間歇生產過程安全控制分析

1、間歇生產過程安全控制分析 一、控制條件分析在工業(yè)控制方面，間歇生產過程同連續(xù)生產過程相同都要滿足：安全生產；設備工藝指標和產品質量指標；環(huán)保法規(guī)；經濟指標等基本要求。在生產過程中，間歇過程也同樣要求有對參數的調節(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、生產中整體工藝條件(參數)是動態(tài)的等特性，間歇過程要求其控制系統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 間歇生產過程是順序執(zhí)行配方規(guī)

2、定的生產操作的批量生產過程。所以要求間歇控制系統具有的一項功能就是驅動生產過程一步一步地順序執(zhí)行不同的生產操作。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。根據各步間的轉換條件，順序控制又可分為時間驅動、事件驅動和混合驅動三種順序控制方式。第一種是根據操作配方規(guī)定的時間段、時間點轉換操作步驟，如產品的保溫固化時間等。第二種是根據被控對象的操作狀態(tài)或偶發(fā)事件等轉換操作步驟，如反應器加(卸)料結束、間歇式精餾的二餾出組分轉換的判斷等。而更多的是第三種驅動方式，即同時依據時間和操作狀態(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

3、散控制 間歇生產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量和數字信號。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)調節(jié)控制 前面已經提到，在間歇生產過程中也同樣要應用與連續(xù)生產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。但是，由于間歇生產過程中的各種工藝參數是動態(tài)的，隨著生產的進行，被控變量的設定值，甚至被控變量將會產生變化，控制器的參數值也可能需要進行重新整定。所以，在間歇生產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 在間歇生產過程中，操作工人的

4、干預是正常操作的一部分，在生產中起到十分重要的作用。往往是一個關鍵的操作是由操作工人操縱控制系統啟動的，而不是由控制系統自動觸發(fā)。如反應物料的加入、中止劑的加入、產品的導出等多數是由人工判斷和啟動的。即在間歇生產過程中，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，便于操作人員掌握生產的動態(tài)信息和人為地控制生產的進行是決定間歇安全控制系統成敗的一個關鍵。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。如系統各單元的尺寸、功能、連接特點及原料、產品的物理化學性能等。(2)過程io 現場的傳感器產生描述過程現狀的模擬和數字信號。如熱電偶等測量元件

5、模擬信號輸出，限位開關、電機啟停的開關信號，渦輪流量計的脈沖信號，智能變送器的數字信號等。而現場的執(zhí)行器接受控制系統的輸出信號，執(zhí)行操作指令。(3)聯鎖 過程控制中的聯鎖包括安全聯鎖和過程聯鎖。安全聯鎖是一個保護人員、設備安全的控制系統。這一系統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。過程聯鎖的功能是保證過程系統按配方規(guī)定的順序實施加工生產，避免產生誤動作而影響生產進行和產品質量。(4)調節(jié)控制離散控制 實施對過程系統的實時控制。這里有三種控制形式：手動控制，基本的調節(jié)控制離散控制和復雜的調節(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，替代自控系統以手動方式進行間歇

6、生產的操作?；镜恼{節(jié)控制離散控制形式應用于實現各控制回路和控制自動操作，按配方要求控制過程變量。而復雜調節(jié)控制離散控制則通過組合多個控制回路和控制器構成串級，前饋和智能控制等先進控制系統，具有協調間歇過程各單元設備和實現設備優(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一同完成配方規(guī)定的生產任務。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)和操作參數等。由圖110可知，間歇控制模型除了上面介紹的有關過程的幾部分外，還將包括批量生產管理，配方管理，生產調度等部分。它們的主要功能

7、是：根據生產計劃選擇并確定最優(yōu)的生產調度方案，協調各間歇(批量)生產的順序、時間、設備連接等關系；根據過程控制配方調配生產所需資源，協調安排共享資源的使用方式；采集和管理生產數據，監(jiān)視生產過程。三、 間歇生產過程安全控制間歇生產的過程控制主要存在著參數的調節(jié)控制和順序控制兩種控制任務。其中，參數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字開關信號的通訊和處理，其控制目的主要是控制生產過程按配方規(guī)定的順序和狀態(tài)有序地完成間歇生產過程。順序控制在間歇生產過程中起著非常重要的作用。(1)順序生產過程 間歇生產過程是順序執(zhí)行操作步驟(例如前處理一

8、加料一反應一排料一后處理)的生產過程。因此，清楚地描述間歇過程的操作順序和轉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過程，轉換條件及各步驟內的具體操作的描述是非常必要的。關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，

9、存在著流程圖上不能表示全部過程參數，難于準確描述多分支過程的并行及相互關系等問題。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)的排序構成，如圖113所示，橫軸描述了反應器的加料、反應、冷卻、卸料幾個階段及相應各階段中的控制步驟。縱軸是動作、參數軸，列舉了動作內容和過程參數。圖形描述了過程與時間、過程與動作、動作與動作、過程與操作參數等相互關系。為設計人員提供了生產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的工藝參數，為開發(fā)間歇生產控制策略提供了確切依據。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合的表示方法對順序控制系統的過程、功能和特性進行描述的方法。它針對順序控制系統的控制條件和過程，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構如圖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)轉移圖、決策表等方法。(2)控制系統構成 間歇生產過程是依據事先制訂的明確任務，在一個或多個間歇設備上，一定時間內完成自開車到停車的全部生產周期的生產過程。間歇生產過程中存在著參數控制、順序控制和各種協調、

11、管理等控制操作。間歇反應過程順序功能見圖l15。由于技術的限制，早期的間歇生產過程無法實現自動控制，特別是生產的順序操作和協調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、操作經驗、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。隨著電子技術和信息技術的發(fā)展，新一代基于微處理器技術的控制系統的出現，促進了間歇過程自動化的發(fā)展。目前，利用dcs、plc等構成的控制系統在間歇生產控制中發(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字運算操作的

12、電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用宋在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。圖116給出了可編程控制器(plc)的基本結構。圖116 plc結構示意圖由圖可以看出，plc采用了典型的計算機結構，主要包括cpu、ram、rom和輸入輸出接口電路等，其內部采用總線結構進行數據和指令的傳輸。為了適應工業(yè)控制的需要，目前，plc產品已經系列化、模塊化、標準化。各生產廠家的設計有各種系列化產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、功能復雜程序和現場環(huán)境各異的各種控制要求。且構成的

13、控制系統維護方便，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，控制系統構成和操作方便、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合適的生產流徑。在分析物料平衡時，每種工藝物流或自變量是很重要的，物料平衡通常關系到主要產品的規(guī)格或組分損耗，這在分析計算時要用到，但不是獨立的最優(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加工設備的進料(處理量)分配過程的最優(yōu)化。組分最優(yōu)化在線調和過程決定一個煉油廠(或化工廠)的生產負荷。物料平衡是物件以及物系安全的基礎。(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