氯堿化工中自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展與優(yōu)化

張志遠(yuǎn)

（烏海市烏達(dá)區(qū)應(yīng)急管理局，內(nèi)蒙 烏海市016040）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展， 市場(chǎng)對(duì)氯堿化工產(chǎn)品的需求越來越大，對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的要求也越來越高，再加上氯堿化工企業(yè)自身的高危性質(zhì)， 生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全性必須得到充分保證， 這就使氯堿化工企業(yè)在生產(chǎn)過程中對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)有了更高的要求。 自動(dòng)化控制的應(yīng)用確保企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的高效進(jìn)行， 同時(shí)也確保了工作者人身與企業(yè)財(cái)務(wù)的安全。

1 氯堿化工自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用

1.1 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的特征

（1）安全性高。自動(dòng)化儀表在生產(chǎn)過程中應(yīng)用主要是為了監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過程相關(guān)環(huán)節(jié)的各個(gè)參數(shù)， 通過對(duì)數(shù)據(jù)的采集、分析、處理以保證各方面的工作安全進(jìn)行。 氯堿化工生產(chǎn)多采用流水線的生產(chǎn)模式且具有一定的危險(xiǎn)性，一旦一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，很可能對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程造成影響，甚至引發(fā)安全事故。自動(dòng)化控制技術(shù)能夠保證氯堿化工生產(chǎn)過程的安全性，確保整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境都處于穩(wěn)定、可持續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)。

（2）提高控制水平。傳統(tǒng)的氯堿化工生產(chǎn)主要采用批量控制手段，在一定程度上能夠提高生產(chǎn)效率，但其所具有的適用性、經(jīng)濟(jì)性有待考量。 以DCS 控制系統(tǒng)為例， 在應(yīng)用過程中該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，但其具有維護(hù)成本高、投入大等問題。 為解決這一問題，企業(yè)逐漸引入PID 技術(shù)，將傳統(tǒng)的批量控制轉(zhuǎn)變?yōu)榇?jí)控制。PID 動(dòng)態(tài)變量、軟測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用范圍更加廣泛， 且能夠?qū)崿F(xiàn)單獨(dú)軟件包的控制效果，可以進(jìn)行獨(dú)立的編程操作，這種工作方法更具有針對(duì)性。

（3）具有交互界面。 交互界面是人機(jī)操作不可缺少的一部分，也是自動(dòng)化控制技術(shù)的核心所在，它是在氯堿化工控制技術(shù)集成性新需求下產(chǎn)生的。 工作人員通過操作界面參數(shù)設(shè)置，實(shí)施對(duì)設(shè)備的自動(dòng)化管理。 自動(dòng)化控制交互界面顯示儀表監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能夠幫助操作人員更快、更準(zhǔn)確地獲取數(shù)據(jù)信息，能夠提高生產(chǎn)過程中的效率與質(zhì)量， 實(shí)現(xiàn)集成化的生產(chǎn)。 另外，交互界面上的信息比較豐富，操作人員通過顯示屏上的信息，可以對(duì)工作進(jìn)行調(diào)整與決策。人機(jī)交互界面的操控方法是在生產(chǎn)操作與控制措施的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的， 它能夠比較直觀地體現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)信息，而且在操作過程中也更加人性化。

（4）技術(shù)類型多元化。氯堿化工企業(yè)生產(chǎn)過程中主要以DCS 控制為主，隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，各種新型控制技術(shù)得到推廣與應(yīng)用。 為了滿足生產(chǎn)過程中集成化要求，人機(jī)交互界面更有人性化特點(diǎn)，安全儀表控制技術(shù)應(yīng)用貫穿生產(chǎn)操作各個(gè)過程， 多項(xiàng)技術(shù)的融合為安全生產(chǎn)提供更多可能性[1]。

1.2 氯堿化工自動(dòng)化控制技術(shù)類型

（1）常規(guī)控制。 在氯堿化工裝置中，自動(dòng)化控制措施主要為順序控制和批量控制。目前，國(guó)內(nèi)石化企業(yè)一般采用DCS 系統(tǒng)來對(duì)氯堿化工裝置的生產(chǎn)實(shí)施自動(dòng)化控制。 DCS 的應(yīng)用簡(jiǎn)化了控制過程，大大減少了人工操作，但是DCS 具有維護(hù)成本高、投入大等問題。

（2）先進(jìn)控制。 PID 技術(shù)是在DCS 技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步衍生出來的， 它不僅能夠作為一個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立存在，還可以作為軟件包，和模型辨識(shí)技術(shù)與多變量動(dòng)態(tài)過程所涉及到的軟測(cè)量技術(shù)加以聯(lián)系。 在氯堿化工生產(chǎn)過程中，PID 技術(shù)的獨(dú)立特征實(shí)現(xiàn)了多變量動(dòng)態(tài)測(cè)量作業(yè)， 也可以實(shí)現(xiàn)模糊辨別儀表間的聯(lián)系，通過串級(jí)控制的措施，達(dá)到完善先進(jìn)技術(shù)運(yùn)用的目的[2]。 隨著現(xiàn)代化控制理論不斷提升，自動(dòng)化控制技術(shù)水平都比以前有了明顯的提升， 多數(shù)石化企業(yè)已達(dá)到除PID 控制器以外的多變量控制手段的水平。

（3）安全儀表控制。氯堿化工企業(yè)的生產(chǎn)過程中危險(xiǎn)系數(shù)比較高， 想要保障企業(yè)更加平穩(wěn)安全的運(yùn)行，在氯堿化工自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用中，安全系數(shù)一定是不可忽略的重要方面。 安全儀表系統(tǒng)作為保障裝置安全生產(chǎn)的一道重要防線， 在一定程度上可避免安全生產(chǎn)事故的發(fā)生，保障企業(yè)的盈利水平。

2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

氯堿化工行業(yè)面臨市場(chǎng)全球化、競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，要取得競(jìng)爭(zhēng)上的優(yōu)勢(shì)，必須提高工廠的生產(chǎn)效率。在提升工廠效率的諸多方法中， 實(shí)現(xiàn)儀表控制系統(tǒng)自動(dòng)化，是投資成本小且收益最優(yōu)的方式之一。相對(duì)于傳統(tǒng)儀控系統(tǒng)， 自動(dòng)化控制系統(tǒng)具備更為先進(jìn)的功能，以分散式控制系統(tǒng)（DCS）為例。

2.1 靈活性

（1）可方便的執(zhí)行控制策略變更，只需改變軟件組態(tài)設(shè)計(jì)即可， 而不需購(gòu)買額外的硬件設(shè)備及變更硬件接線。

（2）控制器參數(shù)、警報(bào)設(shè)定值、報(bào)表格式等均可依需要隨時(shí)修改調(diào)整。

（3）對(duì)于操作條件時(shí)常變更的工藝過程（如進(jìn)料質(zhì)量改變、批次操作等），可使用事先設(shè)計(jì)好的程序輕易的達(dá)到控制器參數(shù)變更或配方切換的目的，如此可以大幅提高工藝過程穩(wěn)定性、減少操作成本。

2.2 控制功能

（1）提供各種功能的控制方塊供使用者組合使用，這些控制方塊從連續(xù)控制、批次控制、邏輯運(yùn)算至數(shù)學(xué)運(yùn)算應(yīng)有盡有。

（2）允許使用者利用DCS 控制器的控制語言完成其所需要的各種控制策略。

（3）具備各種自動(dòng)功能如初始化、追蹤、超馳控制反饋處理等可使控制策略的運(yùn)算更加穩(wěn)定， 并減少操作員的操作步驟。

（4）各控制器間的資料可互相傳遞，因此DCS控制器可輕易完成復(fù)雜的控制策略。

（5）數(shù)位式資料處理精確度高。

2.3 人機(jī)界面

（1）人機(jī)界面是將設(shè)備的工作形態(tài)與控制措施作為顯示器的主要部分，再輔以儀表與信號(hào)燈，通過鼠標(biāo)鍵盤來加以操作。 DCS 可將許多監(jiān)控點(diǎn)及信息合并在同一張操作畫面上， 因此能同時(shí)提供給操作員更多有關(guān)的數(shù)據(jù)及信息以供操作之用。 DCS 通過提供彩色、動(dòng)態(tài)畫面，并配合視窗功能、觸摸式熒幕、鼠標(biāo)等，可使操作員方便執(zhí)行控制動(dòng)作，并充分掌握現(xiàn)場(chǎng)狀況。

（2）操作員可以看見整體的工藝過程運(yùn)作情形并獲得所有相關(guān)的信息及資料。

（3）操作員可以在CRT 操作臺(tái)上操作更多的回路。

除上述之外，DCS 同時(shí)具有多種畫面， 如一般操作畫面、趨勢(shì)畫面、警報(bào)畫面、維修畫面及訊息畫面等，以提供各種有關(guān)信息。并且可以提供良好及完整的記錄及報(bào)表功能， 并可根據(jù)不同目的以不同格式打印。

2.4 安裝費(fèi)用

現(xiàn)場(chǎng)儀器與控制室間可以采用Hart/FieldBus連接或采用遠(yuǎn)距離I/O， 比傳統(tǒng)接線方式節(jié)省大量的材料和人工費(fèi)用。

2.5 可信度及系統(tǒng)維護(hù)

由于集成電路本身的可信度高及系統(tǒng)本身所具有的自我偵錯(cuò)及處理錯(cuò)誤的功能，使得DCS 具有可信度較高及容易維護(hù)的特點(diǎn)。而根據(jù)不同的使用者，其所提供的特點(diǎn)如下。

（1）可經(jīng)由軟件或硬件組態(tài)的組合，限制故障發(fā)生時(shí)的聯(lián)鎖效應(yīng)。

（2）可以將故障限制在局部，使工藝過程在大部分的情況下均能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）由于個(gè)別模塊的損壞可分別做在線抽換，因此并不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的操作。

（4）較傳統(tǒng)控制系統(tǒng)提供更佳的保密性及可信度（精確度）。

（5）具備冗余功能，系統(tǒng)不會(huì)因單一設(shè)備損壞而受到影響。

2.6 安全性

（1）DCS 及PLC 能較傳統(tǒng)儀器更容易以自動(dòng)程序執(zhí)行聯(lián)鎖性及停車的功能，以維持工廠的安全。

（2）當(dāng)操作值超過極限時(shí)，可以快速的反應(yīng)或產(chǎn)生警報(bào)。

（3）可以設(shè)計(jì)較多的警報(bào)點(diǎn)而不需額外的硬件接線。

（4）各式警報(bào)可以不同畫面顏色、閃爍、聲音頻率及報(bào)表顯示。

（5）具有事件記錄功能，其報(bào)表可分析跳車原因。

2.7 資料儲(chǔ)存

DCS 可自動(dòng)的將所有的重要資料（如操作資料、警報(bào)、信息等）儲(chǔ)存在電腦內(nèi)，不僅節(jié)省人工抄錄時(shí)間，且方便日后整理及利用，另外利用通訊方式可將其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信息傳入， 以充分達(dá)到信息整合的目的。

2.8 豐富的套裝軟件

目前各系統(tǒng)廠家已推出各式的套裝軟件供客戶選擇，如數(shù)學(xué)及物性數(shù)據(jù)庫(kù)、試算表、統(tǒng)計(jì)控制、PID自動(dòng)參數(shù)調(diào)整、預(yù)測(cè)控制等套裝軟件，利用這些套裝軟件并配合用戶自行開發(fā)的應(yīng)用程序?qū)⒖纱蠓岣吖S效益。

2.9 擴(kuò)充性

（1）DCS 最主要之特性就是分散性及模塊化，因此DCS 在擴(kuò)充性方面幾乎是沒有限制的。

（2）它讓使用者可隨著工場(chǎng)的擴(kuò)充而一步一步加入所需的DCS 模塊，并且不需變動(dòng)原有系統(tǒng)。

（3）新舊模塊可共存，或透過其他方式結(jié)合在一起，達(dá)到互相傳遞資料及共享資源的目的。

2.10 信息整合

由于全球性市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，CIM/MES/ERP 等的建立已成為各制造業(yè)者維持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的首要目標(biāo)，DCS 在信息整合方面無疑的將提供最良好及有效之基礎(chǔ)，而未來DCS 將更朝開放式架構(gòu)前進(jìn)，這更有利于CIM 的實(shí)現(xiàn)。

3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的優(yōu)化

3.1 優(yōu)化途徑

隨著科技的發(fā)展， 自動(dòng)化控制系統(tǒng)也不斷更新?lián)Q代， 其發(fā)展趨勢(shì)更加開放、 智能控制向數(shù)字化發(fā)展、 裝置具有兼容性等特點(diǎn)。 但由于各石化工廠對(duì)工藝監(jiān)控要求的程度不同， 同時(shí)考慮其現(xiàn)有系統(tǒng)的狀況， 在儀控系統(tǒng)優(yōu)化的做法上也不一樣， 一般而言，可按照下列途徑進(jìn)行。

（1）電子式系統(tǒng)更新。將舊的電子式系統(tǒng)全面更換為分配型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可提供許多實(shí)質(zhì)上的改進(jìn)，比如操作監(jiān)控能力增強(qiáng)、容易與其他工廠計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)做信息整合等。

（2）批次操作系統(tǒng)優(yōu)化。 化工廠內(nèi)聚合反應(yīng)、紙漿廠、水泥廠、制藥廠等工藝過程，往往包含許多順序控制及連續(xù)控制，兩者間的關(guān)系相當(dāng)密切，如何使兩系統(tǒng)間協(xié)調(diào)恰當(dāng)，相當(dāng)重要。以往的做法是分別采用繼電器及PID 控制器來控制，操作員要密切監(jiān)視，以避免不合格的產(chǎn)品。 最近推出的“混生型控制器”同時(shí)具有連續(xù)及順序控制的功能，使用在這類批次控制上， 可以減少操作人員的負(fù)擔(dān)、 精確控制質(zhì)量，減少設(shè)備閑置時(shí)間等。

（3）規(guī)模較小的工廠控制系統(tǒng)。對(duì)于一些規(guī)模較小的工廠，或是單純做資料搜集 的系統(tǒng)而言，全面采用所謂的分配型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可能并不值得。此時(shí)可考慮以個(gè)人計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)。 這類系統(tǒng)隨著個(gè)人用電腦的發(fā)展，逐漸為人接受，只要選擇適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)組態(tài)、輸入及輸出元件、個(gè)人計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)軟件及應(yīng)用軟件，可以組合成相當(dāng)靈活、可靠的系統(tǒng)， 價(jià)錢并不昂貴， 但計(jì)算機(jī)控制所具的優(yōu)點(diǎn)都有。

3.2 自控系統(tǒng)更新注意事項(xiàng)

氯堿化工廠儀表自動(dòng)化控制系統(tǒng)的更新牽涉層面相當(dāng)廣，如果事先未做好規(guī)劃，或執(zhí)行期間未能密切協(xié)調(diào)， 那么儀控系統(tǒng)的更新必不能達(dá)到預(yù)期效果。 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的更新應(yīng)注意以下方面。

3.2.1 更新前分析工作

（1）對(duì)安全性進(jìn)行分析。采用新系統(tǒng)后是否會(huì)危及工廠的安全，應(yīng)如何確保安全生產(chǎn)。

（2）新系統(tǒng)控制策略的分析。應(yīng)對(duì)新系統(tǒng)控制策略對(duì)工廠的影響做仔細(xì)的探討， 必要時(shí)應(yīng)做動(dòng)態(tài)模擬，以確定其可行性。

（3）現(xiàn)場(chǎng)儀器的匹配。 在更新系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意現(xiàn)場(chǎng)儀器的匹配性。現(xiàn)有儀器是否必須更新、新儀器的精確性及與系統(tǒng)配合性要求等問題均需全面考慮。

（4）原有設(shè)計(jì)資料搜集、整理。 許多工廠的設(shè)計(jì)資料在過了多年后，往往殘缺不全，有的甚至與現(xiàn)場(chǎng)情況不一致。在做自控系統(tǒng)更新前，一定盡可能將所有資料搜集齊全，并做現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)的工作。

3.2.2 不影響現(xiàn)有工藝過程

系統(tǒng)更新的基本要求應(yīng)盡量不影響原有工藝過程，一般采用“回路接著回路”轉(zhuǎn)換方式即能達(dá)成這項(xiàng)要求。 此法比“停車后轉(zhuǎn)換再開車”方式有著如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）某一時(shí)間內(nèi)只會(huì)遇到一件問題，可以迅速找出，予以修正。

（2）控制回路每次只轉(zhuǎn)換一、兩個(gè)，操作人員易于接受。

（3）此種方式轉(zhuǎn)換可以讓工廠在穩(wěn)定狀態(tài)下操作。

3.2.3 操作人員的接受性

對(duì)于一個(gè)習(xí)慣操作盤面儀控系統(tǒng)的操作員而言， 一旦要面對(duì)以CRT 為主的新的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，心中必然充滿疑慮，如不設(shè)法消除此種心理，即使整個(gè)系統(tǒng)更新勉強(qiáng)完成， 操作員對(duì)新系統(tǒng)的排斥感會(huì)使整個(gè)更新計(jì)劃完全失敗。 消除其排斥感最好的方式就是讓操作人員實(shí)際參與整個(gè)更新計(jì)劃，并且要進(jìn)行相應(yīng)的訓(xùn)練， 讓操作人員有充分時(shí)間熟悉了解。

3.2.4 成立項(xiàng)目小組

更新計(jì)劃開始后，應(yīng)立即成立項(xiàng)目小組，其成員應(yīng)包括操作人員和維修人員， 系統(tǒng)更新工作小組應(yīng)有各專業(yè)成員（比如系統(tǒng)、工藝、儀表、電氣工程師及技術(shù)人員）及系統(tǒng)廠家代表。項(xiàng)目小組必須定期舉行會(huì)議，保持密切配合，嚴(yán)格追蹤進(jìn)度。

4 結(jié)語

氯堿化工企業(yè)中，為了達(dá)到提升生產(chǎn)效率、確保生產(chǎn)安全的目的， 企業(yè)應(yīng)進(jìn)一步完善和加強(qiáng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用， 自動(dòng)化控制技術(shù)的不斷優(yōu)化與完善是推動(dòng)氯堿化工行業(yè)持續(xù)發(fā)展的必然要求。 企業(yè)通過不斷優(yōu)化自動(dòng)化技術(shù)提高控制的安全性， 合理的調(diào)度和管理使企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益節(jié)節(jié)攀升。