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基于光纤感知网络的石油化工FOCS全光工业互联网制造技术

技术编号：41538384 阅读：22 留言：0更新日期：2024-06-03 23:17

本发明专利技术公开了一种基于光纤感知网络的石油化工FOCS全光工业互联网，包括光纤探测层、智能感知与数据传输层、光总线层和信息管理层，与外部互联网之间的网络连接间建立一个具有完全物理隔离的网络安全防御体系，实现传感探测与安全防护一体化功能；本发明专利技术构建的石油化工FOCS全光工业互联网决了感知与智慧控制一体化网络化和数字化的关键技术，减少了控制节点数量，可降低石化控制系统运营和工程施工成本，提高控制系统的安全可靠性，为实现“绿色、低碳、智能”石油化工新型工业化的新质产生力提供一种革命性的技术方法。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于石油化工自动化领域，是工业化中流程工业领域领先的智慧技术方案，主要涉及基于光纤智慧感知网络的石油化工focs全光工业互联网。

技术介绍

1、石油化工集石油炼制与后续化工为一体，是典型的流程工业，工艺过程复杂，控制点多，通常包括常减压蒸馏、催化裂化、延迟焦化、加氢裂化、加氢精制、催化重整等炼油装置，以及乙烯、丙烯腈、丁二烯、苯乙烯、abs、eo、eg、eva/ldpe、pp、px、pta等化工装置。特别是大型炼化项目，更是一个庞大的系统工程。作为流程行业的石化工业，如何利用智能化技术把这些各个孤立的环节连接起来，并对各个环节的大量数据实时地分析和交互，实现智能决策具有现实意义。石油化工的主要骨干企业纷纷利用物联网技术、智能设备和信息化等手段，将有线网络与无线网络相结合，借助先进的信息技术，建设中心控制室可视化交互操控平台，为石化智能工厂信息化规划与业务应用提供数据展示、生产图像调用、辅助决策支持等方面的实时、全面、可视化的平台和实体。借助现场感知网络，实现物理制造空间与信息空间无缝对接，拓展对工厂的了解和监测能力，为精细化和智能化管控提供前提。将生产状态、工业视频等信息集中和融合，为操作和决策提供直观的工厂真实场景，实现快速决策。利用生产运行数据和专家知识，将工厂行为和特征的知识理解固化成各类工艺、业务模型。根据需求调用，满足生产管理需要。与现有工艺过程和管理业务流程高度集成，实现炼化生产各环节、各工序间紧密衔接与集成，实现全局最优。初步实现了“装置数字化、网络高速化、数据标准化、应用集成化、感知实时化”。

<p>2、虽然如此，在新型工业化的背景下石化企业智能化水平还有较大的提升空间，特别是各环节实时感知能力、机理分析能力、模型预测能力、优化协同能力等可以进一步提高。因此，需要提升物联网结构的核心感知层技术，同时改变石化现有智能工厂物联网系统部分软、硬件系统缺乏自主知识产权现状。作为物联网技术体系结构核心感知层的传感器网络，应该始终向着小型化、低成本和低能耗的方向发展，同时增大感应的空间范围并提高感应的准确性。但在目前的智能工厂框架中，生产流程多采用传统的电化学型、电学型和光学型三类传感器进行检测和单元控制，目前感知网络技术主要依赖于电类和普通光学传感器。由于石化生产装备和工艺过程往往处于高温高压、电磁干扰、振动和粉尘等恶劣工况和易燃易爆复杂环境中，传统传感器特性限制了其使用场景，导致石化企业现有的核心感知层技术相对滞后。同时，需要构建泛在感知网络环境，支撑数据要素流动传输，实现设备互联、业务互联及产业互联。加快工业光网等新型网络通信技术在设备现场、操作车间的广泛覆盖，打通“数据孤岛”，提高石化企业内部业务数据集成与协同水平。因此，寻求构建面向石化恶劣工况智能制造的光纤传感网络新原理和新方法，成为石化企业高效、安全与绿色生产亟待解决的重大问题。

3、目前，将石油化工工厂focs中用于生产装备、工艺流程和安全防控的感知层主要为各类电类变送器和视频等，主要控制信号为各类电类变送器将现场中传感探头感知的信号装变为4~20ma传输模拟信号到系统的控制平台。由于电类信号存在易受电磁干扰、不具备防爆功能、采用多点测量时组网困难、使得信号的及时处理受限，采用电线传输信号成本较高等技术瓶颈。

4、光纤传感器具有本征防爆、抗电磁干扰、可分布式测量、易于组网、传输容量大、传输距离远、测量精度高、尺寸小易于安装、耐腐蚀使用寿命长等优点，是一种最适合应用于石油与化工工况的传感探测技术，近年来应用于在石油化工行业的主要生产装备、生产工艺和安全防控等光纤传感智能感知技术已逐渐成熟，如主要装备往复式压缩机、机泵群、焦炭塔等运行监测参量类型、位置、状态多参量大容量在线监测光纤传感系统。用于石化生产工艺过程控制的反应器、载氢输运管道工艺参数、化学成分和浓度等在线测量光纤传感系统等。用于安全防控的气体露、管道腐蚀及水污染光纤传感在线监测，围绕石化生产多装备与繁锁工艺过程，形成了石化工厂较全面的立体光纤传感系统技术。为解决上述基于电类传感器的fcs系统的技术局限性提供物理硬件与软件基础。

技术实现思路

1、为了解决基于电类传感器的focs系统上述问题，本专利技术是提出一种基于光纤感知网络的石油化工focs全光工业互联网，本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

2、一种基于光纤感知网络的石油化工focs全光工业互联网，用于石化企业生产控制的内部网络，与外部互联网之间的网络连接间建立一个具有完全物理隔离的网络安全防御体系，实现传感探测与安全防护一体化功能；面向的测量对象为石化机械装备、化学反应装置、物料运输管道和周界安防，利用各类光线传感探头探测振动、位移、压力、温度、成分、流量、称重、腐蚀、泄露、污染、火灾、侵入物理量和化学量，构建专用的相应的光纤传感在线实时探测系统；该全光工业互联网包括：

3、光纤探测层：是指以光纤作为多点分布式感知元件，获取石化企业运行中不同部位的状态信息，监测的对象包含石化机械装备、化学反应装置、物料运输管道和周界安防；输入的激光信号和输出的激光信号都通过光纤传输，输出的激光信号调制了被测对象的信息，即光纤传感信号，输出送至智能感知与数据传输层；接收智能感知与数据传输层发来的指令，由全光驱动开关或模拟量控制监测对象的执行机构；

4、智能感知与数据传输层：是指完成对光纤探测层送来的光纤传感信号进行处理，通过光电转换模块变为电信号后，由信号处理与解调仪表进行一系列处理，包含去噪、放大、滤波、采集、解耦、缓存、查询、比对、压缩、融合、ai驱动、识别，获得各类物理参量和化学参量，所有的传感测量结果转换为光信号，由光纤收发器送往光总线层；

5、光总线层：在光总线层只实现光信号的传输和交换，工作过程中始终以光的形式存在；

6、信息管理层：是全光工业互联网的控制中心，由技术人员或管理人员进行操作，可以实现全网的控制和干预，依据不同类别的石化设备或不同监测部位分类的振动、位移、压力、温度、成分、流量、称重、腐蚀、泄露、污染、火灾、侵入传感原始数据以及经过智能诊断、光谱频谱诊断、远程诊断、设备性能诊断处理后的结果实时在本层显示；利用边缘与云端数据和模型的调度技术，合理分配和调度算法和算力，确保海量工业数据融合的处理效率。

7、所述的基于光纤感知网络的石油化工focs全光工业互联网，测量对象包括：往复式压缩机、机泵群关键设备的振动监测、噪声监测、位移监测、应力监测、气压监测、键相监测、温度；反应器内和生产流程包括常减压蒸馏、催化裂化、加氢裂化、加氢精制、催化重整的压力、浓度、液位温度、液体反应物和反应气的成分度多参量；焦炭塔远程全自动化密闭除焦的状况；各类高温炉内温度分布；载氢管道中氢气成分、浓度与流量；石油化工物料连续输运在线计量；石油化工装置及储运设施油品泄露、输运管道腐蚀与危险气体泄露；炼厂气成分、污水成分。

8、所述的基于光纤感知网络的石油化工focs全光工业互联网，其中的光纤探测层和智能感知与数据传输层是相分离的本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种基于光纤感知网络的石油化工FOCS全光工业互联网，其特征在于：用于石化企业生产控制的内部网络，与外部互联网之间的网络连接间建立一个具有完全物理隔离的网络安全防御体系，实现传感探测与安全防护一体化功能；面向的测量对象为石化机械装备、化学反应装置、物料运输管道和周界安防，利用各类光线传感探头探测振动、位移、压力、温度、成分、流量、称重、腐蚀、泄露、污染、火灾、侵入物理量和化学量，构建专用的相应的光纤传感在线实时探测系统；该全光工业互联网包括：

2.根据权利要求1所述的基于光纤感知网络的石油化工FOCS全光工业互联网，其特征在于：测量对象包括：往复式压缩机、机泵群关键设备的振动监测、噪声监测、位移监测、应力监测、气压监测、键相监测、温度；反应器内和生产流程包括常减压蒸馏、催化裂化、加氢裂化、加氢精制、催化重整的压力、浓度、液位温度、液体反应物和反应气的成分度多参量；焦炭塔远程全自动化密闭除焦的状况；各类高温炉内温度分布；载氢管道中氢气成分、浓度与流量；石油化工物料连续输运在线计量；石油化工装置及储运设施油品泄露、输运管道腐蚀与危险气体泄露；炼厂气成分、污水成分。p>

3.根据权利要求1所述的基于光纤感知网络的石油化工FOCS全光工业互联网，其特征在于：其中的光纤探测层和智能感知与数据传输层是相分离的，即空间位置分开，光纤传感探头探测到的光学信号通过光纤实时传送智能感知与数据传输层，其光学探测信号传输距离不小于10km，光学探测信号由信号处理与解调仪表完成数据和信号处理；信号处理与解调仪表输出的控制指令，通过光纤传输到石化装备监测现场，全光驱动开关为通过光的通断控制现场的执行机构的运行。

4.根据权利要求1所述的基于光纤感知网络的石油化工FOCS全光工业互联网，其特征在于：智能感知与数据传输层包括多个可扩展的全光智能感知与数据传输总线单元，根据石化企业的监测对象类别和数量，布设相应数量的全光智能感知与数据传输总线单元。

5.根据权利要求4所述的基于光纤感知网络的石油化工FOCS全光工业互联网，其特征在于：信号解调与处理仪表的硬件部分包括防爆电源模块、光源模块、光电转换模块、信号放大与滤波电路模块、数据采集模块、微计算机模块、通信模块和光纤收发器。

6.根据权利要求4所述的基于光纤感知网络的石油化工FOCS全光工业互联网，其特征在于：具有各类物理和化学多参量实时测量功能，采用波分、时分和空分复用技术对各探测系统中多参量传感信号进行解耦、处理和缓存，建立相应实时数据库，通过数据处理传输到上一层，即光总线层。

7.根据权利要求5所述的基于光纤感知网络的石油化工FOCS全光工业互联网，其特征在于：微计算机模块运行以下软件：光学解耦软件、传感数据优化算法、子系统本地数据库、智能诊断算法、远程诊断机器学习算法、健康模型库、内嵌AI技术驱动的模型、数据采集可扩展软件；所述传感数据优化算法是：对传感器获取的原始数据，分别使用最小二乘法拟合、高斯拟合、拉格朗日乘数法拟合、泰勒级数拟合和傅里叶级数拟合，选择拟合效果最好的作为处理结果。

8.根据权利要求7所述的基于光纤感知网络的石油化工FOCS全光工业互联网，其特征在于：所述传感数据优化算法具体如下：

9.根据权利要求1所述的基于光纤感知网络的石油化工FOCS全光工业互联网，其特征在于：所述的光总线层是由光线路终端OLT和光网络单元ONU和无源分光器POS构成的无源光网络PON，其中OLT是光接入网的核心部件，提供面向下一层的无源光纤网络的光纤接口；在PON中，全光网络传输和交换过程全部通过光纤实现，信号只是在进出网络时才进行电光和光电转换，而在网络中传输和交换的过程信号始终以光的形式存在。

10.根据权利要求1所述的基于光纤感知网络的石油化工FOCS全光工业互联网，其特征在于：所述的信息管理层，由全光交换机和服务器组成，通过软件定义为主的方式设计异构设备协议转换技术和模型映射技术以及分类数据接入和集成技术，提高海量工业数据融合的处理效率；利用边缘与云端数据和模型的调度技术，合理分配和调度算法和算力，通过端边云协同和调度实现模型同步或异步加载，实现面向多场景的动态互联和动态协同。

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【技术特征摘要】

1.一种基于光纤感知网络的石油化工focs全光工业互联网，其特征在于：用于石化企业生产控制的内部网络，与外部互联网之间的网络连接间建立一个具有完全物理隔离的网络安全防御体系，实现传感探测与安全防护一体化功能；面向的测量对象为石化机械装备、化学反应装置、物料运输管道和周界安防，利用各类光线传感探头探测振动、位移、压力、温度、成分、流量、称重、腐蚀、泄露、污染、火灾、侵入物理量和化学量，构建专用的相应的光纤传感在线实时探测系统；该全光工业互联网包括：

2.根据权利要求1所述的基于光纤感知网络的石油化工focs全光工业互联网，其特征在于：测量对象包括：往复式压缩机、机泵群关键设备的振动监测、噪声监测、位移监测、应力监测、气压监测、键相监测、温度；反应器内和生产流程包括常减压蒸馏、催化裂化、加氢裂化、加氢精制、催化重整的压力、浓度、液位温度、液体反应物和反应气的成分度多参量；焦炭塔远程全自动化密闭除焦的状况；各类高温炉内温度分布；载氢管道中氢气成分、浓度与流量；石油化工物料连续输运在线计量；石油化工装置及储运设施油品泄露、输运管道腐蚀与危险气体泄露；炼厂气成分、污水成分。

3.根据权利要求1所述的基于光纤感知网络的石油化工focs全光工业互联网，其特征在于：其中的光纤探测层和智能感知与数据传输层是相分离的，即空间位置分开，光纤传感探头探测到的光学信号通过光纤实时传送智能感知与数据传输层，其光学探测信号传输距离不小于10km，光学探测信号由信号处理与解调仪表完成数据和信号处理；信号处理与解调仪表输出的控制指令，通过光纤传输到石化装备监测现场，全光驱动开关为通过光的通断控制现场的执行机构的运行。

4.根据权利要求1所述的基于光纤感知网络的石油化工focs全光工业互联网，其特征在于：智能感知与数据传输层包括多个可扩展的全光智能感知与数据传输总线单元，根据石化企业的监测对象类别和数量，布设相应数量的全光智能感知与数据传输总线单元。

5.根据权利要求4所述的基于光纤感知网络的石油化工focs全光工业互联网，其特征在于：信号解调与...

【专利技术属性】
技术研发人员：童杏林，杨学志，安晖，冒燕，王跃刚，邱敬敏，王强，史继森，贾晓军，
申请(专利权)人：中国软件评测中心工业和信息化部软件与集成电路促进中心，
类型：发明
国别省市：

全部详细技术资料下载我是这个专利的主人