安全工程信息化技术应用-工程实例

安全工程信息化技术基础应用实例叶迎春机械与储运工程学院实例一安全监测系统2本章目录实时数据驱动的远程安全预警模型泵机组与管道的工况耦变规律研究泵与水力参量的耦合作用研究耦合分析的机组故障监测与精确诊断改进的局部均值时频分析方法研究机组精确故障诊断研究基于泵机组状态耦合分析的管道泄漏检测机组实时状态模型建立机组状态耦合分析的管道泄漏检测研究参数优化的SVR预测模型时间维度预测模型空间维度预测模型基于HAZOP分析的设备安全知识库构建实时数据驱动的安全预警模型研究第6章第4章第5章第3章基于SCADA系统的多源数据采集与预处理离线振动数据采集OPC技术实时数据采集自适应局部投影的振动信号预处理Deflate算法的实时数据预处理第2章管道水力参量的耦合作用研究耦合作用规律的实验验证压力异常捕捉技术研究管道状态耦合分析的机组故障监测技术研究2019/8/33主要内容1、多源数据采集与预处理模型2、泵机组与管道的工况耦变规律研究3、基于耦合分析的管道泄漏检测方法研究4、基于耦合分析的机组故障监测与精确诊断方法5、实时数据驱动的远程安全预警模型2019/8/341、多源数据采集系统结构在线数据采集系统采样频率慢（16Hz）不间断持续采集数据类型多样离线数据采集系统采样频率高（1KHz）间歇性采集振动数据（受传感器种类限制）适用于：管道泄漏检测、机组故障监测、安全预警过程适用于：机组精确故障诊断过程多源数据采集与预处理模型离线数据采集在线数据采集远程过程数据采集数据压缩处理机组振动数据采集数据降噪处理2019/8/352、在线数据采集系统构建硬件：SCADA系统数据采集终端（PLC）软件：基于OPC的远程数据采集技术OPC是一个工业通讯标准，它建立了一组符合工业控制要求的数据接口规范，能够解决上位机和不同硬件设备间的远程通讯问题。输油泵流量计流量计输油管道输油泵流量计流量计压力传感器光纤光纤PLCPLC轴承振动、腰瓦温度、入口压力、……出站压力、进站压力、……网关OPCServerOPCClient数据库泵站1泵站2OPC协议泵站PLC及机柜面板OPC数据通讯技术通讯速率快可靠性高2019/8/36OPC客户端C#、VB、Delphi应用程序C++应用程序自动化包装器OPC服务器（本地或远程）数据缓冲区物理设备数据库自动化接口自定义接口服务器端–客户端（CS模式）创建一个Opc.Server对象并建立连接添加订阅者对象并设置其属性添加Opc.Da.Item并设置其属性搜索当前系统注册的OPC服务器创建一个Opc.Da.Server对象响应订阅者的DataChanged事件实时数据停止采集？否是设置订阅者为无效关闭Opc.Da.Server对象与服务器的连接采集启动采集停止OPC服务器(OFS3.0)OPC.Net自动化接口2、在线数据采集系统构建2019/8/373、离线数据采集系统中国石油大学（北京）自主开发的EDES-4型数据采集系统电机输油泵测点2：电机端瓦轴承测点1：电机腰瓦轴承测点3：泵腰瓦轴承测点4：泵端瓦轴承联轴器地基振动信号测点布置图采集系统软件采集系统硬件2019/8/384、机组故障监测SCADA系统故障监测功能是对实时状态量的简单阈值判断，实现不了对机组隐含故障的监测，并且存在误报警的现象。SCADA系统工艺参数截屏现场SCADA系统带有机组故障监测功能序号项目报警值连锁停车值（跳泵）备注1泵轴承温度85℃90℃非驱动端2泵壳温度70℃75℃3泵轴承振动3.5mm/s非驱动端，无连锁4泵入口压力0.2MPa0.15MPa低报、低低报5泵出口汇管压力6.5MPa6.7MPa6泵机械密封温度65℃80℃冷却回流油温7电机轴瓦温度90℃95℃8电机三相绕阻温度135℃140℃9电机冷却进气温度70℃75℃10电机冷却出气温度100℃105℃SCADA系统报警参数表2019/8/395、HAZOP分析的安全知识库构建安全知识元创建选定设备单元确定节点（工艺参数）匹配引导词，确定有意义的偏差偏差产生的原因消除偏差的安全措施偏差导致的后果泵机组单元管道单元电力监测系统：电机电流、电机电压温度监测系统（含机械密封监测）：电机腰瓦温度、泵壳温度、泵腰瓦密封温度...振动监测系统：泵腰瓦轴承振动、泵端瓦轴承振动、电机腰瓦轴承振动...泵压力监测系统：泵入口压力、泵出口压力、入口汇管压力...压力监测系统：出站压力、进站压力温度监测系统：出站温度、进站温度泵机组与管道系统工艺参数节点根据过程参量的数据类型来划分泵机组单元/温度监测系统节点/泵端瓦轴承振动偏差泵端瓦轴承振动（A幅值偏大；B瞬时波动过大）原因A1泵安装不良（包括泵和电机不同心、轴承间隙过大、叶轮歪斜等）；A2端瓦轴承严重磨损；A3泵出口压力增大（负载增大）；A4轴承部位润滑不良；A5地脚螺栓松动；B1泵负载变化异常；B2泵内工作介质含有空气；B3电机转速不稳定后果A1轴承发生结构性故障；A2机械密封因冲击而失效，发生漏油事故；A3轴承润滑系统结构损坏，发生泄漏；A4叶轮与泵体产生碰磨；A5轴瓦断裂；A6触发停机报警并导致跳泵；A7泵体基座被破坏；B1叶轮叶片损伤；B2造成管线压力冲击；B3电机电力冲击安全措施A1重新调整泵与电机的安装情况；A2检查轴瓦是否产生裂纹，更换轴瓦；A3检查轴承磨损情况，必要时更换轴承并做转子动平衡实验；A4加固、紧牢螺栓；A5确保润滑管路通畅，润滑油质量合格；B1检查叶轮完整性，更换叶轮；B2确保排气阀门工作正常，排出管内空气；B3检查电网电力供应的稳定性2019/8/310安全知识数据库状态预测模型泵机组、管道实时过程数据时间维度预测模型空间维度预测模型支持向量机回归预测模型偏差产生原因HAZOP分析安全措施预警结果状态偏差分析偏差导致后果状态预测结果安全决策6、远程安全预警模型2019/8/3116、软件介绍设计开发了“泵机组与管道故障诊断与安全预警”系统软件，并应用到了中石化东临复线原油管道安全生产中。软件系统数据采集与处理子系统管道泄漏检测子系统机组故障诊断子系统动态安全预警子系统项目内容开发工具VisualStudio2008、Matlab2010b数据库服务器SQLServer2005及以上OPC服务器OPCFactoryServerV3.31软件运行平台WindowsXPSP3或Windows7、.NetFramework3.5SP1硬件要求内存1G及以上、硬盘120G及以上、网卡100M2019/8/3127、数据库表结构设计表名别名类型用途TempMachData机组实时数据表过程数据类存储全部管线所有机组的实时数据TempPipeData管道实时数据表存储全部管线所有管道的实时数据HisPLx_Mach机组历史数据表存储第x条管线所有机组历史数据HisPLx_Pipe机组历史数据表存储第x条管线所有管道历史数据ConfigMachInfo机组信息配置表配置信息类记录所有机组的相关信息ConfigPipeInfo管道信息配置表记录所有管道的相关信息ConfigMPIsActive测点有效性配置表记录各个测点是否有效的标识ConfigMPWeight测点权重配置表记录各测点在安全分析过程中的权重ConfigMPSEStd测点安全预警标准记录安全预警中偏差分析的标准HazopReasonHAZOP分析原因专家知识类存储偏差产生原因的专家知识集合HazopDamageHAZOP分析后果存储偏差导致后果的专家知识集合HazopMaintainHAZOP分析维护存储减小偏差所需措施的知识集合MachFaultDiagRlt机组故障诊断结果结果记录类记录机组故障诊断结果PipeLeakDetectRlt管道泄漏检测结果记录管道泄漏检测结果SafeWarningReport系统安全预警结果记录系统安全预警的结果2019/8/3138、系统软件实现OPC数据采集与预处理子系统2019/8/3148、系统软件实现主要功能子系统管道泄漏检测页面机组故障监测页面机组故障精确诊断页面远程安全预警页面2019/8/315历史数据查看器8、系统软件实现辅助功能页面实时数据查看器全线设备运行状态查看器软件配置功能页面实例二模拟与仿真16本章目录1、安全阀在正常工况下偶尔异常开启；3、液位计振动幅度较大，使部分构件产生严重压痕；4、注油无缝钢管在高频小振幅振动下曾经引起过断裂；5、压缩机组在850转/分工况下振动特别剧烈，目测感觉非常危险，该振动可能导致地脚螺栓崩断。故障表现形式：2、一级排气与二级进气口连接处振动引起连接螺栓松动，造成严重的安全隐患；基础知识1—排气阀2—气缸3—活塞4—活塞杆5—十字头6—连杆7—曲柄8—吸气阀9—阀门弹簧组成机体传动机构压缩机构润滑冷却组成故障形式诊断方法结构排气量不足压力异常温度异常热力故障异常响声振动过热机械故障参数监测温度监测介质金属法振动信号分析法油液分析-19-2019/8/3仿真诊断总体方案设计大张坨压缩机照片压缩机模型经过现场测绘及贵公司提供的材料，对压缩机整机建模如下：-20-2019/8/3仿真诊断总体方案设计3号洗涤罐4号洗涤罐1号洗涤罐2号洗涤罐1级进气缓冲罐1级出气缓冲罐2级进气缓冲2级出气缓冲罐3级进气缓冲罐3级出气缓冲罐-21-2019/8/3基于固有特性分析的压缩机减振研究网格单元：Solid45弹性模量：2.1E11Pa泊松比：0.3密度：7800kg/m3单元数：683469节点数：204681-22-2019/8/3基于固有特性分析的压缩机减振研究零位移：44个地脚螺栓进出气口管道截面阶数一阶二阶三阶四阶五阶六阶七阶八阶九阶十阶频率（Hz）27.6732.0243.0648.9969.0470.6973.0179.8785.8988.35压缩机前10阶固有频率压缩机整机的各阶固有频率都比较低，一阶频率只有27.67Hz，这与往复式压缩机的激振频率900/60=15Hz接近。因此曲轴的转动很容易激发压缩机整机产生共振。并且由于前十阶频率都与激振频率相差不大，所以压缩机整机的振动表现为各低阶振型的叠加。一阶模态位移云图七阶模态位移云图十阶模态位移云图基于固有特性分析的压缩机减振研究-24-2019/8/3基于固有特性分析的压缩机减振研究整机振动最大位移出现在洗涤罐及缓冲罐-25-2019/8/3基于固有特性分析的压缩机减振研究洗涤罐支架尺寸图-26-2019/8/3阶数一阶二阶三阶四阶五阶六阶七阶八阶九阶十阶支架模型频率（Hz）28.0437.2246.2564.3769.4070.5470.5972.6980.0786.13正常模型频率（Hz）27.6732.0243.0648.9969.0470.6973.0179.8785.8988.35两种压缩机模型的模态频率对比压缩机的振动主要是由低价固有频率决定，添加洗涤罐支撑后其低阶固有频率明显提高（1-4阶）。低阶固有频率的提高意味着可以使压缩机远离共振区，从而达到减小振动的目的。基于固有特性分析的压缩机减振研究-27-2019/8/3未添加支架的压缩机一阶振型中的最大位移为2.34cm，添加支架后的压缩机一阶振型中的最大位移为2.27cm，最大位移均出现在3级进气洗涤罐上，洗涤罐增加支架后的一阶最大位移降低了2.9%；三阶振型最大位移由4.1cm降低到3.6cm，降低了10.9%。因此压缩机洗涤罐增加支架后能有效的降低洗涤罐的振动。支架模型一阶振型支架模型三阶振型正常模型一阶振型正常模型三阶振型基于固有特性分析的压缩机减振研究-28-2019/8/3压缩机整机瞬态动力学分析压缩机瞬态动力学的载荷施加曲轴的支反力地脚螺栓约束气缸内的交变压力-29-2019/8/3关键部件易发生故障部位静力分析曲轴结构复杂，工作受力情况复杂，曲轴承受着周期性变化的气体力，往复运动质量惯性力，旋转运动离心力的共同作用，对曲轴进行静力学分析，分析曲柄轴在受压下曲轴对位移、应力、应变情况，分析故障部位和原因。分析模型采用体单元S