自动控制系统在化工安全生产中的应用

李春江，朱江军，周红燕

（新疆天业（集团）天能化工有限公司，新疆 石河子 832000）

自动控制系统在化工安全生产中的应用

李春江，朱江军，周红燕

（新疆天业（集团）天能化工有限公司，新疆 石河子 832000）

介绍了PLC及DCS自动控制系统在氯碱化工生产装置中的安全应用，以及常用控制方案的实现和运行效果。此控制系统运行效率高，不仅提高了产量，而且有利于安全、稳定的生产，大大改善了操作环境及操作强度，取得了可观的经济效益和社会效益。

自动控制系统；化工安全；应用

随着计算机技术的发展和应用，自动控制理论和技术在现代化工大中型工业中高新技术领域的应用也愈来愈广泛。不仅如此，自动控制技术的应用范围现在已扩展到医学、环境等许多社会生活领域中，成为现代社会生活中不可缺少的一部分。如何将自动控制系统在现代化化工企业中安全、稳定、合理地应用，已经成为所有自控专业技术人员所关注的首要问题。这对于提高生产效率、降低劳动力操作强度以及促进大型化工行业的自动控制系统的建设和发展都有非常重要的理论和实际意义。

1 工艺过程及控制要点

1.1 氯碱化工生产工艺过程简介

离子膜烧碱工艺采用目前较为先进的自然循环复极式离子膜电解槽技术法进行生产。主要工序包括粗盐水处理、盐水精制、电解、脱氯淡盐水、氯氢处理、蒸发固碱、次钠、氯化氢合成工序。原盐经化盐桶，去除水中的镁离子、有机物和钙离子，达到规定含量，成为精制盐水；精制盐水经电解槽反应生成氯气、氢气及氢氧化钠。而氯氢生产环节也是当前较为先进的生产工艺，以氯氢合成氯化氢系统可吸收为盐酸，也可作为下一工序氯乙烯合成聚合为聚氯乙烯。如新疆天业集团公司一直致力于打造绿色环保、节能高效的美丽化工，按照“规模化、节能化、环保化、可持续”的发展思路，构建了完整的氯碱化工生产工艺的“节能与环保”、“绿色循环经济产业链”的技术研究战略体系。

1.2 控制系统在化工生产中的重要作用

化工行业生产具有易燃性、易爆性、腐蚀性、毒害性、高温、高压、生产连续化或部分间歇性的诸多特点。随着自动控制在工业控制技术中的发展与应用，现代化工装置中均大量采用了自动控制、安全联锁、操作监视、数据采集、信号报警和工业电视监控等一系列先进手段，使生产装置得以安全、稳定、正常运行。化工行业中的控制系统可自成为一个子系统，是所建设化工项目中生产装置下的一个子项目，主要应用于化工生产工艺过程和设备的运行控制，对物料进行检测、计量、调节等，与生产装置、设备设施等组合成相辅相成的整体[1]。安全、合理的自动控制系统可对企业生产有着极大的益处，但是，一旦控制系统出现一些不可预知的故障，可能导致控制系统失效、生产装置失控；火灾爆炸及中毒等事故将随之发生，直接威胁着员工生命和企业财产的安全。因此，与所建设化工行业项目的生产装置匹配的自动控制系统如何安全、合理、有效的应用有着极为重要的作用。

1.3 安全生产在化工生产中的重要作用

随着现代化大中型企业的发展，“安全第一”、“安全为先”、“预防为主”等理念的深入人心。全面加强安全是一切生产工作得以正常稳定的基础，是所有工作开展的重中之重。但安全生产首先要立足实际，认清安全生产的长期性、艰巨性和复杂性，强化忧患意识。要注重安全生产科学管理的内在要求，以及安全科技、安全文化、企业管理层和员工素质等各方面，建立分级隐患排查、分级管理和重大危险源分级监控制度，充分完善预报、预警、预防和应急救援体系，以防范严重隐患引发事故灾难。必须要将安全生产纳入发展规划同步实施，加快调整结构技术改造，淘汰落后生产能力，从本质上消除物的不安全因素，抓紧安全生产重大科技攻关，大力加强从业人员技能培训，灌输化工企业安全文化的理念，指导企业加强安全基础管理，提升重点行业安全生产水平[2]。

2 各工艺中的自动控制系统装置及其硬件安全性能简介

2.1 离子膜车间与氯氢合成车间自动控制系统装置

离子膜车间与氯氢合成车间生产配套自控装置均采用横河CENTUM－CS1000集散控制系统。该系统可满足该公司日益扩张的大规模生产、控制和优化管理的需要。离子膜车间与氯氢合成车间现自控系统均有4台操作站，即HIS0161－HIS0164，包括1台工程师站，其中任一台可作为工程师站。通过设置用户密码进行用户管理，不同级别所实现的操作功能有所限制。在简洁的窗口操作界面之后蕴藏着强大的能力，使该站不仅仅只用于操作监视和控制工厂，而且还可以进行系统生成功能和维护功能。该工程师站有如下功能：控制回路编程和组态、生成操作画面、生成批量报表、生成过程趋势和参数、产生报警、顺控需求、配方管理等，以满足不同的配方管理及批量生产工艺要求。实时地采用安全操作权限，可以避免操作错误和非权威的进入，并可区别限制使用者的操作和监视级别。该站亦可根据需要，在运行时兼作操作站，工程数据可由其他站或项目调用进行数据共享。上述提供了安全生产的稳定性及可靠性。

FCS（现场控制站）配置了冗余CPU同步热备份系统，能够错误检测和校正记忆（ECC），可保证在DCS全部失电后，数据保存至少72 h不丢失；控制器电源卡1∶1冗余配置；电源掉电恢复后，处理器模件可自动恢复正常工作，不需要操作人员或系统维护人员进行手动干预，更换电池亦不会影响处理器的工作。冗余的VLnet总线，全面支持符合Foundations现场总线标准的数字现场总线。该系统每台控制站CPU双重化；可靠的错误检测和校正记忆，可以直接与现场信号相连，不需要任何信号转换卡，降低了现场边线费用的同时，增加了系统的安全稳定性。根据信号类型，可选择多种模件如电流电压输入、热电偶及热电阻温度检测输入、脉冲输入、电流电压输出模件、利用各种功能块进行各种功能的扩展。全面支持现场总线标准的数字现场总路线。主掉电主存储器保存：根据工艺控制要求，对重要回路的输入/输出模块进行冗余配置，并根据需求设置2个远程I/O节点，通过ERBUS总线与现场控制站进行通讯。现场控制站主要是完成I/O处理、数据采集、顺序控制及批量处理等功能。

2.2 片碱车间自动控制系统装置安全性能简介

本系统装置下位机多采用西门子PLC公司的S7-300PLC。CPU模块使用的是CPU315-2DP中央处理单元，运行速度极佳，自带的DP接口作为DP网络的主站，数据传输速率最大可达12 Mbps；提供有64 KB RAM和128个模拟量I/O及1 024个数字量I/O通道。开关量主要使用了SM321、SM322数字量输入输出模块（DI、DO）、模拟量主要使用了SM331、SM332模拟量输入输出模块（AI、AO）。因此，极大程度的满足了生产工艺现场控制的实时要求，并且上述模块均可根据现场工艺控制点数进行选型及适实扩展。现场网络通讯系统通过与操作站、控制器通讯模块相连接。上位机和下位机PLC之间通过CP5611卡连接，可以独立处理经过工业以太网的数据，用以完成I/O模块、控制站、上位计算机（PC机）的数据通信。从而满足操作站对现场设备的监视、控制和管理，实现站间的数据共享、文件管理、程序传输等重要功能。现场有2台PC机充当操作站，亦可实现站间相互通讯、状态监视、控制操作、数据管理等功能，真正实现了开放型网络控制系统，可根据生产所需进行手动及自动执行程序之间的切换。

2.3 自动控制在其他特殊应用中的安全性

2.3.1 自控系统在特殊工序中检测、调节、联锁等功能的安全应用

（1）树脂塔入料工序

此工序存在2种入料方式：自动和手动入料。在树脂塔切换程序执行过程中，若有紧急情况，操作人员需要中止树脂塔程序，则可点击停止按钮。操作方便，提高了生产的自动化程度，实现了离子膜树脂塔的密闭化和自动化操作，提高了设备的利用率，降低了树脂塔人为监控的生产强度，减少了环境污染并加强了安全可靠性。

（2）离子膜入槽盐水控制

该控制单元是所有控制中最为重要的一个控制单元。以流量与电流作为主调控制参数，对电流及流量的上升率的约束和预估控制都是极为重要的。这将在氯碱生产企业中引起更大的关注。对电流的控制减少了人为等外界因素对入槽盐水流量控制的干扰，可降低因其他因素所造成的产品质量等问题，减少了手动操作中不安全性。

（3）氯氢气机组的联锁控制

当全部氯压机或氢压机停车时，会自动联锁停车，信号至离子膜使各台槽同时停车，但是当单台离子膜电解槽停车时，系统会经操作人员确认后方可进行联动停车。这些操作程序的自动化设计都是以减少手动操作中的滞后及不安全因素，为安全生产、稳定操作提供了保障。

2.3.2 设置操作便捷的画面以为员工操作提供安全平台

根据PLC和DCS组态软件强大的画面显示及组态功能。依据现场生产工艺及操作所需，绘制出美观且易于操作的工艺画面；设计详尽的动画连接方式，液位、压力显示等，并配以生动、直观的报警变化，如颜色、声音等。同时还设置了可随时翻阅的操作画面、简捷明了的流程图、控制分组画面切换、可随时参照保存的历史趋势画面、信息提示画面、报警请示窗口等，这些都为操作人员分析资料、数据查询、优化操作及安全生产提供了方便。

2.3.3 设置便捷的手动、自动操作为员工操作以提供安全保障

通过逻辑运算及组态程序设计，操作人员可根据生产现场工艺要求及异常需要等，随时进行各程序装置、阀门、泵类等的手动、自动的切换。便捷地实现各种复杂的联锁、顺序控制，并能够根据工艺条件设置开启、关闭相关装置的开关顺序，以达到工艺要求，为安全操作、优化操作提供了保证。

2.3.4 设置历史报表，打印报表等功能以便于安全追溯

利用PLC和DCS组态软件各种丰富的功能模块完成了实时监控、生产报表，显示历史报表、实时报表，报警等功能。以查询日常生产中各种数据，便于安全分析及追溯。

2.3.5 设置实时趋势曲线的查询功能以便于适时安全查询

在主界面上可设置相关工艺指标的趋势曲线，并可根据需要适时放大及缩小。并可通过拖动时间标尺以查看任意时间的检测结果。还可以通过翻页按钮或者拖动滚动条等方便地查看历史某一时间的趋势记录，以便于安全操作及查询，并为数据保存、历史生产查询提供依据。

2.3.6 设置强大的报警功能以确保现装置安全有效

在生产工艺各指标发生变化及异常时，设置了大量报警及提示信息。在报警窗口中会显示出报警时间、类型、变量名、当前值和界限值等信息，也可以调用声光报警，方便操作人员进行查看并采取相应的措施。如当液位、温度、压力等指标过高或过低、设备发生故障时均可根据需要发出报警信号，从而有效地确保生产系统的安全性、合理性、稳定性。

2.3.7 设置完整的历史报告以便于安全查询

以横河CS1000/CS3000系统为例，该系统可以查询操作人员操作记录、操作时间等信息，任何操作都将以时间顺序精确地记录于历史信息记录中，包括系统工程师组态及系统下装信息。

2.3.8 设置系统用户权限以全面确保性能安全可靠

PLC和DCS自动控制系统均有设置用户权限的功能。可以根据用户需要设置不同操作及监视级别、口令等，并可根据需要设置相应的权限。并可随时进行密码的修改，以增强保密性，还可以在进入及退出监控状态时，要求提示输入正确密码后方可退出或进入监控状态，以上种种均可确保整个系统的安全稳定性。

以横河CS1000/CS3000系统为例，该系统提供了近200个用户自定义名称及密码、50个用户自定义级、7个用户自定义操作权限及3个系统定义操作权限（S1-S3），每一操作对象都提供有8个操作级别，6种工位重要度等，在工程软件编程组态过程中，工程技术人员可根据实际需要，通过用户名称、指定密码、分配所属、设定权限等组合来对操作人员进行相应操作权限或每个单一操作对象设定可操作范围、重要度及报警等。

2.3.9 设置周密的系统安全防范以方便系统维护

以横河CS1000/CS3000系统为例，该系统组态工程师可直接按操作员键盘上的功能键即可调出系统维护画面，并显示出系统各个站的状态、各个I/O模件的状态、通讯总线的工作状态、系统资源的使用情况等信息。任何一个站或I/O模件的状态发生故障，均会在系统报警窗口以色变闪烁及报警音进行指示。

3 应用效果分析

实践应用证明，自采用自动控制系统以来，在安全生产、稳定生产、提高产量、增强质量及降低能耗方面取得了显著效果，达到了预期的生产目标。自动控制系统结构具有稳定性好、免维护等特点。并且各结构内部模块能够满足和适应自动化控制系统运用及日后拓展的需要，能够使现场工艺控制在严格指定范围内，有更广泛更优化的应用领域，在一些中小型化工企业、较落后化工企业中更值得推广及应用。

4 自动控制系统在化工安全生产方面应注意的几点问题

自动控制系统在实际化工生产过程应用中，应注意以下几点安全问题。

（1）系统及相关配置的选型

应注意与现有工艺、设备等生产装置相匹配。过多的冗余及点缺省均要尽可能避免，以免因此造成不可避免的安全隐患。

（2）系统及相关配置的环境条件

注意现场的操作条件及设施运行的技术要求等，如允用温度、湿度、接地要求等；对于粉尘和噪音超标、通风、采光不符合要求、环境温度过高或过低、严重违反环境条件等因素要严格避免，以防止因此基础因素而产生的事故隐患。

（3）系统及相关配置的抗干扰性

对现有DCS系统采取抗干扰措施，减少来自无线设施、雷达等设备的干扰；尤其是在现场工艺设备、电气设备复杂的情况下，应严格按照相关规定作好接地、屏蔽等抗干扰措施，以防止因此种干扰因素造成的各种不安全事故的隐患机率。

（4）系统及相关配置的通讯方面

在自动控制系统硬件装置中，应注意通讯及数据接口的抗干扰性、优化性、冗余保护措施等，以使其具有更高的可靠性、稳定性。从而可用于保护功能相关的双重化通讯。确保数据库中的数据不会因误操作或系统故障造成数据丢失，系统破坏。

（5）系统及相关配置安全性方面

主要包括操作站、控制站的软件、硬件安全问题及做好屏蔽及保护等措施。如该系统的外部防护、各项保护，可利用建筑物中的金属部件以及钢筋等作为不规则的法拉第笼，起到一定的屏蔽作用；在需要部位加装专门的屏蔽网；找相关建筑物各点的电位均衡点，避免由于电位差危害设施；还有确保障良好的接地，降低系统损坏机率等。

（6）对各级人员的要求

对操作人员及组态人员必须经过严格培训，包括对操作、工艺、设备的维护及操作、异常及重大事故的应变能力等；增强决策人员安全生产“责任重于泰山”的领导意识；对管理层明确安全职责，增强“安全第一”的责任意识；教育下属员工应有以安全为第一先导的思想，对安全法规、安全方针、目标和行为规范的系统培训和教育；对新岗、转岗职工进行岗前安全培训，严禁未经培训上岗操作，从而避免因缺乏基本的安全意识和自我保护能力，从而导致违章作业等发生；对于一些高风险岗位职工进行专门的安全技能和知识培训，提高职工安全生产的自觉意识，减少人的不安全行为，消除“人患”，提高企业安全管理水平，增强企业安全绩效。

（7）软硬件调试的要求

在实际生产过程中，PLC及DCS自动控制系统均能够保证安全、准确地控制生产过程，以达到优化控制的目的。调试过程中应重点结合水联动过程反复试车，以进一步完善软件组态，发现硬件故障。并在未投运之前，多进行模拟故障，联锁、报警等。并由工艺方、设备方等多方进行确认后方可投入正常生产中。

（8）日常系统维护的要求

禁止非工作需要的软盘、光盘、U盘插入计算机系统，以防病毒侵袭。系统维护人员平时应对已经投运的自动控制系统的表盘、操作站等加锁，以防止引发人为不安全因素。

（9）加强日常巡检的要求

多注意系统报警及现场报警信息等，多观察通信总线、电源、CPU等的指示灯状态概况，以期及早发现问题及早针对解决，排除各项安全隐患，并设立专人不定期对相关设施的环境卫生、综合管理、隐患积点方面进行排查。对发现的问题及时整改并跟踪落实。

（10）做好故障及相关维护处理记录

认真地做好日常运行维护，能够正确处理各类系统的故障，并对每一次故障原因及相关维护处理过程、结果做相应记录，不断地总结、积累经验，不断提高业务技术水平。增强事故处理的判断、知识积累等方面的经验及能力。

5 结论

此套自动控制系统投入运行后，生产稳定，自动化控制程度较高，提高了氯碱化工生产装置的总体性能，控制功能得到了完善和提升，运行效率高，质量稳定，节约了原辅材料。并且使操作人员脱离了现场粉尘、气体等恶劣的工作环境，劳动强度也大大降低，也使生产工艺更加合理。其控制精度亦可满足工艺需求，从而达到了清洁生产和循环经济的要求，避免了各种环境污染，具有良好的经济效益和社会效益。在此基础上，该公司还应坚持“安全第一，预防为主”的方针，全面加强化工企业的安全生产工作，进行系统的安全意识和能力的教育培训，灌输化工企业安全文化的理念，增强安全管理水平，从而提高化工企业的市场竞争力，增加了化工企业的经济效益和社会效益，进而为中国氯碱化工生产工艺发展的技术进步做出更大的贡献。

［1］孙家惠.浅谈石油化工生产装置控制系统安全评价的必要性与对策.安全、健康和环境，2005，5（8）：40．

［2］李毅中.安全发展 任重而道远.能源技术与管理，2008（1）卷首语．

Application ofautomatic controlsystem in chemicalindustry and production safety

LIChun-jiang，ZHU Jiang-jun，ZHOU Hong-yan

（Xinjiang Tianye Tianneng ChemicalIndustry Co.,Ltd.,Shihezi832000，China）

This paper introduces the application of PLC and DCS in the production safety of，and introduces the realization ofcommon controlling plans and the practicalresults.Notonly reduce to polluted environment seriously，but also raise the output of production and improve to safe and equable production，the level or intensity ofthe operational.Ithave yielded remarkable socialand economic benefits.

automatic controlsystem；production safety；application

TM762

B

1009－1785(2017)08-0033-04

2017-06-09