化学工业自动化控制系统的7种选择

发布时间：2009-09-11 作者：卞正岗

        1我国化学工业及其自动化
        我国化学工业规模大，如把石化 工业包括在内，已达到2300亿美元的 产值(2005年)，SRI咨询公司2006年 中国报告中的中国化150强中，虽然 中石化、中石油、中海油的年销售额分 别为8237fL元人民币、6720fL元人民 币、875]L元人民币，独占鳌头，但头 10家中大多数为化工企业，如中化公 司为1900，fL元人民币；而后40家中， 大多数仍为化工、橡胶、磷化工、合成 革及宝钢化工有限公司等，年销售额都有很大促进。化学粗分为无机化学贡献。材料学有化学的参与而出现复 为32'IL-100"IL元人民币之间。化学工和有机化学，有机化学和生物学的关合材料等新兴门类，复合材料是把金 业的另一特点是中小化工企业多，合系也与化学和物理学一样，也是密不属、无机非金属、高分子等材料组合 计数万家，其中合资企业约l万家。化可分的，但是也有分工。有机化学的起来的一种多相材料，具有轻质高强 学工业按原料来源及用途分类，传统研究方向是从生物体中发现、分离、以及其它的优越的综合性能，用于航 化工仍占48％，石化占20％，医药占鉴定有机分子，偏重于结构和合成的天、航空、信息、国防等产业。而且出 17％，化纤占9％，日用化工占6％。本静态研究，而生物学特别是生物化学现多功能复合材料和智能与机敏复合 文将对石化工业以外进行阐述。或分子生物学偏重于功能和过程的材料、纳米复合材料等新型材料，复 从化学学科的角度看，化学是在动态研究。在世纪之交，探讨这方面合材料由于碳纤维(碳素材料中的一 原子一分子水平上研究物质的组成、问题，对于研究化学工业及化工自动种)等生产能力和规模的扩大而价格 结构、性能以及相互转化的学科，现化是具有战略意义的，2l世纪是生物下降，应用范围扩大。碳素材料由于 在已有上百个化学元素和2000万的工程的世纪，这是与化工或有机化工宇航、原子能及众多工业上的需求， 化合物或称化学物种，与之分工的物分不开的，除去20世纪已发展起来的而形成了一个工业门类。其它还有多 理学在研究声、光、热、电、磁的基础发酵工程以外，生物大分子(DNA双种非金属材料，一般均隶属于化学工 上，也对原子内部结构有所突破，近螺旋结构)、生物催化剂(酶)的研业。

        代物理的发展对化学的实验和理论究，使化学工程在新世纪将会作出新我国化学工业在酸、碱，盐等基本化工原料生产方面起步较早，1942 年发明的侯德榜制碱法，在国内生产 实践中发挥了作用，而且电化学生产 工艺及冶炼生产过程中生产硫酸等 工艺(江西铜业公司贵溪冶炼厂有 160万吨／年的硫酸装置)也在发展， 已形成了完整的体系。随着基础化工 需求扩大，20世纪80年代引进的山东 海化、唐山三友，江苏连云港3大碱厂 均已改造扩容，山东恒台博汇、安徽 芜湖江山化工厂等离子膜烧碱装置也 在扩容，还有云南三环2×30万吨／年 磷酸浓缩装置(含160万吨／年硫酸， 120万吨／年磷铵配套工程)、江苏万 特福30万吨／年硫磺制酸项目等新建 项目，也在陆续投产 橡胶工业发展很快，首创轮胎正 在搬迁扩建，普利斯通公司在广东惠 州投资3]L美元新建5000条／日产的大 型轮胎丘 煤化工因为中国煤炭资源丰富及 国际石油涨价而很受重视，中国已有 13家新的煤气化工程，采用Uhde公 司和壳牌石油公司合作开发的SCGP 工艺，而且在2005~2007年新建18个 煤气化项目。煤炭液化生产甲醇和二 甲醚等受到政府鼓励，目前有总产能 900万吨／年甲醇的项目正在施工，其 中有兖州煤业在陕西榆林投资兴建 的230万吨／年的甲醇项目，还有内蒙 宝日希勒煤业公司投资的60万吨／年 合成氨、100万吨／年尿素的煤电一体 化工程等。另外神华等煤制油工程也 在进行中。 我国制酒等酿造工艺历史悠久， 现代的发酵工程技术进步很快，粮食 深加工和生物工程正在兴起，如长春 大成公司lO万吨／年谷氨酸工程、大连 全盛公司30万吨侔玉米深加工项目、 吉林华润生化公司2万吨／日的玉米净 化处理工程、福建蒲城正大生物化工 搬迁扩建工程等正在兴建中。 精细化工一般指加工度高、质量 要求高、产量小的化工产品，如医药、 染料和香料等，现有38类3万余种，我 国染料产量居世界第1，农药居第2， 涂料居第6，配合饲料产量也是世晃 第2，但总体水平比较落后，自动化水 平更低，全国1万多家精细化工企业， 技术力量和装备条件较差，科研开 发和三废治理等能力单薄，影响竞争 能力。这也是本文以后几节关注的重 点。
        化肥工业已成体系，但是氮，磷， 钾均衡较差，而且每年还要进口高浓 缩化肥、复合肥等，又国内化肥生产 比较分散，中小企业多，能耗高，效益 低，大化肥企业也面临改造任务。化肥 工业大型工程项目有贵州磷集团120万 吨／年大型磷铵项目、内蒙乌拉山化肥 厂15万吨／年硝基复混肥项目等。
        化学工业如此庞大，化学反应多 种多样，而且发展到用化工技术解决 分子水平的生命过程的阶段，化学催 化剂反应也是由无机化工发展到有 机化工，所以对自动化技术提出了更 高的要求，人类生存环境因化工而出 现污染，同时治理污染也需要化工技 术，这是自动化技术的又一项要参与 的任务。化学工业是耗能大户，节能是 一项艰巨的任务，自动化技术是实施 节能的有效手段。化学工业自动化就 是过程自动化的主体，也是自动化仪 表行业的支柱。
        化工深加工或循环经济是一个 大课题，长三角，珠三角通过石化和 化学工业的发展，对这两个经济圈已 贡献很大，而环渤海湾的石化和化学 工业的巨大潜力还有待发挥。京津塘 的自动化行业也应在此多投入力量， 起到推波助澜作用。由于城市功能明 确了以“宜居”为主要目的，原来化工 厂已经或正在从市区拆迁，所以这是 一个“重组”改造的好机会，这将为自 动化仪表市场提供新的需求。
        化工自动化与笔者所写的“石油 化工工业自动化仪表及系统”(刊登 在《中国仪器仪表》杂志2007年第2 期)相关文章所探讨的问题是一致 的，但由于化学工业覆盖面更大，中 小型企业更多，所以也有不少新的 课题。化工自动化经历了近百年的发 展，由简单的就地检测和手工操作发 展到中央控制室分散控制集中显示 操作，自控设备投资由占整个设备投 资的1％逐步升级为5％、10％、15％、 20％，从仪控领域发展到仪控电控一 体化、管控一体化。
        化工自动化仪表中，检测仪表除 去面临环境条件、工艺参数等方面的 挑战外，各种浆体、粉体介质的检测 问题也有待完善，化学原料、中间体 和成品的成分在线分析技术也正在发 展，执行仪表也相应有待提高。 在数字化、智能化、网络化、集成 化的进程中，应强调低成本自动化的 原贝Ⅱ，特别是在目前金融风暴袭击的 国际环境下，我们要扩大内需，要面 向中小型企业产业结构调整的需求， 开展功能成本分析，使化工自动化相 关的产品和工程达到最好的性能价 格比，注意防止因为技术进步等原因 而造成的过剩设计或无效设计，做到 功能合理化和成本合理化。在有多种方案的情况下，正确的设计就显得更 为重要了。如产品设计，一般设计阶段 就可以决定生产成本的60％～90％， 系统设计也是如此。我们要学会“能 用简单的方法去解决复杂的问题，这 就是水平”(这是我国过程控制专业 创始人之一周春晖的教诲)。
        2关于化学工业自动化的控制系统
        化学工业小型企业的自动化系统 在目前可以选用的方案有多种，大致 归纳如下：
        (1)以数字式调节器(也称单回 路调节器)为主的方案
        配合必要的数字式显示仪表及 少数动圈式显示仪表，这些仪表装在 仪表盘上。这是目前小型锅炉、窑炉， 反应缸等单元独立操作装置的常用方 式，其特点是成本低、维持传统操作 习惯，操作人员易于接受，维护方便， 对维护人员技术要求较低。
        调节质量怎么样?这是大家关心 的问题。目前数字式调节器比模拟式 调节器在性能方面提高很多，一般均 达到±0．2％以上的显示和调节精度， 有多种自适应、带模糊控制和智能算 法的调节器可以做到自动调整PID参 数等，专用的数学式温度调节器已在 多种工艺流程中应用成功并得到推广
        (2)以数字式调节器和工控机 构成两级操作显示的方案
        这是在第(1)方案基础上，显示 操作适当集中的方案，仪表盘可以省 掉或者减少控制室面积。这要求数字 式调节器与工控机之间能进行数据通 信，而且工控机要求有上位机功能， 并完成温度、压力，流量等参数的直 接的数据采集功能，完成必要的模拟 流程画面显示和操作功能。工控机 在完成这些功能时，有多种方案，当 然在数据采集量不大时，最好是不要 在工控机以外增加过多的“调理”部 分。工控机的配套软件，也应该保证 控制策略、人机界面、系统管理等方 面的完整性。该方案的特点是成本较 低，操作人员要经过学习，因为有数 字式调节器的面板，所以还是易于接 受。对维护人员技术要求高，维护不 很方便，但由于有数字式调节器与工 控机的显示屏幕互为备用，发生故障 后，备用方式多，对保证生产还是有 利的。
        (3)以工控机为主的方案
        当然此方案也不排除有少数手 动操作器或手动切换开关、按钮、旋 钮等。该方案特点是成本较低，操作 人员接受起来困难较大，要经过较长 时间的培训，对维护人员技术要求更 高。所以只有以数据采集为主、调节 回路很少的化工装置才采用。
        (4)以PLC控制器和工控机构 成两级操作显示的方案
        系统集成工作可由PLC提 供商或工控机提供商、组态软件提供 商(或称SCADA软件、HMI软件提 供商)来协助完成。这个方案已有较 多化工及冶金，水厂水泥、建材等行 业在中小型企业中采用。
        (5)采用DCS
        对于大型化工企业来说，当然是 首选的方案，而对于小型化工企业来 说，这还是可以商榷的。最关键的问 题是DCS帝iJ造商是否有适合小型化工 企业用的DCS，或者称是否有合适的 小型DCS产品。
        DCS第一代产品多是以8回路控 制器为基础，而现在的DCS控制站 多是以几十回路为基础，所以现在人 们提出这个问题，不是没有道理的。 ABB开发了一款Micro DCS的全新控 制器一AC700F控制器，证明这个市 场终于又被DCS厂商认可了。人们重 视小型化工企业采用DCS，这是有道 理的，只要价格不太高，采用DCS是 会受到操作员、工程施工调试人员、 维护人员欢迎的。DCS是专门为流程 工业设计的，使小型化工企业能用上 大型化工企业使用的自动化系统，当 然可实现调节质量好、操作方便、维 护方便、施工方便、以后系统扩展更 新方便，并可保护已投资的资产。
        (6)采用现场总线技术
        这乍看起来好像并不“靠谱”， 因为现场总线技术是近10年发展起 来的新技术，是大型企业创新的首选 方案，但是我国已有多家中小化工企 业“尝鲜”，而且很成功，尝到了“甜 头”。以武汉有机实业股份有限公司 (民营企业)为例，自从1997年开始 建设第一套FF(基金会现场总线)控制系统以来，目前已安装了lO套小 型系统。其中有非本安系统，本安系 统，有单回路也有复杂的多回路冗余 系统。最大的一套系统为4个操作站、 4个冗余控制器，20多个控制回路、 80多台FF—H1现场仪表和200多个测 点。具有如下特性：易用性、灵活性、 强壮性、迁移性、扩展性。
        除去采用FF现场总线以外，化 工企业采用Profibus(Profibus．PA及 Profibus．DP或Profinet)而获得成功 的实例也很多。它们在降低成本，提 高可用性、具有灵活性和投资保护、 针对人员和机器的保护、便于安装等 方面都显示了优越性。
        (7)工业以太网及I／o模块方案 第(5)方案中有上位机，它一般 均采用工业以太网经网关与现场总 线各网段通信。而本方案是指上位机 经工业以太网直接挂接以太网I／o模 块，这在不必要采用两线制供电的现 场仪表的情况下，工艺设备测量点地 理位置分散(需要远方I／O单元)情况 下，已经有多种应用实例。
        方案很多，要结合工程实际情况 进行选择，在根据工艺要求确定了控 制相关的I／O点数、仅作为显示的I／o 点数及相关I／O点数如何成组集中在 一起等之后，就是要明确人机界面方 面的要求，即确定操作方式、报警方 式，如仪表盘操作方式、CRT(或液 晶显示屏)屏幕是否采用键盘或触屏 方式等，操作站数量及工程师操作站 数量等也要根据工艺操flEA员和自控 维护人员的要求而定。
        选定方案同时，还要考虑工程实 施方式，一般数字化、网络化程度愈 高，愈应考虑采用专业的工程公司或 系统集成商总承包方式，业主还要结 合以后日常维护和定期大修的方式 来考虑工程实施时业主方如何介入工 程具体实践，以避免工程实施过程中 设备信息流失，以利于积累设备全生 命周期的信息。
        3关于化学工业自动化全厂管控一 体化建设
        在信息化时代化学工业小型企业 如何根据自身条件逐步实行管控一体 化呢?经过多年摸索，管控一体化系统 采用ERP／MES／PCS 3层模式是合理 的，如果要做好规划，分步实施，脚踏 实地一步一个脚印的前进，小型化工 企业也可以实现数字化工厂的目标。 目前一个可行的方案是在办公自动化 的基础上，实现手工录入，自上而下先 把ERP中物流管理(原料和成品)、能 源管理，设备管理及绩效管理等做到 位，而且坚持日报、周报、月报，在这 个基础上，实行每月一研讨，每季一改 进，一年一变样，持之以恒。
        至于是否全厂搞管控一体化网络 问题，要视具体情况而定，应分清各 种数据实时性要求不同。但是，不应 该把全厂网络建设作为前提，更没有 必要以基础自动化未搞好等理由而使 管控一体化或管理信息化工作停顿。 手工管理是基础，自动化是管控一体 化的更高形式。
        4自动化仪表制造行业如何为化学 工业自动化贡献力量
        化学工业小型企业如何实现自动 化，在国际金融市场动荡情况下，的 确需要自动化仪表制造业帮助；自动 化仪表制造业也应该有精力从把目光 专注于大型企业转到更关心化学工业 小型企业。
        机械工业联合会会长于珍在 2008年11月20日举办的2008年机 械工业经济形势报告会上，作了题为 “加快发展现代制造服务业”的总结 报告。他指出我国正处于工业化加速 向中后期推进的阶段，工业化初期， 制造业是经济发展的主体，而工业化 中后期，服务业逐步成为经济发展的 主体。我们通过实施供应链管理优化 提高效率和效益，开展增值服务提升 价值链，通过发展现代制造服务业实 现机械工业节能降耗。
        具体到自动化仪表制造业，要想 为化学工业小企业按本文所列举的 方案进行工程承包，实行“交钥匙工 程”，还是大有可为的，另一个方面就 是对正在运行中的控制系统实行维修 承包、大修承包。这在中国已实行了 试点，但多是在石化行业内老厂过剩 的维修力量向新建厂的转移，而属于 DCS供应商去承包新建大型石化企 业的维修业务还比较少，当然对小型 企业这种有合同依据的维修服务并未 实行，国内的专业集成商也很少有开 展这方面的固定性维修业务。
        现在公司减员的现象存在，正是 人们新一轮自主创业的大好时机，对 自动化仪表制造商同样存在机遇， 转变观念，做好订制服务，将大有可 为。
        作者简介：卞正岗，教授级高工，享受 政府津贴，现为中国仪器仪表行业协 会现场总线专业委员会技术顾问。多年 从事自动化仪表和系统的研究及应用 工作。