電氣自動(dòng)化在化工企業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用探討

張寶成， 王丹生， 楊合山

（山東省菏澤市東明縣工業(yè)行業(yè)服務(wù)中心， 山東 菏澤 274500）

0 引言

化工企業(yè)一般具有工藝復(fù)雜、危險(xiǎn)源多、有毒有害物多、工藝參數(shù)要求嚴(yán)格等特點(diǎn)。很多在生產(chǎn)一線工作的工人不僅需要忍受惡劣的工作環(huán)境，有時(shí)還會(huì)接觸到易燃易爆和有毒有害物，對(duì)工人正常的生產(chǎn)操作以及身體健康都有很大的影響。化工企業(yè)不同于其他類型企業(yè)，對(duì)生產(chǎn)工藝和各項(xiàng)工藝指標(biāo)要求非常嚴(yán)格，一旦工藝指標(biāo)出現(xiàn)偏差，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)火災(zāi)、爆炸、有毒有害氣體泄露等惡性生產(chǎn)事故。如何保證安全生產(chǎn)，保證工藝指標(biāo)符合要求，成為化工企業(yè)日常管理的重點(diǎn)。電氣自動(dòng)化控制技術(shù)的功能和優(yōu)勢(shì)可以很好地滿足化工企業(yè)對(duì)于安全生產(chǎn)和嚴(yán)格控制工藝指標(biāo)的要求。并且，通過自動(dòng)化控制替代人工操作，有助于企業(yè)減員增效，一定程度上減少了企業(yè)的用工成本。目前，國內(nèi)化工企業(yè)已經(jīng)普遍具備了較高的自動(dòng)化生產(chǎn)能力，隨處可見各種自動(dòng)化電氣設(shè)備。隨著電氣自動(dòng)化控制在化工生產(chǎn)企業(yè)中的普及應(yīng)用，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)的安全性，經(jīng)濟(jì)效益也得到顯著提高。

1 電氣自動(dòng)化控制技術(shù)概述

電氣自動(dòng)化是伴隨著電氣設(shè)備與自動(dòng)化控制技術(shù)融合發(fā)展而來的，能夠?qū)崿F(xiàn)電氣儀表的自動(dòng)化檢測、電氣設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行和電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)化控制[1]。最初的電氣設(shè)備操作基本都是采用人工手動(dòng)控制的方式，如某個(gè)電機(jī)的啟停、某個(gè)照明的開閉以及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整等，都需要人員到現(xiàn)場開閉電氣開關(guān)或者是調(diào)整旋鈕才能實(shí)現(xiàn)。這樣的弊端就是需要人員到達(dá)環(huán)境惡劣的工作現(xiàn)場，人員勞動(dòng)強(qiáng)度較大，工作效率和安全性較差，也容易出現(xiàn)人員誤操作，不能精確控制某些電氣設(shè)備參數(shù)。在自動(dòng)化控制技術(shù)問世之后，傳統(tǒng)的電氣設(shè)備控制方式也在悄然發(fā)生改變。從較早的單片微處理機(jī)再到如今廣泛使用的可編程邏輯控制器（PLC），從簡單的開關(guān)控制到多變量高級(jí)算法，自動(dòng)化技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其自動(dòng)化控制水平越來越高，可控制的邏輯方式也越來越復(fù)雜。結(jié)合計(jì)算機(jī)、工業(yè)以太網(wǎng)、電子儀表和電子傳感器等相關(guān)硬件，已經(jīng)形成了比較成熟完善的工業(yè)自動(dòng)化控制體系。自動(dòng)化控制技術(shù)在與電氣設(shè)備相融合之后，從電氣設(shè)備最簡單的開關(guān)啟?？刂品绞?，到傳感器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)后由控制系統(tǒng)和執(zhí)行器控制電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)的反饋控制，都是電氣自動(dòng)化控制的體現(xiàn)。

2 化工企業(yè)生產(chǎn)中電氣自動(dòng)化運(yùn)行模式分析

2.1 分布式控制生產(chǎn)模式分析

在分布式控制生產(chǎn)模式下，通常由幾組功能部件綜合形成一個(gè)完整的公共控制模式。該生產(chǎn)模式綜合應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、顯示技術(shù)和4G 控制技術(shù)，每組功能部件僅面向有限的呼叫提供服務(wù)。在分布式控制模式下，各主控器呈現(xiàn)為樹枝結(jié)構(gòu)，共同組成了一個(gè)主體控制系統(tǒng)[2]。該種生產(chǎn)模式具有運(yùn)行簡單、快捷的優(yōu)勢(shì)，能夠針對(duì)性地操作與控制電氣設(shè)備，管理更加明確。同時(shí)，也便于在電氣控制系統(tǒng)中引進(jìn)測控技術(shù)。

2.2 計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)模式分析

計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)模式下，可以使化工生產(chǎn)中涉及的每一個(gè)環(huán)節(jié)均處于系統(tǒng)的控制狀態(tài)下，共同形成一個(gè)系統(tǒng)整體。實(shí)現(xiàn)了企業(yè)經(jīng)營與生產(chǎn)安全的緊密結(jié)合。該種生產(chǎn)模式下，化工原料從進(jìn)場檢測，再到加工與生產(chǎn)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都與電氣自動(dòng)化相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程電氣控制的全面化、綜合化、一體化。在化工自動(dòng)化控制的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可嘗試結(jié)合化工企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的實(shí)際特點(diǎn)，形成系統(tǒng)且全面的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)，全面監(jiān)控化工企業(yè)生產(chǎn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)和每一個(gè)重要電氣設(shè)備的運(yùn)行情況。同時(shí)，依托遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)，可將現(xiàn)場電氣設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)連接至遠(yuǎn)程控制中心，方便管理人員隨時(shí)查看各電氣自動(dòng)化設(shè)備的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)與參數(shù)，保障電氣設(shè)備和生產(chǎn)過程的可靠、穩(wěn)定。

2.3 現(xiàn)場總線生產(chǎn)模式分析

現(xiàn)場總線是將安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場的檢測設(shè)備與安裝在控制室內(nèi)的自動(dòng)化設(shè)備連接而形成的數(shù)字式數(shù)據(jù)總線，其連接與通信具有多點(diǎn)通信以及串行性特征?，F(xiàn)場總線是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動(dòng)化領(lǐng)域中最底層的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。在化工生產(chǎn)現(xiàn)場總線模式下，現(xiàn)場控制設(shè)備具有通信功能，便于形成底層的控制網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，由于現(xiàn)場總線模式下通信的公開性以及通信標(biāo)準(zhǔn)的一致性，使控制系統(tǒng)內(nèi)的電氣設(shè)備具備了開放性以及交互操作的特點(diǎn)。在化工企業(yè)電氣自動(dòng)化布局中，現(xiàn)場總線模式可以較好地解決現(xiàn)場電氣設(shè)備與高級(jí)控制系統(tǒng)之間以及控制器、智能化儀器儀表設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)電氣設(shè)備等現(xiàn)場設(shè)備相互之間存在的數(shù)字通信問題。

3 電氣自動(dòng)化控制在化工企業(yè)中的具體應(yīng)用

化工企業(yè)的生產(chǎn)原材料與產(chǎn)品主要是各種類型的化學(xué)物質(zhì)，廠區(qū)內(nèi)很多生產(chǎn)區(qū)域中都存在大量有毒有害、易燃易爆的化學(xué)危險(xiǎn)物質(zhì)。出于保證安全生產(chǎn)和保證產(chǎn)品質(zhì)量的要求，需要嚴(yán)格做好人員防護(hù)，嚴(yán)格控制生產(chǎn)操作以及工藝指標(biāo)。由于化工企業(yè)的生產(chǎn)操作環(huán)境比較惡劣，不少生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)存在高溫、粉塵、噪音以及空間受限等不利因素，對(duì)現(xiàn)場人員的操作造成了很大的影響。但由于生產(chǎn)需要，操作人員不得不到復(fù)雜惡劣的現(xiàn)場進(jìn)行電氣設(shè)備的生產(chǎn)操作，容易發(fā)生安全生產(chǎn)事故或是職業(yè)健康危害。通過應(yīng)用電氣自動(dòng)化控制技術(shù)，極大地提高了企業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，很多電氣設(shè)備不需要人員到現(xiàn)場操作即可自動(dòng)按照工藝要求運(yùn)轉(zhuǎn)。在很大程度上改善了化工企業(yè)人員的作業(yè)環(huán)境，保證了安全生產(chǎn)。同時(shí)，工藝指標(biāo)也得到了有效控制，保證了產(chǎn)品質(zhì)量[3-4]。

3.1 遠(yuǎn)程控制，改善人員工作環(huán)境

化工企業(yè)生產(chǎn)一線的作業(yè)環(huán)境普遍比較惡劣，不少生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)存在高溫、粉塵、噪音和化學(xué)物質(zhì)逸散等問題。但由于生產(chǎn)需要，操作人員不得不到復(fù)雜惡劣的現(xiàn)場進(jìn)行電氣設(shè)備的生產(chǎn)操作。惡劣的作業(yè)環(huán)境嚴(yán)重影響現(xiàn)場作業(yè)人員的身心健康，也埋下了安全隱患。電氣自動(dòng)化的遠(yuǎn)程控制功能使得這一問題迎刃而解，極大地改善了工作環(huán)境。在電氣自動(dòng)化控制中，控制中心與現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用通信光纖進(jìn)行通信連接，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離電子通信。控制過程中，由控制中心發(fā)出電信號(hào)，現(xiàn)場的繼電器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，從而控制現(xiàn)場電氣設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行，現(xiàn)場無需任何人工操作。這種通信方式較容易實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，人員在遠(yuǎn)離作業(yè)現(xiàn)場的控制室內(nèi)，通過操作電腦即可控制現(xiàn)場電氣設(shè)備的啟停和參數(shù)調(diào)整。人員可以遠(yuǎn)離危險(xiǎn)和惡劣的生產(chǎn)現(xiàn)場，從而極大地改善了人員工作環(huán)境，提高了生產(chǎn)操作的安全性。同時(shí)，也減少了惡劣工作環(huán)境對(duì)人員帶來的職業(yè)病傷害，保障了化工企業(yè)員工的身體健康，得到了企業(yè)及廣大員工的認(rèn)同。

3.2 高精度控制，工藝指標(biāo)控制更精確

化工企業(yè)生產(chǎn)的精細(xì)化程度較高，很多重要的工藝環(huán)節(jié)對(duì)溫度、壓力、加料量等都有嚴(yán)格的要求，需要進(jìn)行高精度的控制。如果某個(gè)重要的工藝指標(biāo)出現(xiàn)偏差，就會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量以及后續(xù)生產(chǎn)，甚至造成安全生產(chǎn)事故或環(huán)保事故。傳統(tǒng)人工操作方式下，很多工藝參數(shù)是很難精確掌握的，比如溫度、加料量和閥門開度等。自動(dòng)控制系統(tǒng)具有數(shù)字化控制的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電氣設(shè)備參數(shù)的數(shù)字化精確調(diào)節(jié)。操作人員可在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制欄中選擇或是手動(dòng)輸入具體的數(shù)字，控制系統(tǒng)便會(huì)按照該數(shù)字參數(shù)對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的數(shù)字化、精確化控制。電機(jī)啟停時(shí)間、加熱爐溫度、電子閥門開度和管道氣體壓力等，都是化工企業(yè)生產(chǎn)中比較常見的需要高精度控制的項(xiàng)目。相比于傳統(tǒng)人工調(diào)節(jié)的方式，數(shù)字化的控制方式顯然更加可控、更加精確，非常適用于需要高精度控制的電氣設(shè)備。因此，化工企業(yè)通過精準(zhǔn)控制生產(chǎn)中的很多工藝指標(biāo)，就能提高產(chǎn)品質(zhì)量，企業(yè)也能獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 自動(dòng)控制可節(jié)省人力，降低勞動(dòng)強(qiáng)度

大型化工企業(yè)中電氣設(shè)備眾多，各種電氣設(shè)備如風(fēng)機(jī)、電機(jī)等數(shù)量較多。生產(chǎn)時(shí)經(jīng)常需要人員到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行啟停操作，而且由于很多電氣設(shè)備相距較遠(yuǎn)，需要多人操作，并耗費(fèi)一定的行走時(shí)間，費(fèi)時(shí)耗力。通過電氣自動(dòng)化控制，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行編程，系統(tǒng)就會(huì)控制相應(yīng)的電氣設(shè)備按照設(shè)定好的程序自動(dòng)運(yùn)行。原本需要多人到達(dá)現(xiàn)場的操作，在應(yīng)用自動(dòng)化控制后，只需一人坐在控制室內(nèi)點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可完成，而且效率更高、工作量更少、準(zhǔn)確性也更高。比較常見且較為簡單的自動(dòng)控制方式主要有時(shí)鐘控制、程序控制等。隨著工業(yè)計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，通過建立計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多變量和各種復(fù)雜邏輯的編程和控制，可以替代人工完成更為復(fù)雜的電氣操作，進(jìn)一步節(jié)省人力，促進(jìn)了電氣設(shè)備運(yùn)行的智能化，在冶金化工、醫(yī)藥化工等行業(yè)領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。由自動(dòng)化、智能化控制替代了很多人工操作，甚至是人工難以完成的工作內(nèi)容，有助于降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)企業(yè)減員增效。目前，很多企業(yè)都在推廣自動(dòng)化減人增效，有效降低企業(yè)的用工成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 保護(hù)控制，減少設(shè)備故障，保障安全生產(chǎn)

自動(dòng)控制具有連鎖和保護(hù)的功能，可保障電氣設(shè)備的運(yùn)行安全、減少故障發(fā)生幾率。在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中編輯輸入相應(yīng)的保護(hù)程序，即可實(shí)現(xiàn)連鎖和保護(hù)功能。當(dāng)電氣設(shè)備在運(yùn)行過程中或是生產(chǎn)工藝中某個(gè)參數(shù)指標(biāo)達(dá)到觸發(fā)保護(hù)條件時(shí)，連鎖和保護(hù)功能就發(fā)揮作用，自動(dòng)采取拒絕動(dòng)作、緊急停車和緊急斷電等保護(hù)措施，保證設(shè)備和人員的安全，杜絕電氣火災(zāi)事故發(fā)生。如常見的電機(jī)過熱保護(hù)，當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定溫度后，保護(hù)裝置就會(huì)自動(dòng)控制電機(jī)降低功率負(fù)荷或是停車，避免了電機(jī)過熱燒損。工業(yè)自動(dòng)控制中其他常見保護(hù)控制還有超速保護(hù)、過流保護(hù)和過載保護(hù)等。保護(hù)控制的應(yīng)用有效保證了電氣設(shè)備的安全，節(jié)省了因電氣設(shè)備燒損而產(chǎn)生的設(shè)備維修與采購費(fèi)用，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本。

3.5 反饋控制，實(shí)時(shí)監(jiān)控與采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，提高儀表檢測效率

自動(dòng)化控制技術(shù)與電子儀表的結(jié)合形成了自動(dòng)化儀表，通過自動(dòng)化儀表可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場電氣設(shè)備的反饋控制。反饋控制最大的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)采集。電子儀表通過布置在現(xiàn)場的各種傳感器對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后將數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)以及控制室顯示屏?？刂剖业牟僮魅藛T通過觀察顯示屏的數(shù)據(jù)，即可了解現(xiàn)場各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)變化情況，從而做出相應(yīng)的操作，以保證生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定。計(jì)算機(jī)在這個(gè)過程中作為儀表的監(jiān)控和發(fā)出指令的中心，通過計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算與存儲(chǔ)能力，在很大程度上提高了儀表檢測的速率。儀表檢測速率是自動(dòng)化儀表最明顯的優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)的儀表相比，自動(dòng)化儀表能夠自動(dòng)檢測所需要檢測的數(shù)據(jù)，并根據(jù)自動(dòng)化程序完成相應(yīng)的操作，極大地提高了檢測速率。

4 電氣自動(dòng)化給化工企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)效益

1）提高了產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)品獲得了更好的市場銷路、更高的市場售價(jià)，企業(yè)可獲得更多的經(jīng)濟(jì)收益。以煤化工企業(yè)為例，在采用自動(dòng)化控制之前，焦?fàn)t煤氣主管壓力的調(diào)節(jié)主要依靠人工手動(dòng)開閉煤氣管道閥門。不僅員工工作強(qiáng)度大，而且壓力調(diào)節(jié)不夠準(zhǔn)確。特別是在煤氣管網(wǎng)壓力出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，人工調(diào)節(jié)很難跟進(jìn)，導(dǎo)致焦?fàn)t加熱不夠穩(wěn)定，溫度控制也不理想，經(jīng)常出現(xiàn)焦炭夾生或是過火的問題，嚴(yán)重影響焦炭的市場售價(jià)和銷路。采用自動(dòng)化控制之后，煤氣壓力全部改為電子閥門自動(dòng)調(diào)節(jié)。這一措施在很大程度上提高了焦?fàn)t加熱的穩(wěn)定性，焦炭產(chǎn)品質(zhì)量也因此得到保證。噸焦價(jià)格也因此上漲了幾十元。

2）降低了企業(yè)用工成本。應(yīng)用電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)之后，減員增效也被很多企業(yè)提上日程。某化工企業(yè)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)在采用自動(dòng)化控制之后，皮帶啟停和視頻監(jiān)控全部由控制室人員完成，4 名現(xiàn)場人員全部撤離。由此降低了企業(yè)用工成本，企業(yè)每年可節(jié)省20余萬元。

5 結(jié)語

電氣自動(dòng)化的應(yīng)用極大地促進(jìn)了化工企業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，為企業(yè)提質(zhì)增效提供了技術(shù)支持。電氣自動(dòng)化控制技術(shù)的功能和優(yōu)勢(shì)很好地滿足了化工企業(yè)對(duì)于安全生產(chǎn)和嚴(yán)格控制工藝指標(biāo)的要求。在提高產(chǎn)品質(zhì)量、確保生產(chǎn)安全的同時(shí)，化工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益也得到顯著提高。