CN112262299A - 用于检测在对罐内介质的物位的测量中的故障状况的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检测在对具有浮顶(3)的罐(2)内的介质(1)的物位的测量中的故障状况的方法，从而浮顶(3)漂浮在介质(1)上并且在罐(2)内竖直地被引导，提供雷达物位计(4)和物位测量设备(5)，其中该雷达物位计(4)安装在罐(2)上的固定位置，该雷达物位计(4)沿浮顶(3)的方向发射雷达信号并且接收在浮顶(3)表面上反射的回波信号，从而该物位测量设备(5)测量罐(2)内的介质(1)的物位，该方法包括以下步骤：a)在定义的时间间隔期间确定并记录代表浮顶(3)的物位的数据，其中所述定义的时间间隔包括将介质(1)填入罐(2)内/从罐(2)内排空介质(1)的一些填充/排空周期，b)在所述时间间隔期间罐(2)内确定并记录代表介质(1)的物位的数据，所述时间间隔包括将介质(1)填入罐(2)内/从罐(2)内排空介质(1)的一些填充/排空周期，c)确定代表罐(2)内的介质(1)的物位的数据与代表浮顶(3)的物位的相应数据之间的偏差，d)将代表介质(1)的物位和利用相应的物位数据减去浮顶的厚度的浮顶(3)的物位的所存储的数据之间的偏差中心化，e)如果所述中心化的偏差超过罐(2)的至少一个高度内的公差阈值，则生成检测到物位测量中的故障状况的警报消息。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测在对具有浮顶的罐内介质的物位的测量中的故障状况的方法和系统，其中，浮顶漂浮在介质上并且在罐内竖直地被引导。提供了雷达物位计和物位测量设备。雷达物位计安装在罐上的固定位置，该雷达物位计沿浮顶的方向发射雷达信号并且接收在浮顶的表面上反射的回波信号。相应地，雷达物位计确定到浮顶的距离和浮顶的物位或罐内介质的物位。物位测量设备直接测量罐内介质的物位。
背景技术
关于本发明的解决方案，优选通过使用雷达物位仪来检测顶部的物位。雷达物位仪向顶部的表面发射雷达信号，尤其是微波信号或超声波信号并且接收在顶部上反射的回波信号。顶部的物位取决于雷达信号的运行时间。雷达物位仪尤其可以是脉冲雷达设备或FMCW雷达设备。
物位测量设备可以是连续测量罐内介质的物位的任何设备。优选地，使用TDR(时域雷达)测量设备。但是也可以使用电容或导电测量设备。一般而言，可以使用能够连续测量介质的物位并且能够抵抗工业过程的恶劣环境的任何物位测量设备。Endress+Hauser集团提供和出售用于过程自动化的各种不同类型的物位测量设备。
本发明用于监控大型罐。在可以容纳大量油产品的大型液体罐中，特别是在精炼厂等的燃料罐或油罐中，经常使用浮顶，该浮顶漂浮在罐内的液体上，因此在竖直方向上可移位。因此，当从罐中排出液体或将液体填充到罐中时，浮顶可以跟随液体(例如，油产品)的物位。这种类型的浮顶用于防止蒸气和气体从罐泄漏到大气中以及防止例如雨水从周围环境进入液体中。
通常，通过沿着浮顶的周边装配的密封装置来增强对泄漏和进入的防止，以便提供与罐的内壁的密封和滑动接触。此外，使用漂浮在液体上的顶部能够使液体和顶部之间的空间最小化，从而使该空间内的呈蒸气形式的气体和液体的量最小化。对于燃料罐和油罐，浮顶的顶部上的环境是危险的环境或潜在危险的环境。用于这些目的的浮顶通常被制造为具有浮动装置的大型钢结构，即所谓的浮船。它们可以具有大约一百吨的重量和数十米的直径。关于尺寸和环境方面，重要的是通过监控系统来监控正常操作。
这样的监控系统的目的是对浮顶进行控制，即确保检测到与当顶部未正确漂浮在产品(即，液体表面)上时的情况有关的不希望的情况。还具有与环境要求有关的优势，例如，在顶部充满产品的情况下，避免挥发性碳氢化合物蒸发到环境中。最后，监控系统可以消除或至少减小对检查活动的需求。通常，必须由打开浮船中的舱口的人员按规律的时间间隔检查浮顶的浮船是否泄漏。这种类型的工作有一定的个人风险，并且可以通过故障状况检测系统将其减少到最小程度。浮顶表面和介质表面之间的监控距离通常是基本上恒定的。由于诸如风、雨或雪之类的外部影响，几厘米的微小偏差是可以接受的，但是超过某个阈值(例如，在某些应用中大于5厘米)的偏差通常表明故障或不期望的状况。期望提供用于检测故障状况的诊断功能，使得可以非常早地解决这样的故障状况。
在WO 2014/098696 A1中描述了一种浮顶倾斜检测方法。已知的解决方案能够根据罐的浮顶来识别不期望的状况，所述方法包括：a)使用第一物位计来确定所述罐内产品的填充物位，该第一物位计向所述罐中发射电磁信号并且接收由所述产品的表面反射的电磁回波信号；b)使用安装在所述顶部上的第二物位计检测所述顶部上的参考位置与所述表面之间的参考距离，c)形成参考距离偏差作为所述参考距离与期望值之间的差，d)将所述参考距离偏差与指定范围进行比较，e)如果所述参考距离偏差在所述指定范围之外，则存储包括所述参考距离偏差和所述填充物位的数据集，f)针对多个时间点重复步骤a)至步骤e)，g)基于所存储的参考距离偏差和填充物位的数据集，识别所述不期望的状况。在多个填充-排空周期内执行步骤a)至步骤e)。步骤g)包括：确定在连续的填充-排空周期期间所存储的偏差，以及将所述不期望的状况识别为罐壁与所述顶部之间的界面的问题。
WO 2014/098 696 A1涉及一种用于监控浮顶罐的浮顶的监控系统，该浮顶罐装有液体，并且具有底部、筒形壁、漂浮在所述液体上的浮顶。所述系统布置成在所述浮顶的至少三个间隔开的感测元件位置确定所述浮顶的局部状态。在浮顶上的三个间隔开的感测元件位置中的每个位置均固定一个雷达物位计。监控电路从每一个雷达物位计接收局部状态的指示，并且基于所述局部状态的所述指示中的至少一项来确定所述浮顶的总体监控状态。已知的系统成本很高，因为至少需要三个雷达物位计来监控浮顶的位置。
发明内容
相应地，本发明的目的是提供一种可靠且简单的方法和系统，用于在测量浮顶罐内介质的物位时检测可能出现的故障状况。
就此而言，本发明描述了一种用于检测在对具有浮顶的罐内介质的物位的测量中的故障状况的方法，其中，浮顶漂浮在介质上并且在罐内竖直地被引导。提供了一种雷达物位计和一种物位测量设备，其中安装在罐上的固定位置的该雷达物位计沿浮顶的方向发射雷达信号并且接收在浮顶的表面上反射的回波信号，其中该物位测量设备测量罐内介质的物位。本发明的方法包括以下步骤：
a)在定义的时间间隔期间确定并记录代表浮顶的物位的数据，其中定义的时间间隔包括将介质填入罐内/从罐内排空介质的一些填充/排空周期，
b)在所述时间间隔期间确定并记录代表罐内介质的物位的数据，所述时间间隔包括将介质填入罐内/从罐内排空介质的一些填充/排空周期，
c)确定代表罐内介质的物位的数据与代表浮顶的物位的相应数据之间的偏差，
d)将代表介质的物位和利用相应的物位数据减去浮顶的厚度的浮顶的物位的所存储的数据之间的偏差中心化，
e)如果所述中心化的偏差超过罐的至少一个高度内的公差阈值，则生成检测到物位测量中的故障状况的警报消息。
根据本发明，大数据分析用于检测其中浮顶漂浮在介质上的罐内的故障状况。
本发明还包括在罐的不同高度处设置不同阈值的步骤。这样可以防止例如在可能不会出现与安全相关的故障状况的低介质物位下发出警报消息。
本发明方法的改进包括以下步骤：
形成在代表浮顶的物位和介质的物位的所存储的数据之间的中心化的偏差，
以及在所述中心化的偏差不稳定的情况下，生成物位仪中的至少一个处于故障状况的警报消息。所述中心化的偏差的漂移被解释为设备的测量精度的逐渐劣化。本发明的进一步改进包括提供雷达物位计或物位测量设备处于故障状况的信息的步骤。作为预测性维护任务，服务人员可以测试设备并且在出现故障之前对设备进行维修或更换。
另外，本发明的方法允许检测罐内浮顶的引导装置中的故障状况。当罐内浮顶的引导装置正常工作时，从统计角度来看，浮顶的物位和罐内介质的物位的偏差至少在预定的公差带内显示出稳定的性质。
可以使用所谓的扩张的Dickey-Fuller测试来验证时间序列的稳定性。根据George E.P.Box，G.M.J.，Gregory C.Reinsel，Greta M.Ljung，《Time SeriesAnalysis.Forecasting and control.(时间序列分析。预测与控制)》2016年第五版：JohnWiley&Sons，如下时间序列zt被描述为稳定的：
·
·
·Cov[zt，z+k]＝E[(zt-μ)(zt+k-μ)]＝γk＝f(k)≠f(t)
公差带的宽度主要由雷达物位设备和物位测量设备的测量精度给出。考虑以下示例：如果罐的内表面上的障碍物高度为4m，则在填充和排空周期期间达到该高度时，浮顶可能会倾斜。如果使用竖直引导系统用于引导顶部，则同样如此。因此，顶部的倾斜指示竖直引导系统在4m的高度处的故障。
由于倾斜的顶部，两个测量设备的偏差之差总是在顶部经过4m的高度时超过预定的公差范围。为了检测浮顶的引导装置中的这种故障状况，本发明的改进提出以下步骤：通过使用离群值检测方法来分析根据罐的高度的中心化的偏差，并且在所述中心化的偏差反复超过罐的至少一个高度内的一个阈值/多个阈值的情况下，生成浮顶的竖直引导装置出现故障状况的警报消息。在大数据分析中，尤其是在数据挖掘技术中，异常检测尤其是离群值检测是对不符合预期模式或数据集中的其它项目的项目、事件或观察结果(例如，测量值)的识别。通常，异常项目或离群值被称为某种问题。
本发明的进一步改进是以下步骤：提供竖直引导装置在罐的哪一个高度/哪几个高度处出现一个故障状况/多个故障状况的信息，以及检查在已经出现一个故障状况/多个故障状况的一个高度/多个高度处罐内浮顶的竖直引导装置是否有缺陷。
替代地，建议根据罐内浮顶的倾斜出现的高度来调整一个或多个阈值。下面的示例可以阐明此建议：如果罐为例如20m高，并且在4m处出现浮顶的倾斜，则以如下方式来增加阈值并不重要：如果未超过调整后的阈值，则不产生警报消息。如果有规律地在16m高处出现罐的倾斜，则必须采取维修措施，因为存在罐溢出的风险。出于安全原因，必须防止罐溢出。
本发明方法的一种改进是，分别向服务人员提供消息和明确指示，说明如何调整罐的不同高度处的阈值，以避免将来出现警报消息，但要确保安全。
如前所述，本发明还涉及一种用于检测在对罐内介质的物位的测量中的至少一种故障状况的系统，其中，在罐内竖直地被引导的浮顶漂浮在介质上，该系统包括雷达物位计、物位测量设备和相应的计算电子器件，其中安装在罐上的固定位置的该雷达物位计沿浮顶的方向发射雷达信号并且接收在浮顶的表面上反射的回波信号，其中物位测量设备被设计成用以测量罐内介质的物位，并且其中计算电子器件被设计成用以执行本发明方法的步骤，如之前在不同的实施例中所描述的。计算电子器件可以被包括在边缘设备中，或计算电子器件也可以是云中的服务器或服务器平台的一部分。
优选地，提供边缘设备，该边缘设备被定位成距罐不那么远，其中该边缘设备具有第一数据接口和第二数据接口，该第一数据接口用于(经由蓝牙、NFC、无线HART等)与雷达物位计和物位仪通信，该第二数据接口用于优选地经由互联网协议与云中的服务器或服务器平台通信。边缘设备使得服务人员可以访问数据，但是边缘设备也是雷达物位计与云中的服务器或服务器平台之间的数据存储和链接设备。边缘设备会随着时间的推移收集和/或处理物位计的数据以及物位测量设备的数据，并且经由安全的通信线路将时标数据不时地传输到云中的服务器/服务器平台或传输到服务人员。
附图说明
在附图中更详细地解释了本发明和本发明的其它优点。
图1示出了过程自动化中用于检测浮顶罐的故障状况的系统的示意图，
图2示出了由雷达物位设备测得的浮顶的物位随时间变化的曲线图，以及由物位测量设备测得的介质物位随时间变化的曲线图，
图3示出了在代表浮顶的物位和介质的物位的数据之间的中心化的时间相关偏差，以及
图4示出了根据罐的高度绘制的、在代表浮顶的物位和介质的物位的数据之间的中心化的偏差的曲线图。
具体实施方式
图1示出了用于检测浮顶罐2的故障状况的系统的示意图。可流动介质1被存储在罐2中。该罐具有浮顶3，该浮顶3漂浮在介质1的表面上。雷达物位计4安装在罐2上的固定位置。该雷达物位计发射雷达信号(超声波信号或微波信号)并且接收在浮顶3的表面上反射的雷达信号。计算电子器件8具有至少一个微处理器，该计算电子器件优选地嵌入雷达物位计4的壳体中。该计算电子器件8通过评估测得的雷达信号的运行时间来确定罐2中浮顶3的物位。
介质1的物位由物位测量设备5确定。物位测量设备5可以是例如连续地确定罐内介质1的物位的TDR(时域反射)设备、导电探头或电容探头。再次，提供计算电子器件9，用于确定罐2内介质1的物位。优选地，将计算电子器件9嵌入在物位测量设备5的壳体中。通常，将计算电子器件8、9集成在相应的传感器的壳体中。但是，也可以将计算电子器件8、9集成在边缘设备6中，或者计算电子器件8、9可以是云服务器的一部分。
雷达物位计4是众所周知的。在被设计用于不同应用的不同实施例中，雷达物位计由Endress+Hauser以名称PROSONIC和MICROPILOT提供和出售。用于连续测量罐内介质的物位的TDR测量设备是众所周知的，并且以名称Levelflex提供和出售。
相应地，边缘设备6是过程所有者(此处为罐的所有者或具有大量浮顶罐的罐场的所有者)的内部球体与外部球体(即，互联网和云7)之间的链接设备。边缘设备6正在收集雷达物位计4的时标测量数据，计算和/或将所述时标数据传输到内部球体服务器平台或传输到云7中的远程服务器。边缘设备6定位成远离雷达物位计4和测量设备5，并且边缘设备6具有第一数据接口8和第二数据接口9，该第一数据接口8用于与雷达物位计4和测量设备5通信，该第二数据接口9用于与服务器或服务器平台通信。雷达物位计4以及或许安装在罐2内或之上或安装在罐场的另一些罐2内或之上的其它现场设备与边缘设备6之间的通信通常是基于用于过程自动化应用的HART协议或另一协议(过程现场总线、现场总线基金会、...)。但是数据也可以通过标准NFC协议(像蓝牙等)进行传输。边缘设备6与云7中的服务器平台/服务器之间的通信优选地基于标准互联网协议。通信可以是线装的或无线的。如已经提到的，云7中的服务器平台还可以用于对雷达物位计4和物位测量设备5以及或许其它传感器或执行器(即，现场设备)提供的数据进行大数据历史分析。云7中的服务器平台或服务器可以用于从边缘设备6接收信息或警告/警报，并且可以用于触发由服务供应商提供的服务操作。
更详细地并且根据本发明的一个优选实施例，本发明的系统执行以下步骤：
雷达物位设备4在定义的时间间隔期间连续地确定代表罐2内浮顶3的物位的数据。在所述时间间隔期间，物位测量设备5确定代表罐2内介质1的物位的数据。选择时间间隔，使得所述时间间隔包括将介质1填入罐2内/从罐2内排空介质1的至少一些填充/排空周期。优选地将测得的数据a存储在边缘设备6中或存储在云7中的服务器中/服务器平台上。图2示出了由雷达物位设备4在定义的时间间隔期间测得的浮顶3的物位(填充高度)的曲线图(红线或虚线)以及在同一时间间隔内由物位测量设备5测得的介质1的物位的曲线图(蓝线或实线)。在测量精度内，两个数据集的差异对应于浮顶3的厚度。
基于测得的数据，边缘设备6或服务器/服务器平台确定代表罐2内介质1的物位的数据与代表浮顶3的物位的相应数据之间的偏差。
然后，将代表介质1的物位和浮顶3的物位的所存储的数据之间的偏差中心化。优选地，将关于浮顶3的高度的测量数据减去浮顶3的厚度D。相对于罐2内介质1的高度绘制代表罐2内介质1的物位的数据的中心化的偏差。如果所述中心化的偏差超过罐的至少一个高度内的公差阈值，则可能会生成已经检测到物位测量中的故障状况的警报消息。
图4示出了相对于罐的高度绘制的代表浮顶3的物位的数据和代表介质1的物位的数据之间的中心化的偏差的曲线图。通过使用离群值检测方法在边缘设备6或服务器或服务器平台中分析根据罐2的高度的中心化的偏差。在所述中心化的偏差反复超过罐2的至少一个高度内的一个阈值/多个阈值的情况下，出现浮顶3的竖直引导装置10的故障状况的警报消息。取决于阈值，在图4中在4m的高度处出现引导装置的故障状况。有了关于竖直引导装置10或罐2的内表面的这种精确信息，维修人员就可以对引导装置进行检查和维修。
根据一个有趣的实施例，本发明还可以用于雷达物位计和物位测量设备的预测性维护信息。为了这个目的，形成在代表浮顶3的物位和介质1的物位的所存储的数据之间的中心化的偏差。如果所述中心化的偏差是不稳定的，则如果生成警告消息，那么警告消息是物位计4、5中的至少一个处于临界状况。在图3中，相对于时间绘制了代表浮顶3的物位的数据和代表介质1的物位的数据的中心化的偏差。在所示的情况下，中心化的偏差在预定公差内是稳定的。因此，数据没有提供设备4、5中的一个面临故障的任何暗示。
Claims (12)
1.一种用于检测在对具有浮顶(3)的罐(2)内的介质(1)的物位的测量中的故障状况的方法，其中，所述浮顶(3)漂浮在所述介质(1)上并且在所述罐(2)内竖直地被引导，
提供雷达物位计(4)和物位测量设备(5)，其中安装在所述罐(2)上的固定位置的所述雷达物位计(4)沿所述浮顶(3)的方向发射雷达信号并且接收在所述浮顶(3)的表面上反射的回波信号，并且其中所述物位测量设备(5)测量所述罐(2)内的介质(1)的物位，所述方法包括以下步骤：
a)在定义的时间间隔期间确定并记录代表所述浮顶(3)的物位的数据，其中所述定义的时间间隔包括将所述介质(1)填入所述罐(2)内/从所述罐(2)内排空所述介质(1)的一些填充/排空周期，
b)在所述时间间隔期间确定并记录代表所述罐(2)内的介质(1)的物位的数据，所述时间间隔包括将所述介质(1)填入所述罐(2)内/从所述罐(2)内排空所述介质(1)的一些填充/排空周期，
c)确定代表所述罐(2)内的介质(1)的物位的数据与代表所述浮顶(3)的物位的相应数据之间的偏差，
d)将代表所述介质(1)的物位和优选地利用相应的物位数据减去所述浮顶(3)的厚度(D)的浮顶(3)的物位的所存储的数据之间的偏差中心化，
e)如果所述中心化的偏差超过所述罐(2)的至少一个高度内的公差阈值，则生成检测到所述物位测量中的故障状况的警报消息。
2.根据权利要求1所述的方法，
包括以下步骤：
在所述罐(2)的不同高度处设置不同的阈值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
包括以下步骤：
形成代表所述浮顶(3)的物位和所述介质(1)的物位的所存储的数据之间的所述中心化的偏差，
以及在所述中心化的偏差不稳定的情况下，生成所述物位仪(4、5)中的至少一个面临故障状况的警报消息。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，
包括以下步骤：
提供所述雷达物位计(4)或所述物位测量设备(5)面临故障状况的信息。
5.根据权利要求1和2所述的方法，
包括以下步骤：
通过使用离群值检测方法来分析根据所述罐(2)的高度的中心化的偏差，以及
在所述中心化的偏差反复超过所述罐(2)的至少一个高度内的一个阈值/多个阈值的情况下，生成所述浮顶(3)的竖直引导装置(8)出现故障状况的警报消息。
6.根据权利要求1或5所述的方法，
包括以下步骤：
提供所述竖直引导装置(10)在所述罐(2)哪一个高度/哪几个高度处出现一个故障状况/多个故障状况的信息。
7.根据权利要求6所述的方法，包括以下步骤：
检查所述罐内的浮顶(3)的竖直引导装置(10)在出现一个故障状况/多个故障状况的一个高度/多个高度处是否有缺陷。
8.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，
包括以下步骤：
根据所述罐(2)内的当前状况调整一个阈值/多个阈值。
9.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，
包括以下步骤：
向服务人员提供如何调整所述罐(2)的不同高度处的阈值的消息，以避免将来的警报消息。
10.一种用于检测在对罐(2)内介质(1)的物位的测量中的至少一种故障状况的系统，其中在所述罐(2)内竖直地被引导的浮顶(3)飘浮在所述介质(1)上，所述系统包括雷达物位计(4)、物位测量设备(5)和计算电子器件(9)，其中被安装在所述罐(2)上的固定位置的所述雷达物位计沿所述浮顶(3)的方向发射雷达信号并且接收在所述浮顶(3)的表面上反射的回波信号，其中所述物位测量设备测量所述罐(2)内的介质(1)的物位，并且其中所述计算电子器件(6)被设计成执行在所述方法权利要求1-9中的至少一项中描述的步骤。
11.根据权利要求10所述的系统，
其中提供边缘设备(6)，其中所述边缘设备(6)具有第一数据接口(11)和第二数据接口(12)，所述第一数据接口(11)用于与所述雷达物位计(4)和所述物位测量设备(5)通信，所述第二数据接口(12)用于经由互联网协议与服务器通信。
12.根据权利要求10或11所述的系统，
其中，用于评估测量数据的所述计算电子器件在所述云(7)中。
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