模块化制造中仪控安装技术探讨

黄向军

(上海森松制药设备工程有限公司，上海 201323)



模块化制造中仪控安装技术探讨

黄向军

(上海森松制药设备工程有限公司，上海 201323)

摘要：以在建的某万吨级合成项目的工艺模块化装置为例，阐述了模块化制造技术相比于传统制造技术的优势，对仪控专业在模块化制造中的相关技术进行了介绍，主要包括： 仪控设备选型，仪控三维设计，控制系统模块化、仪控设备的安装调试等。通过不断创新和实践，克服了模块化制造中的众多技术难题，该在建项目对探索工业装置的模块化建造具有典型的工程实际参考价值。

关键词：模块化制造三维设计控制系统紧急停车系统

在新一轮的科技革命和产业变革中，全球制造业的发展格局正发生着巨大的变化，工业化的快速发展也使得工业装置日趋复杂化和超大型化。传统的制造技术已不能满足当下需要，取而代之的模块化制造技术不仅可以实现不同模块在多地点间的平行施工，而且可以在同一模块内实现钢结构、机械设备、管线搭建，包括仪控、电气等专业间的交叉作业，从而大幅缩短了制造周期，降低了制造成本，提高了制造质量。笔者以某公司在建的国内某万吨级合成项目的工艺模块化装置为例，对模块化制造中的仪控关键技术进行了介绍。

1模块化制造的发展

传统的制造方式往往要求在工作现场或同一场地完成施工和组装，受场地条件限制大，制造周期长，施工成本高[1]。在20世纪60年代初期，模块化制造技术首先应用于海上平台领域。随后，该技术在造船业发达的美国、日本以及欧洲各国得到了快速发展，并逐步成为一种成熟高效的建造技术。20世纪80年代中期，该技术引入国内，经过30多年的发展，已逐渐被应用于现代造船、海洋平台、石油化工等领域[2]。模块化制造技术是指将目标产品分成不同的模块，主要部件在运输安装和抵达现场之前就完成了预制和组装，这样不仅可以减少制造过程中出现的偏差，而且在材料投入、人工投入以及设备投入方面都有效地降低了施工成本。

2仪控专业在模块化设计中的基本流程

在模块化制造中，仪控专业主要包括仪表选型、仪表配管配线、供气设计、静电接地设计、伴热保温设计、中心控制室设计、仪表桥架的敷设等设计内容，其设计基本流程如图1所示。

图1仪控模块化设计的基本流程示意

2.1制订模块化方案

1) 由工艺专业依据工艺流程图、相关功能以及运输条件将主要设施分为若干个工艺模块。

2) 由设备专业依据工艺要求确定设备的尺寸和相应管嘴分布，由结构专业设计满足强度和尺寸要求的钢结构框架，由管道专业初步定义模块内部输入/输出主管道。

3) 由仪控专业依据工艺要求和管道走向确定工艺模块内的输入/输出点和中心控制室的设计方案，并确定模块内仪表接线箱划分原则，模块内按需布置接线箱与桥架。

2.2模块化仪控总体设计

模块化方案确定后，仪控模块化总体设计随即展开。一方面，与客户确定仪控专业的对接方案，包括控制方案、主桥架出口方位、通信对接方案以及模块外围接地桩布置等。另一方面，设计人员通过详细研读客户设计要求，明确模块产品的实际运行工况和当地的水文地理情况，对仪控设备的选型、防护等级进行初步设计。

2.3模块内部仪控详细设计

在模块内部的仪控详细设计中，关键在遵守仪控设计规范和保证设备功能的前提下，需充分考虑模块的拆装和运输，尽可能地避免桥架、保护管、仪表气源管线、测量管线、电缆和仪表的重复拆装，从而有效地降低了劳动成本。在该项目中，上海森松制药设备工程有限公司通过前期周密设计，避免了全部桥架和保护管的重复拆装以及90%电缆的二次敷设工作。在模块跨接必要衔接处，设置可拆卸断点，如拆分法兰、连接片等，便于运输拆分与现场组装。

3仪控模块化设计的技术研究

充分保障仪控设备的安全可靠运行，是仪控设计人员的首要责任。为此，在仪控模块化设计过程中，应严格遵守以下设计原则： 遵照国内及国际上现行标准及规范进行设计；以“安全、适用、可靠、环保”为基本原则，选择适宜的自控方案；结合当地的环境特点，选用技术成熟可靠的现场设备和控制系统，保证仪表设备及系统的可靠性。

3.1仪控设备选型

在模块化设计中，仪表选型不仅影响到企业的效益，而且直接关系到设备的安全生产。所以，对于仪控设计人员而言，合理的仪控设备选型显得尤为重要。但是，由于不同项目所在地设计原则、使用环境和操作特点等不尽相同，因而在选型时就要遵循相应的选型原则，从而实现所选仪控设备可以精确完成运行和测量任务。仪控设备的选型原则主要包括安全原则、准确原则、便于模块安装原则和经济原则[3]。

1) 大型模块化产品多用于油气处理、海洋平台、煤化工生产等易燃易爆场所，因而仪表设备也多工作在较为危险苛刻的环境中[4]。在选型前，要根据爆炸危险区域划分图选择对应防爆等级的仪控设备，确保所选的仪表满足安全生产需求。

2) 受所测物体的特性和仪表自身特性的影响，不同类型仪表的测量准确性是不尽相同的。为了更好地完成测量任务，应依据测量物体特性和使用环境选择最为适合的仪表。

3) 应考虑模块化安装空间紧凑的特点，尽量选用管道上直接安装的一体式仪表，对于流量仪表应选择前后直管段要求短的类型，避免或减少涡街流量计等长直管段要求的现场仪表。

4) 作为企业，获得更大的利益是运营的最终目标。因此，在选择仪表时，在充分保证安全、准确的前提下，要考虑仪表购置、安装、后期维护等多个环节所需要的成本[5]。

3.2仪控三维设计

由于大型模块化制造项目普遍存在工期紧、要求高、多专业同步作业、设计施工同步进行等特点，基于二维的传统仪控设计方法已不能满足需求，取而代之的是基于工厂设计管理系统PDMS(plant design management system)平台的三维空间设计[6]，可以有效地提高设计效率和准确性，其主要功能包括：

1) 搭建包括钢结构、设备、管道、仪控等专业的三维模型，可以直观地反映模块化产品的空间布置情况。

2) 从三维模型中可以抽出物料的相关属性和信息，如仪表桥架料单、平面布置图等。

3) 实时检查碰撞，最大程度地避免施工过程中因碰撞引发的修改，为了保障足够的仪控设备安装空间，模型中的仪控设备均依据其外形尺寸按1∶1比例建立，并预留出足够的安全通道和维修空间。

4) 施工阶段，借助第三方浏览软件(Review，Navisworks等)可以快速定位仪控设备位置，提高施工效率。

3.3控制系统模块化

在采用传统建造方式的项目中，控制系统往往在项目执行的后期进行现场安装，这种方式使得仪表只能在现场进行调试，其复杂且过长的调试周期势必会影响项目的整体进度。在该项目中，控制系统中的中心控制室也相应采取了模块化建造方式，即在项目初期，依据工艺需求确定控制系统的软硬件方案，并同步开展模块化设计；现场仪表通过多对电缆接入该模块内的接线箱中，并采用多芯电缆与中心控制室相连[7]。该方案使得模块中的仪表设备在模块工厂预制阶段就可以接线和初步调试，同时完成控制室内控制系统的成橇组装与调试，在现场只需完成接线箱到控制室的主电缆连接，从而使现场的仪控施工量降到最低。

为了保障模块化装置的可靠运行和操作人员的人身安全，在该项目中建立了有效的控制系统方案，如图2所示。该控制系统主要包括过程控制系统(PCS)和安全仪表系统(SIS)两部分。

1) 过程控制系统主要解决生产过程中温度、压力、流量、液位以及产品物性的自动监测和控制问题，包括集散式控制系统(DCS)和逻辑控制系统(PLC)等，设计时应遵循以下原则：

a) 安全性原则。指在整个生产过程中，要充分确保人身和设备的安全。

b) 经济性原则。指要求生产成本低而效率高。

c) 稳定性原则。指系统应具有抵抗外部干扰，保证生产过程可以长期稳定运行。

2) 安全仪表系统的主要作用是在工艺生产过程中发生危险故障时将其自动或手动带回预先设计的安全状态，以避免重大人身伤害及设备损坏事故的发生，包括紧急停车系统(ESD)、火灾报警和气体检测系统(FGS)等[8]。模块化设计过程中，SIS应独立于上述基本过程控制系统，独立完成安全保护功能。一方面，要保证SIS的检测元件、控制单元和执行机构单独设置；另一方面，应单独设置ESD信号接线箱，避免其与基本控制系统的信号接入同一控制柜内。

图2　控制系统框架

4仪控模块化施工的技术要点

在模块化建造中，仪控的安装主要是完成仪表与管道、仪控设备与接线箱、接线箱与中心控制室间连接工作[9]。为了准确地完成安装工作，要结合工艺流程对仪控设备布置进行分析，确定仪控设备的安装用途。安装人员要严格按照施工图纸与仪控安装技术规范执行，并做好仪控设备材料管理。仪控设备的安装应遵循以下步骤：

1) 安装前，要检验所使用的仪表是否存在质量问题，避免因仪表损坏引起的重复拆装工作。

2) 安装仪控室内的仪表盘和现场的主要仪表桥架。

3) 待模块内工艺设备和管道搭建完工后，完成现场仪表和接线箱的安装。

4) 安装仪表电缆相应保护管和敷设电缆[10]。为了避免运输过程中管线和电缆的重复拆装，在安装保护管时要本着模块化的思想，尽可能地减少保护管的跨模块安装。与此同时，为了保证安装牢靠性，在空间布置允许的情况下，保护管的敷设应靠近钢结构，以便于支架安装。

所有设备安装完成后，要进行相应调试，其流程主要包括： 检查仪表线路的连接情况，确保所有仪表接线连接无误；在空载和带载情况下分别通电试车，观察不同工作状态下仪表的变化；在工艺条件允许的情况下进行过载试车，观察仪表的运行情况，并检查相应安全联锁机制能否正常启动。

5结束语

随着科学技术的不断进步，模块化制造技术将是未来工业装置制造的发展趋势。大量的项目案例证明，模块化制造相对于传统制造方式可以有效地降低项目成本，提高生产效率，缩短制造周期。其中，仪控专业作为模块化建造中的关键专业，其设计和施工人员应具备整体模块化思想，严格遵循模块化制造过程中的基本流程、技术要求以及相关规范，确保在项目时间节点内完成各项工作。

参考文献:

[1]张占立，李文武，葛飞岐.海上平台模块化与传统工艺建造对比浅析[C]//第十六届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集.中国海洋工程学会： 海洋出版社，2013： 310-312.

[2]赫宝春.论海洋工程模块化建造的成本优化[J].中国造船，2014，55(01)： 201-204.

[3]王润华.浅谈化工企业仪表电气的选型及施工中应注意的问题[J].科技创新与应用，2015(15)： 122-123.

[4]刘宁.浅析爆炸危险区域的划分及防爆电气设备的选型[J].石油化工安全技术，2005，21(03)： 47-48.

[5]张涛.船舶电气设备和导线选型研究[J].科技创新与应用，2013(27)： 96-98.

[6]陈启卫，崔继鹏，王永杰，等.三维软件在仪电专业加工设计及施工中的应用[J].中国造船，2009(50)： 484-486.

[7]朱虹.仪表及控制系统在模块化设计中的设计理念[J].仪器仪表用户，2012，19(05)： 50-52.

[8]张凯.电磁阀在石油化工装置安全联锁保护过程中的设计与应用探索[J].化学工程与装备，2013(03)： 178-180.

[9]陈剑明.论仪表电气工程安装与调试[J].中国高新技术企业，2013(22)： 59-60.

[10]白玉岷.电气工程安装与调试技术手册[M].北京： 机械工业出版社，2008.

Discussion on Installation Technology of Instrument and Control in Modular Construction

Huang Xiangjun

(Shanghai Morimatsu Pharmaceutical Equipment Engineering Co. Ltd.,Shanghai, 201323, China)

Abstracts： Compared with traditional manufacturing technology, advantages of modular construction technology are elaborated with one under-construction ten thousand tons synthesizing project as example. Relative technologies of instrument and control (I&C) in modular construction are introduced including I&C devices selection, I&C 3D design, control system modularity, installation and testing of I&C etc. Many technical problems have been solved in modular construction through continuous innovation and practice. This under-construction project provides a practical reference for typical engineering for modular construction on exploring construction of industrial installation.

Key words:modular construction; 3D design; control system; urgent shutdown system

作者简介：黄向军(1980—)，男，2007年毕业于浙江大学控制理论与控制工程专业，获硕士学位，现就职于上海森松制药设备工程有限公司重工海工事业部，任工程师。

中图分类号：TP205

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2016)03-0066-03

稿件收到日期： 2015-12-24，修改稿收到日期： 2016-03-16。