安全人機系統在燒堿生產過程的應用

常剛

(山東魯泰化學有限公司，山東 濟寧 272350)

安全人機系統在燒堿生產過程的應用

常剛*

(山東魯泰化學有限公司，山東 濟寧 272350)

安全人機系統；二次鹽水；電解；淡鹽水；脫氯；可靠度；計算

介紹安全人機系統的分類、特點及其在燒堿生產過程的應用情況，分析人機系統可靠度計算方法。

安全人機工程是運用人機工程學的理論和方法研究“人-機-環境”系統，并使三者在安全的基礎上達到最佳匹配，以確保系統高效、經濟運行的一門綜合性的科學。安全人機系統是安全人機工程學的主要研究內容，安全人機工程學要求安全管理工作者結合實際工作情況，認真研究人機系統的可靠性，遵循人機系統的可靠性設計原則，設計出經濟、合理以及可靠性高的人機系統，更好地服務于安全生產。

在安全人機系統中，人始終起著核心和主導作用，機器起著安全可靠的保證作用。解決安全生產事故發生的根本方法之一就是實現生產過程的機械化或自動化，用工業智能機器人或自動化模塊程序控制處在危險環境中的操作點，將人解脫出來，實現安全生產。

筆者多年從事離子膜電解制堿工藝的安全生產管理工作，現結合山東魯泰化學有限公司(以下簡稱“魯泰化學”)燒堿生產現場，對安全人機系統理論及其在離子膜電解制堿工藝中的應用進行分析。

1 安全人機系統的分類與特點[1]

人機系統主要分為兩類：一類為機械化、半機械化控制的人機系統(以下簡稱a類)，另一類為全自動化控制的人機系統(以下簡稱b類)。

a類人機系統的特點是：人機共體或機為主體，系統的動力源由機器提供，人在系統中主要充當生產過程的操控者與控制者，即控制器主要由人來操作。在控制系統中設置監控裝置，如果人操作失誤，機器就會拒絕執行或發出警告。如圖1所示。

圖1 半機械化人機系統的控制過程

a類人機系統在現代工業生產中應用比較廣泛，適合用在指標要求相對不太嚴格的控制點或場所;但是隨著計算機信息技術的飛速發展，b類人機系統在工業信息化中得到前所未有的重視，b類人機系統應用程度代表著工業信息化的發展狀況。b類人機系統的特點是：以機為主，機器的正常運轉完全依賴于閉環系統機器自身的調節與控制，操作人員只是一個監視者和管理者，他們利用計算機技術監視自動化程序和機器的工作情況。只有在自動化控制程序出現故障時，人們才進行干預，采取有效措施。如圖2所示。

圖2 全自動人機系統的控制過程

b類人機系統雖然實現了全自動化控制，但是在實際生產中，由于調節比較敏感，適合用在對指標要求較嚴格的控制點或場所，監控數據波動較大時，調節較困難。因此設計了自動和手動功能，還設計了微調和粗調功能。操作者可以通過計算機鼠標或鍵盤等輸入設備進行功能切換與選擇。這樣，a類和b類在功能上實現了相互轉化。

在現代化工業大生產中，人們根據對崗位或場所的不同要求設置了不同的人機系統，使它們有機結合起來，發揮不同的優勢，為安全生產保駕護航。

2 安全人機系統在離子膜電解制堿工藝中的應用

2.1二次鹽水精制工序

本工序的主要任務是利用螯合樹脂塔內樹脂的吸附作用將鹽水中的Ca2+、Mg2+等進一步去除，使鹽水中的Ca2+、Mg2+質量分數之和小于20×10-9。一般是兩塔工作一塔再生，樹脂塔的切換、再生程序非常繁瑣復雜，操作閥門眾多，如果靠人工操作十分困難，為此本工序設置了b類人機系統，實現了全自動化控制。當再生程序進行到某步驟時，對應的電磁調節閥、電磁開關閥就會自動開啟或關閉；當塔內壓力過高時，自動閥就會開啟泄壓，壓力正常后閥門自動關閉；如果某個自動閥出現了故障，再生程序就會停止運行。操作者可以將程序改為手動或半自動調節，如果技術人員檢修閥門還可以將程序暫停。

對于樹脂塔再生程序的某些步驟的細節方面，可以設置a類人機系統。例如樹脂塔進行酸洗時，根據工藝要求，對酸洗流量設定了上下限范圍，對酸洗的時間也進行了設定。如果由于酸泵等其他原因造成酸流量較大波動，且超出了指標范圍，則對應調節閥立即關閉，計時器停止計時，酸洗停止；此時DCS發出流量異常報警，操作人員馬上進行有效調節，使酸洗恢復正常。正常情況下，操作人員進行巡檢時，如果發現物料的流量偏高或偏低，即使在正常范圍內，也會主動進行調節，將流量調為工藝要求的最佳狀態。但是，如果操作人員調節幅度過大，流量超出范圍，程序就會終止，以保護樹脂不受損害。

2.2電解工序

電解槽和離子膜是本工序的核心設備，也是制堿工藝的心臟，鹽水進入離子膜電解槽，經電解后，32%的成品燒堿溶液就從本工序中生產出來，同時產生大量的氯氣和氫氣。高溫堿液具有強腐蝕性；氯氣具有很大的毒性，可使人窒息，空氣中的最大容許質量濃度為1 mg/m3；氫氣為易燃易爆氣體，在空氣中的爆炸極限為4%～75%：因此，電解工序的安全管理工作非常重要。離子膜電解槽對物料的流量要求比較高，對氣體的壓力比較敏感，一旦流量或氣體壓力、壓差超出范圍就會對設備造成巨大的損害，容易引發爆炸事故，嚴重威脅員工的生命安全。

為了從根本上杜絕安全隱患，設計者根據崗位特點在此工序許多控制點設置了不同的人機系統。a類人機系統主要包括現場氯氣和氫氣濃度自動監測與報警。b類人機系統包括：入電解槽陰極液和陽極液流量調節、氫氣壓力氯氣壓力及壓差自動調節、電解槽加酸自動調節、陰極純水加入流量自動調節、氯中含氫在線監測、電解槽槽溫自動控制與調節、陰極系統停車自動充氮、槽電壓自動監測等。這些全自動化控制或調節點大多與電解槽直流電源連鎖控制，指標一旦超出正常范圍，電解槽保護連鎖立即啟動，失電停車。

電解工藝的DCS是整個工藝的中樞，設有電池組冗余備用電源，大面積停電后仍能正常工作，對現場進行監測。

2.3脫氯工序

本工序的主要任務是利用蒸汽噴射器將脫氯塔內部抽成-66.67 kPa的負壓環境，出電解槽80 ℃的含氯淡鹽水在塔內沸騰后，大量的殘余氯氣被脫出，進入氯氣總管，送往氯氫處理工段。

為了將脫氯塔內的壓力穩定在正常范圍，更徹底地脫除氯氣，本工序設置了b類人機系統，主要包括：氯氣冷卻自動控制、蒸汽壓力自動控制、入塔淡鹽水pH值調節自動控制、出塔淡鹽水pH值調節自動控制、亞硫酸鈉溶液流量自動控制。

2.4打堿工序

打堿工序主要是利用離心泵，將儲存在堿中間槽的32%的成品堿輸送至罐區，主要設有堿液溫度自動控制、堿中間槽液位自動報警系統。

在離子膜電解制堿生產現場，大部分的流體輸送泵采用了并聯方式，這些泵的動力開關設在現場，與所屬的槽罐液位連鎖報警。這些都屬于a類人機系統研究的范疇。

3 電解工序DCS主控操作崗位人機系統可靠度計算與評價

魯泰化學電解工序主控操作崗位集中了電解現場所有的遠傳數據，利用計算機技術進行監測、分析、控制與調節，操作人員要連續觀察數據變化及自動化程序的運行情況。一旦操作失誤，很容易造成連鎖停車，危及生命和設備安全。因此，必須根據人機工程學的原理對此崗位進行有效地科學管理。

由于人機系統中影響人的可靠性的因素眾多，且隨機變化，因此人的可靠性是不穩定的，人的可靠度計算也比較困難。

3.1人的基本可靠度

系統不因人體差錯發生功能降低和故障時人的成功概率，稱為人的基本可靠度，用r表示。人在進行作業操作時的基本可靠度可用下式表示：

r=a1·a2·a3。

式中：a1為輸入可靠度，考慮感知信號及其意義，時有失誤；a2為判斷可靠度，考慮進行判斷時失誤；a3為輸出可靠度，考慮輸出信息時運動器官執行失誤，如按錯開關。

上式是外部環境在理想狀態下的可靠度值，a1、a2、a3各值見表1。

表1 可靠度a1、a2、a3值

電解工序DCS的多數變量在6個以下，人的基本可靠度較高。對于氯工程的電解槽，隨著運行時間延長，槽電壓會逐漸升高，須定期修改電壓上限連鎖值，每臺電解槽須輸入15個變量，共計須輸入240個變量，完成每臺電解槽的輸入任務。人的基本可靠度在0.970 3以下。為了確保萬無一失，需兩人進行操作，一人鍵入數據，另一人確認無誤后，再執行輸入。為了保證安全，電解工序的所有操作都遵循這個原則。

電解工序的操作是一個連續作業過程，控制人員須連續操作計算機控制系統調節參數，連續作業人的基本可靠度可通過下式進行計算：

式中：r(t)為連續操作人的基本可靠度；λ(t) 為t時間內的差錯率；t為連續工作時間。

電解工序為連續性作業，每班操作人員的最長工作時間為8 h，統計平均差錯率為0.000 01，則基本可靠度為：

exp(-0.000 01×8)=0.999 99。

離子膜電解工序操作人員的平均基本可靠度比較高。但是對于同一個人來說，在不同的時間λ(t)是不同的，比如夜班與白班的差異;不同的人λ(t)也是不同的，比如技術能力強的人與技術能力差的人的差異、老員工與新員工的差異。因此,在計算r(t)值時是根據不同的人、在不同時間進行同一項操作時所出差錯率的平均值，得到的統計學數據。

3.2人機系統的可靠度計算

人機系統組成串聯系統的可靠度可以按下式計算：R=R1·R2。

式中：R為人機系統可靠度；R1為人的操作可靠度；R2為機器設備可靠度。

統計電解工序機器設備平均可靠度在0.985 00，則人機系統平均可靠度：

R=0.999 99×0.985 00=0.984 99。

可以采用并聯方法來提高可靠度，常用的并聯方法有：并行工作冗余法和后備冗余法。并行工作冗余法是使用2個以上相同單元來完成同一系統任務。當一個單元失效時，其余單元仍能完成工作。如電解工序的DCS主控操作崗位采用3人3臺計算機并聯操作。后備冗余法也是配備2個以上相同單元來完成同一系統任務，它與并行工作冗余法不同之處在于后備冗余法有備用單元。備用單元平時不工作，只有當系統出現故障時，才啟用備用單元。如離子膜電解工段生產現場每臺泵設有一兩臺備用泵，離子膜電解槽電源設有備用回路等，這些都是保障安全生產的有力措施。

4 結語

安全人機系統是實現本質安全的重要途徑，是指導企業推進現代工業信息化發展的理論基礎，通過對安全人機系統的研究、分析與應用，魯泰化學最終一定會全面實現本質安全生產。

[1] 吳宗之，樊晶光.安全生產技術[M].北京：中國大百科全書出版社，2008:167-168.

[編輯：董紅果]

Applicationofsafetyhuman-machinesystemincausticsodaproductionprocess

CHANGGang

(Shandong Lutai Chemical Co., Ltd., Jining 272350,China)

safety human-machine system; secondary brine; electrolysis; depleted brine; chlorine removing; reliability; calculation

The classification and characteristics of safe human-machine system and its application in caustic soda production process were introduced. The reliability calculation method of human-machine system was analyzed.

TQ056

B

1008-133X(2017)08-0026-03

常剛(1980—)，男，工程師，國家注冊安全工程師，2005年畢業于德州學院化學系，現于山東魯泰化學有限公司氯堿車間從事安全生產管理工作。

2017-05-15