提高装置自动化水平 创建智慧氯碱企业

刘秀明

(蓝星(北京)化工机械有限公司，北京 100176)

自20世纪80年代，氯碱工业逐步推行离子膜电解装置和DCS控制系统，从开始时的数据传输和监测到部分单元的集散控制，从机组控制再到工艺流程集散控制，逐步实现了实时多点多任务的关联操作系统。随着科技的发展和提高，FCS现场总线控制系统、CIMS现代集成制造系统等新技术方法也得以衍生。我们要做的是将氯碱工业专业技术和行业规则与当代先进的集成管理系统相融互通、为我所用。相信通过氯碱人的专业完善和努力，定能刻画出全自动操控的氯碱装置，开创“智慧氯碱工业”新时代。

1 DCS功能远未完美体现

Distributed Control System集散控制系统，简称DCS，是为满足大型工业生产和日益复杂的过程控制要求，从综合自动化角度出发，将过程控制及过程监控综合在一起，是结合计算机(Computer)、通信(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)发展起来的控制系统。

DCS的控制功能非常丰富，具备反馈控制、前馈控制、连续控制、顺序控制、预测控制、比值控制系统、串级控制系统、PID控制、解耦控制、自适应控制、超驰控制系统、程序控制系统以及批处理控制等各种先进控制能力，并可方便地加入所需的特殊控制算法，系统强大的运算能够满足上述复杂控制过程。在氯碱工艺生产过程中，DCS就像人的大脑，通过不断地对工艺理念要求和操控经验的全面归纳总结和持续的逻辑输入和学习修正，达到理想的控制效果。

许多氯碱装置用户讨论过如何实现氯碱装置的 “一键启停”操控。笔者认为这并非遥不可及。目前，在氯碱工业装置中，DCS的功效还远远未能得到深入的挖掘和完美的体现。即使通过我们的认真研究和探索，努力实现了基于成熟的氯碱工艺技术与完善的DCS操控系统的“一键启停”自动操控方式，也只是未来要实现的智慧氯碱智能化管理的第一步。

运用DCS的目的是实现生产过程的自动化，须对很多生产参数进行实时监控，如温度、浓度、酸度、压力、流量、液位、气体纯度、电流、电压、电流效率等，并对一些执行机构进行控制，如调节阀、开关阀、各种循环泵等。DCS可确定测量与控制信号相互间的连接关系，根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。

DCS的应用必须要工艺运行、操作及开停车过程高度成熟，必须有装置逻辑程序、在线监测、仪表阀门及相应的执行机构以及异常状况应对等环节的自动化和智能化的高度集成。实现一键启停自动控制方式的2个重要条件是：①“人”的专业经验和赋予系统的逻辑程序，也就是软件能力条件；②装置的执行机构的硬件条件。

由于投资理念、管理理念、技术理念以及设计理念所限，目前，我们的装置系统中还有许多人工取样点依靠分析室给出一些重要数据，还存在很多人工控制设备，例如需手动开关的许多阀门，或者需手动启动的许多机泵，这些人为操作是不当失误的易发环节，是阻碍实现一键启停自动化操控的一个重要因素。

必须尽可能地将装置中须监测和控制的点位进行自动化配置，充分体现设计、工艺和配置的自动化水平，减少甚至消除人为操作指令需求，消除自动控制障碍，实现更完整的自动化控制。

根据工艺和运行要求、丰富的操控经验、正确的应对措施、缜密的逻辑思路，组编更专业和更可靠的自动控制程序软件，是实现更全面的自动化控制“一键启停”运行方式的另一个重要条件。

2 现代控制理念和发展

自动控制系统是指用一些自动控制装置,对生产中某些关键性参数进行自动控制，使它们在受到外界干扰(扰动) 的影响而偏离正常状态时,能够被自动调节到工艺所要求的数值范围内。生产过程中各种工艺条件不可能是一成不变的。特别是化工生产，大多数是连续性生产，各设备相互关联，当其中某一设备的工艺条件发生变化时，可能引起其他设备中某些参数或多或少的波动，偏离正常工艺条件。自动调节是指不需要人的直接参与。作为生产过程自动化领域的计算机控制系统，传统的DCS仅仅是一个狭义的概念。如果认为DCS只是生产过程的自动化系统，是过于狭义的结论。因为现在的计算机控制系统的含义已大大扩展，它不仅包括前述DCS中所包含深入到现场每台测量设备、执行机构的各种自动化控制内容，还需向上发展到生产管理、生产运营、企业经营等方方面面。传统意义上的DCS现在仅仅是指生产过程控制这一部分的自动化，而工业自动化系统的概念，则应定位到企业全面解决方案，即total solution的层次。只有从这个角度提出问题并解决问题，各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享、因果关联、协调工作、判断优劣、提示异常和优化处理，以完成控制系统的总体功能，使计算机自动化真正起到其应有的作用。

随着计算机技术的发展，DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能，具备计划调度、仓储管理、设备管理、效能管理等企业运营全面管理功能，实现智慧氯碱工业，这就使FCS现场总线技术和CIMS现代集成制造系统等先进理念和方法得以应用和发展。

3 现场总线控制技术

目前的新型DCS已有很强的顺序控制功能；而新型PLC在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用范围，已有很大的交叉。

FCS是由DCS与PLC发展而来，不仅具备DCS与PLC的特点，而且跨出了革命性的一步。FCS的核心是总线协议，即总线标准，其基础是数字智能现场装置，其本质是信息处理现场化。通过使用现场总线，用户可以大量减少现场接线，用单个现场仪表可实现多变量通信，不同制造厂生产的装置间可以完全互操作，增加现场一级的控制功能，系统集成大大简化，并且维护十分简便。

在未来，工业过程控制系统中，数字技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展，同时，工业控制软件也将向标准化、网络化、智能化、开放性发展。因此现场总线控制系统的出现，并不意味着数字式集散控制方式的消亡，DCS及PLC系统会更加向智能化、开放性、网络化、信息化发展。

DCS的关键是有强大的通信功能，也可以说数据总线是集散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据总线自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。如果将过去处于控制系统中心地位的DCS变为现场总线的一个站点，DCS或PLC处于控制系统中心地位的局面从此将被打破。如果努力推行类似于FCS控制系统，且兼有DCS、PLC新型标准化、智能化、开放性、网络化、信息化的控制系统，是更先进的自动化控制方式，可以更好地为实现智慧氯碱系统营造出所需的条件和空间。

4 现代集成制造技术

本节介绍的CIMS现代集成制造系统(Contemporary Integrated Manufacturing System)中，“现代”的含义是计算机化、信息化、以及智能化的集成，它反映了自动化的广度，把系统的范围扩展到了市场预测、产品设计、生产制造、设备维护、经济运行、检验、销售及售后服务等全过程。其中，“智能化”体现了自动化的深度，不仅涉及物资流控制的传统体力劳动自动化，而且包括信息流控制的脑力劳动的自动化。“集成”包含了更广泛的内容，包括信息集成、过程集成及生产界区间集成和企业间集成以及企业活动要素、有关技术及各类人员的所有要素的集成优化等等。现代集成制造系统不仅仅把技术系统和经营生产系统集成在一起，而且把人的思想、理念及智能也集成在一起，使整个企业的工作流程、工艺流程、操作流程、物流和信息流都保持通畅和相互有机关联。所以，人、装置、经营和技术的多因素集成产物，是我们实现智慧氯碱工业的有效手段。

现代集成制造系统的体系结构可分为多个子系统，各个子系统相对独立自治、分布存在、并发运行和驱动，可以分为功能结构和逻辑结构。从功能层面分析可以分为：生产和制造系统，工艺技术系统，硬事务处理系统，软事务处理系统，信息服务系统，以及决策管理系统等所须的所有运行和运营及运作系统。

现代集成制造系统肯定可以提高劳动生产力和企业利润，提高企业对市场的应变能力和抗风险能力。支持企业实现经营战略，提高企业市场竞争力，促进技术进步，提高整个企业员工素质和技术水平，可以节约天然资源，为国家优化产业结构，发展新产业，提高国际市场竞争力。

5 自动化控制系统的不断升级

自动控制是相对人工控制概念而言的。自动控制是工程科学的一个分支，它涉及利用反馈原理对动态系统的自动影响，使得输出值极度接近想要的值。自动控制是能按规定的程序或指令自动进行作业的技术措施，可以在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。自动化可以大大减轻人的劳动，避免过多的人为失误，强化、延伸、取代人的有关劳动，达到增加产量、提高质量、降低成本和劳动强度、保障生产安全等目的。自动控制技术的研究有利于将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来，并大大提高生产效率。

自动化要从自动控制、自动调节、自动补偿、自动辨识等发展到自学习、自组织、自维护、自修复等更高的自动化水平。今天自动控制的内涵与水平已远非昔比，从控制理论、控制技术、控制系统到控制元件，都有极大的发展。自动化不但极大地解放了人的体力劳动，而且解放了人的部分脑力劳动，而更为关键的是有效地提高了脑力劳动效率，深度的正确的逻辑模式成为实现自动化的关键。

自动控制系统由控制器和被控对象组成。但要实现复杂的控制任务，一个典型的自动控制系统通常还应当包括:定值元件、执行元件、测量变送元件和比较元件 。就目前氯碱企业而言，必须加强对现有装置投资改造，消除与自动检测和控制相关的手动数据采集和手动操作点，完善的设备自动化配置的是自动化的基本条件。

此外，具有成熟的完善的操控逻辑的专业软件系统是自动控制乃至智能化的灵魂和必要条件。

必须汇集所有的正确的工艺运行和操控经验，将所有可能发生的问题以及相应的工艺处理方案和正确的应对操控方法编织成控制逻辑，融入专业的软件系统，这是生产装置实现一键启停自动化的关键。

必须对装置系统中各个模块及界区有充分的研究和丰富的运行经验，除了要具备对每个单一设备或模块及界区的掌控技术方法和能力，更重要的是充分了解各界区间的相互影响关系，使之得到充分的关注和及时的应对。一个装置的高质量运行，就是各生产界区之间相互条件的满足及有机的结合与和谐的共存。要牵一发而动全身，在装置整体中出现每一点数据的异常和变化时，全系统均能作出相应的防御和应对反应。

就目前来讲，实现各个单一模块自动操控以及实现各个模块之间的关联控制，在减少或没有人直接参与的情况下，利用外加操控系统和软件，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或经济运行参数自动地按照预定的规律开启并平稳地运行，或者在异常状态下装置安全停车并作出正确的处理的一键启停，是提高自动化水平，实现现代集成系统下的“智慧氯碱工业”的第一步。

6 成熟的氯碱工艺系统

现代氯碱工业及离子膜电解工艺技术日趋成熟。依据几十年专业的设计完善、设备研制、工艺调整和经验积累，可能出现的一切运行问题均已可以得到专业的分析和合理的解决方案。整体氯碱工艺装置已经完善和成熟的如同一个完美的人体构造，完全具备了构建氯碱工业自动化的基本条件。

DCS控制系统就像人的大脑，是装置的灵魂。要将各个管理界区联系起来融为一体，协调界区间的控制，消除界区间的相互影响，汇集更广泛的监测数据和更全面的分析处理逻辑，减少出现装置总体运行的异常事态。通过细节组态和控制逻辑输入，不断地分析开停车和运行中各个模块以及各模块[1]之间的不协调因素，修正和完善控制处理逻辑，提升其自动控制能力，逐步替代工艺技术和操作人员来完成更多复杂的逻辑行为，借鉴FCS系统技术方案，使DCS逐步演化为更先进的类似于CIMS现代集成技术的智能化管理系统。

温度计、流量计、酸度计、压力表等各种仪表就像人的眼睛和感官系统，仪表数据的变送传输就是人的神经系统，它们可以使DCS控制系统实时感知到装置中所有点的状态数据，并作出即时的判断和应对指令。但一些早期装置还存在个别人工检测点，需要挖掘现代仪表专业技术配置和完善。

泵阀及各种开关类似于人的肢体和关节，分布在装置的各个部位，它们可以根据DCS的指令精准的动作并控制各项仪表数据快速达到规定指标。许多氯碱装置是多年之前设计建造的，受早期技术理念和投资条件以及当时在线检测等科技条件所限，仍然有一些开停车过程操作需要手动开关和人工调节，有待根据自控需要投资升级配置。

电气设备及各项水、汽等公用工程配置是能源系统，就像人的饮食系统，为装置提供运行动力。自动化装置对辅助设施的保障条件要求更高，电气设备与运行装置的串级联系和联锁控制要求更加细致，须专业调整。

电解槽及电解循环模块就像人的心脏，对装置平稳的工艺运行以及经济运行起着决定性的作用，对前后界区的稳定运行有着严格的要求。所有相关界区均须为满足电解条件提供保证，其运行状态决定着整个装置的运行水平。

整个氯碱装置工艺系统是一个运行控制闭环，而电解模块是核心装置，盐水质量和杂质变化、酸度调节、盐水和碱液的浓度控制、温度控制、流量控制、氯氢气相的压力和压差控制、电流负荷和产量控制、电解单元的电压状况、离子膜的性能状况、前后系统的运行稳定性控制等一切条件和控制，都与离子膜电解的安全稳定状态、技术性能水平、经济性能指标的优劣息息相关，而且最终会体现在长期运行的吨碱电耗指标上[2]。将上述电解性能与各项控制条件因素通过软件系统专业的关联起来，密切监测电解性能变化并实时显示所对应的影响因素变化，及时预警并给出处理方案和作出应对反应，实现电解模块的自动化控制。

盐水的脱氯、除硝及两级精制系统就像人的肾脏和肝脏，起着排除毒素和净化血液的作用。盐水就像人的血液，对工艺技术指标、经济运行指标以及装置运行水平起着非常重要的作用[3]。保证盐水质量是离子膜氯碱工艺永恒的主题。近年来，盐水处理装置和技术越趋成熟和多样化。要从原盐成分检测到盐水质量控制，加以自动化控制条件的应对改造，加强和完善盐水质量的在线检测水平。通过专业运行管理系统软件将盐水杂质含量和关键质量数据与电解槽的相关性能之间的变化关系相互关联，异常关联变化作出实时的应对逻辑处理，将多变和完善的应对处理工艺融入操作系统，提高盐水处理装置的自动化程度和工艺运行水平，使之形成氯碱工艺闭环管控中一个可靠的子系统，确保电解模块所需的流量和质量条件。

氯氢处理系统就像人的呼吸系统，是装置顺利启停和平稳运行的重要保障。保证电解系统的气相出口压力高低自如平缓可控是氯氢处理系统的操作关键。氯压机和氢气泵将电解阴阳极系统产出的氯气和氢气分别定量送出，保证电解系统的气相出口管路始终有一个压力稳定的排放条件。电解系统的气相出口就是氯氢处理系统的气体进口，而气体排送量又与电解槽的运行电流有定量关系。所以，将氯氢泵的进出口阀与回流阀的调节与电解电流和泵口压力进行专业的逻辑关联和顺序控制，是实现自动控制的关键[4]。

上述氯碱工业装置或工艺模块均已被经验丰富的氯碱人驾轻就熟。要充分结合反馈控制、前馈控制、解耦控制、超驰控制、预测控制、连续控制、顺序控制、比值控制、串级控制、PID控制、自适应控制、程序控制以及批处理控制等各种自动控制方法，努力将有关成熟的工艺和经验数据在自动控制程序中得到淋漓尽致的体现，提高氯碱工业自动化水平，为智能化发展创造条件。

7 氯碱工艺系统的智能化

按照前面介绍的系统功能和技术理念，在企业逐步实现工艺运行自动化的同时，智慧氯碱和智能化的实现是氯碱企业发展的美好前景。

智慧氯碱将是多个子系统自动化的集成，如管理信息系统、资源计划系统、计算机辅助设计系统、计算机辅助工艺系统、计算机操控系统。它将根据企业的需求和经济实力，把各种自动化系统通过计算机实现信息集成和功能集成。当然，这些子系统也使用了不同类型的计算机，本身也是集成的。但这些集成是在较小的局部，而智能化是针对整个工厂企业的集成，覆盖企业的多个板块和多种经营活动，包括经营管理、生产制造、设备维保等各个环节，即从产品报价、接受订单开始，经计划安排、设计、生产运行直到产品出厂及售后服务等的全过程。将信息技术、现代管理技术和生产技术相结合，并应用于企业全生命周期各个阶段，通过信息集成、过程优化及资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行，达到人(组织及管理)、经营和技术三要素的集成，从而提高企业的市场应变能力和竞争力。

氯碱企业将作为一个统一的整体，从现代集成系统的观点、全局的观点广泛采用计算机、信息的采集等高新技术。集成传递和操控处理过程，提高工作效率和质量，从而提高企业的总体综合自动化的最高水平。它将不是简单地把2个或多个单元模块连接在一起，而是将原来没有联系或联系不够紧密的板块组成为有一定功能的、紧密联系的、更高效的新系统，是多种功能的集成，是多种功能之间的相互作用和促进。

在逐步提高和完善自动化生产技术的前提下，氯碱工业有着发展和实现智能化的美好前景。