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1、间歇生产过程安全控制分析 一、控制条件分析在工业控制方面，间歇生产过程同连续生产过程相同都要满足：安全生产；设备工艺指标和产品质量指标；环保法规；经济指标等基本要求。在生产过程中，间歇过程也同样要求有对参数的调节控制功能。特别是在诸如反应器的平稳反应阶段，精馏操作中某单一组分平稳馏出阶段，间歇过程的控制要求同连续生产过程相同，即采用保持一组给定的相对稳定的操作条件而保证生产的稳定运行。但是，不同于连续过程，由间歇过程的按配方操作批量生产、生产中整体工艺条件(参数)是动态的等特性，间歇过程要求其控制系统具备更加完善和特殊控制功能。其控制要求可概括如下。(1)顺序控制 间歇生产过程是顺序执行配方规
2、定的生产操作的批量生产过程。所以要求间歇控制系统具有的一项功能就是驱动生产过程一步一步地顺序执行不同的生产操作。工业上称这种控制模式为顺序(程序)控制。操作中的顺序错误可能导致危险物的生成甚至直接就会发生事故。根据各步间的转换条件，顺序控制又可分为时间驱动、事件驱动和混合驱动三种顺序控制方式。第一种是根据操作配方规定的时间段、时间点转换操作步骤，如产品的保温固化时间等。第二种是根据被控对象的操作状态或偶发事件等转换操作步骤，如反应器加(卸)料结束、间歇式精馏的二馏出组分转换的判断等。而更多的是第三种驱动方式，即同时依据时间和操作状态做出判断，如反应中二次反应的加料、反应中止剂的投放等。(2)离
3、散控制 间歇生产过程中大量地使用位式控制元件，如泵、位式阀门、冰机和压缩机等，这些设备的控制信号，以及顺序操作状态标志和时间等大量信号均是离散的开关量和数字信号。这些离散信号的传输和处理是间歇过程控制的重要环节。(3)调节控制 前面已经提到，在间歇生产过程中也同样要应用与连续生产过程控制相同的控制方法和回路来控制温度，压力、流量等工艺参数。但是，由于间歇生产过程中的各种工艺参数是动态的，随着生产的进行，被控变量的设定值，甚至被控变量将会产生变化，控制器的参数值也可能需要进行重新整定。所以，在间歇生产过程中常常要求控制回路具有“重组”和“重整”的功能。(4)人机接口 在间歇生产过程中，操作工人的
4、干预是正常操作的一部分，在生产中起到十分重要的作用。往往是一个关键的操作是由操作工人操纵控制系统启动的，而不是由控制系统自动触发。如反应物料的加入、中止剂的加入、产品的导出等多数是由人工判断和启动的。即在间歇生产过程中，操作工人一定要了解过程的运行状态和进程。因此，设计一个人机接口的友好界面，便于操作人员掌握生产的动态信息和人为地控制生产的进行是决定间歇安全控制系统成败的一个关键。二、 间歇控制模型(1)过程 不执行任何控制任务，描述间歇过程本身特点。如系统各单元的尺寸、功能、连接特点及原料、产品的物理化学性能等。(2)过程IO 现场的传感器产生描述过程现状的模拟和数字信号。如热电偶等测量元件
5、模拟信号输出，限位开关、电机启停的开关信号，涡轮流量计的脉冲信号，智能变送器的数字信号等。而现场的执行器接受控制系统的输出信号，执行操作指令。(3)联锁 过程控制中的联锁包括安全联锁和过程联锁。安全联锁是一个保护人员、设备安全的控制系统。这一系统应是不受其他控制回路或控制信号影响的相对独立的控制系统。过程联锁的功能是保证过程系统按配方规定的顺序实施加工生产，避免产生误动作而影响生产进行和产品质量。(4)调节控制离散控制 实施对过程系统的实时控制。这里有三种控制形式：手动控制，基本的调节控制离散控制和复杂的调节控制离散控制。手动控制主要用于操作人员对间歇过程的干预，替代自控系统以手动方式进行间歇
6、生产的操作。基本的调节控制离散控制形式应用于实现各控制回路和控制自动操作，按配方要求控制过程变量。而复杂调节控制离散控制则通过组合多个控制回路和控制器构成串级，前馈和智能控制等先进控制系统，具有协调间歇过程各单元设备和实现设备优化操作的功能。(5)顺序控制 其作用是保证间歇生产过程按计划时间(状态)和顺序进入不同的操作工序，并与其他控制子系统一同完成配方规定的生产任务。它的功能主要包括判断过程时间、过程状态，适时发出转换指令并更换应用控制软件、修正必要的状态和操作参数等。由图110可知，间歇控制模型除了上面介绍的有关过程的几部分外，还将包括批量生产管理，配方管理，生产调度等部分。它们的主要功能
7、是：根据生产计划选择并确定最优的生产调度方案，协调各间歇(批量)生产的顺序、时间、设备连接等关系；根据过程控制配方调配生产所需资源，协调安排共享资源的使用方式；采集和管理生产数据，监视生产过程。三、 间歇生产过程安全控制间歇生产的过程控制主要存在着参数的调节控制和顺序控制两种控制任务。其中，参数控制主要涉及模拟信号的传输、变换和处理，其控制思想和目的与连续过程控制很相似。而顺序控制主要涉及数字开关信号的通讯和处理，其控制目的主要是控制生产过程按配方规定的顺序和状态有序地完成间歇生产过程。顺序控制在间歇生产过程中起着非常重要的作用。(1)顺序生产过程 间歇生产过程是顺序执行操作步骤(例如前处理一
8、加料一反应一排料一后处理)的生产过程。因此，清楚地描述间歇过程的操作顺序和转换条件是设计顺序控制的前提条件，特别是对于复杂的间歇生产过程，转换条件及各步骤内的具体操作的描述是非常必要的。关于操作过程的描述有多种方法，其中常用的便利方法是采用图示描述方法。下面，利用图111所示间歇反应过程简图，介绍几种常用的图形描述方法。流程图 流程图是一种常用的描述和定义顺序的图示方法。这种方法适用于在过程的顺序特性已经确定的情况下，向编程人员布置和分配编程任务。图112描述了反应釜组分A阶段的控制步骤流程图。但是，流程图描述法存在着没有严格的作图标准、作图和修改工作量大等缺点。特别是作为控制软件的设计依据，
9、存在着流程图上不能表示全部过程参数，难于准确描述多分支过程的并行及相互关系等问题。过程时间图 图l13是反应釜的过程时间操作图。过程时间图的水平轴是时间控制、状态轴。一般由具体的操作状态的排序构成，如图113所示，横轴描述了反应器的加料、反应、冷却、卸料几个阶段及相应各阶段中的控制步骤。纵轴是动作、参数轴，列举了动作内容和过程参数。图形描述了过程与时间、过程与动作、动作与动作、过程与操作参数等相互关系。为设计人员提供了生产过程所需的全部控制元件、过程操作与动作顺序及与过程相关的工艺参数，为开发间歇生产控制策略提供了确切依据。是一种比较理想的顺序图示方法。注意过程时间图一般不能被直接用于编制控制
10、软件，需将其转换成其他有利于编程的形式后加以间接利用。另外，作图和修改的不便也是过程时间图方法的一个缺点。顺序功能图 顺序功能图是用图形符号和文字叙述相结合的表示方法对顺序控制系统的过程、功能和特性进行描述的方法。它针对顺序控制系统的控制条件和过程，提出了一套简单易学且精确严密的顺序逻辑控制功能的表示方法。顺序功能图的基本结构如图114所示。除上述三种图形表示法外，常用的图形表示法还有：状态转移图、决策表等方法。(2)控制系统构成 间歇生产过程是依据事先制订的明确任务，在一个或多个间歇设备上，一定时间内完成自开车到停车的全部生产周期的生产过程。间歇生产过程中存在着参数控制、顺序控制和各种协调、
11、管理等控制操作。间歇反应过程顺序功能见图l15。由于技术的限制，早期的间歇生产过程无法实现自动控制，特别是生产的顺序操作和协调管理工作主要是由人工完成的。在人工操作的过程中，由于作业人员的专业素质、操作经验、心理状态等都直接影响着作业的准确可靠性，因此，随机不安全因素很多。随着电子技术和信息技术的发展，新一代基于微处理器技术的控制系统的出现，促进了间歇过程自动化的发展。目前，利用DCS、PLC等构成的控制系统在间歇生产控制中发挥了巨大的作用。可编程控制器(PLC)是一种以微处理器为基础的新一代通用型工业控制装置。按照国际电工委员会的定义，PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的
12、电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用宋在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。图116给出了可编程控制器(PLC)的基本结构。图116 PLC结构示意图由图可以看出，PLC采用了典型的计算机结构，主要包括CPU、RAM、ROM和输入输出接口电路等，其内部采用总线结构进行数据和指令的传输。为了适应工业控制的需要，目前，PLC产品已经系列化、模块化、标准化。各生产厂家的设计有各种系列化产品和多种模块供用户选择，采用模块化组合方式可以适应大小规模不同、功能复杂程序和现场环境各异的各种控制要求。且构成的
13、控制系统维护方便，易于功能扩展。与其他控制装置相比较，PLC具有可靠性高，通用性强，控制系统构成和操作方便、灵活、具有极强的逻辑运算和控制功能及较完善的通讯功能等特点。因此，PLC在工业控制，特别是顺序控制中得到了广泛的应用。四、优化安全运行操作分析在流程工业中各个生产单元或装置选择合适的安全运行操作条件是稳态最优化的最重要问题之一，这种问题可分为下述三种情况。(1)物料平衡 最优物料平衡用来决定主要物流通过工厂如炼油厂最合适的生产流径。在分析物料平衡时，每种工艺物流或自变量是很重要的，物料平衡通常关系到主要产品的规格或组分损耗，这在分析计算时要用到，但不是独立的最优化变量而是作为约束条件来处
14、理。物料平衡的目的是使不同并联加工设备的进料(处理量)分配过程的最优化。组分最优化在线调和过程决定一个炼油厂(或化工厂)的生产负荷。物料平衡是物件以及物系安全的基础。(2)能量平衡 最优操作工况的第二个问题是过程能量平衡。能量平衡通常受到装置中循环塔和公用工程供料总管上的压力等的影响。物流最优分配对能量平衡也是十分重要的。例如燃烧过程中的空气或氧气就存在着优化配比问题。由于一个工厂的能量流的测量有一定困难，如燃料热值、蒸汽和瓦斯气流量的测量等都有较大误差，因此，能量平衡计算往往不是很准确。反应体系的能量平衡及控制是装置安全运行最重要的设计条件。(3)反应条件 最优操作条件的第三个问题是有关化学反应器化学反应条件问题。最优反应条件是表示反应器在获得的最好经济效益同时保证安全生产。对化学反应器来说，主要的优化变量是适当的反应温度和目标产品的反应速率。反应过程的循环变量影响着化学反应的选择性、催化剂活性、过剩反应物的数量或反应压力，因此，从安全运行的角度考虑也是一个可优化的自变量。