策略。
       關鍵過程設備（如大型壓縮機或汽輪機）的實時監測（與保護）是大多數工廠的標準慣例。然而，對二級設備進行監控傳統上都認為成本太高或實施太難。二級設備，亦稱“關鍵資產”，包括泵、換熱器、鼓風機、小型壓縮機、管道/容器、冷卻塔以及空冷式換熱器（“翅片式”）。而上述未監控的資產最初可能不會被歸類為“關鍵資產”，但是它們的中斷或故障可能會引起嚴重的過程擾動或停車，從而導致生產損失、人身傷害、罰款并對環境造成不良影響。美國國家應急中心報告指出，在 2000  至 2010 年期間，因設備故障引起的年均事故高達 9,000 次（圖 1）。如果事先采用報警系統，在故障發生前確定并糾正存在的問題，則多數此類事故本可避免。
       具有 30 年以上經驗的煉油行業專家 Doug White 指出，“我們對全球各種煉油廠進行了大量研究，對收集自多種行業來源進行的數據分析表明，在典型煉油廠中，約 25% 的非計劃大修是由設備故障引起的。我們在圖 2 中提供的整合數據顯示了造成意外停車、運行性能和設備效率下降的根本原因之間的關系。根據我們的研究，只有7種設備有可能造成這種損失，即：閥門、泵、容器、壓縮機、管道、換熱器和消防設備。”
       關于資產的維護費用，White 表示，“基于我們的行業分析，對上述7種資產類別進行的維護要花費一家典型煉油廠總維護預算的 70% 左右，圖 3 顯示了與我們在研究中所發現的7種資產類別相關的維護預算的大致百分比。我們發現維護成本與所采用的資產管理策略密切相關，選擇適當的策略可以降低成本，提高資產可靠性和過程可用性。如果只關注削減成本，那么長此以往，就可能降低可靠性。維護與可靠性息息相關，因此重點應在于提高可靠性，進而降低經營成本。”
用于可靠性的常用策略
       選擇適當的資產管理策略是平衡實施成本與預期可靠性的做法。被動式維護是成本最高而可靠性最低的維護模式，比如，某些關鍵資產可能都有備件，通常做法是讓設備運行直至出現故障，然后更換備件，但有時可能無法及時安裝備件，從而無法避免過程擾動或停車，即使安裝了備用設備，維護人員也面臨著故障設備的修理工作；對于沒有備件的設備而言，需要停車對故障設備進行修理，一般情況下，故障資產的修理成本比故障發生前解決該問題所需的成本平均高 50%。
       某些現場采用預防性維護模式，該模式一般按計劃進行設備檢修，不論設備是否需要進行維護。盡管此方法可以提供比“運行-故障”法更高的可靠性，但也有其缺陷，為不需要進行修理的設備進行檢修會浪費寶貴的時間和資源。檢修人員用于不必要的設備檢修工作的時間本可用于其它更重要的工作上。此外，如果檢修的設備沒有備件，那么過程就會被中斷，從而損失寶貴的生產時間。
       定期的預測維護是資產管理策略的另一種選擇。在這種模式下，關鍵資產可在現場通過抽查進行手動監控，這些巡檢可以每次輪班進行一次，也可將頻率減少至每季度或更久時間進行一次，通過手持設備對指定資產進行振動或性能審核可每月或每年一次。這種通過定期但不經常的數據采集進行的維護模式無法對資產健康狀況進行實時監控，因此，設備很有可能在兩次檢測的間隙當中發生故障，從而導致過程中斷或產生比經過適當維護的資產更為昂貴的修理費用。派遣技術人員前往現場（甚至可能是危險環境）進行數據采集是一種浪費資源的行為，此外，對所采集的數據進行的分析和解釋需要由具備專業技能的經過培訓的可靠性工程師或設備專家來進行，當經驗豐富的人員退休并帶走其大量知識儲備時，問題就會變得更為復雜。定期監控讓操作員和維護人員無法充分了解設備的健康狀況。

       在選擇資產管理策略時，實現可靠性最大化和維護成本最小化的理想方案是自動化監控 ，這是 一種可對資產健康狀況提供實時在線指示的監控策略。自動化監控能夠檢測到可能引起設備意外故障的過程狀況，掌握了不利過程狀況知識的操作人員可據此對其進行調整，從而避免影響過程的設備故障。當故障即將發生時，資產健康狀況在線提示功能可發出預報，確保工廠有足夠時間安全地安裝備用設備，從而避免過程異常和不合格產品的產生，并排除因意外跳車引起的安全事故。先進的預報功能可為維護人員在判斷檢修時機以防出現故障時提供所需信息，甚至可提供無備件資產的相關信息。自動化監控可在控制室內完成對資產的監控，省去了維護人員前往現場采集數據的必要，尤其是當現場存在危險的情況下。

無線技術打開了在線監測的大門
       任何早期預報系統的核心都是在線現場信號。過去，過程工廠僅安裝了安全操作設備所需的最低數量的儀表，這可能是由于預算限制，抑或設計之時必要的測量技術（如振動傳感器或聲感傳感器）尚不可用。提高可靠性與降低維護成本的首要任務是調查目前已有的和沒有實現的測量，有些測量確實很難實現，不但費錢費時，還可能由于地理位置的原因要想獲得測量數據根本不切實際。無線技術的出現改變了這一現狀，它使監控過程設備的“健康狀況”變得非常容易 — 無論是泵、換熱器、控制閥、蒸汽疏水閥、泄壓閥，還是其他關鍵資產。無線設備可以安裝至難以觸及的地方以及用傳統方法成本太高的地方。通常安裝無線設備需要兩個小時，而安裝有線設備需要兩天。建立無線網絡使日后無縫添加其它設備至現有網絡變得非常容易，同時可增強網絡穩定性和恢復能力。無線設備還可用于無線通信，能將散布的本地測量設備變成無線網絡的組成部分。
       盡管無線技術可以提供一種增加測量的簡易而具有成本效益的方法，但僅有數據采集還不足以避免設備故障和提高工廠可靠性。若要通過收集的信息生成有意義的報警，則數據整合與分析必不可少。資產數據、過程數據以及統計過程控制技術是實現效設備故障檢測的制勝三寶。監控過程數據（如壓力、溫度或流量）以及資產數據（如振動或軸溫）可以確定可能引起資產性能下降的具體過程狀況；可以檢測到不利的過程狀況，并做出相應調整，從而避免資產進一步損壞。應用于整合的過程與資產數據的統計過程控制法可為工廠人員提供有意義的報警，排除誤報。明確指示可操作事項的報警有利于維護人員對問題進行診斷，并快速高效地予以解決。應用智能分析以生成可執行的報警還可以減少對經過培訓的可靠性工程師或設備專家的要求，因為在可執行的報警明確地指示問題時，經驗不夠豐富的人員也可以做出響應。
       此外，由應用軟件和必要的測量設備組成的預先設計好的集成式解決方案可以提供一種便捷而有效的資產監控方式。通過簡單地連接過程與資產數據，預先設計好的解決方案可對看上去很復雜的任務提供一種“即插即用”的簡易解決方案，在同時對同一類型的多臺設備進行部署時則具有明顯優勢。對特定類型的資產（如泵或風扇）采用一致的分析方法有助于有效的決策支持。
       泵氣蝕狀況是提前預報的最佳例證。當泵吸入端液壓低于其蒸汽壓力時出現氣蝕，從而形成泡沫。泡沫在葉輪和內部表面破裂，會損壞泵的內部結構，干擾流量，甚至可能會導致密封損壞。通過檢查泵周圍的過程狀況以及泵資產數據（如振動和軸溫），可以獲得早期氣蝕報警，并通過工廠操作改變過程狀況，從而將氣蝕損壞降至最低（圖 4）。

關鍵資產監控解決方案
       資產有時被稱為“糟糕的演員”，因為這些資產屢屢出現問題，甚至可能屢屢發生故障。對這些“糟糕的演員”進行監控，可以對即將出現的故障進行提前報警。德克薩斯大學奧斯汀分校 J. J. Pickle 研究中心目前采用一種關鍵資產監控策略對其設備的健康狀況進行監控。其中一項被監控的設備是強制通風風機，該風機用于一臺老式的天然氣鍋爐。
       鍋爐為分離研究項目裝置提供蒸汽，如果沒有風機就無法進行運行，鍋爐就是“糟糕的演員”之一，它對于正常要求而言規格過大，因此需要每隔 20 分鐘左右循環開啟和關閉，如此循環往復給于風機很大壓力，風機必須啟動與停止以提供助燃空氣。曾經有一次災難性的葉輪故障導致風機撕裂，然后與鍋爐脫離，在得不到那必要的助燃空氣的情況下，鍋爐跳車，同時通向分離研究項目的蒸汽供應中斷。當時沒有更換風機，因為老鍋爐已有部分缺損，最后是重建了風機，再焊接至鍋爐，但焊接修復處的焊疤清晰可見。最后一次維修之后，風機電機上安裝了無線振動傳感器，這樣工廠人員就可以對風機的健康狀況進行監控。在這個案例中安裝了兩臺加速計，分別整體振動和峰值振動測量。峰值振動從高達 50,000 次/秒的快速取樣速率中提取出來，用于測量金屬撞擊金屬時出現的沖擊峰值。操作人員可以據此了解風機的健康狀況，進行必要的修復工作，避免出現同類故障。圖 5是用于監控鍋爐風機的操作畫面，它可以顯示風機的整體健康狀況以及來自無線振動傳感器的測量結果。
       除監控鍋爐風機之外，J. J. Pickle 研究中心還有用于泵和換熱器的在線監控解決方案。它可在二氧化碳汽提塔底泵上對諸如氣蝕、低泵揚程以及高振動或遞增振動等故障進行監控，同時也對汽提塔上的換熱器進行監控，在檢測到污垢且需要清潔時會發出報警；它可進行換熱器負載計算，并明確顯示計算結果，同時還計算并顯示泵與換熱器的整體健康狀況。J. J. Pickle 研究中心還通過遠程連接，對其資產監控系統進行了進一步研究，讓經驗豐富的專家使用安全的 VPN 登錄，幫助診斷設備存在的問題，并為相應的校正措施提供協助。

重要資產監控的收益
       關鍵資產的故障時間會造成過程性能下降或停車，從而降低產量，最終減少利潤。自動化監控計劃可以減少意外停車或性能下降，從而提供最高的可靠性和最低的維護成本。無線技術，連同預先設計的集成式解決方案，打破了成本壁壘，從而提供一種簡易且具有成本效益的關鍵資產監控方式。

關鍵資產的在線監控：
       可以檢測異常操作或即將臨近的故障
       可以提供信息，從而對資產的正常磨損進行預測和維護規劃
       可以在過程狀況對工廠設備不利時為操作人員提供直接反饋
       可以提供診斷以及設備與過程健康狀況報警
       可以即時提供校正措施，使設備保持運轉
       提高可靠性與降低維護成本意味著利潤增加。如圖 6 所示，對于一家典型的日產 250,000 桶的煉油廠而言，一個有效的關鍵資產監控方案單從檢測到正在顯現的故障，就可帶來高達 1470 萬美元的價值；為操作人員提供排除故障的有用工具，以避免危險運行狀況的出現，更是讓工廠獲益匪淺，其節省額將遠遠高于圖表中所示數據。目前市場已能提供相應的工具：通過無線技術獲得以前無法獲得的測量數據，預先設計的監控解決方案也掃除了工程設計的障礙，一些積極的煉油企業已經開始嘗試自動化監控，并且初見成效。
作者簡介
       Nikki Bishop, PE，是艾默生過程管理公司的高級應用顧問。她在過程控制行業的經歷包括工業能源、制藥、發電、造紙和煉油項目。她擁有佐治亞理工學院的化學工程理學士學位。