医药行业气动开关阀布线方案的设计应用

2022-08-30张迎飞岳宗礼

仪器仪表用户 2022年9期

张迎飞，岳宗礼

（天俱时工程科技集团有限公司营销中心，石家庄 050000）

0 引言

医药行业已经成为国民经济中发展最快的行业之一。为了提高药品的产品质量，国家对医药行业的监管力度越来越大，对制药车间的自动化水平要求越来越高。自2020年起到2022年底前，涉及“两重点一重大”生产装置和储存设施的自动化系统装备投用率达到100%，涉及重大危险源企业安全预防控制体系建设率达到100%[1]。重点监管危险化工工艺和重大危险源，实现“三升三减一降低”目标，即提升危险化工工艺安全技术水平，提升生产装置和储存设施自动化控制水平，提升企业安全管理信息化应用水平，减少重大危险源企业和重大危险源数量，减少重点监管危险化工工艺企业和重点监管危险化工工艺生产装置数量，减少生产现场作业人员数量，降低生产安全事故[2]。

制药车间自动化率的提高，不仅可以减少当班操作人员的数量，而且可以有效减少危险场所的人员暴露时间，有利于减少危险事故及人身伤害。基于医药行业的特性，提高车间的自动化程度，将伴随增加大量的气动开关阀门。针对气动开关阀门增多，带来投资增加的问题，本文根据车间开关阀门的数量以及总平面图的布局，做了不同方案投资比对工作，为企业综合考虑投资以及应用等各个方面提供更优化的选择方案。

1 医药行业车间的特点

医药行业的车间总体来讲，车间布局相对紧凑。车间二层或者三层大部分布局高位罐以及反应釜。一层大部分是收集罐、离心机、母液罐等设备。高位罐一般用于计量加入反应釜的溶剂或反应物料。根据药品的需求在反应釜中反应一段时间，然后转料进入后续离心机或者其他设备。医药生产线的工艺特点不同于石油化工行业，大部分是间歇式生产。因此，自动化率高的车间，高位罐或反应釜的进料阀、排气阀、氮封阀、真空阀、回流阀等均需要采用气动开关阀。根据整个产品的操作特性，在DCS中做分步骤的顺序控制，来代替车间工人的手动操作。

自动化程度较高的医药车间，一台反应釜附近一般会有接近10台气动开关阀。大部分医药车间的生产线，产量不会太高，所以阀门尺寸整体偏小，口径大部分在DN100以内，主要集中在DN50左右。针对医药行业的这些特点，阀岛在医药行业的应用相对比较广泛，在保证高自动化的水平的同时，节省企业的投资。尤其是在中小型自动化程度较高的企业，现在应用案例越来越多。

2 气动开关阀布线方案

气动开关阀的附件包含电磁阀和开关回讯。在DCS控制中，每台阀门在DCS中需配置1个24VDC输出的DO点控制电磁阀，以及两个开关量输入的DI点显示阀门的开关状态。在石化行业开关阀的控制信号及回讯信号中，每台阀均采用3根2×1.5mm2的控制电缆敷设至控制室。但是在医药行业略有不同，不同用户的选择方式也各不相同。

电缆敷设方式一般有如下几种：①直接敷设方式：电磁阀2×1.5mm2的控制电缆，开关回讯用4×1.5mm2的控制电缆；②多芯电缆直接敷设方式：电磁阀和开关回讯采用一体化的接线盒，共用6×1.5mm2的控制电缆；③采用阀岛总线形式：电磁阀随阀岛厂家集中在阀岛箱内，开关回讯可接入阀岛箱，然后阀门的控制以及开关状态通过总线形式引至DCS，其中开关回讯也可采用单独敷设电缆至DCS中。

3 阀门布线的设计方案

项目情况：某药厂新建甲类原料药车间，车间共3层，层间距为7m，厂房大小为70m长×30m宽；车间防爆等级ExdIICT4，整个车间开关阀阀门总数为400台；原料药车间距离机柜室的平均电缆长度为178m。

设计方案概况：根据层高，单根电缆敷设现场穿线管按6m计算；DN20不锈钢仪表风线，根据主设备数量，从主风线引出单根长度按照20m计算；电缆进线方式采用带内螺纹的防爆密封接头+外螺纹防爆挠性管的方式，如果采用阀岛箱方案，防爆密封接头和防爆挠性管在阀岛的进出线口处也要用到。

3.1 方案一：直接敷设方式

方案介绍：①电磁阀的档次会影响工程总投资，因为进口电磁阀与国产电磁阀的价格可以差3～5倍，具体电磁阀的档次根据用户要求来选择，本方案按照国产高性价比的某品牌电磁阀；②Φ8×1不锈钢分支气源管，每台阀门按照3m考虑；③阀门的DO和DI信号均采用硬接线接至DCS。在DCS控制系统中，本方案采用某国产品牌DCS系统作的配置，增加DO和DI卡件。方案一总工程量见表1。

表1 方案一总工程量Table 1 Total project quantity of scheme 1

3.2 方案二：多芯电缆直接敷设方式

方案介绍：电磁阀的控制电缆由开关阀厂家集成至限位开关里面，然后用6×1.5mm2的多芯电缆，敷设至控制室。此种方案相比方案一，每台阀敷设1根电缆，可以减少电缆的敷设费用；穿线管、防爆密封接头、防爆挠性管的用量也会减少。方案二总工程量见表2。

表2 方案二总工程量Table 2 Total project quantity of scheme 2

3.3 方案三：阀岛总线形式

方案介绍：①阀岛可以集成电磁阀，也可以将I/O模块集成在阀岛箱内；然后通过总线协议，通讯至DCS中，此时DCS中不需设置DI卡和DO卡，只需根据所选的通讯协议，配置相应的通讯卡件。总线型阀岛支持目前市场上所有开放式现场总线协议（比如Profibus-DP、Ethernet/IP、Profinet、Devicenet、Modbus-TCP、CC Link等）[3]，现场应用实际情况中采用Profibus-DP和Profinet协议居多；②因电磁阀集成在阀岛箱内，需将气源主管敷设至阀岛箱，总入口增加气源三联件，分支不锈钢管直接接入开关阀的气缸，因此分支Φ8×1不锈钢气源管长度不建议超过30m，避免距离过长压损过大，仪表风压不够，无法克服阀门开关的力矩，使阀门开关受到影响；③阀岛箱的布置位置根据阀门的平面布置来划分，阀岛箱可以选用12通道、24通道、36通道或其他规格；④阀岛箱电缆进线口包含：开关回讯进线口，通讯线进线口一进一出，还有24VDC电源进线口；⑤本方案采用Profibus-DP通讯协议，DCS控制系统采用某国产品牌DCS系统做的配置。方案三总工程量见表3。

表3 方案三总工程量Table 3 Total project quantity of scheme 3

3.4 电缆长度对不同方案的影响

以上3个方案的对比：以电缆按照178m的距离，方案一总投资按照100%计算，方案二总投资为77.38%，方案三总投资为68.59%，相比而言方案三阀岛总线形式的方案更节省投资。对于此方案比对中，如果阀门数量一定，采用不同电缆长度做了如下比对见表4。

表4 电缆长度与方案投资的关系Table 4 Relationship between cable length and project investment

通过表4的比对可以得出，机柜室和车间距离在距离较短时，多芯电缆直接敷设方式总体投资较低；阀岛总线形式在电缆敷设距离较长时，有明显优势。

4 不同方案在其他方面的比对

现场应用不同的方案，除了在投资方面之间有差异，在其他方面也需要考虑。

4.1 SIS系统相关阀门采用硬接线

每台阀门电缆直接敷设，阀门信号出现问题，容易查出问题，和其他阀门之间没有相互关联。尤其是对于涉及到重点监管危险化工工艺、重点监管危险化学品和重大危险源的车间，一般情况经过HAZOP分析和SIL认证之后，会要求设置安全仪表系统（SIS），相关执行SIL认证结果的开关阀门，需要有相关的SIL认证。在GB/T50770-2013《石油化工安全仪表系统设计规范》，6.1.5测量仪表不应采用现场总线或其他通信方式作为安全仪表系统的输入信号[4]。根据以前参与的石化工程设计项目，阀门作为执行元件，SIS相关阀门均采用硬接线的方式进入SIS系统，实现相关的联锁动作。

4.2 阀岛通讯协议Profibus-DP和Profinet

医药车间中，阀岛通讯协议应用案例相对较多。对于某国产品牌DCS系统，Profibus-DP主站通信模块COM722作为PROFIBUS-DP主站接口，用于将阀岛标准PROFIBUS-DP信号接入到DCS中。PROFIBUS-DP的总线速度从187.5kbps、500kbps、1.5Mbps之间可调，同一时刻总线上所有站点必须使用同样的通信速率。在不同的速率下，单段总线可以传输的最长距离有所不同。根据工程经验，波特率在187.5kbps的情况下，DP线总长度不建议超过500m，如果超过500m则需要配置使用RS-485中继器扩展总线段。1个PROFIBUS-DP网络最多可以使用4个RS-485中继器[5]。Profinet协议，则需要配置COM723通讯模块，如果距离近100m以内，可以直接采用网线；距离大于100m以上，则需要用到光纤和光电转换模块。

Profibus-DP在实施时，紫色DP线接入现场阀岛A的DP接头中，再接入阀岛B的DP接头中，再接入阀岛C、D……，最后1个DP接头上带有终端匹配电阻。然后组态时，在阀岛上进行网络端口设置、阀岛MAC地址的选择，以及诊断模式的设置[6]。因此，1根DP通讯线上串联着这些阀岛，如果DP通讯线断掉，就会影响到这些阀岛箱上所有阀门信号的中断。

Profinet形式可以配置成冗余的模式，控制系统通讯卡配置成冗余的，然后采用“手拉手”的形式敷设电缆。控制系统通讯卡以及阀岛箱的CPU均配置成冗余的，然后采用“手拉手”的形式敷设电缆。网线从COM723的A卡出来，接至光纤接续盒，然后通过光纤接入现场阀岛A的光电转换模块，再接入阀岛B，再接入阀岛C、D……，然后接入光纤接续盒，接入COM723的B卡，形成环形的连接。相比Profibus-DP方案，Profinet的冗余配置方案更加可靠。

4.3 现场维护

现有防爆现场应用案例中，阀岛做成无火花形式，阀岛箱采用增安型不锈钢接线箱，安装于现场。现场维护时，需检测周围环境是否安全，检测周围环境空间的可燃气体浓度在爆炸极限之外，要维护的阀片室内系统中需强制断开，阀岛箱主气源断开。阀岛箱维护或更换阀片时，最好在车间停工的时候。电缆直接敷设的方式，维护起来更加灵活。

5 阀岛箱配置注意事项

阀岛箱的电磁阀阀片常用气路口分Φ6mm和Φ8mm，电磁阀阀片宽度大概为10mm和14mm[7]。相比之下，14mm的流量大于500L/min，大流量电磁阀能最大程度上满足DN80和DN100球阀或蝶阀的运动速度，阀岛出气接口为Φ8mm软管并通过穿板接头接入箱外Φ8mm不锈钢硬管。如果涉及到更大口径的阀门，尤其是大于DN150以上的，采用阀岛的方式，要选用更宽的阀片18mm以上，或者DN150以上的开关阀采用电缆直接敷设的方式。

阀岛箱订货之前，尽量完成平面区域的分布。这样阀岛箱在现场的布局才会更加合理，尤其是涉及到双作用的气动开关阀。为保证阀门的故障状态，需要选用两位五通的电磁阀阀片，相关的阀岛箱可能会涉及到两位三通和两位五通的电磁阀混配的情况，而且1台双作用气缸，需要配两路气路，因此阀岛箱的气路接口数量需要增加。