常剛

(山東魯泰化學(xué)有限公司，山東 濟(jì)寧 272350)

安全人機(jī)系統(tǒng)在燒堿生產(chǎn)過程的應(yīng)用

常剛*

(山東魯泰化學(xué)有限公司，山東 濟(jì)寧 272350)

安全人機(jī)系統(tǒng)；二次鹽水；電解；淡鹽水；脫氯；可靠度；計(jì)算

介紹安全人機(jī)系統(tǒng)的分類、特點(diǎn)及其在燒堿生產(chǎn)過程的應(yīng)用情況，分析人機(jī)系統(tǒng)可靠度計(jì)算方法。

安全人機(jī)工程是運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)的理論和方法研究“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)，并使三者在安全的基礎(chǔ)上達(dá)到最佳匹配，以確保系統(tǒng)高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一門綜合性的科學(xué)。安全人機(jī)系統(tǒng)是安全人機(jī)工程學(xué)的主要研究內(nèi)容，安全人機(jī)工程學(xué)要求安全管理工作者結(jié)合實(shí)際工作情況，認(rèn)真研究人機(jī)系統(tǒng)的可靠性，遵循人機(jī)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)、合理以及可靠性高的人機(jī)系統(tǒng)，更好地服務(wù)于安全生產(chǎn)。

在安全人機(jī)系統(tǒng)中，人始終起著核心和主導(dǎo)作用，機(jī)器起著安全可靠的保證作用。解決安全生產(chǎn)事故發(fā)生的根本方法之一就是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的機(jī)械化或自動化，用工業(yè)智能機(jī)器人或自動化模塊程序控制處在危險(xiǎn)環(huán)境中的操作點(diǎn)，將人解脫出來，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

筆者多年從事離子膜電解制堿工藝的安全生產(chǎn)管理工作，現(xiàn)結(jié)合山東魯泰化學(xué)有限公司(以下簡稱“魯泰化學(xué)”)燒堿生產(chǎn)現(xiàn)場，對安全人機(jī)系統(tǒng)理論及其在離子膜電解制堿工藝中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 安全人機(jī)系統(tǒng)的分類與特點(diǎn)[1]

人機(jī)系統(tǒng)主要分為兩類：一類為機(jī)械化、半機(jī)械化控制的人機(jī)系統(tǒng)(以下簡稱a類)，另一類為全自動化控制的人機(jī)系統(tǒng)(以下簡稱b類)。

a類人機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：人機(jī)共體或機(jī)為主體，系統(tǒng)的動力源由機(jī)器提供，人在系統(tǒng)中主要充當(dāng)生產(chǎn)過程的操控者與控制者，即控制器主要由人來操作。在控制系統(tǒng)中設(shè)置監(jiān)控裝置，如果人操作失誤，機(jī)器就會拒絕執(zhí)行或發(fā)出警告。如圖1所示。

圖1 半機(jī)械化人機(jī)系統(tǒng)的控制過程

a類人機(jī)系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛，適合用在指標(biāo)要求相對不太嚴(yán)格的控制點(diǎn)或場所;但是隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，b類人機(jī)系統(tǒng)在工業(yè)信息化中得到前所未有的重視，b類人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用程度代表著工業(yè)信息化的發(fā)展?fàn)顩r。b類人機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：以機(jī)為主，機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)完全依賴于閉環(huán)系統(tǒng)機(jī)器自身的調(diào)節(jié)與控制，操作人員只是一個(gè)監(jiān)視者和管理者，他們利用計(jì)算機(jī)技術(shù)監(jiān)視自動化程序和機(jī)器的工作情況。只有在自動化控制程序出現(xiàn)故障時(shí)，人們才進(jìn)行干預(yù)，采取有效措施。如圖2所示。

圖2 全自動人機(jī)系統(tǒng)的控制過程

b類人機(jī)系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了全自動化控制，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，由于調(diào)節(jié)比較敏感，適合用在對指標(biāo)要求較嚴(yán)格的控制點(diǎn)或場所，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)波動較大時(shí)，調(diào)節(jié)較困難。因此設(shè)計(jì)了自動和手動功能，還設(shè)計(jì)了微調(diào)和粗調(diào)功能。操作者可以通過計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)或鍵盤等輸入設(shè)備進(jìn)行功能切換與選擇。這樣，a類和b類在功能上實(shí)現(xiàn)了相互轉(zhuǎn)化。

在現(xiàn)代化工業(yè)大生產(chǎn)中，人們根據(jù)對崗位或場所的不同要求設(shè)置了不同的人機(jī)系統(tǒng)，使它們有機(jī)結(jié)合起來，發(fā)揮不同的優(yōu)勢，為安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

2 安全人機(jī)系統(tǒng)在離子膜電解制堿工藝中的應(yīng)用

2.1二次鹽水精制工序

本工序的主要任務(wù)是利用螯合樹脂塔內(nèi)樹脂的吸附作用將鹽水中的Ca2+、Mg2+等進(jìn)一步去除，使鹽水中的Ca2+、Mg2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和小于20×10-9。一般是兩塔工作一塔再生，樹脂塔的切換、再生程序非常繁瑣復(fù)雜，操作閥門眾多，如果靠人工操作十分困難，為此本工序設(shè)置了b類人機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全自動化控制。當(dāng)再生程序進(jìn)行到某步驟時(shí)，對應(yīng)的電磁調(diào)節(jié)閥、電磁開關(guān)閥就會自動開啟或關(guān)閉；當(dāng)塔內(nèi)壓力過高時(shí)，自動閥就會開啟泄壓，壓力正常后閥門自動關(guān)閉；如果某個(gè)自動閥出現(xiàn)了故障，再生程序就會停止運(yùn)行。操作者可以將程序改為手動或半自動調(diào)節(jié)，如果技術(shù)人員檢修閥門還可以將程序暫停。

對于樹脂塔再生程序的某些步驟的細(xì)節(jié)方面，可以設(shè)置a類人機(jī)系統(tǒng)。例如樹脂塔進(jìn)行酸洗時(shí)，根據(jù)工藝要求，對酸洗流量設(shè)定了上下限范圍，對酸洗的時(shí)間也進(jìn)行了設(shè)定。如果由于酸泵等其他原因造成酸流量較大波動，且超出了指標(biāo)范圍，則對應(yīng)調(diào)節(jié)閥立即關(guān)閉，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，酸洗停止；此時(shí)DCS發(fā)出流量異常報(bào)警，操作人員馬上進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，使酸洗恢復(fù)正常。正常情況下，操作人員進(jìn)行巡檢時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)物料的流量偏高或偏低，即使在正常范圍內(nèi)，也會主動進(jìn)行調(diào)節(jié)，將流量調(diào)為工藝要求的最佳狀態(tài)。但是，如果操作人員調(diào)節(jié)幅度過大，流量超出范圍，程序就會終止，以保護(hù)樹脂不受損害。

2.2電解工序

電解槽和離子膜是本工序的核心設(shè)備，也是制堿工藝的心臟，鹽水進(jìn)入離子膜電解槽，經(jīng)電解后，32%的成品燒堿溶液就從本工序中生產(chǎn)出來，同時(shí)產(chǎn)生大量的氯氣和氫氣。高溫堿液具有強(qiáng)腐蝕性；氯氣具有很大的毒性，可使人窒息，空氣中的最大容許質(zhì)量濃度為1 mg/m3；氫氣為易燃易爆氣體，在空氣中的爆炸極限為4%～75%：因此，電解工序的安全管理工作非常重要。離子膜電解槽對物料的流量要求比較高，對氣體的壓力比較敏感，一旦流量或氣體壓力、壓差超出范圍就會對設(shè)備造成巨大的損害，容易引發(fā)爆炸事故，嚴(yán)重威脅員工的生命安全。

為了從根本上杜絕安全隱患，設(shè)計(jì)者根據(jù)崗位特點(diǎn)在此工序許多控制點(diǎn)設(shè)置了不同的人機(jī)系統(tǒng)。a類人機(jī)系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場氯氣和氫氣濃度自動監(jiān)測與報(bào)警。b類人機(jī)系統(tǒng)包括：入電解槽陰極液和陽極液流量調(diào)節(jié)、氫氣壓力氯氣壓力及壓差自動調(diào)節(jié)、電解槽加酸自動調(diào)節(jié)、陰極純水加入流量自動調(diào)節(jié)、氯中含氫在線監(jiān)測、電解槽槽溫自動控制與調(diào)節(jié)、陰極系統(tǒng)停車自動充氮、槽電壓自動監(jiān)測等。這些全自動化控制或調(diào)節(jié)點(diǎn)大多與電解槽直流電源連鎖控制，指標(biāo)一旦超出正常范圍，電解槽保護(hù)連鎖立即啟動，失電停車。

電解工藝的DCS是整個(gè)工藝的中樞，設(shè)有電池組冗余備用電源，大面積停電后仍能正常工作，對現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測。

2.3脫氯工序

本工序的主要任務(wù)是利用蒸汽噴射器將脫氯塔內(nèi)部抽成-66.67 kPa的負(fù)壓環(huán)境，出電解槽80 ℃的含氯淡鹽水在塔內(nèi)沸騰后，大量的殘余氯氣被脫出，進(jìn)入氯氣總管，送往氯氫處理工段。

為了將脫氯塔內(nèi)的壓力穩(wěn)定在正常范圍，更徹底地脫除氯氣，本工序設(shè)置了b類人機(jī)系統(tǒng)，主要包括：氯氣冷卻自動控制、蒸汽壓力自動控制、入塔淡鹽水pH值調(diào)節(jié)自動控制、出塔淡鹽水pH值調(diào)節(jié)自動控制、亞硫酸鈉溶液流量自動控制。

2.4打堿工序

打堿工序主要是利用離心泵，將儲存在堿中間槽的32%的成品堿輸送至罐區(qū)，主要設(shè)有堿液溫度自動控制、堿中間槽液位自動報(bào)警系統(tǒng)。

在離子膜電解制堿生產(chǎn)現(xiàn)場，大部分的流體輸送泵采用了并聯(lián)方式，這些泵的動力開關(guān)設(shè)在現(xiàn)場，與所屬的槽罐液位連鎖報(bào)警。這些都屬于a類人機(jī)系統(tǒng)研究的范疇。

3 電解工序DCS主控操作崗位人機(jī)系統(tǒng)可靠度計(jì)算與評價(jià)

魯泰化學(xué)電解工序主控操作崗位集中了電解現(xiàn)場所有的遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測、分析、控制與調(diào)節(jié)，操作人員要連續(xù)觀察數(shù)據(jù)變化及自動化程序的運(yùn)行情況。一旦操作失誤，很容易造成連鎖停車，危及生命和設(shè)備安全。因此，必須根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的原理對此崗位進(jìn)行有效地科學(xué)管理。

由于人機(jī)系統(tǒng)中影響人的可靠性的因素眾多，且隨機(jī)變化，因此人的可靠性是不穩(wěn)定的，人的可靠度計(jì)算也比較困難。

3.1人的基本可靠度

系統(tǒng)不因人體差錯(cuò)發(fā)生功能降低和故障時(shí)人的成功概率，稱為人的基本可靠度，用r表示。人在進(jìn)行作業(yè)操作時(shí)的基本可靠度可用下式表示：

r=a1·a2·a3。

式中：a1為輸入可靠度，考慮感知信號及其意義，時(shí)有失誤；a2為判斷可靠度，考慮進(jìn)行判斷時(shí)失誤；a3為輸出可靠度，考慮輸出信息時(shí)運(yùn)動器官執(zhí)行失誤，如按錯(cuò)開關(guān)。

上式是外部環(huán)境在理想狀態(tài)下的可靠度值，a1、a2、a3各值見表1。

表1 可靠度a1、a2、a3值

電解工序DCS的多數(shù)變量在6個(gè)以下，人的基本可靠度較高。對于氯工程的電解槽，隨著運(yùn)行時(shí)間延長，槽電壓會逐漸升高，須定期修改電壓上限連鎖值，每臺電解槽須輸入15個(gè)變量，共計(jì)須輸入240個(gè)變量，完成每臺電解槽的輸入任務(wù)。人的基本可靠度在0.970 3以下。為了確保萬無一失，需兩人進(jìn)行操作，一人鍵入數(shù)據(jù)，另一人確認(rèn)無誤后，再執(zhí)行輸入。為了保證安全，電解工序的所有操作都遵循這個(gè)原則。

電解工序的操作是一個(gè)連續(xù)作業(yè)過程，控制人員須連續(xù)操作計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)，連續(xù)作業(yè)人的基本可靠度可通過下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：r(t)為連續(xù)操作人的基本可靠度；λ(t) 為t時(shí)間內(nèi)的差錯(cuò)率；t為連續(xù)工作時(shí)間。

電解工序?yàn)檫B續(xù)性作業(yè)，每班操作人員的最長工作時(shí)間為8 h，統(tǒng)計(jì)平均差錯(cuò)率為0.000 01，則基本可靠度為：

exp(-0.000 01×8)=0.999 99。

離子膜電解工序操作人員的平均基本可靠度比較高。但是對于同一個(gè)人來說，在不同的時(shí)間λ(t)是不同的，比如夜班與白班的差異;不同的人λ(t)也是不同的，比如技術(shù)能力強(qiáng)的人與技術(shù)能力差的人的差異、老員工與新員工的差異。因此,在計(jì)算r(t)值時(shí)是根據(jù)不同的人、在不同時(shí)間進(jìn)行同一項(xiàng)操作時(shí)所出差錯(cuò)率的平均值，得到的統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)。

3.2人機(jī)系統(tǒng)的可靠度計(jì)算

人機(jī)系統(tǒng)組成串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度可以按下式計(jì)算：R=R1·R2。

式中：R為人機(jī)系統(tǒng)可靠度；R1為人的操作可靠度；R2為機(jī)器設(shè)備可靠度。

統(tǒng)計(jì)電解工序機(jī)器設(shè)備平均可靠度在0.985 00，則人機(jī)系統(tǒng)平均可靠度：

R=0.999 99×0.985 00=0.984 99。

可以采用并聯(lián)方法來提高可靠度，常用的并聯(lián)方法有：并行工作冗余法和后備冗余法。并行工作冗余法是使用2個(gè)以上相同單元來完成同一系統(tǒng)任務(wù)。當(dāng)一個(gè)單元失效時(shí)，其余單元仍能完成工作。如電解工序的DCS主控操作崗位采用3人3臺計(jì)算機(jī)并聯(lián)操作。后備冗余法也是配備2個(gè)以上相同單元來完成同一系統(tǒng)任務(wù)，它與并行工作冗余法不同之處在于后備冗余法有備用單元。備用單元平時(shí)不工作，只有當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，才啟用備用單元。如離子膜電解工段生產(chǎn)現(xiàn)場每臺泵設(shè)有一兩臺備用泵，離子膜電解槽電源設(shè)有備用回路等，這些都是保障安全生產(chǎn)的有力措施。

4 結(jié)語

安全人機(jī)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全的重要途徑，是指導(dǎo)企業(yè)推進(jìn)現(xiàn)代工業(yè)信息化發(fā)展的理論基礎(chǔ)，通過對安全人機(jī)系統(tǒng)的研究、分析與應(yīng)用，魯泰化學(xué)最終一定會全面實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全生產(chǎn)。

[1] 吳宗之，樊晶光.安全生產(chǎn)技術(shù)[M].北京：中國大百科全書出版社，2008:167-168.

[編輯：董紅果]

Applicationofsafetyhuman-machinesystemincausticsodaproductionprocess

CHANGGang

(Shandong Lutai Chemical Co., Ltd., Jining 272350,China)

safety human-machine system; secondary brine; electrolysis; depleted brine; chlorine removing; reliability; calculation

The classification and characteristics of safe human-machine system and its application in caustic soda production process were introduced. The reliability calculation method of human-machine system was analyzed.

TQ056

B

1008-133X(2017)08-0026-03

常剛(1980—)，男，工程師，國家注冊安全工程師，2005年畢業(yè)于德州學(xué)院化學(xué)系，現(xiàn)于山東魯泰化學(xué)有限公司氯堿車間從事安全生產(chǎn)管理工作。

2017-05-15