電氣自動化在化工企業生產中的應用探討

張寶成， 王丹生， 楊合山

（山東省菏澤市東明縣工業行業服務中心， 山東 菏澤 274500）

0 引言

化工企業一般具有工藝復雜、危險源多、有毒有害物多、工藝參數要求嚴格等特點。很多在生產一線工作的工人不僅需要忍受惡劣的工作環境，有時還會接觸到易燃易爆和有毒有害物，對工人正常的生產操作以及身體健康都有很大的影響。化工企業不同于其他類型企業，對生產工藝和各項工藝指標要求非常嚴格，一旦工藝指標出現偏差，輕則影響產品質量，嚴重時甚至會引發火災、爆炸、有毒有害氣體泄露等惡性生產事故。如何保證安全生產，保證工藝指標符合要求，成為化工企業日常管理的重點。電氣自動化控制技術的功能和優勢可以很好地滿足化工企業對于安全生產和嚴格控制工藝指標的要求。并且，通過自動化控制替代人工操作，有助于企業減員增效，一定程度上減少了企業的用工成本。目前，國內化工企業已經普遍具備了較高的自動化生產能力，隨處可見各種自動化電氣設備。隨著電氣自動化控制在化工生產企業中的普及應用，大大提高了產品質量以及生產的安全性，經濟效益也得到顯著提高。

1 電氣自動化控制技術概述

電氣自動化是伴隨著電氣設備與自動化控制技術融合發展而來的，能夠實現電氣儀表的自動化檢測、電氣設備的自動化運行和電氣設備運行狀態的自動化控制[1]。最初的電氣設備操作基本都是采用人工手動控制的方式，如某個電機的啟停、某個照明的開閉以及風機轉速的調整等，都需要人員到現場開閉電氣開關或者是調整旋鈕才能實現。這樣的弊端就是需要人員到達環境惡劣的工作現場，人員勞動強度較大，工作效率和安全性較差，也容易出現人員誤操作，不能精確控制某些電氣設備參數。在自動化控制技術問世之后，傳統的電氣設備控制方式也在悄然發生改變。從較早的單片微處理機再到如今廣泛使用的可編程邏輯控制器（PLC），從簡單的開關控制到多變量高級算法，自動化技術經過幾十年的發展，其自動化控制水平越來越高，可控制的邏輯方式也越來越復雜。結合計算機、工業以太網、電子儀表和電子傳感器等相關硬件，已經形成了比較成熟完善的工業自動化控制體系。自動化控制技術在與電氣設備相融合之后，從電氣設備最簡單的開關啟停控制方式，到傳感器采集現場數據后由控制系統和執行器控制電氣設備實現的反饋控制，都是電氣自動化控制的體現。

2 化工企業生產中電氣自動化運行模式分析

2.1 分布式控制生產模式分析

在分布式控制生產模式下，通常由幾組功能部件綜合形成一個完整的公共控制模式。該生產模式綜合應用了計算機技術、顯示技術和4G 控制技術，每組功能部件僅面向有限的呼叫提供服務。在分布式控制模式下，各主控器呈現為樹枝結構，共同組成了一個主體控制系統[2]。該種生產模式具有運行簡單、快捷的優勢，能夠針對性地操作與控制電氣設備，管理更加明確。同時，也便于在電氣控制系統中引進測控技術。

2.2 計算機集成生產模式分析

計算機集成生產模式下，可以使化工生產中涉及的每一個環節均處于系統的控制狀態下，共同形成一個系統整體。實現了企業經營與生產安全的緊密結合。該種生產模式下，化工原料從進場檢測，再到加工與生產，每一個環節都與電氣自動化相關聯，實現了生產過程電氣控制的全面化、綜合化、一體化。在化工自動化控制的設計環節，可嘗試結合化工企業生產經營的實際特點，形成系統且全面的遠程網絡通信平臺，全面監控化工企業生產的每一個環節和每一個重要電氣設備的運行情況。同時，依托遠程網絡通信平臺，可將現場電氣設備的運行數據連接至遠程控制中心，方便管理人員隨時查看各電氣自動化設備的相關運行數據與參數，保障電氣設備和生產過程的可靠、穩定。

2.3 現場總線生產模式分析

現場總線是將安裝在生產現場的檢測設備與安裝在控制室內的自動化設備連接而形成的數字式數據總線，其連接與通信具有多點通信以及串行性特征。現場總線是一種工業數據總線，是自動化領域中最底層的數據通信網絡。在化工生產現場總線模式下，現場控制設備具有通信功能，便于形成底層的控制網絡。同時，由于現場總線模式下通信的公開性以及通信標準的一致性，使控制系統內的電氣設備具備了開放性以及交互操作的特點。在化工企業電氣自動化布局中，現場總線模式可以較好地解決現場電氣設備與高級控制系統之間以及控制器、智能化儀器儀表設備和執行機構電氣設備等現場設備相互之間存在的數字通信問題。

3 電氣自動化控制在化工企業中的具體應用

化工企業的生產原材料與產品主要是各種類型的化學物質，廠區內很多生產區域中都存在大量有毒有害、易燃易爆的化學危險物質。出于保證安全生產和保證產品質量的要求，需要嚴格做好人員防護，嚴格控制生產操作以及工藝指標。由于化工企業的生產操作環境比較惡劣，不少生產區域內存在高溫、粉塵、噪音以及空間受限等不利因素，對現場人員的操作造成了很大的影響。但由于生產需要，操作人員不得不到復雜惡劣的現場進行電氣設備的生產操作，容易發生安全生產事故或是職業健康危害。通過應用電氣自動化控制技術，極大地提高了企業生產的自動化水平，很多電氣設備不需要人員到現場操作即可自動按照工藝要求運轉。在很大程度上改善了化工企業人員的作業環境，保證了安全生產。同時，工藝指標也得到了有效控制，保證了產品質量[3-4]。

3.1 遠程控制，改善人員工作環境

化工企業生產一線的作業環境普遍比較惡劣，不少生產區域內存在高溫、粉塵、噪音和化學物質逸散等問題。但由于生產需要，操作人員不得不到復雜惡劣的現場進行電氣設備的生產操作。惡劣的作業環境嚴重影響現場作業人員的身心健康，也埋下了安全隱患。電氣自動化的遠程控制功能使得這一問題迎刃而解，極大地改善了工作環境。在電氣自動化控制中，控制中心與現場執行機構采用通信光纖進行通信連接，可實現遠距離電子通信。控制過程中，由控制中心發出電信號，現場的繼電器、執行機構動作，從而控制現場電氣設備自動運行，現場無需任何人工操作。這種通信方式較容易實現對現場電氣設備的遠程控制，人員在遠離作業現場的控制室內，通過操作電腦即可控制現場電氣設備的啟停和參數調整。人員可以遠離危險和惡劣的生產現場，從而極大地改善了人員工作環境，提高了生產操作的安全性。同時，也減少了惡劣工作環境對人員帶來的職業病傷害，保障了化工企業員工的身體健康，得到了企業及廣大員工的認同。

3.2 高精度控制，工藝指標控制更精確

化工企業生產的精細化程度較高，很多重要的工藝環節對溫度、壓力、加料量等都有嚴格的要求，需要進行高精度的控制。如果某個重要的工藝指標出現偏差，就會影響產品質量以及后續生產，甚至造成安全生產事故或環保事故。傳統人工操作方式下，很多工藝參數是很難精確掌握的，比如溫度、加料量和閥門開度等。自動控制系統具有數字化控制的方式，實現了對電氣設備參數的數字化精確調節。操作人員可在計算機控制系統的控制欄中選擇或是手動輸入具體的數字，控制系統便會按照該數字參數對電氣設備的運行狀態進行遠程自動調節，從而實現對電氣設備運行參數的數字化、精確化控制。電機啟停時間、加熱爐溫度、電子閥門開度和管道氣體壓力等，都是化工企業生產中比較常見的需要高精度控制的項目。相比于傳統人工調節的方式，數字化的控制方式顯然更加可控、更加精確，非常適用于需要高精度控制的電氣設備。因此，化工企業通過精準控制生產中的很多工藝指標，就能提高產品質量，企業也能獲得更多的經濟效益。

3.3 自動控制可節省人力，降低勞動強度

大型化工企業中電氣設備眾多，各種電氣設備如風機、電機等數量較多。生產時經常需要人員到達現場進行啟停操作，而且由于很多電氣設備相距較遠，需要多人操作，并耗費一定的行走時間，費時耗力。通過電氣自動化控制，對控制系統進行編程，系統就會控制相應的電氣設備按照設定好的程序自動運行。原本需要多人到達現場的操作，在應用自動化控制后，只需一人坐在控制室內點擊鼠標即可完成，而且效率更高、工作量更少、準確性也更高。比較常見且較為簡單的自動控制方式主要有時鐘控制、程序控制等。隨著工業計算機和自動化技術的發展，通過建立計算機數據模型，可以實現對多變量和各種復雜邏輯的編程和控制，可以替代人工完成更為復雜的電氣操作，進一步節省人力，促進了電氣設備運行的智能化，在冶金化工、醫藥化工等行業領域有著非常廣泛的應用。由自動化、智能化控制替代了很多人工操作，甚至是人工難以完成的工作內容，有助于降低人員的勞動強度，提高工作效率，實現企業減員增效。目前，很多企業都在推廣自動化減人增效，有效降低企業的用工成本，提高企業經濟效益。

3.4 保護控制，減少設備故障，保障安全生產

自動控制具有連鎖和保護的功能，可保障電氣設備的運行安全、減少故障發生幾率。在自動化控制系統中編輯輸入相應的保護程序，即可實現連鎖和保護功能。當電氣設備在運行過程中或是生產工藝中某個參數指標達到觸發保護條件時，連鎖和保護功能就發揮作用，自動采取拒絕動作、緊急停車和緊急斷電等保護措施，保證設備和人員的安全，杜絕電氣火災事故發生。如常見的電機過熱保護，當電機達到一定溫度后，保護裝置就會自動控制電機降低功率負荷或是停車，避免了電機過熱燒損。工業自動控制中其他常見保護控制還有超速保護、過流保護和過載保護等。保護控制的應用有效保證了電氣設備的安全，節省了因電氣設備燒損而產生的設備維修與采購費用，降低了企業生產成本。

3.5 反饋控制，實時監控與采集現場數據，提高儀表檢測效率

自動化控制技術與電子儀表的結合形成了自動化儀表，通過自動化儀表可實現對現場電氣設備的反饋控制。反饋控制最大的作用是實現對現場電氣設備運行參數的實時采集。電子儀表通過布置在現場的各種傳感器對相應的數據進行采集，然后將數據傳輸至控制系統以及控制室顯示屏。控制室的操作人員通過觀察顯示屏的數據，即可了解現場各項參數的實時變化情況，從而做出相應的操作，以保證生產工藝的穩定。計算機在這個過程中作為儀表的監控和發出指令的中心，通過計算機強大的計算與存儲能力，在很大程度上提高了儀表檢測的速率。儀表檢測速率是自動化儀表最明顯的優勢，與傳統的儀表相比，自動化儀表能夠自動檢測所需要檢測的數據，并根據自動化程序完成相應的操作，極大地提高了檢測速率。

4 電氣自動化給化工企業帶來的經濟效益

1）提高了產品質量，產品獲得了更好的市場銷路、更高的市場售價，企業可獲得更多的經濟收益。以煤化工企業為例，在采用自動化控制之前，焦爐煤氣主管壓力的調節主要依靠人工手動開閉煤氣管道閥門。不僅員工工作強度大，而且壓力調節不夠準確。特別是在煤氣管網壓力出現波動時，人工調節很難跟進，導致焦爐加熱不夠穩定，溫度控制也不理想，經常出現焦炭夾生或是過火的問題，嚴重影響焦炭的市場售價和銷路。采用自動化控制之后，煤氣壓力全部改為電子閥門自動調節。這一措施在很大程度上提高了焦爐加熱的穩定性，焦炭產品質量也因此得到保證。噸焦價格也因此上漲了幾十元。

2）降低了企業用工成本。應用電氣自動化控制系統之后，減員增效也被很多企業提上日程。某化工企業皮帶運輸系統在采用自動化控制之后，皮帶啟停和視頻監控全部由控制室人員完成，4 名現場人員全部撤離。由此降低了企業用工成本，企業每年可節省20余萬元。

5 結語

電氣自動化的應用極大地促進了化工企業的現代化發展，為企業提質增效提供了技術支持。電氣自動化控制技術的功能和優勢很好地滿足了化工企業對于安全生產和嚴格控制工藝指標的要求。在提高產品質量、確保生產安全的同時，化工企業的經濟效益也得到顯著提高。