集散控制系統(tǒng)在環(huán)氧乙烷衍生生產(chǎn)系統(tǒng)上的應(yīng)用

謝志鋒，梁馨茹(廣東龍匯化學(xué)工業(yè)有限公司，廣東 茂名 525000)

0 引言

隨著我國技術(shù)的高端化和經(jīng)濟的縱深化，各個行業(yè)對環(huán)氧乙烷衍生品開始有了越來越大的需求，由此環(huán)氧乙烷衍生產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)也逐年增加，但生產(chǎn)和運營安全是生產(chǎn)系統(tǒng)面臨最大的問題。而行之有效的生產(chǎn)控制，對保證生產(chǎn)工序的安全、避免各類事故的發(fā)生、提升生產(chǎn)的質(zhì)量和效率等方面具有關(guān)鍵的現(xiàn)實意義。文章以某石化企業(yè)的環(huán)氧乙烷衍生精細化工生產(chǎn)系統(tǒng)為例，深度研究環(huán)氧乙烷衍生生產(chǎn)系統(tǒng)具體的需求后，通過對ExperionPKS(第四代)的應(yīng)用，對生產(chǎn)運行技術(shù)和整個生產(chǎn)系統(tǒng)進行有效優(yōu)化。

1 PKS集散控制系統(tǒng)概況

過程知識系統(tǒng)(PKS)隨著Honeywell公司的集散控制軟件不斷更新?lián)Q代，ExperionPKS作為集散控制系統(tǒng)的第四代軟件，是以現(xiàn)代高科技網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的高可靠控制系統(tǒng)。PKS的基礎(chǔ)是以太網(wǎng)，與分散控制系統(tǒng)(DCS)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)等功能融為一體，具備良好的開放性和豐富的系統(tǒng)支持能力，DCS以其超強的控制能力具備極高的可靠性和強大的完善功能。DCS組態(tài)軟件工具極其完善，可以幫助用戶高效、方便地完成各類任務(wù)和功能控制。組態(tài)軟件包括三個部分：第一為CB，全稱Control Builder，為控制策略組態(tài)軟件；第二為QB，Quick Builder，屬于SCADA組態(tài)軟件；第三為HMI DB，全稱HMIWeb Display Builder，為用戶界面組態(tài)軟件。

2 環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)概況

環(huán)氧乙烷是重要的石油化工產(chǎn)品，作為乙烯的重要衍生物核心的作用是制造乙二醇，該制劑占據(jù)環(huán)氧乙烷整體產(chǎn)量的50%～70%以上，同時在表面活性劑的制作中也大量應(yīng)用環(huán)氧乙烷，大約占據(jù)總產(chǎn)量的10%～20%。另外，環(huán)氧乙烷也用于乙二醇醚、乙醇胺的制作。環(huán)氧乙烷在醫(yī)藥方面主要用于滅菌劑的制作。

環(huán)氧乙烷產(chǎn)量最高的國家為美國、德國和日本等。近些年，因為中東石油化工產(chǎn)業(yè)的迅速興起，環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)基地逐漸落戶中東。全球2010年新增環(huán)氧乙烷104.8萬噸生產(chǎn)能力，新增生產(chǎn)能力全部來自沙特，生產(chǎn)的企業(yè)包括薩比克子公司延布Yansab石化廠，每年可生產(chǎn)43.5萬噸，薩比克另外一個子公司朱拜勒Sharq石化廠，每年可生產(chǎn)16.0萬噸，拉比格公司，可每年生產(chǎn)46.0萬噸[1]。

3 環(huán)氧乙烷衍生生產(chǎn)工藝

國內(nèi)烷氧基化生產(chǎn)工藝主要有三種：傳統(tǒng)釜式生產(chǎn)工藝、小型化烷氧基化生產(chǎn)工藝、大中型化烷氧基化生產(chǎn)工藝。環(huán)氧乙烷衍生主要包括以下的生產(chǎn)工藝流程：首度檢查、循環(huán)導(dǎo)熱油、添加鏈起試劑、預(yù)真空、產(chǎn)生反應(yīng)、熟化工序、冷卻、脫氣和排凈。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該生產(chǎn)系統(tǒng)流程不僅技術(shù)復(fù)雜，而且有一定的毒性，潛藏著很大的危險性，因此該系統(tǒng)的生產(chǎn)程序的安全穩(wěn)定極為關(guān)鍵，為實現(xiàn)安全穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率雙提高的目標。該系統(tǒng)應(yīng)用了PKS集散控制系統(tǒng)，也就是第四代集散控制系統(tǒng)，也是30年來構(gòu)建的統(tǒng)一過程的知識體系。該體系是基于資源管理、過程控制、行業(yè)知識集一身與六西格瑪相結(jié)合的方法論。

環(huán)氧乙烷衍生精細化工生產(chǎn)系統(tǒng)主要分為四個部分：控制系統(tǒng)、服務(wù)器、場地設(shè)施和客戶端。該系統(tǒng)的服務(wù)器選擇冗余服務(wù)，明顯的優(yōu)勢是兩臺服務(wù)器在發(fā)生故障時可以接替彼此的工作，確保系統(tǒng)正常運行?？蛻舳伺c服務(wù)器構(gòu)成該系統(tǒng)的二重結(jié)構(gòu)，在該系統(tǒng)中應(yīng)用最大的特點是完全能夠動態(tài)儲存生產(chǎn)數(shù)據(jù)、歷史記錄和報警記錄，客戶端主要功能是監(jiān)控工藝流程，對報警記錄和歷史趨勢進行查看。選擇冗余的C300作為控制器，同時系統(tǒng)輸入和輸出的卡件可以選擇冗余的C系列I/O卡件。通過如此設(shè)置，顯著提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性以及系統(tǒng)的安全等級[2]。

5 集散控制系統(tǒng)在環(huán)氧乙烷衍生生產(chǎn)系統(tǒng)上的應(yīng)用

5.1 環(huán)氧乙烷衍生物工藝類型

我國烷氧基化生產(chǎn)工藝主要有三種：傳統(tǒng)釜式生產(chǎn)工藝、小型生產(chǎn)工藝烷氧基化生產(chǎn)工藝和大中型烷氧基化生產(chǎn)工藝。傳統(tǒng)釜式生產(chǎn)工藝特點：在常規(guī)機械攪拌反應(yīng)釜中，采取鼓泡反應(yīng)，用內(nèi)盤管或夾套移走熱量；優(yōu)點是生產(chǎn)工藝易于掌握，工藝設(shè)備簡單，投資少：適合小批量、多品種烷氧基化產(chǎn)品的生產(chǎn)；缺點是反應(yīng)溫度壓力難以控制，生產(chǎn)速度慢、產(chǎn)品質(zhì)量差，安全性較低。小型化烷氧基化生產(chǎn)工特點：采用氣霧接觸反應(yīng)器，以第一代PRESS技術(shù)為代表；優(yōu)點是反應(yīng)速度為傳統(tǒng)釜式反應(yīng)工藝的5倍以上，反應(yīng)器安全性從根本上得到提高；缺點是自動化程度較低，產(chǎn)品質(zhì)量相對不穩(wěn)定。大中型化烷氧基化生產(chǎn)工藝的特點：采用氣液接觸噴霧反應(yīng)器，以第二代、第三代、第五代PRESS技術(shù)為代表；優(yōu)點是工藝成熟，自動化程度高，生產(chǎn)規(guī)模較大，運行安全穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量好；缺點是工藝設(shè)備投資略高。

5.2 環(huán)氧乙烷衍生工藝流程實現(xiàn)

(1)進行初始檢查和初始設(shè)置，對全部的閥和泵進行安全狀態(tài)的檢查，包括積累量是不是清零，全部控制回路是不是都在手動位置上。(2)完成初始檢查后，進行預(yù)真空和導(dǎo)熱油過程的同時執(zhí)行，在此之前要對預(yù)真空過程選擇進行判斷，必須為否跳過預(yù)真空過程，在這兩個過程執(zhí)行完畢后才能進行下一步。(3)進行大循環(huán)、小循環(huán)以及鏈起始劑加入三個過程的同時執(zhí)行，在此之前要判斷大循環(huán)過程選擇，必須為否跳過大循環(huán)過程。(4)完成以上三個過程的執(zhí)行后，進行預(yù)真空過程的執(zhí)行，抽到預(yù)定的反應(yīng)器壓力。(5)完成預(yù)真空過程執(zhí)行以后，進行強化真空過程和脫水過程的同時執(zhí)行，必須為否跳過脫水過程。(6)完成強化真空過程和脫水過程后，進行初始化過程的執(zhí)行，為反應(yīng)過程奠定初始化的基礎(chǔ)，并進行閥、泵和控制回路異常與否的判斷。(7)完成初始化過程后，開始預(yù)反應(yīng)過程的，可以進行部分反應(yīng)過程的預(yù)先執(zhí)行。(8)反應(yīng)的過程包括最主要的生產(chǎn)工藝部分，加入原料，進行下一步的反應(yīng)，內(nèi)容涉及有效調(diào)控各種控制回路。(9)完成反應(yīng)過程后進行熟化過程，原料的成型是通過熟化過程完成。(10)熟化過后就是冷卻反應(yīng)系統(tǒng)的過程、脫氣過程和氣體過程。熟化之后就要對反應(yīng)系統(tǒng)進行冷卻過程、脫氣過程和氣體過程。完成脫氣過程執(zhí)行后便開始氣體過程的執(zhí)行，和這兩個過程同時執(zhí)行的是冷卻過程。(11)卸料過程、循環(huán)加壓過程和反應(yīng)器加壓過程同時執(zhí)行，向成品罐中輸送反應(yīng)成品。(12)最后進行排凈過程的執(zhí)行，完成泵卸料之后，會依然有成品存留于管線之中，必須通過排凈過程把管線中的成品輸送到成品罐[3]。

5.3 邏輯聯(lián)鎖功能的實現(xiàn)

在生產(chǎn)系統(tǒng)中，邏輯聯(lián)鎖控制作用巨大，通過進料閥HV101案例說明聯(lián)鎖控制功能的實現(xiàn)，進料閥包括數(shù)字量輸入點兩個和一個數(shù)字量輸出點。

第一步，新建一個CM(Control Module)，將該模塊稱之為HV101，也就是進料控制閥HV101的控制功能塊，該功能塊可以實現(xiàn)全部的控制和聯(lián)鎖功能。在控制功能塊中添加兩個數(shù)字量輸入點(開回訊HZSH101、關(guān)回訊點HZSL101)和一個數(shù)字量輸入控制點，同時添加一個控制功能塊DEVCTL。以兩個回訊點和一個輸出控制點為依據(jù)，在DEVCTL的Main屬性頁面上設(shè)計Numberoftnputs為2,StatelName為OPEN，State2Name為 CLOSE。

第二步，在將兩個回訊點的四種組合對應(yīng)的狀態(tài)設(shè)置在Inputs屬性頁中。按照Main頁面的設(shè)置DEVCTL控制塊表現(xiàn)為四種情況：開回訊用 OPEN(State 1)表示；關(guān)回訊用 CLOSE (State 0)表示；中間狀態(tài)利用Inbet表示；故障狀態(tài)利用 Bad表示。

第三步，配置Output屬性頁，對輸出為ON時狀態(tài)表示進行配置。另外還有兩個重要設(shè)置：第一為Safe選項，對該閥的安全狀態(tài)實施指定，全部聯(lián)鎖控制的基本配置，源于聯(lián)鎖開或者聯(lián)鎖關(guān)以此指定到配置完了進料控制閥，能夠利用控制畫面對閥的狀態(tài)進行實時查看，以及有效控制閥的開關(guān)。最終配置閥的聯(lián)鎖控制，該控制具有獨特性，由兩個聯(lián)鎖狀態(tài)構(gòu)成，也就是某些狀況需要聯(lián)鎖打開，某些狀態(tài)需要關(guān)閉聯(lián)鎖，所以選擇強制聯(lián)鎖管控。

5.4 生產(chǎn)報表功能實現(xiàn)

PKS集散控制系統(tǒng)具備豐富而超強的報表功能，完全可以滿足所有生產(chǎn)系統(tǒng)的各種報表需求，能夠?qū)Σ煌a(chǎn)系統(tǒng)報表需求進行滿足。PKS系統(tǒng)的Free Format Report可以根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)報表的實際要求，完成生產(chǎn)報表的生成，由于該集散系統(tǒng)不能自動儲存報表，而生產(chǎn)系統(tǒng)進行生產(chǎn)報表的歷史查詢，因此只能由編程實現(xiàn)自動保存。自由格式報表需要具備幾個條件才能實現(xiàn)，即生產(chǎn)系統(tǒng)中反應(yīng)過程溫度的最大值和最小值和配方參數(shù)信息，表現(xiàn)在以下五個方面：(1)在PKS集散控制系統(tǒng)創(chuàng)建一個Free Format類型的報表，該類報表既能夠進行打印機的指定，更能夠有效生成周期性報表，但考慮生產(chǎn)的指標，該報表的生成需要一定的觸發(fā)。(2)可以設(shè)定為自由報表的格式，以txt作為新建的文件，文件通過文本編輯器進行編輯后，將文件名后綴改為rpt1。報表格式可以采用部分程序。(3)利用自定義額格式進行報表編寫后，在報表設(shè)置的Content屬性頁面中，所要生成的報表格式指定為rpt1。(4)觸發(fā)生成報表后，生產(chǎn)過程全部完成，利用一個標識位進行標識，所以標識位即為觸發(fā)條件，Point Scripts得到PKS系統(tǒng)的支持，也可以對點觸發(fā)的事件進行支持。(5)自動保存生產(chǎn)報表，在系統(tǒng)指定目錄下保存生成的系統(tǒng)報表，目錄里的報表會隨著每一次報表生成而更新，所以，相應(yīng)報表只能存在一個指定目錄下。要想真正保存生產(chǎn)報表，只能在另外的自定義目錄下保存指定目錄下生成的生產(chǎn)報表，同時修改名稱必須按照生產(chǎn)批號進行，歷史查詢報表的功能可以在生產(chǎn)報表保存功能實現(xiàn)后同步完成。在進行生產(chǎn)報表的儲存過程中，以下情況不允許發(fā)生：某些人員的操作錯誤形成曾經(jīng)的批號與該次生產(chǎn)批號相同，就會導(dǎo)致程序的錯誤，因此放棄這次報表的存儲才是正確的做法。

6 環(huán)氧乙烷衍生生產(chǎn)系統(tǒng)安全性評價

6.1 M101混合器單元安全評價

(1)計算單元內(nèi)火災(zāi)爆炸指數(shù)。該環(huán)節(jié)的計算對生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性實現(xiàn)具有重要意義，單元內(nèi)火災(zāi)爆炸指數(shù)(F&EI)的計算包括：選取重要物質(zhì)和確定MF物質(zhì)系數(shù)確定、計算常規(guī)危險工藝系數(shù)F1、計算特殊危險工藝系數(shù)F2、計算工藝單元危險系數(shù)F3在計算F&EI和危險性評價中，基礎(chǔ)的數(shù)值是MF，是表達因為火災(zāi)、爆炸危害中能量產(chǎn)生程度的內(nèi)特性，而化學(xué)反應(yīng)以及燃燒是造成火災(zāi)和爆炸關(guān)鍵因素。有兩個因素構(gòu)成工藝單元危險性，即設(shè)定F1為一般工藝危險性，F(xiàn)2為特殊工藝危險性。也就是說，事故損害大小的關(guān)鍵因素是F1，事故概率的關(guān)鍵影響因素為F2，該兩項因素通常綜合具體情況分別取值相加。也就是說F1與F2相加等于F3。如果計算中F3大于8.0，那么下一步的計算可取F3為8.0。也就是說，MF乘以F3就可得出單元內(nèi)火災(zāi)爆炸指數(shù)。(2)計算單元內(nèi)安全補償措施系數(shù)。單元內(nèi)安全補償措施系數(shù)設(shè)定為C，那么C的計算如下：①進行工藝補償措施系數(shù)C1的計算；②進行危險物質(zhì)隔離補償措施系數(shù)C2的計算；③進行防火設(shè)施補償措施系數(shù)C3的計算；安全補償措施如果利用經(jīng)驗得到，是避免事故發(fā)生的根本保障，也可以縮小事故發(fā)生概率，最大限度減輕危害。C1、C2和C3要按照單元內(nèi)具體狀況分別取值相乘；也就是說，C1、C2、C3相乘就得出單元內(nèi)安全補償措施系數(shù)。

6.2 環(huán)氧乙烷衍生生產(chǎn)系統(tǒng)安全評價

在環(huán)氧乙烷衍生生產(chǎn)系統(tǒng)，如果實際MPPD的被評價單元低于200萬美元，則可以判定該單元安全運行能力較好；如果實際MPPD在400萬美元以上的被評價單元，那么就必須采取一定的安全保障手段后運行。通過上述標準評判環(huán)氧乙烷生產(chǎn)系統(tǒng)各個單元評價結(jié)果顯示，生產(chǎn)運行系統(tǒng)的五個評價單元的真實MPPD都在200萬美元以上，判定為安全范圍，因此該生產(chǎn)系統(tǒng)完全可以安全運行。

7 結(jié)語

文章主要分析了第四代集散控制系統(tǒng)PKS在環(huán)氧乙烷衍生精細化工生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用，重點介紹了環(huán)氧乙烷衍生生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程的實現(xiàn)，研究了邏輯聯(lián)鎖功能的實現(xiàn)以及生產(chǎn)報表功能的實現(xiàn)。實踐表明，基于PKS集散控制系統(tǒng)參與的環(huán)氧乙烷衍生精細化工生產(chǎn)系統(tǒng)在某石化企業(yè)上線，基本實現(xiàn)了預(yù)期的應(yīng)用效果，穩(wěn)定性和可靠性極高。但文章只是對PKS系統(tǒng)部分功能進行應(yīng)用，該系統(tǒng)中的諸多強大功能還沒有表現(xiàn)在文章中。在未來的發(fā)展中更應(yīng)該強化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)布和企業(yè)與其相關(guān)的信息化建設(shè)。