集散控制系统在环氧乙烷衍生生产系统上的应用

谢志锋，梁馨茹(广东龙汇化学工业有限公司，广东 茂名 525000)

0 引言

随着我国技术的高端化和经济的纵深化，各个行业对环氧乙烷衍生品开始有了越来越大的需求，由此环氧乙烷衍生产品的生产企业也逐年增加，但生产和运营安全是生产系统面临最大的问题。而行之有效的生产控制，对保证生产工序的安全、避免各类事故的发生、提升生产的质量和效率等方面具有关键的现实意义。文章以某石化企业的环氧乙烷衍生精细化工生产系统为例，深度研究环氧乙烷衍生生产系统具体的需求后，通过对ExperionPKS(第四代)的应用，对生产运行技术和整个生产系统进行有效优化。

1 PKS集散控制系统概况

过程知识系统(PKS)随着Honeywell公司的集散控制软件不断更新换代，ExperionPKS作为集散控制系统的第四代软件，是以现代高科技网络为基础的高可靠控制系统。PKS的基础是以太网，与分散控制系统(DCS)、数据采集与监视控制系统(SCADA)等功能融为一体，具备良好的开放性和丰富的系统支持能力，DCS以其超强的控制能力具备极高的可靠性和强大的完善功能。DCS组态软件工具极其完善，可以帮助用户高效、方便地完成各类任务和功能控制。组态软件包括三个部分：第一为CB，全称Control Builder，为控制策略组态软件；第二为QB，Quick Builder，属于SCADA组态软件；第三为HMI DB，全称HMIWeb Display Builder，为用户界面组态软件。

2 环氧乙烷的生产概况

环氧乙烷是重要的石油化工产品，作为乙烯的重要衍生物核心的作用是制造乙二醇，该制剂占据环氧乙烷整体产量的50%～70%以上，同时在表面活性剂的制作中也大量应用环氧乙烷，大约占据总产量的10%～20%。另外，环氧乙烷也用于乙二醇醚、乙醇胺的制作。环氧乙烷在医药方面主要用于灭菌剂的制作。

环氧乙烷产量最高的国家为美国、德国和日本等。近些年，因为中东石油化工产业的迅速兴起，环氧乙烷的生产基地逐渐落户中东。全球2010年新增环氧乙烷104.8万吨生产能力，新增生产能力全部来自沙特，生产的企业包括萨比克子公司延布Yansab石化厂，每年可生产43.5万吨，萨比克另外一个子公司朱拜勒Sharq石化厂，每年可生产16.0万吨，拉比格公司，可每年生产46.0万吨[1]。

3 环氧乙烷衍生生产工艺

国内烷氧基化生产工艺主要有三种：传统釜式生产工艺、小型化烷氧基化生产工艺、大中型化烷氧基化生产工艺。环氧乙烷衍生主要包括以下的生产工艺流程：首度检查、循环导热油、添加链起试剂、预真空、产生反应、熟化工序、冷却、脱气和排净。

4 系统结构

该生产系统流程不仅技术复杂，而且有一定的毒性，潜藏着很大的危险性，因此该系统的生产程序的安全稳定极为关键，为实现安全稳定性和生产效率双提高的目标。该系统应用了PKS集散控制系统，也就是第四代集散控制系统，也是30年来构建的统一过程的知识体系。该体系是基于资源管理、过程控制、行业知识集一身与六西格玛相结合的方法论。

环氧乙烷衍生精细化工生产系统主要分为四个部分：控制系统、服务器、场地设施和客户端。该系统的服务器选择冗余服务，明显的优势是两台服务器在发生故障时可以接替彼此的工作，确保系统正常运行。客户端与服务器构成该系统的二重结构，在该系统中应用最大的特点是完全能够动态储存生产数据、历史记录和报警记录，客户端主要功能是监控工艺流程，对报警记录和历史趋势进行查看。选择冗余的C300作为控制器，同时系统输入和输出的卡件可以选择冗余的C系列I/O卡件。通过如此设置，显著提升了系统的稳定性和安全性以及系统的安全等级[2]。

5 集散控制系统在环氧乙烷衍生生产系统上的应用

5.1 环氧乙烷衍生物工艺类型

我国烷氧基化生产工艺主要有三种：传统釜式生产工艺、小型生产工艺烷氧基化生产工艺和大中型烷氧基化生产工艺。传统釜式生产工艺特点：在常规机械搅拌反应釜中，采取鼓泡反应，用内盘管或夹套移走热量；优点是生产工艺易于掌握，工艺设备简单，投资少：适合小批量、多品种烷氧基化产品的生产；缺点是反应温度压力难以控制，生产速度慢、产品质量差，安全性较低。小型化烷氧基化生产工特点：采用气雾接触反应器，以第一代PRESS技术为代表；优点是反应速度为传统釜式反应工艺的5倍以上，反应器安全性从根本上得到提高；缺点是自动化程度较低，产品质量相对不稳定。大中型化烷氧基化生产工艺的特点：采用气液接触喷雾反应器，以第二代、第三代、第五代PRESS技术为代表；优点是工艺成熟，自动化程度高，生产规模较大，运行安全稳定，产品质量好；缺点是工艺设备投资略高。

5.2 环氧乙烷衍生工艺流程实现

(1)进行初始检查和初始设置，对全部的阀和泵进行安全状态的检查，包括积累量是不是清零，全部控制回路是不是都在手动位置上。(2)完成初始检查后，进行预真空和导热油过程的同时执行，在此之前要对预真空过程选择进行判断，必须为否跳过预真空过程，在这两个过程执行完毕后才能进行下一步。(3)进行大循环、小循环以及链起始剂加入三个过程的同时执行，在此之前要判断大循环过程选择，必须为否跳过大循环过程。(4)完成以上三个过程的执行后，进行预真空过程的执行，抽到预定的反应器压力。(5)完成预真空过程执行以后，进行强化真空过程和脱水过程的同时执行，必须为否跳过脱水过程。(6)完成强化真空过程和脱水过程后，进行初始化过程的执行，为反应过程奠定初始化的基础，并进行阀、泵和控制回路异常与否的判断。(7)完成初始化过程后，开始预反应过程的，可以进行部分反应过程的预先执行。(8)反应的过程包括最主要的生产工艺部分，加入原料，进行下一步的反应，内容涉及有效调控各种控制回路。(9)完成反应过程后进行熟化过程，原料的成型是通过熟化过程完成。(10)熟化过后就是冷却反应系统的过程、脱气过程和气体过程。熟化之后就要对反应系统进行冷却过程、脱气过程和气体过程。完成脱气过程执行后便开始气体过程的执行，和这两个过程同时执行的是冷却过程。(11)卸料过程、循环加压过程和反应器加压过程同时执行，向成品罐中输送反应成品。(12)最后进行排净过程的执行，完成泵卸料之后，会依然有成品存留于管线之中，必须通过排净过程把管线中的成品输送到成品罐[3]。

5.3 逻辑联锁功能的实现

在生产系统中，逻辑联锁控制作用巨大，通过进料阀HV101案例说明联锁控制功能的实现，进料阀包括数字量输入点两个和一个数字量输出点。

第一步，新建一个CM(Control Module)，将该模块称之为HV101，也就是进料控制阀HV101的控制功能块，该功能块可以实现全部的控制和联锁功能。在控制功能块中添加两个数字量输入点(开回讯HZSH101、关回讯点HZSL101)和一个数字量输入控制点，同时添加一个控制功能块DEVCTL。以两个回讯点和一个输出控制点为依据，在DEVCTL的Main属性页面上设计Numberoftnputs为2,StatelName为OPEN，State2Name为 CLOSE。

第二步，在将两个回讯点的四种组合对应的状态设置在Inputs属性页中。按照Main页面的设置DEVCTL控制块表现为四种情况：开回讯用 OPEN(State 1)表示；关回讯用 CLOSE (State 0)表示；中间状态利用Inbet表示；故障状态利用 Bad表示。

第三步，配置Output属性页，对输出为ON时状态表示进行配置。另外还有两个重要设置：第一为Safe选项，对该阀的安全状态实施指定，全部联锁控制的基本配置，源于联锁开或者联锁关以此指定到配置完了进料控制阀，能够利用控制画面对阀的状态进行实时查看，以及有效控制阀的开关。最终配置阀的联锁控制，该控制具有独特性，由两个联锁状态构成，也就是某些状况需要联锁打开，某些状态需要关闭联锁，所以选择强制联锁管控。

5.4 生产报表功能实现

PKS集散控制系统具备丰富而超强的报表功能，完全可以满足所有生产系统的各种报表需求，能够对不同生产系统报表需求进行满足。PKS系统的Free Format Report可以根据生产系统生产报表的实际要求，完成生产报表的生成，由于该集散系统不能自动储存报表，而生产系统进行生产报表的历史查询，因此只能由编程实现自动保存。自由格式报表需要具备几个条件才能实现，即生产系统中反应过程温度的最大值和最小值和配方参数信息，表现在以下五个方面：(1)在PKS集散控制系统创建一个Free Format类型的报表，该类报表既能够进行打印机的指定，更能够有效生成周期性报表，但考虑生产的指标，该报表的生成需要一定的触发。(2)可以设定为自由报表的格式，以txt作为新建的文件，文件通过文本编辑器进行编辑后，将文件名后缀改为rpt1。报表格式可以采用部分程序。(3)利用自定义额格式进行报表编写后，在报表设置的Content属性页面中，所要生成的报表格式指定为rpt1。(4)触发生成报表后，生产过程全部完成，利用一个标识位进行标识，所以标识位即为触发条件，Point Scripts得到PKS系统的支持，也可以对点触发的事件进行支持。(5)自动保存生产报表，在系统指定目录下保存生成的系统报表，目录里的报表会随着每一次报表生成而更新，所以，相应报表只能存在一个指定目录下。要想真正保存生产报表，只能在另外的自定义目录下保存指定目录下生成的生产报表，同时修改名称必须按照生产批号进行，历史查询报表的功能可以在生产报表保存功能实现后同步完成。在进行生产报表的储存过程中，以下情况不允许发生：某些人员的操作错误形成曾经的批号与该次生产批号相同，就会导致程序的错误，因此放弃这次报表的存储才是正确的做法。

6 环氧乙烷衍生生产系统安全性评价

6.1 M101混合器单元安全评价

(1)计算单元内火灾爆炸指数。该环节的计算对生产系统的安全性实现具有重要意义，单元内火灾爆炸指数(F&EI)的计算包括：选取重要物质和确定MF物质系数确定、计算常规危险工艺系数F1、计算特殊危险工艺系数F2、计算工艺单元危险系数F3在计算F&EI和危险性评价中，基础的数值是MF，是表达因为火灾、爆炸危害中能量产生程度的内特性，而化学反应以及燃烧是造成火灾和爆炸关键因素。有两个因素构成工艺单元危险性，即设定F1为一般工艺危险性，F2为特殊工艺危险性。也就是说，事故损害大小的关键因素是F1，事故概率的关键影响因素为F2，该两项因素通常综合具体情况分别取值相加。也就是说F1与F2相加等于F3。如果计算中F3大于8.0，那么下一步的计算可取F3为8.0。也就是说，MF乘以F3就可得出单元内火灾爆炸指数。(2)计算单元内安全补偿措施系数。单元内安全补偿措施系数设定为C，那么C的计算如下：①进行工艺补偿措施系数C1的计算；②进行危险物质隔离补偿措施系数C2的计算；③进行防火设施补偿措施系数C3的计算；安全补偿措施如果利用经验得到，是避免事故发生的根本保障，也可以缩小事故发生概率，最大限度减轻危害。C1、C2和C3要按照单元内具体状况分别取值相乘；也就是说，C1、C2、C3相乘就得出单元内安全补偿措施系数。

6.2 环氧乙烷衍生生产系统安全评价

在环氧乙烷衍生生产系统，如果实际MPPD的被评价单元低于200万美元，则可以判定该单元安全运行能力较好；如果实际MPPD在400万美元以上的被评价单元，那么就必须采取一定的安全保障手段后运行。通过上述标准评判环氧乙烷生产系统各个单元评价结果显示，生产运行系统的五个评价单元的真实MPPD都在200万美元以上，判定为安全范围，因此该生产系统完全可以安全运行。

7 结语

文章主要分析了第四代集散控制系统PKS在环氧乙烷衍生精细化工生产系统的应用，重点介绍了环氧乙烷衍生生产系统工艺流程的实现，研究了逻辑联锁功能的实现以及生产报表功能的实现。实践表明，基于PKS集散控制系统参与的环氧乙烷衍生精细化工生产系统在某石化企业上线，基本实现了预期的应用效果，稳定性和可靠性极高。但文章只是对PKS系统部分功能进行应用，该系统中的诸多强大功能还没有表现在文章中。在未来的发展中更应该强化系统的数据发布和企业与其相关的信息化建设。