先进操作系统之研究及发展.pdf

1先進操作系統之研究及發展先進操作系統之研究及發展 新鼎系統（股）公司 一一.前言前言 自九代末期起，先進控制(Advanced Process Control)中的績效指標(Key Performance Index,KPI)技術，就逐漸被應用到各個製造業域。一般而言，KPI 時常被應用在生產管與品質管。但製造業的核心域-操作管，卻因為操作控制系統對於系統穩定性與安全性的要求較為嚴格，而時常忽透過 KPI 方式改善操作管的機會。節能 KPI:讓工廠管簡單和有效。節能 KPI 結合製程設計，製程即時生產據，節能目標，現場工程師的經驗，加強對設備效的即時監控。具有風險、投入少、收效快等特點。工廠操作和管人員可以從節能 KPI 獲取製程的即時工況迅速做出操作判斷和決定；並可以簡單展現設備效改善空間，達到節能目標。2二.先進操作系統簡介先進操作系統簡介 1.何謂先進控制系統何謂先進控制系統 先進控制系統是整合操作知模組、ScadACS 監控系統、與Falconeer 製程安全預警系統之整合軟體，發展一套完整之操作先進系統，應用在汽電共生及鍋工廠，可提高能源使用績效，並對製程常進診斷預警，減少工安事故。經由工廠控制網，接生產設備監控操作台，與 DCS 工程師工作站，可以擷取工廠的即時資，並建操作營運管知模組的關鍵績效指標 KPI，鍋效指標、熱交換效指標、水平衡&破管指標、飼水泵能源效指標，藉由改善操作效達到節能環保的目標。其架構及操作畫面如下：圖 1 先進操作系統整體架構圖 32.何謂何謂 ScadACS 監控系統監控系統 ScadACS(Supervisory Control and Data Acquisition System)為新鼎公司所研發的產品，目的在提供同的監控應用域。是一個快速而彈性的使用/開發平臺，能迅速而穩定的建置出客戶需求之監控系統，並且兼具維護性、擴充性、以及與市面上產品的整合性。ScadACS 系統操作畫面如下圖所示。圖 2 ScadACS 系統操作畫面 4SCADACS 系統特色系統特色(1)軟體元件為基礎的整合式資訊與監控系統應用平台系統軟體主架構。(2)遵循 OPC(OLE for Process Control)規範之製程資擷取界面，能夠支援程序控制、工廠自動化、交通控制等多方面之應用。(3)以高模組化元件化為最高設計遵循原則，製作出各式通用的軟體模組，再配合發展出域特有的(Domain-Specific)元件，以能針對同域的應用，建最佳的系統。SCADACS 功能介紹功能介紹(1)資搜集與整合(2)即時監控與動態顯示(3)史資存取(4)警報與事件處(5)趨勢分析(6)報表編輯(7)系統組態設定(8)線上圖控畫面編輯 5SCADACS架構明架構明 圖 3 ScadACS 架構圖 ScadACS 多層式架構，於維護擴充。元件化的軟體 IC，堆積木方式，組織整個系統（請考圖 3）。採用 Microsoft Windows 作業系統(Windows 2000/NT/XP)及 DCOM/OPC 等技術，非常容與外界應用軟體整合。此外還可因應同系統的特殊需求，另外建置相互銜接的軟體子系統，實為現今市場上最開放、最、又有效能之應用平台。63.何謂何謂 Falconeer 製程安全預警系統製程安全預警系統 圖 4 Falconeer 系統操作畫面 Falconeer（Fault AnaLysis CONsultant via Engineering Equation Residuals）為美國化工產業診斷軟體，其產品 Falconeer IV 為以工業製程模型為基礎，對製程(重點設備或節能績效)進在線診斷和預警軟體。7FALCONEER系統特色系統特色 特色一：製程績效診斷及監測軟體特色一：製程績效診斷及監測軟體 整合工廠所有製程資訊 客製化警報設計 即時續操作 vs.手動或排程 特色二：專演算方法與系統設計特色二：專演算方法與系統設計 高智慧分析原始據 FALCONEER功能介紹功能介紹 提供 100%完整範圍的“自我診斷”位儀表板 智慧型建議/圖表/報表 線上關鍵性能指標(KPI)OPC or 特殊的資通訊 偵測器&據協調 調整已失誤或誤偵測的 偵測器&製程確認 驗證儀表,設備和操作況 續統計程序控制 預知錯誤&偵測非正常操作況 最適化操作 8FALCONEER系統架構系統架構 圖 5 Falconeer 系統架構 用 FUZZY 方法診斷分析 Sensor 測與二次模型的計算結果，以同燈號表示分析結果；警報產生前會先確認製程是否處於預設態，工安預警使用的方法與預知保養相同。大多工安事故發生前製程都有癥兆產生：如管破、油管洩、事先得知即可避免。軟測儀錶(KPI)的使用，能使操作績效改善與耗節能：如並供汽鍋中提高鍋中高效的鍋負載。94.何謂操作知模組何謂操作知模組 圖 6 操作知模組程示意圖 本專題首先進操作知模組的建置，藉由改變操作習慣，由固定設定點的操作，改變為考 KPI 效能指標進操作，可以減少損失提高潤。鍋為工廠主要耗能設備之一；因此有效地維持鍋高效地運轉，是非常重要的工作。操作知模組用一系節能 KPI 結合程設計（請詳下一章），即時生產資，節能目標及現場工程師的經驗，使工廠操作和管人員可以從節能 KPI 獲取操作單元的即時工 10況，迅速做出操作判斷和決定；而且可以簡單展現設備效改善空間，達到節能目標。i.鍋效節能指標鍋效節能指標 ii.飼水效節能指標飼水效節能指標 iii.熱交換效節能指標熱交換效節能指標 iv.鍋水平衡及破管指標鍋水平衡及破管指標 三.應用應用 1.鍋系統鍋系統 蒸氣系統為工業界最常用之能源之一，而鍋則為蒸汽系統內之主要設備，亦為工廠主要耗能之設備。所以，提升鍋性能、有效地維持鍋高效地運轉節能，已達減耗、少污及工廠安全，在全球日暖化、資源短缺、能源高漲的趨勢下是工業界非常重要的工作。圖七為目前國內的鍋操作效統計，平均值僅為 83.3%，顯示節能空間相當廣大，因此，研究先進控制系統暫以提升鍋操作效為範圍，相關技術與經驗可以直接運用於其他操作系統。11 圖 7：國內鍋使用效分析表 2.焚化汽電共生焚化汽電共生 鍋及汽電共生廠等能源/環保相關域，已積相當豐富的操作營運管經驗，可以進一步整成為操作知庫，除提升汽電共生效外，亦可低化學品使用低操作成本。圖 8：焚化主架構圖 12四四.研究研究 1.鍋先進控制關鍵績效指標鍋先進控制關鍵績效指標(KPI)籍由鍋之史據及鍋原，將即時鍋效與煙氣含氧，CO 含、及過空氣系進關，從而辨出鍋高效操作區間。該功能幫助現場操作人員或管人員直觀地掌握當前鍋運工況是否處於最佳操作區間；如圖四所示，黃色區域為該鍋之高效操作區間，而目前工況最佳態尚有一段可改善空間。圖 9：鍋運轉效圖 進一步低燃燒空氣以使效逐漸向高效區間即可。當然要避免空氣減少過，造成 CO 濃急劇上升而完全燃燒，熱損迅速增加而導致鍋效反而下。通過 KPI 操作員可直觀解鍋目前的運態，鍋效是否在合區間內，同時籍由魚骨分析圖和 13相應變的趨勢圖辨出造成鍋操作佳之原因所在；進而通過相應地操作。1).鍋效節能指標：鍋效定義為 1-熱損/總入熱。一般供應入鍋內的入熱分析計有燃之高/低發熱、燃預熱輸入熱、內噴入蒸汽熱、空氣預熱等因素。熱損分析則計有乾排氣熱損、排氣中水汽熱損、內噴入蒸汽熱損、完全燃燒熱損、燃灰熱損及內熱射及熱對熱損等因素。2).飼水效節能指標：鍋伺水除循環回收水外需要補充新鮮伺水，由於所補充是受到製程生產所需要之蒸汽影響的，因此建該指標監控蒸汽對飼水效的影響。3).熱交換效節能指標：針對製程中重要熱交換設備，用設備的進出體、溫等計算該熱交換設備的換熱效作為 KPI，進監控，協助工廠相關人員實時解熱交換設備維護況，並瞭解設備改善空間。4).鍋水平衡及破管指標：根據製程的史據和工廠工程師經驗，設定警報上下限；當鍋水失衡超限達一定時長以上，則發出警報，表示鍋可能發生常。14五.系統研發系統研發 1.系統操作設計系統操作設計 圖 10：BoilACS 系統 KPI 總覽圖 圖 11：BoilACS 系統鍋效 KPI 15 圖 12：BoilACS 系統飼水效 KPI 圖 13：BoilACS 系統熱交換效 KPI 16 圖 14：BoilACS 系統鍋水平衡及破管 KPI.優化設計優化設計 研究結果建一般能源工業共通單元系統之操作營運管知模組，以動態方式對相關單位進簡報，並尋找一適合配合之汽電共生工廠，有計畫逐步進本操作先進系統之實廠測試，以測試及優化本系統，使之具有實用價值。七 結結 由於鍋效能 KPI 並直接介入操作，僅止於提供即時考與績效檢討，因此無法對效能有效提升提供實質保證，或證明其與效能改善的因果關係。導入系統後的操作習慣與管稽核等改善措施成為影響節能成效的重要關鍵。未系統導入宜以效能最終獲得改善為訴求，因成效證實。尋找節能空間與改善方案，提供有效的管輔助工具的訴求會成為較驗證的成效。