基于漂白化學漿技改項目的自控儀表工程實踐與優化

作者簡介：黃光明，高級工程師；研究方向：制漿造紙、鍋爐汽機、制鹽、化工及廢水處理行業的自控儀表工程管理和調試。

關鍵詞：自動化儀表；DCS改造；選型優化；工程實踐；制漿造紙中圖分類號：TS736 文獻標識碼：A DOI： 10.11980/j.issn.0254-508X.2025.08.021

Practice and Optimization of Automation Instrumentation Engineering in BleachedChemicalPulpTechnicalRenovationProject

HUANG Guangming（China CEC Engineering Corporation，Changsha，Hu'nan Province，410114）（E-mail：huangguangming@cecchina.com）

Abstract：Thisstudyfocusedontheautomationinstrumentationprojectwithinableachedchemicalpulptechnicalrenovationinitiative，providinganin-depthanalysisoftypicalchalengesinmodernindustrialautomationinstrumentationengineeingacross key phases suchasdesign management，installtionandcommissioning，and equipment selection.Through empiricalresearch，core conflicts includingdesigndrawingacuracy，instrumentselectioncompatibility，andcontrolsyste integrationweresysteaticaly identified.Aninnovative“Three-dimensionalCollaborativeManagementModel”wasproposed.Additionall，technicalmanagementmethodologiesdevelopedduring projectimplementation，suchasthe“Five-stepDCSRenovationMethod”and“Three-verificationPrincipleforValveSelection”，oferedcriticalreferencesforanalogousprojects.Researchdatademonstratedthatcomprehensive optimization management could reduce project rework rates by 37% ，shorten commissioning cycles by 42% ，and decreased equipment failure rates by 65% ，thereby strongly advancing the development of automation instrumentation engineering in the pulp and paper industry.

Key words：automation instrumentation；DCS renovation；selection optimization；engineering practice；pulp and paper

在《中國制造2025》戰略的大力推動下，造紙行業自動化進程不斷加速，自動化率已成功突破75% 。但行業調查數據顯示，高達 68% 的技改項目存在儀表系統設計缺陷，嚴重影響了項目的順利實施及后續生產運營的穩定性與高效性。本課題基于某制漿造紙廠2011年實施的制漿工藝改造項目，圍繞木片輸送系統優化、蒸煮參數調整、篩選效率提升及漂白工序節能改造4大核心環節展開技術評估，該項目總投資2.7億元，涉及DCS系統、檢測儀表、氣動控制閥等共987臺設備的改造，具有典型性與代表性。

當前部分行業自動化儀表工程存在“三高三低”現象，即設計錯誤率高、調試返工率高、運維成本高、系統可靠性低、控制精度低、經濟性低。本課題通過對漂白化學漿項目的實證分析，旨在構建一套可復制、可推廣的工程管理范式，有效解決行業現存問題，提升自動化儀表工程的整體質量與效益，為行業發展提供有力支撐。

1工程設計問題分析與對策

在某制漿造紙項目中，設計協同度不足導致了空間維度失配（如蒸煮鍋放射源布局間距過小引發輻射超標，后經三角定位法調整布局解決）、工藝維度偏差（如取樣管道原設計壓損超標 42% ，需重新設計并優化取樣點以降低壓損）以及維護便利性缺失（如部分儀表安裝位置過高導致維護困難，需調整位置以便操作）等問題，為此建立設計優化“三同步”機制，包括工藝-儀表同步設計流程、三維建模校核制度、現場預安裝驗證體系以解決問題，儀表工程設計主要問題見表1。

1.1設計協同度不足的三維表現

某制漿造紙項目中，蒸煮鍋放射源因 1.2m 間距導致γ射線劑量率超標2倍，通過三角定位法調整至2.5m 解決了輻射干擾問題，同時取樣管道設計因壓損超標 42% 需重新優化，以確保工藝測量的準確性與安全性。

1. 1.1 空間維度失配

某制漿造紙項目中，蒸煮鍋放射源布局問題凸顯了空間維度失配的嚴重性。原始設計中，放射源間距僅為 1.2m ，經實測， γ 射線劑量率高達 3.5μSv/h 超出國家標準2倍。這不僅對操作人員健康構成威脅，還嚴重影響放射源接收器的測量準確性。研究表明，采用三角定位法將間距調整至 2.5m ，有效降低了輻射干擾，確保了測量的穩定性與安全性。

1.1.2工藝維度偏差

以取樣管道設計為例，通過專業的壓損計算模型進行分析。假設管道長度 L=15m 、管徑 D=0.02m 、介質密度 ρ=1.2kg/m³ 、動力黏度 μ=1.8×10^-5Pa?s 、流速為v=2m/s 。首先計算雷諾數 Re=（ρ?v?D）/μ ，當 Relt;2000 時，摩擦系數 f=64/Re ；當 Re?2000 時，摩擦系數 f= 0.316?Re^-0.25 。進而計算壓力損失 ΔP=f?（L/D）?（ρ?v²）/2 門經計算，原設計壓損超標 42% ，嚴重影響工藝參數的準確測量與控制。基于此，必須重新設計取樣點位置，以確保工藝測量的準確性與穩定性。

1. 1.3 維護便利性缺失

在項目實踐中，部分儀表（如HV-21118、HV-21218等閥門以及TT-21138、TT-21142等溫度變送器）安裝位置過高，維護人員難以進行操作與維護。通過建立維護可達性評價體系對設備的安裝高度、操作角度和維護空間等指標進行量化評估。結果表明，原設計在儀表維護便利性方面存在嚴重不足，需進行優化調整，以提升維護效率并優化人員操作便利性。

1.2設計優化“三同步”機制

為有效解決設計協同度不足的問題，建立了設計優化“三同步”機制。

1.2.1 實施工藝-儀表同步設計流程

在項目設計初期，工藝工程師與儀表工程師緊密協作，共同開展工作。工藝工程師提供詳細工藝流程、工藝參數及設備布局等信息，儀表工程師依據這些信息進行儀表選型、安裝位置設計及控制方案制定。雙方通過定期溝通會議、聯合設計評審等方式，確保工藝與儀表設計的無縫對接，避免因設計脫節導致的問題。

1.2.2 建立三維建模校核制度

利用先進的三維建模軟件，對整個制漿生產線進行詳細建模，包括設備、管道、儀表等。通過三維模型，能夠直觀地檢查各部件之間的空間關系，提前發現并解決諸如管道碰撞、儀表安裝空間不足等問題。在建模過程中，不同專業的工程師可以在同一模型平臺上進行協同工作，實時更新與調整設計方案，提高設計的準確性與完整性

1. 2.3 構建現場預安裝驗證體系

在正式施工之前，選取部分關鍵區域或復雜部位進行現場預安裝。通過實際安裝過程，進一步驗證設計方案的可行性與合理性，及時發現設計圖紙中存在的問題，如接口尺寸不匹配、安裝順序不合理等。根據預安裝反饋的問題，對設計方案進行優化完善，確保正式施工的順利進行[2]

表1儀表工程設計問題統計表

Table1 Instrumentation engineering design issues statistics table

2關鍵設備選型技術研究

該項目在設備選型階段出現的問題見表2。針對設備選型中暴露的參數完整性缺失、工況適應性不足及安全冗余度欠缺等問題，提出基于介質特性校驗、環境適應性試驗和生命周期成本模型的“三校驗”原則，通過系統化參數匹配、工況模擬驗證和全周期成本核算，有效提升選型準確性與設備可靠性。

2.1選型錯誤的三層次歸因

設備選型存在參數完整性缺失（閥門壓力偏差）、工況適應性不足（音叉料位計因粉塵導致頻率偏移）及安全冗余度欠缺（未達SIL2標準）三大問題，需通過介質特性校驗矩陣、環境適應性試驗和全周期成本模型的“三校驗”原則實現精準選型

2.1.1 參數完整性缺失

以黑液罐閥門選型為例，構建閥門選型參數校驗矩陣。在工作壓力方面，黑液罐實際工作壓力為0.75MPa ，而標準要求為 1.5MPa ，偏差率高達100% ；介質密度實際為 1.15g/cm³ ，標準要求為1.08g/cm³ ，偏差率為 6.5% 。參數的嚴重偏差導致閥門在實際運行中無法正常工作，頻繁出現故障。說明在設備選型過程中，參數完整性的缺失是導致選型錯誤的重要原因之一[]。

2.1.2 工況適應性不足

在備料車間木片料斗處，選用音叉料位計進行料位檢測。由于木片灰塵較多，在料斗進料短時間內，音叉料位計叉體部分積累大量細小木片及灰塵，導致

其質量增加。音叉料位計的共振頻率 （f，Hz） 的計算如式（1）所示。

式中， k 為彈性系數； ?_m 為音叉固有質量，g;Δm 為附著異物質量，g。

實際運行中 Δm 增加 37% ， f 偏移 21% ，使測量出現誤報，無法滿足現場測量要求。這表明在設備選型時，對工況適應性考慮不足，會導致設備無法在實際工況下穩定運行。

2.1.3安全冗余度欠缺

在對部分儀表的安全完整性等級（SIL）驗證中發現，原設計的危險失效概率 （PFD_avg ）為 3.2×10^-3 經評估需升級至SIL2級。SIL等級驗證案例計算如式（2）所示。

式中， λ 為危險失效率， ； D 為診斷覆蓋率， % ； T 為測試間隔時間，h。

以SIL等級驗證案例公式為例，原設計無法滿足更高的安全要求，存在較大安全隱患。表明在設備選型過程中，安全冗余度的欠缺可能導致系統在運行過程中無法有效應對潛在風險。

2.2選型優化“三校驗” 原則

在選型階段，為提升設備選型的準確性與可靠性，確保項目順利進行，制定了選型優化“三校驗”原則。

2.2.1介質特性校驗表

在設備選型前，詳細分析介質的各項特性，如溫度、壓力、流量、腐蝕性、黏度等，并根據這些特性制定相應的校驗表。對于不同類型的設備，如閥門、變送器、流量計等，明確其適用的介質特性范圍。在選型過程中，嚴格對照校驗表，確保所選設備與介質特性完全匹配，避免因介質特性不兼容導致設備故障。

表2儀表選型錯誤問題統計表

Table2Instrumentselectionerrorissuesstatisticstable

2.2.2 環境適應性驗證

現場儀表的選型，在設計階段主要依靠儀表設計工程師，根據工程經驗、做出正確的儀表選型。針對項目現場的實際環境條件，如溫度、濕度、電磁干擾、振動等，對備選設備進行環境適應性驗證。

2.2.3生命周期成本模型

在設備選型時，不僅需考慮設備的采購成本，還應綜合考慮其在整個生命周期內的運行成本、維護成本、維修成本及更換成本等。構建生命周期成本模型，對不同品牌、不同型號的設備進行成本分析與比較。在滿足工藝要求與性能指標的前提下，選擇生命周期成本最低的設備，以提高項目的經濟性與投資回報率。

3DCS系統集成實踐

3.1控制邏輯重構

以除砂器和洗漿機自動控制改造為例，采用“除砂器自動控制改造五步法”。

第一步，進行信號特征分析。深入研究除砂器運行過程中各類信號的變化規律，包括壓力信號、流量信號等，明確正常運行狀態與故障狀態下信號的特征差異，為后續控制邏輯設計提供依據。

第二步，開展控制時序設計。根據除砂器和洗漿機的工藝流程與操作要求，設計合理的控制時序。確定各個控制環節的啟動順序、停止順序以及時間間隔，確保除砂器能夠高效、穩定地運行。

第三步，進行故障樹建模。構建除砂器和洗漿機故障樹模型，全面分析可能導致除砂器和洗漿機故障的各種因素，包括設備故障、信號故障、控制邏輯故障等。通過故障樹分析，找出故障的根本原因，為故障診斷與處理提供指導。

第四步，進行人機界面（HMI）優化。對除砂器和洗漿機的HMI進行優化設計，使其操作更便捷、直觀。合理布局界面元素，清晰顯示除砂器的運行狀態、工藝參數以及報警信息等，提高操作人員的工作效率與操作準確性。

第五步，開展操作人員認知訓練。組織操作人員進行系統的認知訓練，使其熟悉除砂器的自動控制邏輯、操作流程以及常見故障處理方法。通過理論培訓、模擬操作及實際案例分析等方式，提高操作人員的技能水平與應急處理能力。

3.2系統可靠性提升

在DCS系統集成過程中，為提升系統可靠性，對不同的信號隔離方案進行對比分析。繼電器隔離方案成本較低，每個點的安裝耗時約 2h ，但抗干擾度相對較低，僅為 40dB 。該方案適用于對成本敏感且干擾環境相對較弱的場合。隔離柵方案成本較高，安裝耗時較短，每個點約為 0.5h ，抗干擾度可達60dB 。其在保證一定抗干擾能力的同時，安裝效率較高，適用于對信號傳輸可靠性有較高要求且安裝空間有限的項目。光纖傳輸方案成本極高，安裝耗時最長，每個點約為 ^4h ，但抗干擾度高達 80dB 。該方案在強干擾環境下具有出色的信號傳輸穩定性，適用于對信號可靠性要求極高的關鍵區域。通過對不同方案進行綜合評估，根據項目實際需求與預算，選擇合適的信號隔離方案，可有效提升DCS系統的可靠性與穩定性。

4自控儀表工程管理實踐

某化學漂白木漿項目在儀表工程管理過程中存在電纜管理混亂（儀表與電氣電纜混鋪、橋架內線路凌亂）、接地不規范（電磁流量計未接地、屏蔽線缺熱縮管）、氣源管漏氣及安裝錯誤（過濾器水平安裝）、防護措施缺失（視頻信號干擾）等質量問題（表3）。為了避免這些問題在后期項目重復發生，需對儀表工程管理進行優化，提出工程管理創新體系。

4.1全過程質量控制模型

構建全過程質量控制模型，確保項目從設計到調試各個階段的質量，

4. 1. 1 設計階段

在設計階段，運用3D模型碰撞檢測技術。通過建立詳細的3D模型，對設備、管道、儀表等進行虛擬安裝與布局檢查。利用碰撞檢測功能，及時發現不同部件之間可能存在的碰撞問題，如管道與管道、管道與設備、儀表與結構等之間的干涉。在設計階段解決這些問題，避免在施工階段因設計錯誤導致的返工，提高設計質量與施工效率。

4.1.2 施工階段

在施工階段，引入二維碼追溯系統。為每個施工部件、設備以及施工環節生成唯一的二維碼標識，通過掃碼記錄施工過程中的關鍵信息，如材料使用、施工人員、施工時間、質量檢驗結果等。在項目后期，可通過二維碼快速追溯施工過程中的各項信息，便于質量問題的排查與責任認定，同時也為設備維護與管理提供詳細的數據支持。

表3儀表安裝問題統計表

4.1.3 調試階段

在調試階段，強化工廠驗收測試/現場驗收測試（FAT/SAT）。在設備出廠前，進行嚴格的工廠驗收測試，對設備的各項性能指標進行全面檢測，確保設備在出廠時符合設計要求。在設備安裝到現場后，進行現場驗收測試，對設備在實際運行環境下的性能進行再次驗證。通過強化FAT/SAT，及時發現并解決設備在調試過程中出現的問題，提高設備的調試質量與可靠性。

4.2合同采購問題控制管理優化

根據采購與合同執行過程，問題可歸納為4類：到貨與合同不符、設備質量問題、設計選型錯誤、服務時間超支，具體情況見表4。

4.2.1 合同與采購流程優化

合同與采購流程優化可分為合同條款細化和驗貨流程標準化。其中合同條款細化應明確設備型號、技術參數、驗收標準（如氣缸等級、密封性能），增加“型號不符直接退貨”條款，以減少技術爭議；驗貨流程標準化應制定《到貨驗收清單》，逐項比對型號、數量、關鍵參數（如彈簧形變量），引入第三方驗貨機構，重點檢查易損件（膜片、電路板）。

4.2.2 供應商管理強化

① 供應商分級制度：基于產品質量建立分級管控機制，針對頻發質量事故的供應商（如某國產閥門供應商因11臺產品連續故障）實施黑名單管理并限制合作配額。對于技術門檻高的關鍵供應商（如進口品牌核心部件廠商），除基礎資質審核外，額外要求其提交設備選型計算書、壓力測試報告等工藝驗證文件，以確保技術參數與工況需求精準匹配。 ② 質量保證金制度：扣留 10% 合同款作為質保金，質量問題整改后支付。

4.2.3 設計選型協同機制

技術協議聯合審核：工藝、儀表、采購三方聯合審核閥門選型參數（壓差、背壓）；強制要求供應商簽署《選型確認函》，避免推諉責任。

4. 2.4 服務時間管控

服務工時預控：拆分DCS服務合同為“基礎工時 + 彈性工時”，超時部分由服務商承擔 50% 。建立《調試問題跟蹤表》，實時記錄圖紙錯誤導致的返工時間。

表4儀表合同采購問題統計表

Table 4 Instrument contract procurement issues statistics table

4.3供應鏈協同機制

建立關鍵儀表供貨預警機制。通過實時監測生產周期與物流周期的變化，結合歷史數據統計分析，提前預測關鍵儀表的供貨時間。當預測到供貨時間可能出現延遲時，及時發出預警信息，以便項目團隊提前采取應對措施，如調整施工計劃、與供應商協商加急供貨等。應用該機制后，關鍵儀表到貨準時率有所提升，有效保障了項目施工進度，避免因設備供貨延遲導致的工期延誤。

5結語

本課題通過對某漂白化學木漿生產線自動化儀表項目的實證分析，深入揭示了現代工業儀表工程在設計、設備選型、系統集成等方面存在的典型問題。提出“三維協同管理模型”以及一系列技術管理方法，以期解決行業普遍存在的“三高三低”問題。

后續研究可重點關注以下幾個方面：一是數字孿生技術在儀表運維中的應用，通過構建虛擬模型，實現對儀表運行狀態的實時監測與模擬分析，提前預測故障，提高運維效率與準確性；二是AI驅動的智能診斷系統開發，利用人工智能技術對大量運行數據進行分析處理，實現故障的快速診斷與精準定位，為設備維護提供有力支持；三是構建覆蓋全生命周期的碳足跡評估體系，從項目設計階段的自控系統能效建模、施工安裝階段的數據采集網絡部署、運行維護階段的實時碳排放監測與優化控制，到設備報廢階段的儀表回收處理，系統性量化各環節碳排放數據，并通過自動化儀表反饋的能耗信息動態優化評估模型，為綠色可持續決策提供精準支撐。

參考文獻

[1]黃光明.制漿造紙項目數字化模型的設計與應用[J].中國造紙學報，2024，39（S1）：268-275.HUANG G M. Design and Application of a Digital Model for PulpingandPapermakingProjects[J].TransactionsofChinaPulpand Pa-per，2024，39（S1）：268-275.

[2]黃光明.制漿造紙項目自動化儀表工程質量管控及評估[J].造紙技術與應用，2024，52（4）：31-36.HUANGGM.Quality Controland EvaluationofAutomated Instru-ment Engineering for Pulp and Papermaking Projects[J].PaperTechnology and Application，2024，52（4）： 31-36.

[3]黃光明，鐘志輝，朱利民，等.漂白化學木漿項目儀表工程實踐[J].中國造紙，2020，39（5）：76-80.HUANGGM，ZHONGZH，ZHULM，etal.Instrument Engineer-ingPracticeofChemical BleachedWood Pulp Project[J].ChinaPulp amp; Paper，2020，39（5）： 76-80.CPP

（責任編輯：呂子露）