吳新慶(江蘇安勝達安全科技有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

自動化控制技術始于20世紀70年代，初期因電子計算機技術的制約，主要運用于測量、輔助監(jiān)視作用，以單儀表控制回路調節(jié)的簡單控制為主。后來隨著電子計算機小型化和微型化發(fā)展和應用，才逐步形成以電腦系統(tǒng)為平臺整合多儀表控制回路調節(jié)技術。如工業(yè)計算機控制系統(tǒng)(IPC)，可編程程序控制器(PLC)，集散控制系統(tǒng)(DCS)，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)。上世紀90年代，在DCS系統(tǒng)基礎上，又開發(fā)了多變量控制器，如模型控制器(MAC)、動態(tài)矩陣控制器(DMC)等先進控制系統(tǒng)(APC)。當前，自動化控制技術得益于電子計算機的快速發(fā)展和應用，逐步向智能化發(fā)展。未來在這些自動化控制器的基礎上，集合信息、優(yōu)化、判斷、維護等系統(tǒng)形成智能化、信息化的控制系統(tǒng)，將得到更廣泛的應用。

1 國內化工企業(yè)自動化控制技術運用現(xiàn)狀

自動化控制系統(tǒng)在隨著生產(chǎn)裝置的引進也逐步進入我國各個生產(chǎn)領域，化工行業(yè)同樣從引進、消化、吸收，到開發(fā)和應用的過程。然而在經(jīng)過30年的發(fā)展，化工企業(yè)自動化控制技術的運用不均衡，存在較大的差別，可以大致分為三個層次。

普及運用企業(yè)：國有大型化工企業(yè)和合資或獨資的化工企業(yè)如中石化、中石油、巴斯夫、拜爾等企業(yè)，還有一些生產(chǎn)技術先進的中型企業(yè)。普遍采用DCS控制系統(tǒng)，對整個生產(chǎn)流程進行自動化控制，對生產(chǎn)裝置進行全面的監(jiān)控。有的企業(yè)對關鍵工序還采用先進控制器進行生產(chǎn)控制運行。這些企業(yè)在自動化控制技術方面處于先進或領先地位。

局部或部分運用企業(yè)：民營化工企業(yè)和小型外資化工企業(yè)，企業(yè)選擇采用DCS和PLC控制系統(tǒng)。為了避免過多的投資，這些企業(yè)只在關鍵生產(chǎn)工序運用DCS和PLC控制系統(tǒng)，在達到生產(chǎn)控制目標后沒有全面運用控制系統(tǒng)，使得控制功能沒有全部發(fā)揮，控制技術的精度也不高，處于一般控制水平。

最低控制運用企業(yè)：小型民營化工企業(yè)由于生產(chǎn)工藝技術簡單，生產(chǎn)流程短，基本是間隙式一步反應生產(chǎn)形式。有的采用PLC進行控制，有的還是采用單回路儀表控制，甚至是人工控制，他們處于低端水平。但是這樣的化工企業(yè)在我國目前數(shù)量很大，占到60%以上(單位總數(shù))。

2 自動化控制技術的安全應用功能

化工企業(yè)生產(chǎn)涉及易燃易爆、有毒有害等危險物料，并進行化學反應，其生產(chǎn)的安全性、穩(wěn)定性顯得尤其重要。自動化控制技術的安全功能在化工企業(yè)安全生產(chǎn)中起到重要作用。

2.1 自動化控制功能

化工企業(yè)運用自動化控制技術就是針對化工生產(chǎn)的基礎性環(huán)節(jié)，完成對化工生產(chǎn)過程中的溫度、流量、壓力、液位等生產(chǎn)條件的自動化控制，保證各項指標保持在安全合理范圍內，減少操作人員長時間在易燃易爆、有毒有害的危險環(huán)境中進行工作，促使生產(chǎn)自動、連續(xù)地完成，極大地節(jié)約了人力資源、降低了生產(chǎn)成本。

目前，我國絕大多數(shù)化工企業(yè)仍然采用常規(guī)的DCS控制系統(tǒng)，其中90%以上執(zhí)行儀表采用PID控制，依然依靠操作人員的控制設置操作，受到操作人員的經(jīng)驗、熟練及規(guī)范程度的影響，自動化控制系統(tǒng)和化工生產(chǎn)裝置的真正潛力沒有發(fā)揮出來。開發(fā)和推廣應用先進控制系統(tǒng)(APC)和過程優(yōu)化技術是目前化工企業(yè)發(fā)展的方向。我們可以通過一個實例來了解一下APC和DCS的控制效果。

某化工企業(yè)高分子聚合生產(chǎn)裝置經(jīng)過多年的穩(wěn)定生產(chǎn)，在生產(chǎn)裝置達到設計能力的基礎上，在DCS系統(tǒng)上安裝先進控制系統(tǒng)(APC)進行自動化控制技術的攻關和突破，使得自動控制更加優(yōu)化，生產(chǎn)裝置效能發(fā)揮達到新的高度。

圖1 調控分子量的物料流量(同樣影響反應壓力)

圖1和圖2反映的是APC系統(tǒng)投用前后的聚合反應部分的兩個參數(shù)控制效果，很明顯APC投用后的反應穩(wěn)定性得到很大的提高。它得益于以DCS為直接控制層主要完成單元控制保證生產(chǎn)裝置的正常運行，以APC為監(jiān)督與控制層重點對生產(chǎn)過程進行優(yōu)化控制，保證裝置安穩(wěn)長滿優(yōu)運行并獲取最大的經(jīng)濟效益。

圖2 聚合產(chǎn)品的質量(以1為基準)

2.2 安全停車功能

化工生產(chǎn)中一旦出現(xiàn)突發(fā)性設備故障或生產(chǎn)反應失去控制狀態(tài)時很容易因為上下游關聯(lián)生產(chǎn)環(huán)節(jié)無法及時調整或停車而造成其他設備故障、損壞導致危險物料泄漏，發(fā)生火災、爆炸、中毒等嚴重的生產(chǎn)操作安全事故。為了避免發(fā)生這樣的安全生產(chǎn)事故，應用自動化控制系統(tǒng)完成緊急安全停車功能可以防止連帶性事故的發(fā)生，有效降低化工企業(yè)的故障損失。

安全停車功能是由緊急停車系統(tǒng)(ESD)來實現(xiàn)，基于自動化控制系統(tǒng)，通常依附DCS系統(tǒng)。初期的緊急停車系統(tǒng)(ESD)系統(tǒng)是靜態(tài)的，只有在生產(chǎn)裝置出現(xiàn)異常的情況下，通過DCS檢測到的報警聯(lián)鎖信號或者人為干預觸發(fā)緊急停車命令，ESD系統(tǒng)才會發(fā)出聯(lián)鎖信號，再通過DCS系統(tǒng)實施預先設定好的邏輯順序，依次停止各個相關運行生產(chǎn)工序或環(huán)節(jié)，盡可能降低因局部故障而造成的損失，避免發(fā)生嚴重的安全事故。

近年來，ESD系統(tǒng)經(jīng)過不斷的更新，變得更加的復雜和高級。ESD系統(tǒng)分為正常停車、局部緊急停車和全部緊急停車三種控制范圍。自動控制系統(tǒng)通過離線和在線診斷軟件包括全面的診斷程序，具備完整的自診斷系統(tǒng)，能對化工生產(chǎn)操作系統(tǒng)以及設備狀態(tài)和外部相關生產(chǎn)運行狀態(tài)進行動態(tài)的檢查分析，一旦發(fā)現(xiàn)故障預兆現(xiàn)象的出現(xiàn)，及時進行報警。ESD系統(tǒng)根據(jù)預警的級別實施相應范圍內的安全停車。

而對于涉及“兩重點”(重點監(jiān)管工藝和危險化學品)和“一重大”(重大危險源)的高度危險化工生產(chǎn)裝置，由于其危險危害性很大，為了確保安全的可靠性，建立獨立的安全停車系統(tǒng)，稱安全儀表系統(tǒng)(SIS)。SIS系統(tǒng)是有嚴格的條件的，其特點：

(1)符合國際安全協(xié)會規(guī)定的儀表的安全標準規(guī)定；

(2)具有覆蓋面廣、安全性高、有自診斷功能，能夠檢測并預防潛在的危險；

(3)容錯性的多重冗余系統(tǒng)，單一故障不會導致SIS安全功能喪失；

(4)應用程序容易修改，可根據(jù)實際需要對軟件進行修改；

(5)自診斷覆蓋率大，可實現(xiàn)從傳感器到執(zhí)行元件所組成的整個回路的安全性設計，具有I/O短路、斷線等監(jiān)測功能；

(6)響應速度快，從輸入變化到輸出變化的響應時間一般在毫秒級。SIS系統(tǒng)無需人工干預，一旦投用即可自動運行。它是“靜態(tài)”的，與ESD的區(qū)別就是具有獨立的檢測和執(zhí)行機構，雖然可以與DCS共存，但不互通，互不影響。對現(xiàn)場設備設施進行獨立的有等級的安全保護，避免安全事故的發(fā)生。

2.3 故障檢測功能

化工企業(yè)生產(chǎn)主要依靠各類化工生產(chǎn)設備進行生產(chǎn)，而化工生產(chǎn)設備的數(shù)量又多復雜程度又高，設備特性差異較大，在定期的設備安全檢查過程中，既需要停車又需要時間，并且單純依靠人工經(jīng)驗性檢查又很容易遺漏安全隱患。自動化控制系統(tǒng)利用故障診斷系統(tǒng)的應用對化工生產(chǎn)設備進行系統(tǒng)的監(jiān)控和檢測，通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)(如：設備的運行溫度、振動量、位移量、耗電量等)的統(tǒng)計和分析，使得設備故障診斷更加精準和高效。

2.4 應急處置功能

自動控制系統(tǒng)具有一定的應急處置功能。通過現(xiàn)場在線檢測儀表對生產(chǎn)裝置或設施進行全時段的監(jiān)控，當生產(chǎn)過程中發(fā)生事故時，由于搶修人員不能在第一時間進入生產(chǎn)裝置或設施中進行搶修，或者在有毒有害環(huán)境中不容許人員進入的情況下，自動控制系統(tǒng)及時啟動應急處置裝置，有效處理故障狀態(tài)，減少生產(chǎn)裝置的損失，確保事故控制在可控范圍內。自動控制系統(tǒng)在化工企業(yè)發(fā)生危險的情況下，一方面通過報警信號通知事發(fā)現(xiàn)場的人員迅速的撤離，避免擴大人員傷亡；另一方面及時進行應急處置，盡可能減少財產(chǎn)損失，提高了企業(yè)安全應急能力。

3 結語

自動化控制技術的運用不僅能減少操作人員、節(jié)能降耗、提高產(chǎn)能，而且能提高生產(chǎn)裝置運行的安全性、穩(wěn)定性，以及有利于提高產(chǎn)品的質量和開發(fā)等多方面功能，因此化工企業(yè)在生產(chǎn)裝置應用自動化控制系統(tǒng)有著重大的作用。尤其當今步入“工業(yè)4.0”的時代，要實現(xiàn)“中國制造2025”目標，安全可靠性是首當其沖的基礎保障。自動化控制技術是基礎，信息化和智能化是發(fā)展保障。通過不斷研究和開發(fā)應用，自動化控制技術將為我國的化工行業(yè)的穩(wěn)健發(fā)展提供可靠和安全的技術支持。