氯碱化工中自动化控制系统的发展与优化

2021-04-12张志远

中国氯碱 2021年4期

张志远

（乌海市乌达区应急管理局，内蒙乌海市016040）

随着经济发展，市场对氯碱化工产品的需求越来越大，对产品品质的要求也越来越高，再加上氯碱化工企业自身的高危性质，生产环节的安全性必须得到充分保证，这就使氯碱化工企业在生产过程中对自动化控制系统有了更高的要求。自动化控制的应用确保企业生产作业的高效进行，同时也确保了工作者人身与企业财务的安全。

1 氯碱化工自动化控制技术应用

1.1 自动化控制系统的特征

（1）安全性高。自动化仪表在生产过程中应用主要是为了监测生产过程相关环节的各个参数，通过对数据的采集、分析、处理以保证各方面的工作安全进行。氯碱化工生产多采用流水线的生产模式且具有一定的危险性，一旦一个环节出现故障，很可能对整个生产流程造成影响，甚至引发安全事故。自动化控制技术能够保证氯碱化工生产过程的安全性，确保整个生产环境都处于稳定、可持续运行的状态。

（2）提高控制水平。传统的氯碱化工生产主要采用批量控制手段，在一定程度上能够提高生产效率，但其所具有的适用性、经济性有待考量。以DCS 控制系统为例，在应用过程中该系统具有操作简单的优势，但其具有维护成本高、投入大等问题。为解决这一问题，企业逐渐引入PID 技术，将传统的批量控制转变为串级控制。PID 动态变量、软测量技术的应用范围更加广泛，且能够实现单独软件包的控制效果，可以进行独立的编程操作，这种工作方法更具有针对性。

（3）具有交互界面。交互界面是人机操作不可缺少的一部分，也是自动化控制技术的核心所在，它是在氯碱化工控制技术集成性新需求下产生的。工作人员通过操作界面参数设置，实施对设备的自动化管理。自动化控制交互界面显示仪表监测的实时数据，能够帮助操作人员更快、更准确地获取数据信息，能够提高生产过程中的效率与质量，实现集成化的生产。另外，交互界面上的信息比较丰富，操作人员通过显示屏上的信息，可以对工作进行调整与决策。人机交互界面的操控方法是在生产操作与控制措施的基础上实现的，它能够比较直观地体现设备运行状态等参数信息，而且在操作过程中也更加人性化。

（4）技术类型多元化。氯碱化工企业生产过程中主要以DCS 控制为主，随着时代的不断发展，各种新型控制技术得到推广与应用。为了满足生产过程中集成化要求，人机交互界面更有人性化特点，安全仪表控制技术应用贯穿生产操作各个过程，多项技术的融合为安全生产提供更多可能性[1]。

1.2 氯碱化工自动化控制技术类型

（1）常规控制。在氯碱化工装置中，自动化控制措施主要为顺序控制和批量控制。目前，国内石化企业一般采用DCS 系统来对氯碱化工装置的生产实施自动化控制。 DCS 的应用简化了控制过程，大大减少了人工操作，但是DCS 具有维护成本高、投入大等问题。

（2）先进控制。 PID 技术是在DCS 技术的基础上进一步衍生出来的，它不仅能够作为一个系统独立存在，还可以作为软件包，和模型辨识技术与多变量动态过程所涉及到的软测量技术加以联系。在氯碱化工生产过程中，PID 技术的独立特征实现了多变量动态测量作业，也可以实现模糊辨别仪表间的联系，通过串级控制的措施，达到完善先进技术运用的目的[2]。随着现代化控制理论不断提升，自动化控制技术水平都比以前有了明显的提升，多数石化企业已达到除PID 控制器以外的多变量控制手段的水平。

（3）安全仪表控制。氯碱化工企业的生产过程中危险系数比较高，想要保障企业更加平稳安全的运行，在氯碱化工自动化控制技术的应用中，安全系数一定是不可忽略的重要方面。安全仪表系统作为保障装置安全生产的一道重要防线，在一定程度上可避免安全生产事故的发生，保障企业的盈利水平。

2 自动化控制系统的优势

氯碱化工行业面临市场全球化、竞争日益激烈，要取得竞争上的优势，必须提高工厂的生产效率。在提升工厂效率的诸多方法中，实现仪表控制系统自动化，是投资成本小且收益最优的方式之一。相对于传统仪控系统，自动化控制系统具备更为先进的功能，以分散式控制系统（DCS）为例。

2.1 灵活性

（1）可方便的执行控制策略变更，只需改变软件组态设计即可，而不需购买额外的硬件设备及变更硬件接线。

（2）控制器参数、警报设定值、报表格式等均可依需要随时修改调整。

（3）对于操作条件时常变更的工艺过程（如进料质量改变、批次操作等），可使用事先设计好的程序轻易的达到控制器参数变更或配方切换的目的，如此可以大幅提高工艺过程稳定性、减少操作成本。

2.2 控制功能

（1）提供各种功能的控制方块供使用者组合使用，这些控制方块从连续控制、批次控制、逻辑运算至数学运算应有尽有。

（2）允许使用者利用DCS 控制器的控制语言完成其所需要的各种控制策略。

（3）具备各种自动功能如初始化、追踪、超驰控制反馈处理等可使控制策略的运算更加稳定，并减少操作员的操作步骤。

（4）各控制器间的资料可互相传递，因此DCS控制器可轻易完成复杂的控制策略。

（5）数位式资料处理精确度高。

2.3 人机界面

（1）人机界面是将设备的工作形态与控制措施作为显示器的主要部分，再辅以仪表与信号灯，通过鼠标键盘来加以操作。 DCS 可将许多监控点及信息合并在同一张操作画面上，因此能同时提供给操作员更多有关的数据及信息以供操作之用。 DCS 通过提供彩色、动态画面，并配合视窗功能、触摸式荧幕、鼠标等，可使操作员方便执行控制动作，并充分掌握现场状况。

（2）操作员可以看见整体的工艺过程运作情形并获得所有相关的信息及资料。

（3）操作员可以在CRT 操作台上操作更多的回路。

除上述之外，DCS 同时具有多种画面，如一般操作画面、趋势画面、警报画面、维修画面及讯息画面等，以提供各种有关信息。并且可以提供良好及完整的记录及报表功能，并可根据不同目的以不同格式打印。

2.4 安装费用

现场仪器与控制室间可以采用Hart/FieldBus连接或采用远距离I/O，比传统接线方式节省大量的材料和人工费用。

2.5 可信度及系统维护

由于集成电路本身的可信度高及系统本身所具有的自我侦错及处理错误的功能，使得DCS 具有可信度较高及容易维护的特点。而根据不同的使用者，其所提供的特点如下。

（1）可经由软件或硬件组态的组合，限制故障发生时的联锁效应。

（2）可以将故障限制在局部，使工艺过程在大部分的情况下均能正常运转。

（3）由于个别模块的损坏可分别做在线抽换，因此并不会影响整个系统的操作。

（4）较传统控制系统提供更佳的保密性及可信度（精确度）。

（5）具备冗余功能，系统不会因单一设备损坏而受到影响。

2.6 安全性

（1）DCS 及PLC 能较传统仪器更容易以自动程序执行联锁性及停车的功能，以维持工厂的安全。

（2）当操作值超过极限时，可以快速的反应或产生警报。

（3）可以设计较多的警报点而不需额外的硬件接线。

（4）各式警报可以不同画面颜色、闪烁、声音频率及报表显示。

（5）具有事件记录功能，其报表可分析跳车原因。

2.7 资料储存

DCS 可自动的将所有的重要资料（如操作资料、警报、信息等）储存在电脑内，不仅节省人工抄录时间，且方便日后整理及利用，另外利用通讯方式可将其他计算机系统的信息传入，以充分达到信息整合的目的。

2.8 丰富的套装软件

目前各系统厂家已推出各式的套装软件供客户选择，如数学及物性数据库、试算表、统计控制、PID自动参数调整、预测控制等套装软件，利用这些套装软件并配合用户自行开发的应用程序将可大幅提高工厂效益。

2.9 扩充性

（1）DCS 最主要之特性就是分散性及模块化，因此DCS 在扩充性方面几乎是没有限制的。

（2）它让使用者可随着工场的扩充而一步一步加入所需的DCS 模块，并且不需变动原有系统。

（3）新旧模块可共存，或透过其他方式结合在一起，达到互相传递资料及共享资源的目的。

2.10 信息整合

由于全球性市场竞争越来越激烈，CIM/MES/ERP 等的建立已成为各制造业者维持竞争优势的首要目标，DCS 在信息整合方面无疑的将提供最良好及有效之基础，而未来DCS 将更朝开放式架构前进，这更有利于CIM 的实现。

3 自动化控制系统的优化

3.1 优化途径

随着科技的发展，自动化控制系统也不断更新换代，其发展趋势更加开放、智能控制向数字化发展、装置具有兼容性等特点。但由于各石化工厂对工艺监控要求的程度不同，同时考虑其现有系统的状况，在仪控系统优化的做法上也不一样，一般而言，可按照下列途径进行。

（1）电子式系统更新。将旧的电子式系统全面更换为分配型计算机控制系统，可提供许多实质上的改进，比如操作监控能力增强、容易与其他工厂计算机应用系统做信息整合等。

（2）批次操作系统优化。化工厂内聚合反应、纸浆厂、水泥厂、制药厂等工艺过程，往往包含许多顺序控制及连续控制，两者间的关系相当密切，如何使两系统间协调恰当，相当重要。以往的做法是分别采用继电器及PID 控制器来控制，操作员要密切监视，以避免不合格的产品。最近推出的“混生型控制器”同时具有连续及顺序控制的功能，使用在这类批次控制上，可以减少操作人员的负担、精确控制质量，减少设备闲置时间等。

（3）规模较小的工厂控制系统。对于一些规模较小的工厂，或是单纯做资料搜集的系统而言，全面采用所谓的分配型计算机控制系统可能并不值得。此时可考虑以个人计算机为基础的控制系统。这类系统随着个人用电脑的发展，逐渐为人接受，只要选择适当的系统组态、输入及输出元件、个人计算机、系统软件及应用软件，可以组合成相当灵活、可靠的系统，价钱并不昂贵，但计算机控制所具的优点都有。

3.2 自控系统更新注意事项

氯碱化工厂仪表自动化控制系统的更新牵涉层面相当广，如果事先未做好规划，或执行期间未能密切协调，那么仪控系统的更新必不能达到预期效果。自动化控制系统的更新应注意以下方面。

3.2.1 更新前分析工作

（1）对安全性进行分析。采用新系统后是否会危及工厂的安全，应如何确保安全生产。

（2）新系统控制策略的分析。应对新系统控制策略对工厂的影响做仔细的探讨，必要时应做动态模拟，以确定其可行性。

（3）现场仪器的匹配。在更新系统时，应注意现场仪器的匹配性。现有仪器是否必须更新、新仪器的精确性及与系统配合性要求等问题均需全面考虑。

（4）原有设计资料搜集、整理。许多工厂的设计资料在过了多年后，往往残缺不全，有的甚至与现场情况不一致。在做自控系统更新前，一定尽可能将所有资料搜集齐全，并做现场比对的工作。

3.2.2 不影响现有工艺过程

系统更新的基本要求应尽量不影响原有工艺过程，一般采用“回路接着回路”转换方式即能达成这项要求。此法比“停车后转换再开车”方式有着如下优点。

（1）某一时间内只会遇到一件问题，可以迅速找出，予以修正。

（2）控制回路每次只转换一、两个，操作人员易于接受。

（3）此种方式转换可以让工厂在稳定状态下操作。

3.2.3 操作人员的接受性

对于一个习惯操作盘面仪控系统的操作员而言，一旦要面对以CRT 为主的新的自动化控制系统，心中必然充满疑虑，如不设法消除此种心理，即使整个系统更新勉强完成，操作员对新系统的排斥感会使整个更新计划完全失败。消除其排斥感最好的方式就是让操作人员实际参与整个更新计划，并且要进行相应的训练，让操作人员有充分时间熟悉了解。

3.2.4 成立项目小组

更新计划开始后，应立即成立项目小组，其成员应包括操作人员和维修人员，系统更新工作小组应有各专业成员（比如系统、工艺、仪表、电气工程师及技术人员）及系统厂家代表。项目小组必须定期举行会议，保持密切配合，严格追踪进度。