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)；設備工藝指標和產(chǎn)品質(zhì)量指標；環(huán)保法規(guī)；經(jīng)濟指標等基本要求。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。特別是在諸如反應器的平穩(wěn)反應階段，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)

2、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)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，如反應器加(卸)料結(jié)束、間歇

3、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，如反應中二次反應的加料、反應中止劑的投放等。    (2)離散控制? 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、冰機和壓縮機等，這些設備的控制信號，以及順序操作狀態(tài)標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

4、生產(chǎn)過程中的各種工藝參數(shù)是動態(tài)的，隨著生產(chǎn)的進行，被控變量的設定值，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)人機接口? 在間歇生產(chǎn)過程中，操作工人的干預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)。如反應物料的加入、中止劑的加入、產(chǎn)品的導出等多數(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行狀態(tài)和進程。因此，設計一個人機接口的友好界面，便于操作人員

5、掌握生產(chǎn)的動態(tài)信息和人為地控制生產(chǎn)的進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，描述間歇過程本身特點。如系統(tǒng)各單元的尺寸、功能、連接特點及原料、產(chǎn)品的物理化學性能等。    (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模擬信號輸出，限位開關(guān)、電機啟停的開關(guān)信號，渦輪流量計的脈沖信號，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。 

6、   (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)鎖是一個保護人員、設備安全的控制系統(tǒng)。這一系統(tǒng)應是不受其他控制回路或控制信號影響的相對獨立的控制系統(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)進行和產(chǎn)品質(zhì)量。    (4)調(diào)節(jié)控制離散控制? 實施對過程系統(tǒng)的實時控制。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，替代自控系統(tǒng)以手動方式進行間歇生產(chǎn)的操作?；镜恼{(diào)節(jié)控制離散控制形式應用于實現(xiàn)各控制

7、回路和控制自動操作，按配方要求控制過程變量。而復雜調(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控制系統(tǒng)，具有協(xié)調(diào)間歇過程各單元設備和實現(xiàn)設備優(yōu)化操作的功能。    (5)順序控制? 其作用是保證間歇生產(chǎn)過程按計劃時間(狀態(tài))和順序進入不同的操作工序，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。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

8、理，配方管理，生產(chǎn)調(diào)度等部分。它們的主要功能是：根據(jù)生產(chǎn)計劃選擇并確定最優(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。          

9、          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。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)

10、行操作步驟(例如前處理一加料一反應一排料一后處理)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)換條件是設計順序控制的前提條件，特別是對于復雜的間歇生產(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所示間歇反應過程簡圖，介紹幾種常用的圖形描述方法。            ?        流程圖? 流

11、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。圖112描述了反應釜組分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格的作圖標準、作圖和修改工作量大等缺點。特別是作為控制軟件的設計依據(jù)，存在著流程圖上不能表示全部過程參數(shù)，難于準確描述多分支過程的并行及相互關(guān)系等問題。            ?        

12、0;               ?過程時間圖? 圖l13是反應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，橫軸描述了反應器的加料、反應、冷卻、卸

13、料幾個階段及相應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。為設計人員提供了生產(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。    順序功能圖? 順序功能圖是用圖形符號和文字敘述相結(jié)

14、合的表示方法對順序控制系統(tǒng)的過程、功能和特性進行描述的方法。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且精確嚴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，在一個或多個間歇設備上，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)、管理等控制操作。間歇反應過程順序功能見圖l15。由于技

15、術(shù)的限制，早期的間歇生產(chǎn)過程無法實現(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、心理狀態(tài)等都直接影響著作業(yè)的準確可靠性，因此，隨機不安全因素很多。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。            ?     &

16、#160;                  可編程控制器(PLC)是一種以微處理器為基礎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)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用宋在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。圖116給出了可編程控制器(PLC)的基本

17、結(jié)構(gòu)。            ?        圖116? PLC結(jié)構(gòu)示意圖    由圖可以看出，PLC采用了典型的計算機結(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)進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。    為了適應工業(yè)控制的需要，目前，PLC產(chǎn)品已經(jīng)系列化、模塊化、標準化。各生產(chǎn)廠家的設計有各種系

18、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大小規(guī)模不同、功能復雜程序和現(xiàn)場環(huán)境各異的各種控制要求。且構(gòu)成的控制系統(tǒng)維護方便，易于功能擴展。與其他控制裝置相比較，PLC具有可靠性高，通用性強，控制系統(tǒng)構(gòu)成和操作方便、靈活、具有極強的邏輯運算和控制功能及較完善的通訊功能等特點。因此，PLC在工業(yè)控制，特別是順序控制中得到了廣泛的應用。    四、優(yōu)化安全運行操作分析    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