譚田天，張東勝，胡敬芬，王成碩

（北京化工大學 機電工程學院，北京 100010）

基于LabVIEW的DAP單元安全生產(chǎn)仿真系統(tǒng)

譚田天，張東勝，胡敬芬，王成碩

（北京化工大學 機電工程學院，北京 100010）

磷酸氫二銨（DAP）生產(chǎn)實物操作與實驗具有相當?shù)奈ｋU性，文中將危險性與可操作性分析（HAZOP）方法與虛擬儀器設(shè)計相結(jié)合，開發(fā)基于LabVIEW的DAP安全生產(chǎn)單元仿真系統(tǒng)，通過生產(chǎn)中關(guān)鍵參數(shù)偏差超限的監(jiān)測報警，顯示該超限的原因分析、后果預測、預防應對措施，實現(xiàn)單元安全生產(chǎn)仿真、為DAP的安全生產(chǎn)與設(shè)備維護提供指導。

仿真系統(tǒng)；LabVIEW；危險性與可操作性分析；DAP

二元高效復肥磷酸氫二銨（DAP）生產(chǎn)及工藝過程伴隨有毒有害物料，實物操作與實驗的安全培訓具有一定的危險性，生產(chǎn)工藝參數(shù)失控有可能造成不可忽視的財產(chǎn)損失、人員傷亡、環(huán)境破壞。DAP單元安全生產(chǎn)仿真系統(tǒng)軟件的開發(fā)為非實際工作環(huán)境下改變條件和參數(shù)偏差分析系統(tǒng)的行為提供了可能。相對于傳統(tǒng)的安全措施，其具有成本低、風險低、無需實際工作環(huán)境的優(yōu)點。

1 DAP生產(chǎn)單元HAZOP分析

1.1 HAZOP分析簡介

HAZOP是以系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)的一種定性分析或定量評價的危險性評價方法[1-2]，通過分析生產(chǎn)運行過程中工藝、操作控制中可能出現(xiàn)的偏差，以及這些變動與偏差對系統(tǒng)的影響及可能導致的后果，找出偏差的原因，明確裝置或系統(tǒng)內(nèi)及生產(chǎn)過程中存在的主要危險、危害因素，并針對變動與偏差的后果提出對應采取的措施[3-8]。

1.2 DAP單元生產(chǎn)的HAZOP分析

磷酸氫二銨化工生產(chǎn)是由磷酸溶液與氨水溶液加入到帶夾套的攪拌反應釜中發(fā)生中和反應所生成的DAP放入一密閉貯槽中。根據(jù)DAP的生產(chǎn)工藝流程，文中將其劃分為4個單元（如表1），分別為：氨水貯槽、磷酸貯槽、反應釜、DAP貯槽。

表1 HAZOP單元劃分及定義關(guān)鍵參數(shù)Tab.1 HAZOP units’ division and key parameters’definition

HAZOP小組利用頭腦風暴法，對各個評價單元的生產(chǎn)裝置、生產(chǎn)運行狀況中的關(guān)鍵參數(shù)使用引導詞（如表1），逐一細致地進行危險可操作性分析，根據(jù)分析結(jié)果，DAP單元生產(chǎn)過程中關(guān)鍵參數(shù)偏差過大可能發(fā)生的原因有：人為誤操作；管道堵塞、泄漏；流量控制閥、流量計、溫度計故障；進料泵故障；管道被腐蝕；原料在貯槽內(nèi)變質(zhì)；原料配置不合格；進料時混入雜質(zhì)、異物；高溫酷暑使容器、管線中的物料發(fā)生膨脹；安全閥故障；貯槽、反應釜的降溫降壓未按照先高后低的順序；突然斷電；地震、火災等自然災害。

可能造成的事故有：中毒窒息事故，爆炸、燃燒事故，灼燙、機械傷害、物體打擊、觸電、高處墜落。

可采取的預防措施有：進料前進行物質(zhì)鑒定和濃度檢查；選用抗腐蝕性能較好的材料的儲罐容器、反應釜及管道；進料管路控制閥選用單向閥，倒流自動關(guān)閉；定期切換備用進料設(shè)備來檢查維護清潔原進料設(shè)備管道，控制閥，流量計、溫度計、壓力表等；定期為安全閥做泄壓試驗；安裝液位監(jiān)測報警裝置預防容器內(nèi)的物料存儲過滿；貯槽、反應釜進料管道安裝帶警報器的流量計；嚴格把關(guān)原料，進料前檢測流量和濃度；加強人員培訓，嚴守操作規(guī)程，聘專職安全人員監(jiān)督；氨水貯槽、反應釜采用封閉結(jié)構(gòu)，并抽真空通入氮氣為保護氣；工作區(qū)域保持通風良好，安裝工作區(qū)氨氣監(jiān)測報警裝置；貯槽、反應釜安裝液位監(jiān)測報警裝置；制定事故應急預案，加強人員安全培訓，佩戴防護用具；裝置危險處安裝防護措施。

應對措施有：檢測進料流量設(shè)置，更改錯誤設(shè)置；檢測進料流量計、進料控制閥、進料泵以及管道有無泄漏，若故障則更換相應備用器具，并診斷維修原進料裝置作為備用；貯槽、反應釜溫度報警立即采用間歇性噴淋降溫、排風扇等降溫措施同時換備用溫度計測量溫度是否正常，兩個或兩個以上高溫報警降溫按照先高溫后低溫的順序進行；情況嚴重或以上應對措施無效則立即啟動相應的事故應急預案。

2 仿真系統(tǒng)在LabVIEW平臺的設(shè)計

本文采用LabVIEW2009，核心是VI（G語言編寫程序）,根據(jù)目標功能系統(tǒng)分為3個模塊：管理員登陸模塊、生產(chǎn)模擬模塊、監(jiān)測報警模塊（如圖1），各模塊呈現(xiàn)高內(nèi)聚，低耦合的特點。

圖1 DAP生產(chǎn)單元仿真仿真系統(tǒng)框架Fig.1 DAP production unit simulation system simulation framework

2.1 數(shù)據(jù)庫的動態(tài)創(chuàng)建

系統(tǒng)采用LabVIEW SQL Toolkit實現(xiàn)對Access數(shù)據(jù)庫的訪問。通過在ODBC數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建Data Source Name（DSN)，建立LabVIEW[8-10]SQL Toolkit與數(shù)據(jù)庫的連接，并通過配置DSN，導出相關(guān)信息至DSN1.reg、DSN2.reg，再將兩個文件中的注冊表信息合并為一個注冊表文件，另存為Datafile.reg，配置Driver(ODBC驅(qū)動程序的路徑)、DBQ（標識數(shù)據(jù)源文件的存放路徑），通過獲得數(shù)據(jù)源文件路徑確定其鍵值，編寫vi導入剛才創(chuàng)建的Datafile.reg至注冊表，修改“DBQ”項值為當前數(shù)據(jù)庫文件存放路徑，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)源的動態(tài)創(chuàng)建。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

2.2.1 系統(tǒng)界面設(shè)計

人機界面是評價軟件的重要指標，得益于LabVIEW高效的 語言編程方式和靈活的控件屬性設(shè)置。本文的系統(tǒng)根據(jù)人機原理構(gòu)建了友好的人機界面(如圖2，延緩視覺疲勞，各界面簡潔明了、生動形象，便于使用。當系統(tǒng)開始運行時，顯示管理員登錄系統(tǒng)界面，登錄成功后轉(zhuǎn)入工作界面，點擊啟動生產(chǎn)，磷酸、氨水開始進料，點擊各貯槽、反應釜流量、壓力、溫度、工作區(qū)氨氣監(jiān)測報警開關(guān)，調(diào)節(jié)隨機擾動大小，同時可觀察超限報警、原因后果分析及預防應對措施。

圖2 管理員登陸界面設(shè)計Fig.2 Administrator login interface design

2.2.2 系統(tǒng)詳細設(shè)計

1）系統(tǒng)初始化。程序開始運行，首先完成5個初始化任務：①清空用戶名和密碼輸入欄。②隱藏工作界面相關(guān)控件。③各貯槽、反應釜流量、壓力、溫度、工作區(qū)氨氣監(jiān)測報警開關(guān)和生產(chǎn)開關(guān)的關(guān)閉。④各貯槽、反應釜流量、壓力、溫度、工作區(qū)氨氣初始值歸零。⑤磷酸、氨水進料流量初始值設(shè)置。

2）管理員信息驗證。管理員輸入用戶名、密碼后點擊“登錄”按鈕，系統(tǒng)核對該用戶名和密碼數(shù)據(jù)庫中是否存在，若存在，登陸成功，顯示歡迎信息，進入工作界面。否則將提示輸入錯誤，請重新輸入。具體圖3所示。

圖3 管理員信息驗證程序框圖Fig.3 Administrator to verify the block diagram

3）生產(chǎn)模擬。假設(shè)DAP生產(chǎn)嚴格按照國家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強化工過程安全管理的指導意見 （安監(jiān)總管三〔2013〕88號）中開停車的相關(guān)規(guī)定，從開始進料流量到達到穩(wěn)定生產(chǎn)過程的風險低，不在HAZOP分析范圍內(nèi)，因此生產(chǎn)模擬通過LabVIEW自帶數(shù)學工具創(chuàng)建公式節(jié)點，輸入液位流量表達式，并通過LabVIEW數(shù)據(jù)流運行模式實現(xiàn)試車的快速模擬。設(shè)定溢出臨界液位的為液位上限，設(shè)置登陸成功后登陸界面相關(guān)控件隱藏，同時顯示工作界面相關(guān)控件，在While循環(huán)的順序結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建磷酸、氨水進料輸入控件與連接調(diào)節(jié)旋鈕的仿真信號△θi相加。

圖4 DAP化工生產(chǎn)的工藝流程模型圖Fig.4 DAP chemical production process model

圖5 生產(chǎn)模擬vi程序框圖Fig.5 Production simulation block diagram vi

4）監(jiān)測報警。模擬生產(chǎn)進入持續(xù)穩(wěn)定階段，啟動監(jiān)測報警系統(tǒng)對生產(chǎn)關(guān)鍵參數(shù)進行實時監(jiān)測。創(chuàng)建監(jiān)測報警SUBVI，基于LabVIEW數(shù)據(jù)流運行模式，當數(shù)據(jù)同時到達監(jiān)測報警SUBVI輸入端口時，監(jiān)測報警SUBVI可被視為同步執(zhí)行。通過選項卡控件實現(xiàn)磷酸、氨水貯槽，反應釜，DAP貯槽流量、壓力、溫度、液位監(jiān)測報警及工作區(qū)氨氣監(jiān)測報警5個監(jiān)測報警區(qū)的劃分，并創(chuàng)建HAZOP方法定義關(guān)鍵參數(shù)的局部變量，由于不涉及數(shù)組結(jié)構(gòu)等空間復雜度較高的變量結(jié)構(gòu)，可忽略內(nèi)存復制增加問題，在While循環(huán)中創(chuàng)建布爾變量連接CASE結(jié)構(gòu)，為真實關(guān)鍵參數(shù)與報警上下限控件輸入值進行比較，超限時報警燈及報警音樂啟動，顯示關(guān)鍵參數(shù)超限的HAZOP原因后果分析及預防應對措施指導，操作管理員可根據(jù)系統(tǒng)指示，及時排查原因，采取措施防止事故的發(fā)生。

圖6 工作界面誤操作報警Fig.6 Working interface malfunction alarm

3 結(jié)束語

文中基于LabVIEW，將HAZOP方法的DAP生產(chǎn)單元仿真系統(tǒng)與HAZOP方法相結(jié)合的虛擬儀器設(shè)計，為非實際工作環(huán)境下對DAP化工生產(chǎn)危險性及事故預防的全面認識提供了可能，該設(shè)計可為操作人員增強自身安全防范意識及裝置的安全管理提供指導。同時也是非實物條件下 安全、快速、深入了解磷酸氫二銨（DAP）生產(chǎn)的有效方法。

[1]馬莉,韓文輝,王朝暉.HAZOP研究在柴油加氫精制裝置的應用[J].石油化工安全環(huán)保技術(shù),2010,6(2):10-13.

MA Li,WEN-Hui Han,WANG Zhao-hui.HAZOP study in the application of diesel hydrotreating unit[J].Petrochemical Safety and Environmental Protection Technology,2010,6(2):10-13.

[2]李勇.磷酸二銨生產(chǎn)易發(fā)事故及預防[J].化工安全與環(huán)境,2005,6(21):12-13.

LI Yong.DAP accident-prone production and prevention[J].Chemical Safety and Environment,2005,6(21):12-13.

[3]童剛.虛擬儀器實用編程技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[4]張重雄.虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[5]張毅.虛擬儀器技術(shù)分析與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[6]林君,謝宣松等.虛擬儀器原理及應用[M].北京:科學出版社,2006.

[7]劉明潔,姜雪娜.虛擬儀器開發(fā)環(huán)境LabVIEW7 Express及其數(shù)據(jù)采集[J].儀器儀表標準化與計量,2005(4):17-18.

LIU Ming-jie,JIANG Xue-na.Virtual instrument development and data collection environment LabVIEW7 Express.[J].Standardization and Metrology Instruments,2005 (4):17-18.

[8]周求湛.虛擬儀器與LabVIEW7Express程序設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學出版,2004.

[9]李達,魏學哲,孫澤昌.LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國儀器儀表,2007(1):49-52.

LI Da,WEI Xue-zhe,SUN Ze-chang.Design and implementation.LabVIEW data acquisition system[J].Chinese Instruments,2007(1):49-52.

[10]王建群,南金瑞,孫逢春,等.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].計算機工程與應用,2003(21):122-125.

WANG Jian-qun,NAN Jin-rui,SUN Feng-chun,et al.To achieve LabVIEW data acquisition syste[J].Based Computer Engineering and Applications,200(21):122-125.

Security producing unit simulation system based on LabVIEW

TAN Tian-tian，ZHANG Dong-sheng，HU Jing-fen，WANG Cheng-shuo
（College of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100010,China）

the physical operation and experiment of Diammonium phosphate (DAP)production have a lot of risk,the paper combined Operability Analysis (HAZOP)analysis (HAZOP)with virtual instrument design for the development of safe production unit DAP simulation system based on LabVIEW,to achieve cell safe production process simulation,analysis of the reasons for the alarm monitoring,predicting consequences,prevention countermeasures for the safe production and maintenance of equipment to provide guidance.

simulation system；LabVIEW；hazard and operability analysis；DAP

TN86；TP391

A

1674-6236（2014）13-0018-03

2014-02-10 稿件編號：201402027

教育部大學生科技創(chuàng)新項目（091001018）

譚田天（1989—），女，新疆庫爾勒人，碩士研究生。研究方向：管理信息系統(tǒng)。