乙炔生產(chǎn)工藝自動控制的改進與優(yōu)化

張俊平，周紅燕（新疆天業(yè)集團化工公司，新疆 石河子 832000）

乙炔生產(chǎn)工藝自動控制的改進與優(yōu)化

張俊平，周紅燕
（新疆天業(yè)集團化工公司，新疆 石河子 832000）

對乙炔發(fā)生器加料及置換操作自控程序進行了一系列的改造，總結現(xiàn)有手動操作中的種種弊端，改為程序自動控制后，減輕了操作人員的工作負荷，同時減少了人為操作引發(fā)的事故次數(shù)，提高了生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定及生產(chǎn)延續(xù)性。

乙炔；發(fā)生器；加料置換；自控；研究

乙炔是聚氯乙烯產(chǎn)品的必要原料，目前乙炔生產(chǎn)工藝有石油裂解法、石灰石濕法、石灰石干法，大多數(shù)氯堿化工企業(yè)采用的是濕法乙炔工藝生產(chǎn)乙炔。而乙炔生產(chǎn)過程中環(huán)境與資源問題越發(fā)凸顯，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略面臨嚴重挑戰(zhàn)。乙炔發(fā)生器加料置換安全操作自控研究技術通過選擇從乙炔生產(chǎn)的原料輸送環(huán)節(jié)入手、改造人為干預較多的細節(jié)，將大量的體力、腦力勞動轉移到計算機自動控制，減少人為誤操作的弊端。將入料過程中的氮氣保護繁瑣操作步驟，通過編程實現(xiàn)自動充氮保護的全過程，使得工藝裝置自動化層次更加提高，減少生產(chǎn)成本的投入，資源合理利用，最終實現(xiàn)安全、利潤最大化的設想。

本技術立足電石法聚氯乙烯發(fā)展實際和未來發(fā)展空間，針對其安全環(huán)境要求較高，人為干預現(xiàn)象較多，疲勞操作造成失誤的問題，從提高自動化水平著手，研究開發(fā)自動加料邏輯控制程序，自動充氮控制步驟，對操作中工作量較大、勞動強度較高的環(huán)節(jié)進行了充分的考慮、論證。本技術的成功開發(fā)應用，在當前注重節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的大背景下，具有巨大的市場需求，對于緩解電石法聚氯乙烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中的成本壓力，促進產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展具有積極的意義。同時，實現(xiàn)了物料輸送、加入的自動化，充氮保護的自動化，在國內(nèi)其他降低成本、減員增效的化工等相關領域，具有重大的市場價值。

1 改造前裝置運行情況

自2010年初，新疆天業(yè)集團化工公司對乙炔生產(chǎn)車間進行了現(xiàn)場考察和技術改造評估，初步確定了人為干預較多的上料工序和充氮保護環(huán)節(jié)，具有很大的技術挖潛。大量人為習慣性操作容易造成失誤，對安全生產(chǎn)帶來隱患，技術專工首先成立研究小組，建立模擬實驗室，通過控制軟件和模擬現(xiàn)場狀況，找尋出技術關鍵節(jié)點，理清工作脈絡，注重研究重點和細節(jié)，初步確定乙炔發(fā)生器加料置換安全操作自控研究目標：加料及工藝操作人員減少8人以上，大量工作移交到計算機自動執(zhí)行，減少人為失誤，減少成本投入。現(xiàn)乙炔車間主要為氯乙烯合成工序提供充足乙炔氣，共有3臺發(fā)生器，每臺發(fā)生器備料、置換和加料操作頻繁，每斗料需要手動操作充、排氮閥約幾十次。若按滿負荷生產(chǎn)，每班發(fā)生器備料、置換和加料共計千余次，特別是在充氮置換的過程中，全部為手動操作，操作人員還要監(jiān)控乙炔的生產(chǎn)情況，工作量很大。手動充氮次數(shù)不夠或充氮次數(shù)過多，都易發(fā)生安全事故。直接影響工藝裝置的平穩(wěn)生產(chǎn)。為了減輕操作人員的勞動強度，降低人為操作引發(fā)事故的風險，提高生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)運行，目前設計并制定了乙炔發(fā)生器備料、置換、加料的自動控制方案，并實施軟件組態(tài)、調(diào)試和在線運行?，F(xiàn)有乙炔生產(chǎn)流程示意圖見圖1。

圖1 乙炔生產(chǎn)工藝流程簡圖

2 控制思路設計與實施

該技術經(jīng)過探討主要是針對乙炔生產(chǎn)對安全環(huán)境要求較高，人為干預現(xiàn)象較多，極易疲勞操作造成失誤的問題，從提高自動化水平著手，研究開發(fā)自動加料邏輯控制程序，自動充氮控制步驟，對操作中工作量較大、勞動強度密集的環(huán)節(jié)進行了充分的考慮、論證、改造實施等的應用。自動化程度大幅提高，預設計崗位人員減少10人；并率先在國內(nèi)使用并產(chǎn)生實際效益效果；對于此項技術改造，采用了極為嚴謹科學的態(tài)度，通過以下步驟達到技術落實全過程的目的。首先建立關于上料自動控制的邏輯關系，設計出設備控制電路，并在實驗室編寫自控程序，模擬出現(xiàn)場的實操狀況；然后通過在現(xiàn)場調(diào)查階段的到的數(shù)據(jù)，擬定料斗加滿所需的時間、下料氣缸開合時間間隔、確定皮帶輸送流量，皮帶電機的保護在程序中利用料位開關提前預警的方式等；最后在提前停止下料氣缸步驟，上料皮帶與平皮帶繼續(xù)下料，直到料倉已滿，平皮帶剛好物料已空的精準控制過程，在取得以上數(shù)據(jù)的基礎上，進行了試驗設計和程序調(diào)試。

分如下實施步驟：深入現(xiàn)場了解現(xiàn)狀與存在的問題；總結經(jīng)驗編寫邏輯程序，畫出總體設計架構雛形；組織車間操作人員、工藝管理人員討論、試用，不斷更改及完善，最終成功實施。在成功實施的基礎上進一步完善細節(jié)，確定具體方案。

2.1 主體總結經(jīng)驗編寫邏輯程序

按照預定的思路，將原有的手動按鈕操作模式，完全通過一套獨立的控制器和上位監(jiān)控管理軟件高度集成，將人工操作改造成在計算機上一鍵操作式，將人腦思維移植到計算機中，并且將小料斗、貯斗的振蕩器、下料振蕩器的數(shù)據(jù)全部引到；將控制現(xiàn)場條件、環(huán)境資料的規(guī)整評價分析，融入現(xiàn)有DCS系統(tǒng)整體規(guī)劃；控制設備的參數(shù)核算、配備中間隔離原件，控制柜內(nèi)布局設計、信號設備的安裝布局、控制設備的控制線路設計安裝、調(diào)試；設備的保護、操作要點的融入，完善檢測點。所有關鍵工藝設備運行/停止信號均能傳送到工控機上，在工控機界面顯示相關設備的工作狀態(tài)。在工控機上，對具有遠程控制要求的控制設備設置上位手動運行/停止按鈕，在系統(tǒng)非自動運行狀態(tài)下，能對這些設備進行單獨運行/停止控制。但現(xiàn)場操作柱上控制級別高于工控機上控制級別，當現(xiàn)場操作箱上的模式開關選擇就地時，工控機上的操作將失去作用。所有在線儀表監(jiān)測數(shù)據(jù)均能傳送到工控機上，在工控機界面顯示所有在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。關鍵過程儀器儀表監(jiān)測數(shù)據(jù)在工藝流程圖適當位置顯示測定值，所有監(jiān)測值集中在一個界面上，每半小時采集一次，數(shù)據(jù)存放在一個數(shù)據(jù)庫內(nèi)，該數(shù)據(jù)庫可以存放45天的數(shù)據(jù)，并能按要求形成表格在需要時打印輸出。

設備工作異常 （如故障）或儀表檢測數(shù)據(jù)超限時，觸發(fā)報警，報警在未處理前可以進行確認，報警信息自動儲存，所有報警原因集中在一個文件庫內(nèi)，沒有處理則顯示紅色，處理完畢顯示綠色，并可記錄45天的報警條目。參數(shù)設置集中在一個界面上，進入該界面需要輸入密碼。

諸多的因素促成了改進的實施，2010年5月，對上料過程控制實施了自動化改造，增加1套s7-300為控制核心的上料控制系統(tǒng)，具體軟硬件配置：Step75.4開發(fā)編程軟件1套；Wincc上位組態(tài)軟件1套；CP5611通訊網(wǎng)卡1塊；6ES7307-1EA00-0AA0電 源 1塊 ；CPU315-2DP 1塊 ；CP342-5MODBUS通訊1塊；6ES7321-1BL00-0AA0 DI模卡4塊；6ES7321-1BH01-0AA0 DO?？?塊；導軌150M 1條；DELL計算機時下高配1臺。改造本著穩(wěn)定、便捷、經(jīng)濟、便于日后擴展和維護的思路進行。

2.2 乙炔生產(chǎn)自動上料、自動充氮控制技術研究及主要特征

乙炔工藝過程自動上料、自動充氮控制技術的應用與改造前工藝控制相比較具備以下特征：

（1）操作簡便、減少乃至杜絕了人為上料、充氮誤操作的情況，人的不安全行為得到了消除，人為停車事故大大減少，保證了安全、連續(xù)、穩(wěn)定運行的設計目的。

（2）上料自動、自動充氮執(zhí)行后，儲斗滿倉用時縮短2分鐘，加料崗位人員減少8人，儲斗置換合格及時提醒自動停止，減少了氮氣資源的浪費，同時儲斗安全得到保障。

（3）大量的工作移交給系統(tǒng)自動執(zhí)行，大幅提升自動化水平，減少人員勞動強度。

2.3 乙炔自動上料、自動充氮控制研發(fā)主要技術難點

該技術通過選擇從乙炔生產(chǎn)的原料輸送環(huán)節(jié)入手、改造人為干預較多的細節(jié)，將大量的體力、腦力勞動轉移到計算機自動控制，減少人為誤操作的弊端。將入料過程中的氮氣保護繁瑣操作步驟，通過編程實現(xiàn)自動充氮保護的全過程。使得工藝裝置自動化層次更加提高，減少生產(chǎn)成本的投入，資源合理利用。

2.3.1 選擇自動上料、自動充氮關鍵條件節(jié)點、組態(tài)流程

原上料操作系統(tǒng)因為一直是人為操作。經(jīng)常存在操作失誤的現(xiàn)象，如按錯皮帶、倒皮帶等。而且現(xiàn)在操作臺內(nèi)線路復雜、設備多，故障率高、維護困難。而且充氮過程中：小料斗向1#貯斗拉料前，打開1#貯斗放空閥，用氮氣置換8 min氣動閥開度100%，氮氣壓力不小于0.4 MPa，排出貯斗內(nèi)的乙炔氣，置換合格后，關小1#貯斗氮氣閥，乙炔生產(chǎn)中氣動閥開度要求控制在33%開度位，打開1#蝶閥，把小料斗電石下到1#貯斗，料下完后，合1#蝶閥，氣動閥開度控制在99%開度位，置換貯斗內(nèi)的乙炔氣，置換時間不小于6 min。合格后，關閉氮氣閥，放空閥，待2#貯斗內(nèi)電石用完，打開2#蝶閥，將1#貯斗電石加進2#貯斗，打開1#貯斗放空閥，重復小料斗向1#貯斗拉料前的置換操作。操作步驟較多，人為失誤率極高，在設計過程中要考慮上下銜接的關鍵節(jié)點，做到承上啟下。流程畫面中做到一鍵即可實現(xiàn)上述每一項功能，達到預想的目的。

此改造在本著節(jié)約的原則，最大程度消除隱患，通過控制理念將現(xiàn)有的人工動作方式聯(lián)系到一起，自動打開關閉充氮置換的各個動作閥門。在條件信號滿足的情況下，依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，合理使用時間完成繁瑣的人工操作和判斷的置換過程。

（1）當?shù)獨鈮毫Α?.35 MPa時，氮氣閥門、儲斗放空閥門反饋信號正常時，開始執(zhí)行置換，8 min后，閥門關閉。程序進入系統(tǒng)選擇等待確認區(qū)。當?shù)玫酱_認后，自動執(zhí)行下一步置換工作，置換10 min后程序結束，進入循環(huán)等待確認。此時全程保障物料投入過程的安全暢通。

（2）當?shù)獨鈮毫Φ陀?.30 MPa，閥門反饋正常，程序自動延長充氮置換時間。

（3）當閥門反饋信號故障時，系統(tǒng)拒絕執(zhí)行充氮置換，可采取手動置換方案。也可等待現(xiàn)場故障處理正常后方可自動執(zhí)行。

2.3.2 上料輸送設備的保護探討

輸送設備的保護是本技術中關鍵技術之一，它的實現(xiàn)主要通過實驗數(shù)據(jù)為基礎，通過編寫程序依靠時間和料位計信號來準確實現(xiàn)，具體編寫程序思路：通過現(xiàn)場調(diào)查階段得到的數(shù)據(jù)，擬定料斗加滿所需的時間、下料氣缸開合時間間隔確定皮帶輸送流量，皮帶電機的保護在程序中利用料位開關提前預警的方式，提前停止下料氣缸、上料皮帶，平皮帶繼續(xù)下料，直到料倉已滿，平皮帶剛好物料已空的精準控制，以上程序中嚴格按照保護設備的目標為設計依據(jù)，進行了設計試驗和程序調(diào)試。

2.3.3 上料、充氮控制程序的編寫

專業(yè)技術人員通過對上述操作要點進行匯總后，開始編程及組態(tài)。首先建立符號表，然后通過邏輯關系編寫控制流程。

2.3.4 傳感器擾動信號過濾控制設計

專業(yè)技術人員通過在原有控制回路加裝延時繼電器，進行滿倉信號延時判斷，在延時的時間內(nèi)如果信號中斷，則表明此信號非滿倉信號，如果延時時間內(nèi)信號一直保持，則為真的滿倉信號，終止加料。應用于現(xiàn)場判斷料倉的滿載與空倉，效果良好，保障了上料控制的準確及時，為乙炔滿負荷生產(chǎn)奠定堅實的技術基礎。

2.4 自動上料、自動充氮控制研發(fā)的關鍵技術

此技術將入料過程中的氮氣置換保護繁瑣操作步驟，通過編程實現(xiàn)過程的一鍵自動實現(xiàn)，主要關鍵技術有以下幾個方面。

2.4.1 S7-300、JX300X系統(tǒng)融合的實現(xiàn)互備

該技術借助于2套不同的系統(tǒng)，通過過程聯(lián)接控制器將兩者互相聯(lián)系在一起，加料過程控制核心由S7-300PLC來實現(xiàn)，在PLC工作站上實現(xiàn)物料的加入，同時在JX-300X系統(tǒng)上，點擊加料啟動命令也可以實現(xiàn)物料的自動加入，這樣保障了加料工作站一旦出了問題，JX-300X系統(tǒng)一樣可以發(fā)揮應有的作用。

2.4.2 現(xiàn)場擾動信號的過濾控制設計

乙炔自動上料的關鍵控制點是高位料位計的使用與控制。在使用的過程中，因為物料加入過程中對傳感器的振動，其輸出信號動作頻繁，經(jīng)常造成上料中斷，嚴重制約乙炔流量產(chǎn)出，經(jīng)過實際觀察、分析判斷，決定采用信號延時真假比較，確定精準的關鍵控制點，消除瞬間晃動造成的停止動作。在原控制回路加裝延時繼電器，進行滿倉信號延時判斷，在延時的時間內(nèi)如果信號中斷，則表明此信號非滿倉信號，如果延時時間內(nèi)信號一直保持，則為真的滿倉信號，終止加料。應用于現(xiàn)場，運行良好，保障了上料控制的準確及時，為乙炔滿負荷生產(chǎn)奠定堅實的基礎，見圖2。

圖2 延時繼電器KT組成的信號真假判斷電路

2.4.3 傳送、充氮控制程序及調(diào)試

此程序設計上，專業(yè)技術人員依據(jù)運行調(diào)試經(jīng)驗，在控制上進行了多次的完善修改。增加了中間料位的連鎖下料氣缸停止功能，很好地保護了設備啟動時的過載，省去了大量現(xiàn)場控制開關硬件，電機啟動回路所要求的互鎖、自鎖電路，這些關鍵地方都通過程序實現(xiàn)，大大節(jié)約了運行成本投入。自主編程調(diào)試，反復驗證更符合特殊現(xiàn)場工作環(huán)境，保證系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行。

3 投入使用后效果分析

在項目期內(nèi)，通過進一步的工藝優(yōu)化和集成創(chuàng)新，在實驗室不斷模擬測試的過程中，結合現(xiàn)場實際情況進行仿真運行，經(jīng)過一個多月的分析測試，在輸送正常時，加料時間比較原先大大縮短，在物料充氮保護、塔液位調(diào)節(jié)、次鈉配置環(huán)節(jié)實現(xiàn)自動控制；首先加料崗位無需人員操作，只需要出料口定期1人巡檢，人員縮減8人，清凈崗位縮減2人，大量的工作移交給系統(tǒng)自動執(zhí)行，大幅提升自動化水平，減少人員勞動強度。同時對模擬調(diào)試運行的結果進行總結，針對實驗裝置的缺陷進行技術改造，并在工業(yè)化系統(tǒng)的現(xiàn)場應用中得以驗證。通過了修改保護參數(shù)、消除信號擾動等一系列的改進及優(yōu)化，應用于現(xiàn)場，效果良好。

項目實施后，盡可能的避免人為操作失誤，降低操作強度，加料崗位操作人員每班由原來的3人，先可設為每班2人，清凈崗位從原來合計12人，可減少到現(xiàn)在6人，總共可以減少10人。按月均工資3500元/人計算，每年可以節(jié)約人工成本三十余萬元，可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。在社會效益與環(huán)境效益方面，響應現(xiàn)代提升自動化、機械化的精神號召，繁瑣的乙炔加料控制移交給計算機實現(xiàn)，大大降低了員工的勞動強度，使得操作方式更可靠、運行更安全。項目順利實施，總體效果良好，布局合理，美觀大方，更重要的是杜絕了人為失誤的發(fā)生，完全由計算機程序執(zhí)行，操作人員只要根據(jù)提示即可完成所有的操作過程，現(xiàn)有的控制方式更加的人性化，更有利于電氣、儀表技術人員查找故障、排除故障，設備的開工率由此大大增加。同時也提高了生產(chǎn)原料的利用率及大大降低了設備的損壞率。更加智能化及人性化的操作界面也為企業(yè)提高了生產(chǎn)效率。

4 結論

目前，該技術已在天業(yè)化工20萬t/a生產(chǎn)裝置中成功使用，效果良好，并已成功推廣到40萬t/a聚氯乙烯裝置，裝置運行穩(wěn)定且安全可靠。通過創(chuàng)新技術的應用，不但減少了人為誤操作率，也大大提高了設備的利用率。具有積極的借鑒意義與巨大的推廣價值。

Improvement and optimization of acetylene production process automatic control

ZHANG Jun-ping，ZHOU Hong-yan
（Xinjiang Tianye Group Chemical Go.,Ltd.,Shihezi 832000，China）

A series of transformation of acetylene generator charging and replacement operation control procedures，summarizes the existing manual drawbacks，to program automatic control，reduce the work load of the operator，at the same time is significantly reduced due to the operation of the number of accidents，improve the safety and stability of production the continuity of production equipment.

acetylene；reactor；feed replacement；automatic control；research

TQ086.3

B

1009－1785(2017)01-0026-04

2016-09-02