精細(xì)化工儀表選型及自動控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

張明

（重慶長風(fēng)化學(xué)工業(yè)有限公司，重慶 401252）

0 引言

近年來，我國工業(yè)領(lǐng)域在科技的支持下取得顯著成就，并面向自動化、數(shù)字化、智能化方向邁進(jìn)。生產(chǎn)過程參數(shù)新檢測技術(shù)和新材料的應(yīng)用，大大提高測量的準(zhǔn)確性和適用性。自動控制系統(tǒng)由多個電子元件構(gòu)成，具有控制溫度、壓力、流量以及物位等功能，其中應(yīng)用比較廣泛的當(dāng)屬DCS 技術(shù)，在精細(xì)化工生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用，因此，針對精細(xì)化工儀表選型和工業(yè)自動控制系統(tǒng)的研究很有必要。

1 精細(xì)化工儀表選型研究

1.1 精細(xì)化工儀表應(yīng)用情況

精細(xì)化工工藝及生產(chǎn)過程多以間歇和半間歇操作為主，涉及易燃易爆、有毒有害、腐蝕性強(qiáng)危險介質(zhì)，加上生產(chǎn)流程一般較長，工藝復(fù)雜多變，介質(zhì)相變情況較為常見，這些因素對生產(chǎn)過程工藝參數(shù)的檢測帶來了很大挑戰(zhàn)，對儀器儀表的使用和維護(hù)造成了不小的困難。

隨著國家大力鼓勵和培育“專、精、特、新”小巨人企業(yè)，同時國家加強(qiáng)對涉及“兩重點(diǎn)一重大”企業(yè)的安全監(jiān)管和專家指導(dǎo)服務(wù)，對于精細(xì)化工企業(yè)來說，要發(fā)展就得從思想上轉(zhuǎn)變意識，通過加強(qiáng)對工藝參數(shù)的檢測，還需要利用信息化智能化平臺，提升生產(chǎn)裝置本質(zhì)安全水平和安全管理水平，所有這些先進(jìn)管理技術(shù)都必須基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確收集和傳送，所以現(xiàn)場工藝參數(shù)的檢測，也就是檢測儀表的選型和使用就非常重要，如有選型不當(dāng)，小則影響生產(chǎn)，大則造成嚴(yán)重事故，甚至造成人員傷亡和財產(chǎn)損失的嚴(yán)重后果。

1.2 精細(xì)化工儀表的選型與應(yīng)用

光氣及光氣化工藝是典型的精細(xì)化工工藝，是首批重點(diǎn)監(jiān)管危險工藝目錄中的第一個危險工藝。光氣通過一氧化碳和氯氣反應(yīng)制成，反應(yīng)介質(zhì)具有燃爆危險性，反應(yīng)副產(chǎn)物氯化氫具有腐蝕性，易造成設(shè)備和管線泄漏使人員發(fā)生中毒事故，光氣為劇毒氣體，在儲運(yùn)、使用過程中發(fā)生泄漏后，易造成大面積污染、中毒事故。

光氣化工藝是把光氣作為原料，與芳香烴、醇等反應(yīng)生成光氣衍生品。某些光氣即產(chǎn)即用技術(shù)需要把合成的氣態(tài)光氣冷凝后，液態(tài)滴加到反應(yīng)釜進(jìn)行光化反應(yīng)，液態(tài)光氣的滴加采用常壓重力自流方式進(jìn)行，穩(wěn)定的滴加就需要建立穩(wěn)定的光氣液位，也就是說對光氣液位的穩(wěn)定檢測是滴加工藝的關(guān)鍵，現(xiàn)就舉例光氣液位計改造對儀表選型的應(yīng)用進(jìn)行分析。

改造前安裝示意如圖1 所示，主要采用U 型連通原理在冷凝后的液位光氣垂直滴加管（DN50）引出聯(lián)通管（DN125，長2000mm），再在連通管上安裝量程為1800mm的磁浮球液位計，儀表過程連接法蘭、導(dǎo)桿、磁浮子材質(zhì)為316L。此儀表選型存在的以下問題：①液態(tài)光氣處于零下溫導(dǎo)致磁浮子導(dǎo)桿內(nèi)容易凝出可見水，導(dǎo)致儀表故障，運(yùn)行不穩(wěn)定，檢修頻繁。②光氣中含有少量氯離子，儀表接液材質(zhì)均為316L，均不耐受氯離子，且磁浮子存在穿漏進(jìn)入液態(tài)光氣問題，給檢修帶來很大風(fēng)險。③為了保證磁浮球液位計正常工作，必須采用擴(kuò)大口徑管道連通器，導(dǎo)致了在線液態(tài)光氣存量很大，存在很大安全環(huán)保風(fēng)險。

圖1 改造前

針對上述運(yùn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場實際工況，大膽提出了取消連通器，改用隔膜密封式差壓變送器直接在DN50 垂直滴加管上測量光氣液位的改造方案如圖2所示，差壓變送器選用EJA118E 系列，接液材質(zhì)選用TAN，已經(jīng)過3 年多的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對比改造前，主要優(yōu)化或改進(jìn)的地方如下：①檢測精度大大提高，運(yùn)行穩(wěn)定性更好，幾乎零維護(hù)、零檢修。②接液材質(zhì)完全耐受氯離子，幾乎不存在穿漏風(fēng)險，安全性和可靠性大大提高。③取消連通器，每套液位計直接減少液態(tài)光氣在線量約40kg，大幅減少劇毒介質(zhì)在線量，大大降低了安全環(huán)保風(fēng)險。

圖2 改造方案

2 工業(yè)自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

2.1 新一代DCS 系統(tǒng)

工業(yè)生產(chǎn)過程存在一定危險性，對細(xì)節(jié)部分精準(zhǔn)度要求較高，通過自動控制系統(tǒng)進(jìn)行管理是最適當(dāng)?shù)目刂妻k法，隨著工業(yè)生產(chǎn)類型的拓展，自控系統(tǒng)功能也向多樣化、智能化方向發(fā)展。現(xiàn)階段，新一代DCS 是相對先進(jìn)的系統(tǒng)，國內(nèi)系統(tǒng)主要有浙江中控和北京和利時，系統(tǒng)具有一定集成性，其中包括儀表層和多個控制裝置單元層，能夠為工業(yè)生產(chǎn)活動提供具體的數(shù)據(jù)，并將其分類貫穿于每個工序中實現(xiàn)全覆蓋式控制。這類信息經(jīng)過大數(shù)據(jù)的系統(tǒng)處理，實現(xiàn)實時檢測和存儲，精準(zhǔn)度很高。該系統(tǒng)能夠根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的實際需求進(jìn)行指標(biāo)和功能調(diào)整，例如在進(jìn)行光氣合成生產(chǎn)質(zhì)量控制時能夠顯示具體的參數(shù)壓力、流量、溫度、在線分析、比值調(diào)節(jié)等，并做到集中控制，生產(chǎn)效率于產(chǎn)品質(zhì)量均得到保障，同時降低人力勞動成本，提升效益。

2.2 自動控制系統(tǒng)編程應(yīng)用研究

自動控制系統(tǒng)能夠正常應(yīng)用的關(guān)鍵部分在于可編程控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)情況進(jìn)行控制，從客觀角度來看相當(dāng)于初級迷你計算機(jī)，整個結(jié)構(gòu)中有足夠的存儲裝置確保能夠編寫語言。在應(yīng)用過程中只需結(jié)合工程實況，將所需要的參數(shù)寫入系統(tǒng)，便能實現(xiàn)對自控制，同時對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和管理，確保工業(yè)生產(chǎn)的安全性和自動性，具有開放性強(qiáng)、維護(hù)方便的優(yōu)勢。以光氣合成比值自動調(diào)節(jié)控制為例，應(yīng)用自動控制能夠有效節(jié)省勞動生產(chǎn)力，但根據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，仍存在一些問題需要高度重視，一是自動控制不等于無人控制，自動控制只是降低了勞動強(qiáng)度，還不能實現(xiàn)無人值守，仍然需要操作人員實時監(jiān)控，防止出現(xiàn)異常情況觸發(fā)報警或聯(lián)鎖；二是部分流程或是單元實現(xiàn)了自動控制，不等于全流程全系統(tǒng)自動控制，需要關(guān)注單元與單元之間的銜接和控制。

光氣合成工藝流程示意圖如圖3 所示，采用一氧化碳與氯氣在催化劑的作用下合成光氣，根據(jù)重點(diǎn)監(jiān)控工藝參數(shù)要求，應(yīng)實現(xiàn)反應(yīng)物料的自動配比。根據(jù)工藝控制要求，提出控制邏輯方案，利用最新DCS 程序編制軟件進(jìn)行編程如圖4 所示，通過控制回路調(diào)試和PID參數(shù)整定，從而實現(xiàn)了反應(yīng)物料比值自動調(diào)節(jié)和跟蹤的功能，把自動控制系統(tǒng)的優(yōu)勢充分體現(xiàn)出來。

圖3 光氣合成流程

圖4 比值調(diào)節(jié)邏輯控制程序

3 自動控制系統(tǒng)的干擾問題及應(yīng)用優(yōu)化

3.1 電導(dǎo)耦合干擾問題

儀表自動控制系統(tǒng)中一旦存在電信號減弱趨勢或設(shè)備絕緣性降低，其導(dǎo)電性能則會被提升，而儀表系統(tǒng)作為總的控制中心，電流異常輸入必然會導(dǎo)致其受到干擾。例如出現(xiàn)交流電，形成高頻干擾導(dǎo)致控制系統(tǒng)不靈敏，主要表現(xiàn)為干擾頻帶擴(kuò)大，可以歸咎為電網(wǎng)大負(fù)載切換的直接影響。一些負(fù)荷電或可控硅切換會生成電壓，不良反應(yīng)為壓波變形，在整個控制過程中需要尋找根本原因，通過分析可以發(fā)現(xiàn)“地回路”（即電導(dǎo)耦合）是其中的一種，能夠?qū)⒌孛孀優(yōu)榛芈分械闹匾獦?gòu)，導(dǎo)致原信號干擾問題嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)明顯電位差，這是造成工業(yè)生產(chǎn)活動事故的多發(fā)性原因。

針對自動控制安全儀表系統(tǒng)這一干擾問題，最常見的方式是接地保護(hù)措施，確保儀表正常運(yùn)作的同時給予操作人員一定安全保障。該方式不僅能夠降低對其他相關(guān)聯(lián)設(shè)備的影響，確保其正常運(yùn)作以免造成電機(jī)宕機(jī)或其他情況，同時還能降低操作人員的安全風(fēng)險，提供基礎(chǔ)保障。接地措施還能有效削弱信號干擾情況，避免抑制差?；蚬材Ｊ录陌l(fā)生，保護(hù)儀表內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3.2 外部溫濕度干擾

自動控制儀表系統(tǒng)從功能和電子機(jī)械裝置上來看屬于高精密設(shè)備，對外部環(huán)境的敏感特性極強(qiáng)，在應(yīng)用過程中需要保持現(xiàn)場環(huán)境空氣干燥，連接儀器的導(dǎo)線性能要求較高。但在工業(yè)生產(chǎn)過程中難免存在溫度、濕度不適宜儀表器工作的情況，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部環(huán)境變化頻繁[1]。在這種情況下，操作的精密性必然受到干擾，造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)生銹、電阻增大、電容器和電流表受損，進(jìn)而影響最終示數(shù)結(jié)果，甚至徹底無法正常運(yùn)行。

基于此，需要結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的具體情況安置自動控制儀表系統(tǒng)，盡可能布設(shè)在通風(fēng)口處，遠(yuǎn)離氣體出氣口和濕潤環(huán)境，同時做好防護(hù)工作。例如在鋪設(shè)信號線與動力線的過程中，需要詳細(xì)劃分二者的領(lǐng)域范圍，確?？粘鲆欢尉嚯x，避免相互影響，做到“不交叉、不緊貼”，在穿管操作中需要采用分開穿管布線的方式，降低影響率。應(yīng)嚴(yán)格金屬架鋪設(shè)時需要根據(jù)信號幅值來進(jìn)行分離排序，由低至高布線。此外，還可以應(yīng)用絕緣護(hù)套做好系統(tǒng)隔離，還能有效抑制電容性噪聲耦合。

3.3 電磁干擾

電磁干擾主要來源于系統(tǒng)的外部環(huán)境，近年來工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境逐漸向機(jī)械化、自動化、智能化邁進(jìn)，很多電氣設(shè)備的負(fù)荷電流會發(fā)出一定電磁，無疑增加了控制系統(tǒng)的干擾路徑。在應(yīng)用時一旦干擾量大于抗性，則會導(dǎo)致儀表屏幕閃爍麻點(diǎn)，控制效果和靈敏度均有所降低[2]。例如針對高壓電力設(shè)備或高頻設(shè)備進(jìn)行自動控制時，配電設(shè)備信號輸出對穩(wěn)定性的需求較高，但當(dāng)儀器受到電磁干擾后必然會產(chǎn)生控制指標(biāo)不穩(wěn)的現(xiàn)象，一旦這類設(shè)備斷電，則會瞬間進(jìn)行放電行為，會對儀表系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。

信號與電氣設(shè)備對儀表系統(tǒng)的影響在工業(yè)生產(chǎn)過程中是無法避免的一大問題，只能根據(jù)情況盡量消除影響降低干擾程度。因此，可以應(yīng)用屏蔽器實現(xiàn)對設(shè)備信號的屏蔽，其原理在于分離干擾信號和有用信號，并降低二者之間的影響情況，保證自動控制儀表系統(tǒng)接收有用信號的頻次。在隔離過程中，干擾信號和有用信號的耦合具有差異，能夠輕松屏蔽干擾信號。

4 結(jié)語

在精細(xì)化工生產(chǎn)的過程中，儀表檢測和自動控制系統(tǒng)是保證相關(guān)工序指標(biāo)正常的決定性因素，能夠有效提升工作質(zhì)量和效率，同時確保安全和環(huán)境風(fēng)險可控。隨著科技的不斷發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域信息化、數(shù)字化、智能化程度逐漸提升，對精細(xì)化工企業(yè)安全生產(chǎn)的要求也會更高，需要在設(shè)備和技術(shù)方面投入更多資金和精力，集中力量做好技術(shù)升級和改造，重點(diǎn)關(guān)注電導(dǎo)耦合、電磁等方面的干擾，科學(xué)制定優(yōu)化方案確保儀表檢測和自控控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和持續(xù)性。