自動(dòng)化控制技術(shù)在化工企業(yè)安全生產(chǎn)中的作用

吳新慶(江蘇安勝達(dá)安全科技有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

自動(dòng)化控制技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，初期因電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的制約，主要運(yùn)用于測(cè)量、輔助監(jiān)視作用，以單儀表控制回路調(diào)節(jié)的簡(jiǎn)單控制為主。后來(lái)隨著電子計(jì)算機(jī)小型化和微型化發(fā)展和應(yīng)用，才逐步形成以電腦系統(tǒng)為平臺(tái)整合多儀表控制回路調(diào)節(jié)技術(shù)。如工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(IPC)，可編程程序控制器(PLC)，集散控制系統(tǒng)(DCS)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)。上世紀(jì)90年代，在DCS系統(tǒng)基礎(chǔ)上，又開(kāi)發(fā)了多變量控制器，如模型控制器(MAC)、動(dòng)態(tài)矩陣控制器(DMC)等先進(jìn)控制系統(tǒng)(APC)。當(dāng)前，自動(dòng)化控制技術(shù)得益于電子計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展和應(yīng)用，逐步向智能化發(fā)展。未來(lái)在這些自動(dòng)化控制器的基礎(chǔ)上，集合信息、優(yōu)化、判斷、維護(hù)等系統(tǒng)形成智能化、信息化的控制系統(tǒng)，將得到更廣泛的應(yīng)用。

1 國(guó)內(nèi)化工企業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)運(yùn)用現(xiàn)狀

自動(dòng)化控制系統(tǒng)在隨著生產(chǎn)裝置的引進(jìn)也逐步進(jìn)入我國(guó)各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域，化工行業(yè)同樣從引進(jìn)、消化、吸收，到開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的過(guò)程。然而在經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展，化工企業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)的運(yùn)用不均衡，存在較大的差別，可以大致分為三個(gè)層次。

普及運(yùn)用企業(yè)：國(guó)有大型化工企業(yè)和合資或獨(dú)資的化工企業(yè)如中石化、中石油、巴斯夫、拜爾等企業(yè)，還有一些生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)的中型企業(yè)。普遍采用DCS控制系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行自動(dòng)化控制，對(duì)生產(chǎn)裝置進(jìn)行全面的監(jiān)控。有的企業(yè)對(duì)關(guān)鍵工序還采用先進(jìn)控制器進(jìn)行生產(chǎn)控制運(yùn)行。這些企業(yè)在自動(dòng)化控制技術(shù)方面處于先進(jìn)或領(lǐng)先地位。

局部或部分運(yùn)用企業(yè)：民營(yíng)化工企業(yè)和小型外資化工企業(yè)，企業(yè)選擇采用DCS和PLC控制系統(tǒng)。為了避免過(guò)多的投資，這些企業(yè)只在關(guān)鍵生產(chǎn)工序運(yùn)用DCS和PLC控制系統(tǒng)，在達(dá)到生產(chǎn)控制目標(biāo)后沒(méi)有全面運(yùn)用控制系統(tǒng)，使得控制功能沒(méi)有全部發(fā)揮，控制技術(shù)的精度也不高，處于一般控制水平。

最低控制運(yùn)用企業(yè)：小型民營(yíng)化工企業(yè)由于生產(chǎn)工藝技術(shù)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)流程短，基本是間隙式一步反應(yīng)生產(chǎn)形式。有的采用PLC進(jìn)行控制，有的還是采用單回路儀表控制，甚至是人工控制，他們處于低端水平。但是這樣的化工企業(yè)在我國(guó)目前數(shù)量很大，占到60%以上(單位總數(shù))。

2 自動(dòng)化控制技術(shù)的安全應(yīng)用功能

化工企業(yè)生產(chǎn)涉及易燃易爆、有毒有害等危險(xiǎn)物料，并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，其生產(chǎn)的安全性、穩(wěn)定性顯得尤其重要。自動(dòng)化控制技術(shù)的安全功能在化工企業(yè)安全生產(chǎn)中起到重要作用。

2.1 自動(dòng)化控制功能

化工企業(yè)運(yùn)用自動(dòng)化控制技術(shù)就是針對(duì)化工生產(chǎn)的基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)，完成對(duì)化工生產(chǎn)過(guò)程中的溫度、流量、壓力、液位等生產(chǎn)條件的自動(dòng)化控制，保證各項(xiàng)指標(biāo)保持在安全合理范圍內(nèi)，減少操作人員長(zhǎng)時(shí)間在易燃易爆、有毒有害的危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行工作，促使生產(chǎn)自動(dòng)、連續(xù)地完成，極大地節(jié)約了人力資源、降低了生產(chǎn)成本。

目前，我國(guó)絕大多數(shù)化工企業(yè)仍然采用常規(guī)的DCS控制系統(tǒng)，其中90%以上執(zhí)行儀表采用PID控制，依然依靠操作人員的控制設(shè)置操作，受到操作人員的經(jīng)驗(yàn)、熟練及規(guī)范程度的影響，自動(dòng)化控制系統(tǒng)和化工生產(chǎn)裝置的真正潛力沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用先進(jìn)控制系統(tǒng)(APC)和過(guò)程優(yōu)化技術(shù)是目前化工企業(yè)發(fā)展的方向。我們可以通過(guò)一個(gè)實(shí)例來(lái)了解一下APC和DCS的控制效果。

某化工企業(yè)高分子聚合生產(chǎn)裝置經(jīng)過(guò)多年的穩(wěn)定生產(chǎn)，在生產(chǎn)裝置達(dá)到設(shè)計(jì)能力的基礎(chǔ)上，在DCS系統(tǒng)上安裝先進(jìn)控制系統(tǒng)(APC)進(jìn)行自動(dòng)化控制技術(shù)的攻關(guān)和突破，使得自動(dòng)控制更加優(yōu)化，生產(chǎn)裝置效能發(fā)揮達(dá)到新的高度。

圖1 調(diào)控分子量的物料流量(同樣影響反應(yīng)壓力)

圖1和圖2反映的是APC系統(tǒng)投用前后的聚合反應(yīng)部分的兩個(gè)參數(shù)控制效果，很明顯APC投用后的反應(yīng)穩(wěn)定性得到很大的提高。它得益于以DCS為直接控制層主要完成單元控制保證生產(chǎn)裝置的正常運(yùn)行，以APC為監(jiān)督與控制層重點(diǎn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化控制，保證裝置安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)運(yùn)行并獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 聚合產(chǎn)品的質(zhì)量(以1為基準(zhǔn))

2.2 安全停車(chē)功能

化工生產(chǎn)中一旦出現(xiàn)突發(fā)性設(shè)備故障或生產(chǎn)反應(yīng)失去控制狀態(tài)時(shí)很容易因?yàn)樯舷掠侮P(guān)聯(lián)生產(chǎn)環(huán)節(jié)無(wú)法及時(shí)調(diào)整或停車(chē)而造成其他設(shè)備故障、損壞導(dǎo)致危險(xiǎn)物料泄漏，發(fā)生火災(zāi)、爆炸、中毒等嚴(yán)重的生產(chǎn)操作安全事故。為了避免發(fā)生這樣的安全生產(chǎn)事故，應(yīng)用自動(dòng)化控制系統(tǒng)完成緊急安全停車(chē)功能可以防止連帶性事故的發(fā)生，有效降低化工企業(yè)的故障損失。

安全停車(chē)功能是由緊急停車(chē)系統(tǒng)(ESD)來(lái)實(shí)現(xiàn)，基于自動(dòng)化控制系統(tǒng)，通常依附DCS系統(tǒng)。初期的緊急停車(chē)系統(tǒng)(ESD)系統(tǒng)是靜態(tài)的，只有在生產(chǎn)裝置出現(xiàn)異常的情況下，通過(guò)DCS檢測(cè)到的報(bào)警聯(lián)鎖信號(hào)或者人為干預(yù)觸發(fā)緊急停車(chē)命令，ESD系統(tǒng)才會(huì)發(fā)出聯(lián)鎖信號(hào)，再通過(guò)DCS系統(tǒng)實(shí)施預(yù)先設(shè)定好的邏輯順序，依次停止各個(gè)相關(guān)運(yùn)行生產(chǎn)工序或環(huán)節(jié)，盡可能降低因局部故障而造成的損失，避免發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。

近年來(lái)，ESD系統(tǒng)經(jīng)過(guò)不斷的更新，變得更加的復(fù)雜和高級(jí)。ESD系統(tǒng)分為正常停車(chē)、局部緊急停車(chē)和全部緊急停車(chē)三種控制范圍。自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)離線和在線診斷軟件包括全面的診斷程序，具備完整的自診斷系統(tǒng)，能對(duì)化工生產(chǎn)操作系統(tǒng)以及設(shè)備狀態(tài)和外部相關(guān)生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的檢查分析，一旦發(fā)現(xiàn)故障預(yù)兆現(xiàn)象的出現(xiàn)，及時(shí)進(jìn)行報(bào)警。ESD系統(tǒng)根據(jù)預(yù)警的級(jí)別實(shí)施相應(yīng)范圍內(nèi)的安全停車(chē)。

而對(duì)于涉及“兩重點(diǎn)”(重點(diǎn)監(jiān)管工藝和危險(xiǎn)化學(xué)品)和“一重大”(重大危險(xiǎn)源)的高度危險(xiǎn)化工生產(chǎn)裝置，由于其危險(xiǎn)危害性很大，為了確保安全的可靠性，建立獨(dú)立的安全停車(chē)系統(tǒng)，稱(chēng)安全儀表系統(tǒng)(SIS)。SIS系統(tǒng)是有嚴(yán)格的條件的，其特點(diǎn)：

(1)符合國(guó)際安全協(xié)會(huì)規(guī)定的儀表的安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；

(2)具有覆蓋面廣、安全性高、有自診斷功能，能夠檢測(cè)并預(yù)防潛在的危險(xiǎn)；

(3)容錯(cuò)性的多重冗余系統(tǒng)，單一故障不會(huì)導(dǎo)致SIS安全功能喪失；

(4)應(yīng)用程序容易修改，可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)軟件進(jìn)行修改；

(5)自診斷覆蓋率大，可實(shí)現(xiàn)從傳感器到執(zhí)行元件所組成的整個(gè)回路的安全性設(shè)計(jì)，具有I/O短路、斷線等監(jiān)測(cè)功能；

(6)響應(yīng)速度快，從輸入變化到輸出變化的響應(yīng)時(shí)間一般在毫秒級(jí)。SIS系統(tǒng)無(wú)需人工干預(yù)，一旦投用即可自動(dòng)運(yùn)行。它是“靜態(tài)”的，與ESD的區(qū)別就是具有獨(dú)立的檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，雖然可以與DCS共存，但不互通，互不影響。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備設(shè)施進(jìn)行獨(dú)立的有等級(jí)的安全保護(hù)，避免安全事故的發(fā)生。

2.3 故障檢測(cè)功能

化工企業(yè)生產(chǎn)主要依靠各類(lèi)化工生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，而化工生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)量又多復(fù)雜程度又高，設(shè)備特性差異較大，在定期的設(shè)備安全檢查過(guò)程中，既需要停車(chē)又需要時(shí)間，并且單純依靠人工經(jīng)驗(yàn)性檢查又很容易遺漏安全隱患。自動(dòng)化控制系統(tǒng)利用故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)化工生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)控和檢測(cè)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(如：設(shè)備的運(yùn)行溫度、振動(dòng)量、位移量、耗電量等)的統(tǒng)計(jì)和分析，使得設(shè)備故障診斷更加精準(zhǔn)和高效。

2.4 應(yīng)急處置功能

自動(dòng)控制系統(tǒng)具有一定的應(yīng)急處置功能。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)儀表對(duì)生產(chǎn)裝置或設(shè)施進(jìn)行全時(shí)段的監(jiān)控，當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生事故時(shí)，由于搶修人員不能在第一時(shí)間進(jìn)入生產(chǎn)裝置或設(shè)施中進(jìn)行搶修，或者在有毒有害環(huán)境中不容許人員進(jìn)入的情況下，自動(dòng)控制系統(tǒng)及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急處置裝置，有效處理故障狀態(tài)，減少生產(chǎn)裝置的損失，確保事故控制在可控范圍內(nèi)。自動(dòng)控制系統(tǒng)在化工企業(yè)發(fā)生危險(xiǎn)的情況下，一方面通過(guò)報(bào)警信號(hào)通知事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的人員迅速的撤離，避免擴(kuò)大人員傷亡；另一方面及時(shí)進(jìn)行應(yīng)急處置，盡可能減少財(cái)產(chǎn)損失，提高了企業(yè)安全應(yīng)急能力。

3 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化控制技術(shù)的運(yùn)用不僅能減少操作人員、節(jié)能降耗、提高產(chǎn)能，而且能提高生產(chǎn)裝置運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性，以及有利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量和開(kāi)發(fā)等多方面功能，因此化工企業(yè)在生產(chǎn)裝置應(yīng)用自動(dòng)化控制系統(tǒng)有著重大的作用。尤其當(dāng)今步入“工業(yè)4.0”的時(shí)代，要實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”目標(biāo)，安全可靠性是首當(dāng)其沖的基礎(chǔ)保障。自動(dòng)化控制技術(shù)是基礎(chǔ)，信息化和智能化是發(fā)展保障。通過(guò)不斷研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用，自動(dòng)化控制技術(shù)將為我國(guó)的化工行業(yè)的穩(wěn)健發(fā)展提供可靠和安全的技術(shù)支持。