基于LabVIEW的DAP单元安全生产仿真系统

谭田天，张东胜，胡敬芬，王成硕

（北京化工大学 机电工程学院，北京 100010）

基于LabVIEW的DAP单元安全生产仿真系统

谭田天，张东胜，胡敬芬，王成硕

（北京化工大学 机电工程学院，北京 100010）

磷酸氢二铵（DAP）生产实物操作与实验具有相当的危险性，文中将危险性与可操作性分析（HAZOP）方法与虚拟仪器设计相结合，开发基于LabVIEW的DAP安全生产单元仿真系统，通过生产中关键参数偏差超限的监测报警，显示该超限的原因分析、后果预测、预防应对措施，实现单元安全生产仿真、为DAP的安全生产与设备维护提供指导。

仿真系统；LabVIEW；危险性与可操作性分析；DAP

二元高效复肥磷酸氢二铵（DAP）生产及工艺过程伴随有毒有害物料，实物操作与实验的安全培训具有一定的危险性，生产工艺参数失控有可能造成不可忽视的财产损失、人员伤亡、环境破坏。DAP单元安全生产仿真系统软件的开发为非实际工作环境下改变条件和参数偏差分析系统的行为提供了可能。相对于传统的安全措施，其具有成本低、风险低、无需实际工作环境的优点。

1 DAP生产单元HAZOP分析

1.1 HAZOP分析简介

HAZOP是以系统工程为基础的一种定性分析或定量评价的危险性评价方法[1-2]，通过分析生产运行过程中工艺、操作控制中可能出现的偏差，以及这些变动与偏差对系统的影响及可能导致的后果，找出偏差的原因，明确装置或系统内及生产过程中存在的主要危险、危害因素，并针对变动与偏差的后果提出对应采取的措施[3-8]。

1.2 DAP单元生产的HAZOP分析

磷酸氢二铵化工生产是由磷酸溶液与氨水溶液加入到带夹套的搅拌反应釜中发生中和反应所生成的DAP放入一密闭贮槽中。根据DAP的生产工艺流程，文中将其划分为4个单元（如表1），分别为：氨水贮槽、磷酸贮槽、反应釜、DAP贮槽。

表1 HAZOP单元划分及定义关键参数Tab.1 HAZOP units’ division and key parameters’definition

HAZOP小组利用头脑风暴法，对各个评价单元的生产装置、生产运行状况中的关键参数使用引导词（如表1），逐一细致地进行危险可操作性分析，根据分析结果，DAP单元生产过程中关键参数偏差过大可能发生的原因有：人为误操作；管道堵塞、泄漏；流量控制阀、流量计、温度计故障；进料泵故障；管道被腐蚀；原料在贮槽内变质；原料配置不合格；进料时混入杂质、异物；高温酷暑使容器、管线中的物料发生膨胀；安全阀故障；贮槽、反应釜的降温降压未按照先高后低的顺序；突然断电；地震、火灾等自然灾害。

可能造成的事故有：中毒窒息事故，爆炸、燃烧事故，灼烫、机械伤害、物体打击、触电、高处坠落。

可采取的预防措施有：进料前进行物质鉴定和浓度检查；选用抗腐蚀性能较好的材料的储罐容器、反应釜及管道；进料管路控制阀选用单向阀，倒流自动关闭；定期切换备用进料设备来检查维护清洁原进料设备管道，控制阀，流量计、温度计、压力表等；定期为安全阀做泄压试验；安装液位监测报警装置预防容器内的物料存储过满；贮槽、反应釜进料管道安装带警报器的流量计；严格把关原料，进料前检测流量和浓度；加强人员培训，严守操作规程，聘专职安全人员监督；氨水贮槽、反应釜采用封闭结构，并抽真空通入氮气为保护气；工作区域保持通风良好，安装工作区氨气监测报警装置；贮槽、反应釜安装液位监测报警装置；制定事故应急预案，加强人员安全培训，佩戴防护用具；装置危险处安装防护措施。

应对措施有：检测进料流量设置，更改错误设置；检测进料流量计、进料控制阀、进料泵以及管道有无泄漏，若故障则更换相应备用器具，并诊断维修原进料装置作为备用；贮槽、反应釜温度报警立即采用间歇性喷淋降温、排风扇等降温措施同时换备用温度计测量温度是否正常，两个或两个以上高温报警降温按照先高温后低温的顺序进行；情况严重或以上应对措施无效则立即启动相应的事故应急预案。

2 仿真系统在LabVIEW平台的设计

本文采用LabVIEW2009，核心是VI（G语言编写程序）,根据目标功能系统分为3个模块：管理员登陆模块、生产模拟模块、监测报警模块（如图1），各模块呈现高内聚，低耦合的特点。

图1 DAP生产单元仿真仿真系统框架Fig.1 DAP production unit simulation system simulation framework

2.1 数据库的动态创建

系统采用LabVIEW SQL Toolkit实现对Access数据库的访问。通过在ODBC数据源中创建Data Source Name（DSN)，建立LabVIEW[8-10]SQL Toolkit与数据库的连接，并通过配置DSN，导出相关信息至DSN1.reg、DSN2.reg，再将两个文件中的注册表信息合并为一个注册表文件，另存为Datafile.reg，配置Driver(ODBC驱动程序的路径)、DBQ（标识数据源文件的存放路径），通过获得数据源文件路径确定其键值，编写vi导入刚才创建的Datafile.reg至注册表，修改“DBQ”项值为当前数据库文件存放路径，以实现数据源的动态创建。

2.2 系统设计及实现

2.2.1 系统界面设计

人机界面是评价软件的重要指标，得益于LabVIEW高效的 语言编程方式和灵活的控件属性设置。本文的系统根据人机原理构建了友好的人机界面(如图2，延缓视觉疲劳，各界面简洁明了、生动形象，便于使用。当系统开始运行时，显示管理员登录系统界面，登录成功后转入工作界面，点击启动生产，磷酸、氨水开始进料，点击各贮槽、反应釜流量、压力、温度、工作区氨气监测报警开关，调节随机扰动大小，同时可观察超限报警、原因后果分析及预防应对措施。

图2 管理员登陆界面设计Fig.2 Administrator login interface design

2.2.2 系统详细设计

1）系统初始化。程序开始运行，首先完成5个初始化任务：①清空用户名和密码输入栏。②隐藏工作界面相关控件。③各贮槽、反应釜流量、压力、温度、工作区氨气监测报警开关和生产开关的关闭。④各贮槽、反应釜流量、压力、温度、工作区氨气初始值归零。⑤磷酸、氨水进料流量初始值设置。

2）管理员信息验证。管理员输入用户名、密码后点击“登录”按钮，系统核对该用户名和密码数据库中是否存在，若存在，登陆成功，显示欢迎信息，进入工作界面。否则将提示输入错误，请重新输入。具体图3所示。

图3 管理员信息验证程序框图Fig.3 Administrator to verify the block diagram

3）生产模拟。假设DAP生产严格按照国家安全监管总局关于加强化工过程安全管理的指导意见 （安监总管三〔2013〕88号）中开停车的相关规定，从开始进料流量到达到稳定生产过程的风险低，不在HAZOP分析范围内，因此生产模拟通过LabVIEW自带数学工具创建公式节点，输入液位流量表达式，并通过LabVIEW数据流运行模式实现试车的快速模拟。设定溢出临界液位的为液位上限，设置登陆成功后登陆界面相关控件隐藏，同时显示工作界面相关控件，在While循环的顺序结构中创建磷酸、氨水进料输入控件与连接调节旋钮的仿真信号△θi相加。

图4 DAP化工生产的工艺流程模型图Fig.4 DAP chemical production process model

图5 生产模拟vi程序框图Fig.5 Production simulation block diagram vi

4）监测报警。模拟生产进入持续稳定阶段，启动监测报警系统对生产关键参数进行实时监测。创建监测报警SUBVI，基于LabVIEW数据流运行模式，当数据同时到达监测报警SUBVI输入端口时，监测报警SUBVI可被视为同步执行。通过选项卡控件实现磷酸、氨水贮槽，反应釜，DAP贮槽流量、压力、温度、液位监测报警及工作区氨气监测报警5个监测报警区的划分，并创建HAZOP方法定义关键参数的局部变量，由于不涉及数组结构等空间复杂度较高的变量结构，可忽略内存复制增加问题，在While循环中创建布尔变量连接CASE结构，为真实关键参数与报警上下限控件输入值进行比较，超限时报警灯及报警音乐启动，显示关键参数超限的HAZOP原因后果分析及预防应对措施指导，操作管理员可根据系统指示，及时排查原因，采取措施防止事故的发生。

图6 工作界面误操作报警Fig.6 Working interface malfunction alarm

3 结束语

文中基于LabVIEW，将HAZOP方法的DAP生产单元仿真系统与HAZOP方法相结合的虚拟仪器设计，为非实际工作环境下对DAP化工生产危险性及事故预防的全面认识提供了可能，该设计可为操作人员增强自身安全防范意识及装置的安全管理提供指导。同时也是非实物条件下 安全、快速、深入了解磷酸氢二铵（DAP）生产的有效方法。

[1]马莉,韩文辉,王朝晖.HAZOP研究在柴油加氢精制装置的应用[J].石油化工安全环保技术,2010,6(2):10-13.

MA Li,WEN-Hui Han,WANG Zhao-hui.HAZOP study in the application of diesel hydrotreating unit[J].Petrochemical Safety and Environmental Protection Technology,2010,6(2):10-13.

[2]李勇.磷酸二铵生产易发事故及预防[J].化工安全与环境,2005,6(21):12-13.

LI Yong.DAP accident-prone production and prevention[J].Chemical Safety and Environment,2005,6(21):12-13.

[3]童刚.虚拟仪器实用编程技术[M].北京:机械工业出版社,2008.

[4]张重雄.虚拟仪器技术分析与设计[M].北京:电子工业出版社,2007.

[5]张毅.虚拟仪器技术分析与应用[M].北京:机械工业出版社,2004.

[6]林君,谢宣松等.虚拟仪器原理及应用[M].北京:科学出版社,2006.

[7]刘明洁,姜雪娜.虚拟仪器开发环境LabVIEW7 Express及其数据采集[J].仪器仪表标准化与计量,2005(4):17-18.

LIU Ming-jie,JIANG Xue-na.Virtual instrument development and data collection environment LabVIEW7 Express.[J].Standardization and Metrology Instruments,2005 (4):17-18.

[8]周求湛.虚拟仪器与LabVIEW7Express程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版,2004.

[9]李达,魏学哲,孙泽昌.LabVIEW数据采集系统的设计与实现[J].中国仪器仪表,2007(1):49-52.

LI Da,WEI Xue-zhe,SUN Ze-chang.Design and implementation.LabVIEW data acquisition system[J].Chinese Instruments,2007(1):49-52.

[10]王建群,南金瑞,孙逢春,等.基于LabVIEW的数据采集系统的实现[J].计算机工程与应用,2003(21):122-125.

WANG Jian-qun,NAN Jin-rui,SUN Feng-chun,et al.To achieve LabVIEW data acquisition syste[J].Based Computer Engineering and Applications,200(21):122-125.

Security producing unit simulation system based on LabVIEW

TAN Tian-tian，ZHANG Dong-sheng，HU Jing-fen，WANG Cheng-shuo
（College of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100010,China）

the physical operation and experiment of Diammonium phosphate (DAP)production have a lot of risk,the paper combined Operability Analysis (HAZOP)analysis (HAZOP)with virtual instrument design for the development of safe production unit DAP simulation system based on LabVIEW,to achieve cell safe production process simulation,analysis of the reasons for the alarm monitoring,predicting consequences,prevention countermeasures for the safe production and maintenance of equipment to provide guidance.

simulation system；LabVIEW；hazard and operability analysis；DAP

TN86；TP391

A

1674-6236（2014）13-0018-03

2014-02-10 稿件编号：201402027

教育部大学生科技创新项目（091001018）

谭田天（1989—），女，新疆库尔勒人，硕士研究生。研究方向：管理信息系统。