自動化控制在化工安全生產(chǎn)中的應(yīng)用探析

1 徐偉 2 李厚祥

（1 山東大成生物化工有限公司，山東 淄博 255075；2 山東民基新材料科技有限公司，山東 淄博 255075）

引言

自動化控制技術(shù)始于20 世紀(jì)70 年代，初期因電子計算機(jī)技術(shù)的制約，主要運用于測量、輔助監(jiān)視作用，以單儀表控制回路調(diào)節(jié)的簡單控制為主。后來隨著電子計算機(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)為平臺整合多儀表控制回路調(diào)節(jié)技術(shù)。如工業(yè)計算機(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，又開發(fā)了多變量控制器，如模型控制器(MAC)、動態(tài)矩陣控制器(DMC)等先進(jìn)控制系統(tǒng)(APC)。當(dāng)前，自動化控制技術(shù)得益于電子計算機(jī)的快速發(fā)展和應(yīng)用，逐步向智能化發(fā)展。未來在這些自動化控制器的基礎(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。

一、自動化控制在化工安全生產(chǎn)中的應(yīng)用

（一）監(jiān)控診斷故障

化工生產(chǎn)過程中，以實行實時的故障監(jiān)測為主，能針對其中所存在的問題進(jìn)行極早地發(fā)現(xiàn)，并開展有效診斷，這讓化工生產(chǎn)安全工作方面得以保障和支持。通過自動化控制技術(shù)的合理運用和實施，就會形成相應(yīng)的監(jiān)控和診斷模式。比如，要從具體的監(jiān)控領(lǐng)域入手，相應(yīng)的專家做出了具體規(guī)劃和研究方向，化工生產(chǎn)工作實際開展過程中，以自動化控制分析的形式構(gòu)建為主，就會在數(shù)據(jù)和PCA 分析上擁有相應(yīng)的結(jié)果，并輸送到具體的數(shù)據(jù)庫中。這讓控制設(shè)備得以合理化的激活，形成了故障的有效診斷和監(jiān)控。

（二）監(jiān)控分析儀表

化工生產(chǎn)工作實際開展的過程中，把人工監(jiān)控和傳統(tǒng)監(jiān)控儀器結(jié)合在一起對生產(chǎn)設(shè)備中使用的儀表進(jìn)行全面監(jiān)控的方式，不管是在效率還是在精準(zhǔn)的程度上，往往是不能滿足具體化工生產(chǎn)實際要求的。用自動化控制體系替代傳統(tǒng)儀表監(jiān)控設(shè)備，會讓化工安全生產(chǎn)更加合理和高效。比如，現(xiàn)場的總線系統(tǒng)從化工生產(chǎn)相應(yīng)的基準(zhǔn)入手，在實行統(tǒng)一規(guī)劃處理過程中，也實行了系統(tǒng)的合理性監(jiān)控。在處于開放性的環(huán)境領(lǐng)域下，更好的保證操作具有互動性和實際價值。另外，系統(tǒng)以具體的數(shù)字模型裝置為基礎(chǔ)，能夠開展裝置配比工作，對化工生產(chǎn)的相應(yīng)接線工程量進(jìn)行減少。現(xiàn)場總線系統(tǒng)，就會按照實際的生產(chǎn)對象，以適配的儀表監(jiān)控形式為主，保證系統(tǒng)具有相應(yīng)的安全性能和價值。

（三）安全聯(lián)鎖系統(tǒng)

為確保生產(chǎn)過程的安全、穩(wěn)定運行,大限度地減少由于過程失控造成的設(shè)備損壞和人身傷害,減少重大惡性事故發(fā)生的概率,對開工、停工和生產(chǎn)過程中可能發(fā)生重大人身事故和設(shè)備事故的工藝裝置和機(jī)組,應(yīng)設(shè)置相應(yīng)獨立的緊急停車和聯(lián)鎖系統(tǒng)。緊急停車和聯(lián)鎖系統(tǒng)主要是從生產(chǎn)中出現(xiàn)的事故入手，以此實行及時停止生產(chǎn)和作業(yè)的工作系統(tǒng)。通過安全保護(hù)系統(tǒng)實時在線監(jiān)測裝置的安全,在工藝參數(shù)超越某一極限時,或生產(chǎn)過程處于某一危險狀態(tài)時,該裝置將執(zhí)行相應(yīng)的邏輯程序,迅速發(fā)出保護(hù)聯(lián)鎖信號對工藝流程實行聯(lián)鎖保護(hù)或緊急停車,自動將有關(guān)生產(chǎn)過程和設(shè)備置于安全的臨時狀態(tài)（必要時置于部分或全廠停產(chǎn)狀態(tài)），以防釀成人員傷亡、設(shè)備損壞等重大事故。安全聯(lián)鎖系統(tǒng)獨立于生產(chǎn)過程控制,是實現(xiàn)石化裝置本質(zhì)安全的重要手段,也是過程安全的后一道屏障。一方面，在工藝裝置出現(xiàn)異常情況時,要求控制系統(tǒng)能在許可的時間內(nèi)將裝置轉(zhuǎn)入安全狀態(tài)；另一方面,又要求保證控制系統(tǒng)本身在一個或多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時，避免由于生產(chǎn)裝置的誤停車而影響生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

（四）污水排放自動化監(jiān)測

自動化控制技術(shù)合理的運用到化工安全生產(chǎn)工作中，在環(huán)境保護(hù)上也發(fā)揮出了十分重要的作用和價值。進(jìn)行污水排放的過程中，在檢測環(huán)節(jié)上，化工生產(chǎn)的污水排放需要從水溫、pH 值、電導(dǎo)率和濁值方面監(jiān)控。在此情況下，通過計量泵對污水進(jìn)行相應(yīng)的抽取，完成了過濾環(huán)節(jié)之后就可以把污水流經(jīng)通池。在這樣的環(huán)節(jié)構(gòu)建下，污水就會和通池上電導(dǎo)率、PH 電極相互接觸并發(fā)生電流信號。PLC對電流信號進(jìn)行重點分析，并顯示出具體的內(nèi)容和數(shù)據(jù)。之后，以信號的有力執(zhí)行為主，數(shù)據(jù)信息沒有超出設(shè)定數(shù)值的情況下，就可以開展污水排放工作，同時進(jìn)行留樣。在沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的情況下，就會禁止排放工作的開展，也可以進(jìn)行取樣。在污水當(dāng)中會含有相應(yīng)的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)對管道會形成一定的堵塞。這讓檢測工作實際開展陷入了一定的困境。針對此，系統(tǒng)中加入了自動清洗的裝置體系，以PLC 進(jìn)行控制，通過傳感器和管道進(jìn)行自來水的處理，由此完成清洗工作。

二、自動化控制在化工安全生產(chǎn)中的應(yīng)用途徑

（一）精細(xì)化工工藝

自動化系統(tǒng)在自動化控制設(shè)計理念被描述得較為詳細(xì)，利用自動化控制設(shè)計理念對于化工工藝設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)審視與革新，將精細(xì)化工工藝設(shè)計中的各個步驟展開分析，找出存在于當(dāng)中的問題。例如，設(shè)計環(huán)節(jié)中的實驗中的每種原料、各種配料的占比、具體生產(chǎn)流程等。利用自動化控制設(shè)計理念進(jìn)行化工工藝優(yōu)化時都要進(jìn)行重新分析，只有這樣才能更好地看到是否存在提升的機(jī)會。自動化控制設(shè)計理念中對化工工藝在準(zhǔn)確度、精確性以及科學(xué)性方面提供現(xiàn)代化算法，為生產(chǎn)流程設(shè)計出契合現(xiàn)代化特點的生產(chǎn)方式。自動化控制設(shè)計理念讓精細(xì)化工工藝設(shè)計看到設(shè)計中對溫度與壓力等方面的現(xiàn)代化需要。讓自動化控制設(shè)計理念的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，使得精細(xì)化工工藝設(shè)計的現(xiàn)代感以及設(shè)計的效率有所提高。工作人員認(rèn)識到精細(xì)化工工藝設(shè)計還有較大發(fā)展的空間，對精細(xì)化工工藝設(shè)計從靈感層面、設(shè)計理念層面、投入生產(chǎn)層面等著手，分析精細(xì)化工工藝設(shè)計現(xiàn)狀當(dāng)中存在的問題，針對問題進(jìn)行相應(yīng)分析，使得自動化控制設(shè)計理念的優(yōu)勢能夠被充分發(fā)揮出來。

（二）計算機(jī)綜合控制系統(tǒng)

計算機(jī)綜合控制系統(tǒng)也被稱為集成控制系統(tǒng)。這項技術(shù)應(yīng)用于化工生產(chǎn)行業(yè)之前，已經(jīng)有諸多技術(shù)人員將計算機(jī)技術(shù)引入化工生產(chǎn)流程，輔助化工生產(chǎn)工作，提高化工生產(chǎn)效率和質(zhì)量，這一技術(shù)為化工生產(chǎn)行業(yè)做出了較大貢獻(xiàn)。但是運用計算機(jī)技術(shù)輔助化工生產(chǎn)，雖然能在一定程度上提高生產(chǎn)效率，減少資金投入，但是在實際化工生產(chǎn)過程中并不能形成較為完整的輔助體系，從而限制了化工生產(chǎn)行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。計算機(jī)綜合制造系統(tǒng)對化工生產(chǎn)過程中諸多環(huán)節(jié)進(jìn)行了有效的整合和改進(jìn)，將計算機(jī)輔助項目形成完整的體系應(yīng)用于化工生產(chǎn)中。從整體角度來看，將計算機(jī)綜合控制系統(tǒng)應(yīng)用于化工生產(chǎn)，能夠在很大程度上提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，從而有效促進(jìn)化工企業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。計算機(jī)綜合控制系統(tǒng)的建立就需要運用電子信息技術(shù)以及先進(jìn)性材料等，以此構(gòu)成新型的自動化設(shè)備，對生產(chǎn)過程中的每個環(huán)節(jié)進(jìn)行有效的控制和監(jiān)測，從而促進(jìn)化工企業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)。

（三）安全停車功能

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)時很容易因為上下游關(guān)聯(lián)生產(chǎn)環(huán)節(jié)無法及時調(diào)整或停車而造成其他設(shè)備故障、損壞導(dǎo)致危險物料泄漏，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)用自動化控制系統(tǒng)完成緊急安全停車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。安全停車功能是由緊急停車系統(tǒng)(ESD)來實現(xiàn)，基于自動化控制系統(tǒng)，通常依附DCS 系統(tǒng)。初期的緊急停車系統(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DCS 檢測到的報警聯(lián)鎖信號或者人為干預(yù)觸發(fā)緊急停車命令，ESD系統(tǒng)才會發(fā)出聯(lián)鎖信號，再通過DCS 系統(tǒng)實施預(yù)先設(shè)定好的邏輯順序，依次停止各個相關(guān)運行生產(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，ESD 系統(tǒng)經(jīng)過不斷的更新，變得更加的復(fù)雜和高級。ESD 系統(tǒng)分為正常停車、局部緊急停車和全部緊急停車三種控制范圍。自動控制系統(tǒng)通過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)運行狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)的檢查分析，一旦發(fā)現(xiàn)故障預(yù)兆現(xiàn)象的出現(xiàn)，及時進(jìn)行報警。ESD 系統(tǒng)根據(jù)預(yù)警的級別實施相應(yīng)范圍內(nèi)的安全停車。

而對于涉及“兩重點”(重點監(jiān)管工藝和危險化學(xué)品)和“一重大”(重大危險源)的高度危險化工生產(chǎn)裝置，由于其危險危害性很大，為了確保安全的可靠性，建立獨立的安全停車系統(tǒng)，稱安全儀表系統(tǒng)(SIS)。SIS 系統(tǒng)是有嚴(yán)格的條件的，其特點：(1)符合國際安全協(xié)會規(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，能夠檢測并預(yù)防潛在的危險；(3)容錯性的多重冗余系統(tǒng)，單一故障不會導(dǎo)致SIS安全功能喪失；(4)應(yīng)用程序容易修改，可根據(jù)實際需要對軟件進(jìn)行修改；(5)自診斷覆蓋率大，可實現(xiàn)從傳感器到執(zhí)行元件所組成的整個回路的安全性設(shè)計，具有I/O 短路、斷線等監(jiān)測功能；(6)響應(yīng)速度快，從輸入變化到輸出變化的響應(yīng)時間一般在毫秒級。SIS 系統(tǒng)無需人工干預(yù)，一旦投用即可自動運行。它是“靜態(tài)”的，與ESD 的區(qū)別就是具有獨立的檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，雖然可以與DCS 共存，但不互通，互不影響。對現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施進(jìn)行獨立的有等級的安全保護(hù)，避免安全事故的發(fā)生。

（四）優(yōu)化設(shè)備安全檢測

化工行業(yè)在實際運行的過程中，會經(jīng)常設(shè)備故障，而且也不能及時地被發(fā)現(xiàn)和維修。傳統(tǒng)的檢測形式在實際運用過程中，往往需要比較久的時間，在工作上也存在比較大的難度。在此情況下，就不能對設(shè)備中所存在的隱患重點發(fā)現(xiàn)和關(guān)注。面對這樣的問題，一些化工企業(yè)借助了自動化控制技術(shù)手段，從安全性能方面入手，對監(jiān)測工作進(jìn)行合理的優(yōu)化和升級。在對設(shè)備安全開展重點監(jiān)測的過程中，盡可能從源頭上進(jìn)行安全隱患的消除，讓化工行業(yè)擁有安全生產(chǎn)的保障。關(guān)注設(shè)備的實際整體構(gòu)造和運行特點，不同的設(shè)備擁有不同的性能，根據(jù)設(shè)備自身情況和工藝條件、介質(zhì)特點等對設(shè)備自動化監(jiān)測方法進(jìn)行合理運用和優(yōu)化升級。同時，對人員巡檢失誤等問題也需進(jìn)行合理解決，避免由于人的失誤引發(fā)安全事故。會。這讓生產(chǎn)安全得以控制的情況下，在一定程度上節(jié)省人力和物力，實現(xiàn)化工設(shè)備的高效穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

結(jié)束語

綜合以上闡釋，化工生產(chǎn)工作開展的時候，所涉及的危險和有害因素是比較明確的。自動化控制技術(shù)在安全生產(chǎn)領(lǐng)域中的合理運用，會避免出現(xiàn)不安全性因素，也會從根本上對勞動強(qiáng)度進(jìn)行重點降低。對安全生產(chǎn)的工作環(huán)境進(jìn)行重點更新和穩(wěn)定創(chuàng)建之下，也在優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和長期運行過程中看到一定的希望。自動化控制合理的滲透到化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，對技術(shù)條件會開展合理性的優(yōu)化和完善，擁有了更新的模式下，也會在化工安全生產(chǎn)領(lǐng)域中展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢和價值。