【优质文档】基于SCADA监控数据采集系统与SAP系统设备维护的集成方案.pdf

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1、基于 SCADA 监控数据采集系统与SAP系统设备维护的 集成方案 1 引言 确保设备的长期高可用性一直是生产制造企业的重要组成部分。在工厂维护中，通常使用两种类型维护管 理，即“运转至出现故障”和“预防性维护”。 “运转至出现故障”，所带来的维护管理相关费用主要有高备件库存成本、高超时劳动力成本、机器停机 时间长、以及生产能力低等，使设备的维护费用较为昂贵。因为没有对维护要求进行预期，采用运转至出 现故障管理的工厂必须能够对工厂内所有可能发生的故障做出反应。这种反应性管理方法迫使管理部门要 维持大量的备件库存，它们包括备用机器，或者至少包括用于工厂中所有关键设备的所有主要部件。一种 替代方法

2、是，工厂可以依赖于设备厂商迅速提供所有所需备件。即使可采用后面一种方法，快速交付的额 外费用也会大大增加维修备件的成本以及纠正机器故障所需的停机时间。为了将由意外机器故障造成的对 生产的影响降到最低程度，维护人员还必须能够立即对所有机器故障做出反应。这种反应性维护管理的最 终结果是较高的维护成本和较低的加工机器利用率。对维护成本的分析表明，在运转至出现故障管理模式 下进行维修的成本是有计划或预防性维护模式下进行的相同维护成本的3 倍。 “预防性维护”用于避免系统故障或其它设备的故障，若出现这些故障，则除了支付维修费外，还要支付 因生产停止而造成的更高费用。需要有预防性维护的另一原因，是来自质量

3、管理的需要。例如，由于生产 设备的运转状况会显著影响制造的产品质量。 定期的预防性维护通常会提高维护成本的性价比，因而，防止昂贵得多的故障支出，可使用系统提供的历 史数据确定所需数据，而在实际的操作中，最可行的高效率计划检修模式就是根据设备磨损规律和零部件 的使用寿命，明确规定对设备的检修日期、类别和内容，到了规定时间不论设备的技术状态如何，都必须 按计划强制进行修理。此法适用于必须保证安全运转和特别重要的设备，如运输器械、动力设备等。 2 设备维护需求现状 然而，在许多情况下，维护计划安排仍然由设备故障情况以及维护人员的直觉来决定，维护人员可以任意 决定日常维护的类型和频率。例如，多数设备的

4、计划检修方法是每隔半年或3 个月进行一次检查。这是一 种没有任何实际数据根据的纯任意的决定。 图 1，说明了一个机器系列统计寿命的示例。该平均无故障时间（MTBF ） 曲线表明，一台新机器在最初几 个小时或几周运转时间内出现故障的可能性非常高，这些故障通常是由制造或安装问题引起。过了这段初 始时期之后，在较长时间内出现故障的可能性相对较低。在此正常运转期之后，出现故障的可能性会随着 机器运转时间或小时数的增加而急剧增加。在预防性维护管理中，机器检查、润滑、维修或改制都基于平 均无故障时间统计数据进行计划安排。 图 1 平均无故障时间曲线 预防性维护的实际执行变化很大。一些计划步骤非常有限，仅包

5、含润滑和较小的调整。更多的综合预防性 维护计划将对工厂中所有机器的维修、润滑、调整和机器改制等工作进行计划安排。所有这些预防性维护 计划的共同标志是它们都具有计划安排指南。所有预防性维护管理计划，都假设机器状况将在通常适用于 该类特定机器的统计时间范围内恶化。例如， 单级、卧式外壳分离式离心泵通常运转18 个月后就要更换其 磨损部件。使用预防性维护技术，在该泵运转17 个月后就要使其停止运转并进行改制。 这种方法的问题是，运转模式以及与系统或装置相关的变量会直接影响机器的正常工作寿命。对于用于输 送水用于输送磨损性泥浆的泵来说，平均无故障时间（MTBF ）是不同的。使用平均无故障时间（MTBF

6、 ）统 计数据，来安排维护的一般结果是要进行不必要的维修或发生灾难性的故障抢修。 与发达国家相比，我国石油开采技术水平仍存在一定差距。目前我国的采油井95% 以上是机采，大多数数 据采集依靠人工完成。虽然已建立了石油管理局一级的MES （或 MIS）管理信息系统，但油井现场的数据还 不能完全实现无缝上传，无法实现高效的油井维护管理。随着工厂维护水平的提高，如何实现油井数据的 实时传送和信息管理系统的无缝链接，形成油田生产管理与监控维护处理一体化的信息网络，迫使一套由 运转状况驱动的预防性维护流程必须形成。 3 设备维护计划的实现方式 在“运转至出现故障”计划和“预防性维护”计划中对维护或改制计

7、划安排所做的最后决定必须要根据维 护管理者的直觉和个人经验做出，而在新的业务驱动维护程序中，能够不依赖于工业或工厂内平均寿命统 计数据（即平均无故障时间MTBF ）来计划安排维护活动，对运转状况、效率、热量分布和其他指标进行直 接监视，以确定实际的平均无故障时间或将危害到工厂或设施内所有关键系统装置运转的效率损失。传统 的基于时间的方法至多可为正常机器系列寿命跨度提供一种指南，而这种数据为维护管理层提供了有效计 划和安排维护活动所需的实际依据。 在电力行业、石油行业中，某些设备要根据许多参数或状态来进行操作。这些参数或状态信息可能由计数 器或测量点提供。设备上的计数器或测量点到达一定读数时，系

8、统就进行维护，例如，每隔100 小时的运 行时间，每隔500 个铸造周期。通过SCADA （Supervisory Control and Data Acquisition）等外部系统 收集读数，与SAP系统接口，可以由SAP系统创建这些计数器，同时也可根据设备维护标准来创建维护周 期，系统将创建并排定维护计划。当计数器的读数传输到SAP系统时， SAP系统将创建计量凭证（= 计数 器读数）以记录读数。计算出的计划日期取决于计划时计数器的读数和为计数器定义的预估年度性能。 SCADA 系统的开发，实际上是一个中间的接口，可以使用SAP系统提供的函数包来进行相应开发。 所有设备的计划检修的类型主

9、要按照以下三种维度进行划分： 3.1 基于时间 在特定周期中执行基于时间的维护计划的维护。 例如，每隔两个月或每隔六个月维护一次，根据不同的法律要求、行业标准或制造商的建议，某些设备将 包含一些复杂的维护周期，不同的周期需要不同的维护操作（任务清单）。 3.2 基于性能 使用基于性能的维护计划进行定期维护计划，可根据安装在各个设备或功能位置的计数器读数来进行。根 据设备维护规程标准来创建维护周期，通过外部计数器来收集读数，与SAP系统接口，当计数器的读数传 输到 SAP系统时， SAP系统将创建计量凭证（= 计数器读数）以记录读数，系统将创建并排定维护计划。 计算出的计划日期取决于计划时计数器

10、的读数和为计数器定义的预估年度性能。 例如，汽车跑10000 公里进行一次维护，预估汽车一年可以跑36500 公里，那么系统会自动按照一年365 天，计算出每天跑100 公里， 将在周期起始后100 天进行维护保养工作。而假设在周期起始后10 天里程表 计数器读数为1500 公里，则系统重新计算，将在周期起始后95 天进行维护保养工作。每次计数器读数传 输到 SAP系统，产生计量凭证，都会触发一次新的动态运算。 性能数据来自于安装在技术对象的计数器。 3.3 基于条件 部分设备将通过实时状态或操作参数如温度等进行控制。这些参数为实时读数，需要实时对其进行监控。 通常我们在系统中创建测量点来对设

11、备瞬时读数进行评估。按照法律要求、行业标准或制造商的建议，定 期对有行业标准要求的重要参数进行检测，若检测读数不在许可范围内，外部系统收集该测量点数据，发 送到 SAP系统， SAP系统将创建计量凭证来记录读数信息并自动创建维护申请。 例如，减震皮带轮的震动初始位置发生变化，破化原有的平衡，引发加剧发动机震动，容易导致汽车曲轴 和其他系统的早期失效。因此，对于减震皮带轮的震动初始位置进行定期测量，对预防性维护的执行具有 指导意义。假设，减震皮带轮的初始位置为“01.5%”为“正常”，每天固定时刻对此项参数进行检测。 超出此许可范围， SCADA 系统收集该测量点数据，发送到 SAP系统， SA

12、P系统将创建计量凭证来记录读数信 息，并自动创建维护申请通知单，甚至通过代码的形式，将需要执行的控制指令发送给程控系统。 条件数据来自于技术对象的测量点。 在此，要进行特别介绍的正是一种基于条件的特殊类型维护计划。 1）创建特性 按照设备属性，创建设备需要进行检验的特性零点差异，保存。 2）创建测量点 依据设备特性，创建设备测量点，测量点的名称必须和SCADA 系统中对安装在设备上的测量点名称一致， 保存。 3）创建含质检工序的任务清单 创建包含质检工序的任务清单。在此，可以设置该道质检工序是针对特性“零点差异”进行检测，当质检 不合格时，可选择在此已维护的代表后续处理方式的代码执行维护，保存

13、。 4）创建维护计划 按照每天固定时刻对零点差异进行检测的需求，在系统中创建单循环维护计划。在维护计划中，选择已在 系统中创建好的含质检工序的任务清单。 如果周期检测循环条件较为复杂，还可以建立多计数器维护计划。 5）执行 SCADA 系统 SAP系统不是专门的读数系统及数据处理系统，所以将数据读取和处理的功能赋予一些其它外部系统如 SCADA 系统来执行。 SCADA 系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行 设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。SCADA 系统在中国石油天然气与管道分公司中已获得了广泛的应用，

14、主要负责实时采集管道运行数据及根据预先 设定的指标或远程指令采取相应控制措施。在中国石油目前使用的SCADA 系统中，一类是具有完全的数据 采集和控制功能，而另一类则只有数据采集方面的功能。 SAP系统与 SCADA 系统之间是一种单向信息流动的关系。SAP系统与 SCADA 系统这两个系统保持独立运作， SCADA 系统将从接收到的生产运营数据中提取出对SAP系统有用的部分数据，经过汇总后，通过SAP系统 和 SCADA 系统的接口，将处理后的数据传递给SAP系统，来触发计量凭证的产生，从而达到系统通过监控 计量凭证变化触发维护请求的功能。 然后，执行外部计数器程序。激活SCADA 系统，可

15、以选择当超过标准后是在SAP系统创建维护计量凭证和 维护单据还是仅仅产生维护计量凭证，为了对维护状况完整记录，可选择前一种情况，同时产生维护计量 凭证和维护单据。 当 SCADA 系统导入 SAP系统中的即时计量数据符合设备运转要求，则设备可通过此次监测，继续正常投产； 当 SCADA 系统导入 SAP系统中的即时计量数据不符合监测标准，则通过代码的方式进行后续结果的处理， 比如对设备进行绝缘和断电，以确保员工在使用潜在的危险设备时的安全，或者缩短检测周期，以高频率 的检测预防潜在危机的发生。 6）维护计划排程 对已经创建的维护计划进行排程，结果为排定每天固定时刻都要对维护对象进行检测的计划，

16、保存后，已 调用的维护订单将自动触发产生检验批。 当 SCADA 系统与 SAP系统连接，根据安装在测量位置上的测量点，SCADA 系统将参照维护计划的排程结果 定期采集数据并输入到SAP系统中。 7）录入检验数据 执行 SCADA 系统与 SAP系统连接，检验数据输入SAP系统中。由于此次检验数据为1.5 ，没有超过容差范 围，系统默认通过此次检测。但此次检验结果已接近不合格临界值，系统监控人员也可以在此人工干预检 验结果，修改为“Cannot be Used ”。 8）用途决定 在输入检验结果后，要进行用途决定。对设备的后续处置进行分配，这种处置可以是设置设备的状态、更 改检测循环周期的改

17、变系数、创建通知单、以及更新测量凭证。例如，维护计划中的周期改变系数，被联 动更改为“ 0.8 ”。检测周期缩短，检测频率提升。 4 应用效果 放眼国内众多机构庞大、运作复杂的大型油气田所想要达到的共同生产目标，无非是一项说起来十分简单 的使命： 用最安全、 最经济的方式发现、开采油气。 但实际上， 完成这一使命却并不简单，既富有挑战性、 又具有高成本。 石油上游企业是资产密集型行业，设备的配置与运作状态决定了上游企业大部分的成本与收益。SAP系统 设备预防性维修管理不仅有基于时间的方式，还有基于性能和基于条件的方式，从而为上游企业提高设备 的完好率、使用率与收益率奠定精益管理的基础。预防性维

18、护可以将工厂内未经计划的所有电气和机械设 备停机降到最低程度，并确保维修过的设备处于令人接受的状况。该计划还可在问题变得严重之前对它们 加以识别：如果问题早期得到检测并进行维修，多数严重问题对生产计划的影响性可降到最低程度；如果 问题得到早期检测，则在多数情况下可以避免进行大的维修。如果使用正确，可以消除被浪费掉的维护成 本的 33% 至 50% ，并可取得并维持有效地利用工厂的生产和维护资源。系统建设完成后，前线控制室可实 现无人值守，操作人员可以在基地中心控制室对油田的生产进行监控和管理。投入运行，达到加强油田生 产管理、 节省操作员工、 减小劳动强度、 降低运行维护成本、 提高劳动生产率

19、的目的，取得了较好的效果。 值得特别关注的是，沙漠油田一般都具有远离居住区，后勤保障困难的特点，实施油田自动化，不但可以 达到以上目的，在油田开发和管理的模式上也是一种创新。 壳牌英国勘探开发公司（ShellExpro ），在 SAP系统与 SCADA 系统集成后，使壳牌能够在海上和陆上各种 极端的天气环境下，更省钱、更安全、资源配置更优化地管理其3 万多个设备维护项目活动。严密的计划 与预算管理和周密的人、财、物的统筹安排与优化，使得壳牌无论是在海上还是在陆上的井场都可以7 24 小时地稳定生产。 一旦需要停产检修， 也能凭借充分的准备而最大限度地减少停产时间、降低停工损失， 壳牌现在基本上

20、实现了最安全、最经济地进行生产作业的愿望了。通过SAP系统所搭建的管理平台，能够 切实解决油田作业企业与专业服务公司之间的工作协同问题，从而降低双方的交易成本、提高专业服务的 速度与质量、大大减少油井的停产时间。 5 下一步攻关方向 SAP系统与 SCADA 监视控制和数据采集系统的集成，是一个开放的解决方案。所以，能在控制所有设备的 修理的同时制定计划并根据实时运转状况预防停工。基于计算机的维护管理系统可提供历史数据以及使用 从预知性维护技术（如SCADA 系统的红外监视和振动监视）得到数据的方法。当其功能被充分利用时，系 统就提供了将总体工厂性能、机器有用寿命以及设施及其资产的寿命循环成本

21、实现最佳化的方法。 实际上，这种把石油上游企业勘探与生产过程中的技术数据信息与信息管理系统全面集成起来的设想在国 外已经普遍应用。如上述的SAP系统还实现了与Landmark 公司的油田工作站（TOW cs）生产部署系统的 无缝集成， 通过手持设备、 SCADA 系统、人工读表、 油罐计量等方式， 油田工作站的生产监控系统（DSS32 ） 可以自动采集、存储和分析油田作业数据及每日生产情况，这些数据将进入SAP系统中，使上游的物探、 钻井、测井及地面施工等作业与油气生产的地理位置、收入与支出、人员配置、物资供应等信息紧密地联 系起来，从而将上游企业生产作业与人、财、物的管理有机地联系起来，息息相关、相互映照，因而从整 体上提高企业的运作效率、有效控制成本支出、实现生产与经营的集中管理。例如，通过 SCADA 系统与 SAP 系统中的设备维护管理模块联接，来监控井上和井下设备的运行；通过SCADA 系统与 SAP系统中生产计划 模块的流程订单建立链接，和已有的生产调度生产计划软件结合，可以实现对于工序和成本控制要求严格， 需要精确跟踪的工厂，对于根据特性参数（如有效成分）自动动态计算原料投入和成品产出的需求等。