乙炔生产工艺自动控制的改进与优化

张俊平，周红燕（新疆天业集团化工公司，新疆 石河子 832000）

乙炔生产工艺自动控制的改进与优化

张俊平，周红燕
（新疆天业集团化工公司，新疆 石河子 832000）

对乙炔发生器加料及置换操作自控程序进行了一系列的改造，总结现有手动操作中的种种弊端，改为程序自动控制后，减轻了操作人员的工作负荷，同时减少了人为操作引发的事故次数，提高了生产装置的安全稳定及生产延续性。

乙炔；发生器；加料置换；自控；研究

乙炔是聚氯乙烯产品的必要原料，目前乙炔生产工艺有石油裂解法、石灰石湿法、石灰石干法，大多数氯碱化工企业采用的是湿法乙炔工艺生产乙炔。而乙炔生产过程中环境与资源问题越发凸显，可持续发展战略面临严重挑战。乙炔发生器加料置换安全操作自控研究技术通过选择从乙炔生产的原料输送环节入手、改造人为干预较多的细节，将大量的体力、脑力劳动转移到计算机自动控制，减少人为误操作的弊端。将入料过程中的氮气保护繁琐操作步骤，通过编程实现自动充氮保护的全过程，使得工艺装置自动化层次更加提高，减少生产成本的投入，资源合理利用，最终实现安全、利润最大化的设想。

本技术立足电石法聚氯乙烯发展实际和未来发展空间，针对其安全环境要求较高，人为干预现象较多，疲劳操作造成失误的问题，从提高自动化水平着手，研究开发自动加料逻辑控制程序，自动充氮控制步骤，对操作中工作量较大、劳动强度较高的环节进行了充分的考虑、论证。本技术的成功开发应用，在当前注重节能减排和可持续发展的大背景下，具有巨大的市场需求，对于缓解电石法聚氯乙烯产业发展过程中的成本压力，促进产业健康可持续发展具有积极的意义。同时，实现了物料输送、加入的自动化，充氮保护的自动化，在国内其他降低成本、减员增效的化工等相关领域，具有重大的市场价值。

1 改造前装置运行情况

自2010年初，新疆天业集团化工公司对乙炔生产车间进行了现场考察和技术改造评估，初步确定了人为干预较多的上料工序和充氮保护环节，具有很大的技术挖潜。大量人为习惯性操作容易造成失误，对安全生产带来隐患，技术专工首先成立研究小组，建立模拟实验室，通过控制软件和模拟现场状况，找寻出技术关键节点，理清工作脉络，注重研究重点和细节，初步确定乙炔发生器加料置换安全操作自控研究目标：加料及工艺操作人员减少8人以上，大量工作移交到计算机自动执行，减少人为失误，减少成本投入。现乙炔车间主要为氯乙烯合成工序提供充足乙炔气，共有3台发生器，每台发生器备料、置换和加料操作频繁，每斗料需要手动操作充、排氮阀约几十次。若按满负荷生产，每班发生器备料、置换和加料共计千余次，特别是在充氮置换的过程中，全部为手动操作，操作人员还要监控乙炔的生产情况，工作量很大。手动充氮次数不够或充氮次数过多，都易发生安全事故。直接影响工艺装置的平稳生产。为了减轻操作人员的劳动强度，降低人为操作引发事故的风险，提高生产装置的平稳运行，目前设计并制定了乙炔发生器备料、置换、加料的自动控制方案，并实施软件组态、调试和在线运行。现有乙炔生产流程示意图见图1。

图1 乙炔生产工艺流程简图

2 控制思路设计与实施

该技术经过探讨主要是针对乙炔生产对安全环境要求较高，人为干预现象较多，极易疲劳操作造成失误的问题，从提高自动化水平着手，研究开发自动加料逻辑控制程序，自动充氮控制步骤，对操作中工作量较大、劳动强度密集的环节进行了充分的考虑、论证、改造实施等的应用。自动化程度大幅提高，预设计岗位人员减少10人；并率先在国内使用并产生实际效益效果；对于此项技术改造，采用了极为严谨科学的态度，通过以下步骤达到技术落实全过程的目的。首先建立关于上料自动控制的逻辑关系，设计出设备控制电路，并在实验室编写自控程序，模拟出现场的实操状况；然后通过在现场调查阶段的到的数据，拟定料斗加满所需的时间、下料气缸开合时间间隔、确定皮带输送流量，皮带电机的保护在程序中利用料位开关提前预警的方式等；最后在提前停止下料气缸步骤，上料皮带与平皮带继续下料，直到料仓已满，平皮带刚好物料已空的精准控制过程，在取得以上数据的基础上，进行了试验设计和程序调试。

分如下实施步骤：深入现场了解现状与存在的问题；总结经验编写逻辑程序，画出总体设计架构雏形；组织车间操作人员、工艺管理人员讨论、试用，不断更改及完善，最终成功实施。在成功实施的基础上进一步完善细节，确定具体方案。

2.1 主体总结经验编写逻辑程序

按照预定的思路，将原有的手动按钮操作模式，完全通过一套独立的控制器和上位监控管理软件高度集成，将人工操作改造成在计算机上一键操作式，将人脑思维移植到计算机中，并且将小料斗、贮斗的振荡器、下料振荡器的数据全部引到；将控制现场条件、环境资料的规整评价分析，融入现有DCS系统整体规划；控制设备的参数核算、配备中间隔离原件，控制柜内布局设计、信号设备的安装布局、控制设备的控制线路设计安装、调试；设备的保护、操作要点的融入，完善检测点。所有关键工艺设备运行/停止信号均能传送到工控机上，在工控机界面显示相关设备的工作状态。在工控机上，对具有远程控制要求的控制设备设置上位手动运行/停止按钮，在系统非自动运行状态下，能对这些设备进行单独运行/停止控制。但现场操作柱上控制级别高于工控机上控制级别，当现场操作箱上的模式开关选择就地时，工控机上的操作将失去作用。所有在线仪表监测数据均能传送到工控机上，在工控机界面显示所有在线监测数据。关键过程仪器仪表监测数据在工艺流程图适当位置显示测定值，所有监测值集中在一个界面上，每半小时采集一次，数据存放在一个数据库内，该数据库可以存放45天的数据，并能按要求形成表格在需要时打印输出。

设备工作异常 （如故障）或仪表检测数据超限时，触发报警，报警在未处理前可以进行确认，报警信息自动储存，所有报警原因集中在一个文件库内，没有处理则显示红色，处理完毕显示绿色，并可记录45天的报警条目。参数设置集中在一个界面上，进入该界面需要输入密码。

诸多的因素促成了改进的实施，2010年5月，对上料过程控制实施了自动化改造，增加1套s7-300为控制核心的上料控制系统，具体软硬件配置：Step75.4开发编程软件1套；Wincc上位组态软件1套；CP5611通讯网卡1块；6ES7307-1EA00-0AA0电 源 1块 ；CPU315-2DP 1块 ；CP342-5MODBUS通讯1块；6ES7321-1BL00-0AA0 DI模卡4块；6ES7321-1BH01-0AA0 DO模卡3块；导轨150M 1条；DELL计算机时下高配1台。改造本着稳定、便捷、经济、便于日后扩展和维护的思路进行。

2.2 乙炔生产自动上料、自动充氮控制技术研究及主要特征

乙炔工艺过程自动上料、自动充氮控制技术的应用与改造前工艺控制相比较具备以下特征：

（1）操作简便、减少乃至杜绝了人为上料、充氮误操作的情况，人的不安全行为得到了消除，人为停车事故大大减少，保证了安全、连续、稳定运行的设计目的。

（2）上料自动、自动充氮执行后，储斗满仓用时缩短2分钟，加料岗位人员减少8人，储斗置换合格及时提醒自动停止，减少了氮气资源的浪费，同时储斗安全得到保障。

（3）大量的工作移交给系统自动执行，大幅提升自动化水平，减少人员劳动强度。

2.3 乙炔自动上料、自动充氮控制研发主要技术难点

该技术通过选择从乙炔生产的原料输送环节入手、改造人为干预较多的细节，将大量的体力、脑力劳动转移到计算机自动控制，减少人为误操作的弊端。将入料过程中的氮气保护繁琐操作步骤，通过编程实现自动充氮保护的全过程。使得工艺装置自动化层次更加提高，减少生产成本的投入，资源合理利用。

2.3.1 选择自动上料、自动充氮关键条件节点、组态流程

原上料操作系统因为一直是人为操作。经常存在操作失误的现象，如按错皮带、倒皮带等。而且现在操作台内线路复杂、设备多，故障率高、维护困难。而且充氮过程中：小料斗向1#贮斗拉料前，打开1#贮斗放空阀，用氮气置换8 min气动阀开度100%，氮气压力不小于0.4 MPa，排出贮斗内的乙炔气，置换合格后，关小1#贮斗氮气阀，乙炔生产中气动阀开度要求控制在33%开度位，打开1#蝶阀，把小料斗电石下到1#贮斗，料下完后，合1#蝶阀，气动阀开度控制在99%开度位，置换贮斗内的乙炔气，置换时间不小于6 min。合格后，关闭氮气阀，放空阀，待2#贮斗内电石用完，打开2#蝶阀，将1#贮斗电石加进2#贮斗，打开1#贮斗放空阀，重复小料斗向1#贮斗拉料前的置换操作。操作步骤较多，人为失误率极高，在设计过程中要考虑上下衔接的关键节点，做到承上启下。流程画面中做到一键即可实现上述每一项功能，达到预想的目的。

此改造在本着节约的原则，最大程度消除隐患，通过控制理念将现有的人工动作方式联系到一起，自动打开关闭充氮置换的各个动作阀门。在条件信号满足的情况下，依据生产经验，合理使用时间完成繁琐的人工操作和判断的置换过程。

（1）当氮气压力≥0.35 MPa时，氮气阀门、储斗放空阀门反馈信号正常时，开始执行置换，8 min后，阀门关闭。程序进入系统选择等待确认区。当得到确认后，自动执行下一步置换工作，置换10 min后程序结束，进入循环等待确认。此时全程保障物料投入过程的安全畅通。

（2）当氮气压力低于0.30 MPa，阀门反馈正常，程序自动延长充氮置换时间。

（3）当阀门反馈信号故障时，系统拒绝执行充氮置换，可采取手动置换方案。也可等待现场故障处理正常后方可自动执行。

2.3.2 上料输送设备的保护探讨

输送设备的保护是本技术中关键技术之一，它的实现主要通过实验数据为基础，通过编写程序依靠时间和料位计信号来准确实现，具体编写程序思路：通过现场调查阶段得到的数据，拟定料斗加满所需的时间、下料气缸开合时间间隔确定皮带输送流量，皮带电机的保护在程序中利用料位开关提前预警的方式，提前停止下料气缸、上料皮带，平皮带继续下料，直到料仓已满，平皮带刚好物料已空的精准控制，以上程序中严格按照保护设备的目标为设计依据，进行了设计试验和程序调试。

2.3.3 上料、充氮控制程序的编写

专业技术人员通过对上述操作要点进行汇总后，开始编程及组态。首先建立符号表，然后通过逻辑关系编写控制流程。

2.3.4 传感器扰动信号过滤控制设计

专业技术人员通过在原有控制回路加装延时继电器，进行满仓信号延时判断，在延时的时间内如果信号中断，则表明此信号非满仓信号，如果延时时间内信号一直保持，则为真的满仓信号，终止加料。应用于现场判断料仓的满载与空仓，效果良好，保障了上料控制的准确及时，为乙炔满负荷生产奠定坚实的技术基础。

2.4 自动上料、自动充氮控制研发的关键技术

此技术将入料过程中的氮气置换保护繁琐操作步骤，通过编程实现过程的一键自动实现，主要关键技术有以下几个方面。

2.4.1 S7-300、JX300X系统融合的实现互备

该技术借助于2套不同的系统，通过过程联接控制器将两者互相联系在一起，加料过程控制核心由S7-300PLC来实现，在PLC工作站上实现物料的加入，同时在JX-300X系统上，点击加料启动命令也可以实现物料的自动加入，这样保障了加料工作站一旦出了问题，JX-300X系统一样可以发挥应有的作用。

2.4.2 现场扰动信号的过滤控制设计

乙炔自动上料的关键控制点是高位料位计的使用与控制。在使用的过程中，因为物料加入过程中对传感器的振动，其输出信号动作频繁，经常造成上料中断，严重制约乙炔流量产出，经过实际观察、分析判断，决定采用信号延时真假比较，确定精准的关键控制点，消除瞬间晃动造成的停止动作。在原控制回路加装延时继电器，进行满仓信号延时判断，在延时的时间内如果信号中断，则表明此信号非满仓信号，如果延时时间内信号一直保持，则为真的满仓信号，终止加料。应用于现场，运行良好，保障了上料控制的准确及时，为乙炔满负荷生产奠定坚实的基础，见图2。

图2 延时继电器KT组成的信号真假判断电路

2.4.3 传送、充氮控制程序及调试

此程序设计上，专业技术人员依据运行调试经验，在控制上进行了多次的完善修改。增加了中间料位的连锁下料气缸停止功能，很好地保护了设备启动时的过载，省去了大量现场控制开关硬件，电机启动回路所要求的互锁、自锁电路，这些关键地方都通过程序实现，大大节约了运行成本投入。自主编程调试，反复验证更符合特殊现场工作环境，保证系统的连续稳定运行。

3 投入使用后效果分析

在项目期内，通过进一步的工艺优化和集成创新，在实验室不断模拟测试的过程中，结合现场实际情况进行仿真运行，经过一个多月的分析测试，在输送正常时，加料时间比较原先大大缩短，在物料充氮保护、塔液位调节、次钠配置环节实现自动控制；首先加料岗位无需人员操作，只需要出料口定期1人巡检，人员缩减8人，清净岗位缩减2人，大量的工作移交给系统自动执行，大幅提升自动化水平，减少人员劳动强度。同时对模拟调试运行的结果进行总结，针对实验装置的缺陷进行技术改造，并在工业化系统的现场应用中得以验证。通过了修改保护参数、消除信号扰动等一系列的改进及优化，应用于现场，效果良好。

项目实施后，尽可能的避免人为操作失误，降低操作强度，加料岗位操作人员每班由原来的3人，先可设为每班2人，清净岗位从原来合计12人，可减少到现在6人，总共可以减少10人。按月均工资3500元/人计算，每年可以节约人工成本三十余万元，可产生巨大的经济效益。在社会效益与环境效益方面，响应现代提升自动化、机械化的精神号召，繁琐的乙炔加料控制移交给计算机实现，大大降低了员工的劳动强度，使得操作方式更可靠、运行更安全。项目顺利实施，总体效果良好，布局合理，美观大方，更重要的是杜绝了人为失误的发生，完全由计算机程序执行，操作人员只要根据提示即可完成所有的操作过程，现有的控制方式更加的人性化，更有利于电气、仪表技术人员查找故障、排除故障，设备的开工率由此大大增加。同时也提高了生产原料的利用率及大大降低了设备的损坏率。更加智能化及人性化的操作界面也为企业提高了生产效率。

4 结论

目前，该技术已在天业化工20万t/a生产装置中成功使用，效果良好，并已成功推广到40万t/a聚氯乙烯装置，装置运行稳定且安全可靠。通过创新技术的应用，不但减少了人为误操作率，也大大提高了设备的利用率。具有积极的借鉴意义与巨大的推广价值。

Improvement and optimization of acetylene production process automatic control

ZHANG Jun-ping，ZHOU Hong-yan
（Xinjiang Tianye Group Chemical Go.,Ltd.,Shihezi 832000，China）

A series of transformation of acetylene generator charging and replacement operation control procedures，summarizes the existing manual drawbacks，to program automatic control，reduce the work load of the operator，at the same time is significantly reduced due to the operation of the number of accidents，improve the safety and stability of production the continuity of production equipment.

acetylene；reactor；feed replacement；automatic control；research

TQ086.3

B

1009－1785(2017)01-0026-04

2016-09-02