間歇生產(chǎn)過程安全控制分析

1、間歇生產(chǎn)過程安全控制分析 一、控制條件分析在工業(yè)控制方面，間歇生產(chǎn)過程同連續(xù)生產(chǎn)過程相同都要滿足：安全生產(chǎn)；設(shè)備工藝指標(biāo)和產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)；環(huán)保法規(guī)；經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等基本要求。在生產(chǎn)過程中，間歇過程也同樣要求有對參數(shù)的調(diào)節(jié)控制功能。特別是在諸如反應(yīng)器的平穩(wěn)反應(yīng)階段，精餾操作中某單一組分平穩(wěn)餾出階段，間歇過程的控制要求同連續(xù)生產(chǎn)過程相同，即采用保持一組給定的相對穩(wěn)定的操作條件而保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。但是，不同于連續(xù)過程，由間歇過程的按配方操作批量生產(chǎn)、生產(chǎn)中整體工藝條件(參數(shù))是動態(tài)的等特性，間歇過程要求其控制系統(tǒng)具備更加完善和特殊控制功能。其控制要求可概括如下。(1)順序控制 間歇生產(chǎn)過程是順序執(zhí)行配方規(guī)

2、定的生產(chǎn)操作的批量生產(chǎn)過程。所以要求間歇控制系統(tǒng)具有的一項(xiàng)功能就是驅(qū)動生產(chǎn)過程一步一步地順序執(zhí)行不同的生產(chǎn)操作。工業(yè)上稱這種控制模式為順序(程序)控制。操作中的順序錯誤可能導(dǎo)致危險物的生成甚至直接就會發(fā)生事故。根據(jù)各步間的轉(zhuǎn)換條件，順序控制又可分為時間驅(qū)動、事件驅(qū)動和混合驅(qū)動三種順序控制方式。第一種是根據(jù)操作配方規(guī)定的時間段、時間點(diǎn)轉(zhuǎn)換操作步驟，如產(chǎn)品的保溫固化時間等。第二種是根據(jù)被控對象的操作狀態(tài)或偶發(fā)事件等轉(zhuǎn)換操作步驟，如反應(yīng)器加(卸)料結(jié)束、間歇式精餾的二餾出組分轉(zhuǎn)換的判斷等。而更多的是第三種驅(qū)動方式，即同時依據(jù)時間和操作狀態(tài)做出判斷，如反應(yīng)中二次反應(yīng)的加料、反應(yīng)中止劑的投放等。(2)離

3、散控制 間歇生產(chǎn)過程中大量地使用位式控制元件，如泵、位式閥門、冰機(jī)和壓縮機(jī)等，這些設(shè)備的控制信號，以及順序操作狀態(tài)標(biāo)志和時間等大量信號均是離散的開關(guān)量和數(shù)字信號。這些離散信號的傳輸和處理是間歇過程控制的重要環(huán)節(jié)。(3)調(diào)節(jié)控制 前面已經(jīng)提到，在間歇生產(chǎn)過程中也同樣要應(yīng)用與連續(xù)生產(chǎn)過程控制相同的控制方法和回路來控制溫度，壓力、流量等工藝參數(shù)。但是，由于間歇生產(chǎn)過程中的各種工藝參數(shù)是動態(tài)的，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，被控變量的設(shè)定值，甚至被控變量將會產(chǎn)生變化，控制器的參數(shù)值也可能需要進(jìn)行重新整定。所以，在間歇生產(chǎn)過程中常常要求控制回路具有“重組”和“重整”的功能。(4)人機(jī)接口 在間歇生產(chǎn)過程中，操作工人的

4、干預(yù)是正常操作的一部分，在生產(chǎn)中起到十分重要的作用。往往是一個關(guān)鍵的操作是由操作工人操縱控制系統(tǒng)啟動的，而不是由控制系統(tǒng)自動觸發(fā)。如反應(yīng)物料的加入、中止劑的加入、產(chǎn)品的導(dǎo)出等多數(shù)是由人工判斷和啟動的。即在間歇生產(chǎn)過程中，操作工人一定要了解過程的運(yùn)行狀態(tài)和進(jìn)程。因此，設(shè)計(jì)一個人機(jī)接口的友好界面，便于操作人員掌握生產(chǎn)的動態(tài)信息和人為地控制生產(chǎn)的進(jìn)行是決定間歇安全控制系統(tǒng)成敗的一個關(guān)鍵。二、 間歇控制模型(1)過程 不執(zhí)行任何控制任務(wù)，描述間歇過程本身特點(diǎn)。如系統(tǒng)各單元的尺寸、功能、連接特點(diǎn)及原料、產(chǎn)品的物理化學(xué)性能等。(2)過程io 現(xiàn)場的傳感器產(chǎn)生描述過程現(xiàn)狀的模擬和數(shù)字信號。如熱電偶等測量元件

5、模擬信號輸出，限位開關(guān)、電機(jī)啟停的開關(guān)信號，渦輪流量計(jì)的脈沖信號，智能變送器的數(shù)字信號等。而現(xiàn)場的執(zhí)行器接受控制系統(tǒng)的輸出信號，執(zhí)行操作指令。(3)聯(lián)鎖 過程控制中的聯(lián)鎖包括安全聯(lián)鎖和過程聯(lián)鎖。安全聯(lián)鎖是一個保護(hù)人員、設(shè)備安全的控制系統(tǒng)。這一系統(tǒng)應(yīng)是不受其他控制回路或控制信號影響的相對獨(dú)立的控制系統(tǒng)。過程聯(lián)鎖的功能是保證過程系統(tǒng)按配方規(guī)定的順序?qū)嵤┘庸どa(chǎn)，避免產(chǎn)生誤動作而影響生產(chǎn)進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量。(4)調(diào)節(jié)控制離散控制 實(shí)施對過程系統(tǒng)的實(shí)時控制。這里有三種控制形式：手動控制，基本的調(diào)節(jié)控制離散控制和復(fù)雜的調(diào)節(jié)控制離散控制。手動控制主要用于操作人員對間歇過程的干預(yù)，替代自控系統(tǒng)以手動方式進(jìn)行間歇

6、生產(chǎn)的操作?；镜恼{(diào)節(jié)控制離散控制形式應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)各控制回路和控制自動操作，按配方要求控制過程變量。而復(fù)雜調(diào)節(jié)控制離散控制則通過組合多個控制回路和控制器構(gòu)成串級，前饋和智能控制等先進(jìn)控制系統(tǒng)，具有協(xié)調(diào)間歇過程各單元設(shè)備和實(shí)現(xiàn)設(shè)備優(yōu)化操作的功能。(5)順序控制 其作用是保證間歇生產(chǎn)過程按計(jì)劃時間(狀態(tài))和順序進(jìn)入不同的操作工序，并與其他控制子系統(tǒng)一同完成配方規(guī)定的生產(chǎn)任務(wù)。它的功能主要包括判斷過程時間、過程狀態(tài)，適時發(fā)出轉(zhuǎn)換指令并更換應(yīng)用控制軟件、修正必要的狀態(tài)和操作參數(shù)等。由圖110可知，間歇控制模型除了上面介紹的有關(guān)過程的幾部分外，還將包括批量生產(chǎn)管理，配方管理，生產(chǎn)調(diào)度等部分。它們的主要功能

7、是：根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃選擇并確定最優(yōu)的生產(chǎn)調(diào)度方案，協(xié)調(diào)各間歇(批量)生產(chǎn)的順序、時間、設(shè)備連接等關(guān)系；根據(jù)過程控制配方調(diào)配生產(chǎn)所需資源，協(xié)調(diào)安排共享資源的使用方式；采集和管理生產(chǎn)數(shù)據(jù)，監(jiān)視生產(chǎn)過程。三、 間歇生產(chǎn)過程安全控制間歇生產(chǎn)的過程控制主要存在著參數(shù)的調(diào)節(jié)控制和順序控制兩種控制任務(wù)。其中，參數(shù)控制主要涉及模擬信號的傳輸、變換和處理，其控制思想和目的與連續(xù)過程控制很相似。而順序控制主要涉及數(shù)字開關(guān)信號的通訊和處理，其控制目的主要是控制生產(chǎn)過程按配方規(guī)定的順序和狀態(tài)有序地完成間歇生產(chǎn)過程。順序控制在間歇生產(chǎn)過程中起著非常重要的作用。(1)順序生產(chǎn)過程 間歇生產(chǎn)過程是順序執(zhí)行操作步驟(例如前處理一

8、加料一反應(yīng)一排料一后處理)的生產(chǎn)過程。因此，清楚地描述間歇過程的操作順序和轉(zhuǎn)換條件是設(shè)計(jì)順序控制的前提條件，特別是對于復(fù)雜的間歇生產(chǎn)過程，轉(zhuǎn)換條件及各步驟內(nèi)的具體操作的描述是非常必要的。關(guān)于操作過程的描述有多種方法，其中常用的便利方法是采用圖示描述方法。下面，利用圖111所示間歇反應(yīng)過程簡圖，介紹幾種常用的圖形描述方法。流程圖 流程圖是一種常用的描述和定義順序的圖示方法。這種方法適用于在過程的順序特性已經(jīng)確定的情況下，向編程人員布置和分配編程任務(wù)。圖112描述了反應(yīng)釜組分a階段的控制步驟流程圖。但是，流程圖描述法存在著沒有嚴(yán)格的作圖標(biāo)準(zhǔn)、作圖和修改工作量大等缺點(diǎn)。特別是作為控制軟件的設(shè)計(jì)依據(jù)，

9、存在著流程圖上不能表示全部過程參數(shù)，難于準(zhǔn)確描述多分支過程的并行及相互關(guān)系等問題。過程時間圖 圖l13是反應(yīng)釜的過程時間操作圖。過程時間圖的水平軸是時間控制、狀態(tài)軸。一般由具體的操作狀態(tài)的排序構(gòu)成，如圖113所示，橫軸描述了反應(yīng)器的加料、反應(yīng)、冷卻、卸料幾個階段及相應(yīng)各階段中的控制步驟?？v軸是動作、參數(shù)軸，列舉了動作內(nèi)容和過程參數(shù)。圖形描述了過程與時間、過程與動作、動作與動作、過程與操作參數(shù)等相互關(guān)系。為設(shè)計(jì)人員提供了生產(chǎn)過程所需的全部控制元件、過程操作與動作順序及與過程相關(guān)的工藝參數(shù)，為開發(fā)間歇生產(chǎn)控制策略提供了確切依據(jù)。是一種比較理想的順序圖示方法。注意過程時間圖一般不能被直接用于編制控制

10、軟件，需將其轉(zhuǎn)換成其他有利于編程的形式后加以間接利用。另外，作圖和修改的不便也是過程時間圖方法的一個缺點(diǎn)。順序功能圖 順序功能圖是用圖形符號和文字?jǐn)⑹鱿嘟Y(jié)合的表示方法對順序控制系統(tǒng)的過程、功能和特性進(jìn)行描述的方法。它針對順序控制系統(tǒng)的控制條件和過程，提出了一套簡單易學(xué)且精確嚴(yán)密的順序邏輯控制功能的表示方法。順序功能圖的基本結(jié)構(gòu)如圖114所示。除上述三種圖形表示法外，常用的圖形表示法還有：狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖、決策表等方法。(2)控制系統(tǒng)構(gòu)成 間歇生產(chǎn)過程是依據(jù)事先制訂的明確任務(wù)，在一個或多個間歇設(shè)備上，一定時間內(nèi)完成自開車到停車的全部生產(chǎn)周期的生產(chǎn)過程。間歇生產(chǎn)過程中存在著參數(shù)控制、順序控制和各種協(xié)調(diào)、

11、管理等控制操作。間歇反應(yīng)過程順序功能見圖l15。由于技術(shù)的限制，早期的間歇生產(chǎn)過程無法實(shí)現(xiàn)自動控制，特別是生產(chǎn)的順序操作和協(xié)調(diào)管理工作主要是由人工完成的。在人工操作的過程中，由于作業(yè)人員的專業(yè)素質(zhì)、操作經(jīng)驗(yàn)、心理狀態(tài)等都直接影響著作業(yè)的準(zhǔn)確可靠性，因此，隨機(jī)不安全因素很多。隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，新一代基于微處理器技術(shù)的控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，促進(jìn)了間歇過程自動化的發(fā)展。目前，利用dcs、plc等構(gòu)成的控制系統(tǒng)在間歇生產(chǎn)控制中發(fā)揮了巨大的作用?？删幊炭刂破?plc)是一種以微處理器為基礎(chǔ)的新一代通用型工業(yè)控制裝置。按照國際電工委員會的定義，plc是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的

12、電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用宋在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。圖116給出了可編程控制器(plc)的基本結(jié)構(gòu)。圖116 plc結(jié)構(gòu)示意圖由圖可以看出，plc采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要包括cpu、ram、rom和輸入輸出接口電路等，其內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。為了適應(yīng)工業(yè)控制的需要，目前，plc產(chǎn)品已經(jīng)系列化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化。各生產(chǎn)廠家的設(shè)計(jì)有各種系列化產(chǎn)品和多種模塊供用戶選擇，采用模塊化組合方式可以適應(yīng)大小規(guī)模不同、功能復(fù)雜程序和現(xiàn)場環(huán)境各異的各種控制要求。且構(gòu)成的

13、控制系統(tǒng)維護(hù)方便，易于功能擴(kuò)展。與其他控制裝置相比較，plc具有可靠性高，通用性強(qiáng)，控制系統(tǒng)構(gòu)成和操作方便、靈活、具有極強(qiáng)的邏輯運(yùn)算和控制功能及較完善的通訊功能等特點(diǎn)。因此，plc在工業(yè)控制，特別是順序控制中得到了廣泛的應(yīng)用。四、優(yōu)化安全運(yùn)行操作分析在流程工業(yè)中各個生產(chǎn)單元或裝置選擇合適的安全運(yùn)行操作條件是穩(wěn)態(tài)最優(yōu)化的最重要問題之一，這種問題可分為下述三種情況。(1)物料平衡 最優(yōu)物料平衡用來決定主要物流通過工廠如煉油廠最合適的生產(chǎn)流徑。在分析物料平衡時，每種工藝物流或自變量是很重要的，物料平衡通常關(guān)系到主要產(chǎn)品的規(guī)格或組分損耗，這在分析計(jì)算時要用到，但不是獨(dú)立的最優(yōu)化變量而是作為約束條件來處理。物料平衡的目的是使不同并聯(lián)加工設(shè)備的進(jìn)料(處理量)分配過程的最優(yōu)化。組分最優(yōu)化在線調(diào)和過程決定一個煉油廠(或化工廠)的生產(chǎn)負(fù)荷。物料平衡是物件以及物系安全的基礎(chǔ)。(2)能量平衡 最優(yōu)操作工況的第二個問題是過程能量平衡。能量平衡通常受到裝置中循環(huán)塔和公用工程供料總管上的壓力等的影響。物流最優(yōu)分配對能量平衡也是十分重要的。例如燃燒過程中的空氣或氧氣就存在著優(yōu)化配比問題。由于一個工廠的能量流的測量有一定困難，如燃料熱值、蒸汽和瓦斯氣流量的測量等都有較大