自動控制系統在化工安全生產中的應用

李春江，朱江軍，周紅燕

（新疆天業（集團）天能化工有限公司，新疆 石河子 832000）

自動控制系統在化工安全生產中的應用

李春江，朱江軍，周紅燕

（新疆天業（集團）天能化工有限公司，新疆 石河子 832000）

介紹了PLC及DCS自動控制系統在氯堿化工生產裝置中的安全應用，以及常用控制方案的實現和運行效果。此控制系統運行效率高，不僅提高了產量，而且有利于安全、穩定的生產，大大改善了操作環境及操作強度，取得了可觀的經濟效益和社會效益。

自動控制系統；化工安全；應用

隨著計算機技術的發展和應用，自動控制理論和技術在現代化工大中型工業中高新技術領域的應用也愈來愈廣泛。不僅如此，自動控制技術的應用范圍現在已擴展到醫學、環境等許多社會生活領域中，成為現代社會生活中不可缺少的一部分。如何將自動控制系統在現代化化工企業中安全、穩定、合理地應用，已經成為所有自控專業技術人員所關注的首要問題。這對于提高生產效率、降低勞動力操作強度以及促進大型化工行業的自動控制系統的建設和發展都有非常重要的理論和實際意義。

1 工藝過程及控制要點

1.1 氯堿化工生產工藝過程簡介

離子膜燒堿工藝采用目前較為先進的自然循環復極式離子膜電解槽技術法進行生產。主要工序包括粗鹽水處理、鹽水精制、電解、脫氯淡鹽水、氯氫處理、蒸發固堿、次鈉、氯化氫合成工序。原鹽經化鹽桶，去除水中的鎂離子、有機物和鈣離子，達到規定含量，成為精制鹽水；精制鹽水經電解槽反應生成氯氣、氫氣及氫氧化鈉。而氯氫生產環節也是當前較為先進的生產工藝，以氯氫合成氯化氫系統可吸收為鹽酸，也可作為下一工序氯乙烯合成聚合為聚氯乙烯。如新疆天業集團公司一直致力于打造綠色環保、節能高效的美麗化工，按照“規模化、節能化、環保化、可持續”的發展思路，構建了完整的氯堿化工生產工藝的“節能與環保”、“綠色循環經濟產業鏈”的技術研究戰略體系。

1.2 控制系統在化工生產中的重要作用

化工行業生產具有易燃性、易爆性、腐蝕性、毒害性、高溫、高壓、生產連續化或部分間歇性的諸多特點。隨著自動控制在工業控制技術中的發展與應用，現代化工裝置中均大量采用了自動控制、安全聯鎖、操作監視、數據采集、信號報警和工業電視監控等一系列先進手段，使生產裝置得以安全、穩定、正常運行。化工行業中的控制系統可自成為一個子系統，是所建設化工項目中生產裝置下的一個子項目，主要應用于化工生產工藝過程和設備的運行控制，對物料進行檢測、計量、調節等，與生產裝置、設備設施等組合成相輔相成的整體[1]。安全、合理的自動控制系統可對企業生產有著極大的益處，但是，一旦控制系統出現一些不可預知的故障，可能導致控制系統失效、生產裝置失控；火災爆炸及中毒等事故將隨之發生，直接威脅著員工生命和企業財產的安全。因此，與所建設化工行業項目的生產裝置匹配的自動控制系統如何安全、合理、有效的應用有著極為重要的作用。

1.3 安全生產在化工生產中的重要作用

隨著現代化大中型企業的發展，“安全第一”、“安全為先”、“預防為主”等理念的深入人心。全面加強安全是一切生產工作得以正常穩定的基礎，是所有工作開展的重中之重。但安全生產首先要立足實際，認清安全生產的長期性、艱巨性和復雜性，強化憂患意識。要注重安全生產科學管理的內在要求，以及安全科技、安全文化、企業管理層和員工素質等各方面，建立分級隱患排查、分級管理和重大危險源分級監控制度，充分完善預報、預警、預防和應急救援體系，以防范嚴重隱患引發事故災難。必須要將安全生產納入發展規劃同步實施，加快調整結構技術改造，淘汰落后生產能力，從本質上消除物的不安全因素，抓緊安全生產重大科技攻關，大力加強從業人員技能培訓，灌輸化工企業安全文化的理念，指導企業加強安全基礎管理，提升重點行業安全生產水平[2]。

2 各工藝中的自動控制系統裝置及其硬件安全性能簡介

2.1 離子膜車間與氯氫合成車間自動控制系統裝置

離子膜車間與氯氫合成車間生產配套自控裝置均采用橫河CENTUM－CS1000集散控制系統。該系統可滿足該公司日益擴張的大規模生產、控制和優化管理的需要。離子膜車間與氯氫合成車間現自控系統均有4臺操作站，即HIS0161－HIS0164，包括1臺工程師站，其中任一臺可作為工程師站。通過設置用戶密碼進行用戶管理，不同級別所實現的操作功能有所限制。在簡潔的窗口操作界面之后蘊藏著強大的能力，使該站不僅僅只用于操作監視和控制工廠，而且還可以進行系統生成功能和維護功能。該工程師站有如下功能：控制回路編程和組態、生成操作畫面、生成批量報表、生成過程趨勢和參數、產生報警、順控需求、配方管理等，以滿足不同的配方管理及批量生產工藝要求。實時地采用安全操作權限，可以避免操作錯誤和非權威的進入，并可區別限制使用者的操作和監視級別。該站亦可根據需要，在運行時兼作操作站，工程數據可由其他站或項目調用進行數據共享。上述提供了安全生產的穩定性及可靠性。

FCS（現場控制站）配置了冗余CPU同步熱備份系統，能夠錯誤檢測和校正記憶（ECC），可保證在DCS全部失電后，數據保存至少72 h不丟失；控制器電源卡1∶1冗余配置；電源掉電恢復后，處理器模件可自動恢復正常工作，不需要操作人員或系統維護人員進行手動干預，更換電池亦不會影響處理器的工作。冗余的VLnet總線，全面支持符合Foundations現場總線標準的數字現場總線。該系統每臺控制站CPU雙重化；可靠的錯誤檢測和校正記憶，可以直接與現場信號相連，不需要任何信號轉換卡，降低了現場邊線費用的同時，增加了系統的安全穩定性。根據信號類型，可選擇多種模件如電流電壓輸入、熱電偶及熱電阻溫度檢測輸入、脈沖輸入、電流電壓輸出模件、利用各種功能塊進行各種功能的擴展。全面支持現場總線標準的數字現場總路線。主掉電主存儲器保存：根據工藝控制要求，對重要回路的輸入/輸出模塊進行冗余配置，并根據需求設置2個遠程I/O節點，通過ERBUS總線與現場控制站進行通訊。現場控制站主要是完成I/O處理、數據采集、順序控制及批量處理等功能。

2.2 片堿車間自動控制系統裝置安全性能簡介

本系統裝置下位機多采用西門子PLC公司的S7-300PLC。CPU模塊使用的是CPU315-2DP中央處理單元，運行速度極佳，自帶的DP接口作為DP網絡的主站，數據傳輸速率最大可達12 Mbps；提供有64 KB RAM和128個模擬量I/O及1 024個數字量I/O通道。開關量主要使用了SM321、SM322數字量輸入輸出模塊（DI、DO）、模擬量主要使用了SM331、SM332模擬量輸入輸出模塊（AI、AO）。因此，極大程度的滿足了生產工藝現場控制的實時要求，并且上述模塊均可根據現場工藝控制點數進行選型及適實擴展。現場網絡通訊系統通過與操作站、控制器通訊模塊相連接。上位機和下位機PLC之間通過CP5611卡連接，可以獨立處理經過工業以太網的數據，用以完成I/O模塊、控制站、上位計算機（PC機）的數據通信。從而滿足操作站對現場設備的監視、控制和管理，實現站間的數據共享、文件管理、程序傳輸等重要功能。現場有2臺PC機充當操作站，亦可實現站間相互通訊、狀態監視、控制操作、數據管理等功能，真正實現了開放型網絡控制系統，可根據生產所需進行手動及自動執行程序之間的切換。

2.3 自動控制在其他特殊應用中的安全性

2.3.1 自控系統在特殊工序中檢測、調節、聯鎖等功能的安全應用

（1）樹脂塔入料工序

此工序存在2種入料方式：自動和手動入料。在樹脂塔切換程序執行過程中，若有緊急情況，操作人員需要中止樹脂塔程序，則可點擊停止按鈕。操作方便，提高了生產的自動化程度，實現了離子膜樹脂塔的密閉化和自動化操作，提高了設備的利用率，降低了樹脂塔人為監控的生產強度，減少了環境污染并加強了安全可靠性。

（2）離子膜入槽鹽水控制

該控制單元是所有控制中最為重要的一個控制單元。以流量與電流作為主調控制參數，對電流及流量的上升率的約束和預估控制都是極為重要的。這將在氯堿生產企業中引起更大的關注。對電流的控制減少了人為等外界因素對入槽鹽水流量控制的干擾，可降低因其他因素所造成的產品質量等問題，減少了手動操作中不安全性。

（3）氯氫氣機組的聯鎖控制

當全部氯壓機或氫壓機停車時，會自動聯鎖停車，信號至離子膜使各臺槽同時停車，但是當單臺離子膜電解槽停車時，系統會經操作人員確認后方可進行聯動停車。這些操作程序的自動化設計都是以減少手動操作中的滯后及不安全因素，為安全生產、穩定操作提供了保障。

2.3.2 設置操作便捷的畫面以為員工操作提供安全平臺

根據PLC和DCS組態軟件強大的畫面顯示及組態功能。依據現場生產工藝及操作所需，繪制出美觀且易于操作的工藝畫面；設計詳盡的動畫連接方式，液位、壓力顯示等，并配以生動、直觀的報警變化，如顏色、聲音等。同時還設置了可隨時翻閱的操作畫面、簡捷明了的流程圖、控制分組畫面切換、可隨時參照保存的歷史趨勢畫面、信息提示畫面、報警請示窗口等，這些都為操作人員分析資料、數據查詢、優化操作及安全生產提供了方便。

2.3.3 設置便捷的手動、自動操作為員工操作以提供安全保障

通過邏輯運算及組態程序設計，操作人員可根據生產現場工藝要求及異常需要等，隨時進行各程序裝置、閥門、泵類等的手動、自動的切換。便捷地實現各種復雜的聯鎖、順序控制，并能夠根據工藝條件設置開啟、關閉相關裝置的開關順序，以達到工藝要求，為安全操作、優化操作提供了保證。

2.3.4 設置歷史報表，打印報表等功能以便于安全追溯

利用PLC和DCS組態軟件各種豐富的功能模塊完成了實時監控、生產報表，顯示歷史報表、實時報表，報警等功能。以查詢日常生產中各種數據，便于安全分析及追溯。

2.3.5 設置實時趨勢曲線的查詢功能以便于適時安全查詢

在主界面上可設置相關工藝指標的趨勢曲線，并可根據需要適時放大及縮小。并可通過拖動時間標尺以查看任意時間的檢測結果。還可以通過翻頁按鈕或者拖動滾動條等方便地查看歷史某一時間的趨勢記錄，以便于安全操作及查詢，并為數據保存、歷史生產查詢提供依據。

2.3.6 設置強大的報警功能以確保現裝置安全有效

在生產工藝各指標發生變化及異常時，設置了大量報警及提示信息。在報警窗口中會顯示出報警時間、類型、變量名、當前值和界限值等信息，也可以調用聲光報警，方便操作人員進行查看并采取相應的措施。如當液位、溫度、壓力等指標過高或過低、設備發生故障時均可根據需要發出報警信號，從而有效地確保生產系統的安全性、合理性、穩定性。

2.3.7 設置完整的歷史報告以便于安全查詢

以橫河CS1000/CS3000系統為例，該系統可以查詢操作人員操作記錄、操作時間等信息，任何操作都將以時間順序精確地記錄于歷史信息記錄中，包括系統工程師組態及系統下裝信息。

2.3.8 設置系統用戶權限以全面確保性能安全可靠

PLC和DCS自動控制系統均有設置用戶權限的功能。可以根據用戶需要設置不同操作及監視級別、口令等，并可根據需要設置相應的權限。并可隨時進行密碼的修改，以增強保密性，還可以在進入及退出監控狀態時，要求提示輸入正確密碼后方可退出或進入監控狀態，以上種種均可確保整個系統的安全穩定性。

以橫河CS1000/CS3000系統為例，該系統提供了近200個用戶自定義名稱及密碼、50個用戶自定義級、7個用戶自定義操作權限及3個系統定義操作權限（S1-S3），每一操作對象都提供有8個操作級別，6種工位重要度等，在工程軟件編程組態過程中，工程技術人員可根據實際需要，通過用戶名稱、指定密碼、分配所屬、設定權限等組合來對操作人員進行相應操作權限或每個單一操作對象設定可操作范圍、重要度及報警等。

2.3.9 設置周密的系統安全防范以方便系統維護

以橫河CS1000/CS3000系統為例，該系統組態工程師可直接按操作員鍵盤上的功能鍵即可調出系統維護畫面，并顯示出系統各個站的狀態、各個I/O模件的狀態、通訊總線的工作狀態、系統資源的使用情況等信息。任何一個站或I/O模件的狀態發生故障，均會在系統報警窗口以色變閃爍及報警音進行指示。

3 應用效果分析

實踐應用證明，自采用自動控制系統以來，在安全生產、穩定生產、提高產量、增強質量及降低能耗方面取得了顯著效果，達到了預期的生產目標。自動控制系統結構具有穩定性好、免維護等特點。并且各結構內部模塊能夠滿足和適應自動化控制系統運用及日后拓展的需要，能夠使現場工藝控制在嚴格指定范圍內，有更廣泛更優化的應用領域，在一些中小型化工企業、較落后化工企業中更值得推廣及應用。

4 自動控制系統在化工安全生產方面應注意的幾點問題

自動控制系統在實際化工生產過程應用中，應注意以下幾點安全問題。

（1）系統及相關配置的選型

應注意與現有工藝、設備等生產裝置相匹配。過多的冗余及點缺省均要盡可能避免，以免因此造成不可避免的安全隱患。

（2）系統及相關配置的環境條件

注意現場的操作條件及設施運行的技術要求等，如允用溫度、濕度、接地要求等；對于粉塵和噪音超標、通風、采光不符合要求、環境溫度過高或過低、嚴重違反環境條件等因素要嚴格避免，以防止因此基礎因素而產生的事故隱患。

（3）系統及相關配置的抗干擾性

對現有DCS系統采取抗干擾措施，減少來自無線設施、雷達等設備的干擾；尤其是在現場工藝設備、電氣設備復雜的情況下，應嚴格按照相關規定作好接地、屏蔽等抗干擾措施，以防止因此種干擾因素造成的各種不安全事故的隱患機率。

（4）系統及相關配置的通訊方面

在自動控制系統硬件裝置中，應注意通訊及數據接口的抗干擾性、優化性、冗余保護措施等，以使其具有更高的可靠性、穩定性。從而可用于保護功能相關的雙重化通訊。確保數據庫中的數據不會因誤操作或系統故障造成數據丟失，系統破壞。

（5）系統及相關配置安全性方面

主要包括操作站、控制站的軟件、硬件安全問題及做好屏蔽及保護等措施。如該系統的外部防護、各項保護，可利用建筑物中的金屬部件以及鋼筋等作為不規則的法拉第籠，起到一定的屏蔽作用；在需要部位加裝專門的屏蔽網；找相關建筑物各點的電位均衡點，避免由于電位差危害設施；還有確保障良好的接地，降低系統損壞機率等。

（6）對各級人員的要求

對操作人員及組態人員必須經過嚴格培訓，包括對操作、工藝、設備的維護及操作、異常及重大事故的應變能力等；增強決策人員安全生產“責任重于泰山”的領導意識；對管理層明確安全職責，增強“安全第一”的責任意識；教育下屬員工應有以安全為第一先導的思想，對安全法規、安全方針、目標和行為規范的系統培訓和教育；對新崗、轉崗職工進行崗前安全培訓，嚴禁未經培訓上崗操作，從而避免因缺乏基本的安全意識和自我保護能力，從而導致違章作業等發生；對于一些高風險崗位職工進行專門的安全技能和知識培訓，提高職工安全生產的自覺意識，減少人的不安全行為，消除“人患”，提高企業安全管理水平，增強企業安全績效。

（7）軟硬件調試的要求

在實際生產過程中，PLC及DCS自動控制系統均能夠保證安全、準確地控制生產過程，以達到優化控制的目的。調試過程中應重點結合水聯動過程反復試車，以進一步完善軟件組態，發現硬件故障。并在未投運之前，多進行模擬故障，聯鎖、報警等。并由工藝方、設備方等多方進行確認后方可投入正常生產中。

（8）日常系統維護的要求

禁止非工作需要的軟盤、光盤、U盤插入計算機系統，以防病毒侵襲。系統維護人員平時應對已經投運的自動控制系統的表盤、操作站等加鎖，以防止引發人為不安全因素。

（9）加強日常巡檢的要求

多注意系統報警及現場報警信息等，多觀察通信總線、電源、CPU等的指示燈狀態概況，以期及早發現問題及早針對解決，排除各項安全隱患，并設立專人不定期對相關設施的環境衛生、綜合管理、隱患積點方面進行排查。對發現的問題及時整改并跟蹤落實。

（10）做好故障及相關維護處理記錄

認真地做好日常運行維護，能夠正確處理各類系統的故障，并對每一次故障原因及相關維護處理過程、結果做相應記錄，不斷地總結、積累經驗，不斷提高業務技術水平。增強事故處理的判斷、知識積累等方面的經驗及能力。

5 結論

此套自動控制系統投入運行后，生產穩定，自動化控制程度較高，提高了氯堿化工生產裝置的總體性能，控制功能得到了完善和提升，運行效率高，質量穩定，節約了原輔材料。并且使操作人員脫離了現場粉塵、氣體等惡劣的工作環境，勞動強度也大大降低，也使生產工藝更加合理。其控制精度亦可滿足工藝需求，從而達到了清潔生產和循環經濟的要求，避免了各種環境污染，具有良好的經濟效益和社會效益。在此基礎上，該公司還應堅持“安全第一，預防為主”的方針，全面加強化工企業的安全生產工作，進行系統的安全意識和能力的教育培訓，灌輸化工企業安全文化的理念，增強安全管理水平，從而提高化工企業的市場競爭力，增加了化工企業的經濟效益和社會效益，進而為中國氯堿化工生產工藝發展的技術進步做出更大的貢獻。

［1］孫家惠.淺談石油化工生產裝置控制系統安全評價的必要性與對策.安全、健康和環境，2005，5（8）：40．

［2］李毅中.安全發展 任重而道遠.能源技術與管理，2008（1）卷首語．

Application ofautomatic controlsystem in chemicalindustry and production safety

LIChun-jiang，ZHU Jiang-jun，ZHOU Hong-yan

（Xinjiang Tianye Tianneng ChemicalIndustry Co.,Ltd.,Shihezi832000，China）

This paper introduces the application of PLC and DCS in the production safety of，and introduces the realization ofcommon controlling plans and the practicalresults.Notonly reduce to polluted environment seriously，but also raise the output of production and improve to safe and equable production，the level or intensity ofthe operational.Ithave yielded remarkable socialand economic benefits.

automatic controlsystem；production safety；application

TM762

B

1009－1785(2017)08-0033-04

2017-06-09