安全人机系统在烧碱生产过程的应用

常刚

(山东鲁泰化学有限公司，山东 济宁 272350)

安全人机系统在烧碱生产过程的应用

常刚*

(山东鲁泰化学有限公司，山东 济宁 272350)

安全人机系统；二次盐水；电解；淡盐水；脱氯；可靠度；计算

介绍安全人机系统的分类、特点及其在烧碱生产过程的应用情况，分析人机系统可靠度计算方法。

安全人机工程是运用人机工程学的理论和方法研究“人-机-环境”系统，并使三者在安全的基础上达到最佳匹配，以确保系统高效、经济运行的一门综合性的科学。安全人机系统是安全人机工程学的主要研究内容，安全人机工程学要求安全管理工作者结合实际工作情况，认真研究人机系统的可靠性，遵循人机系统的可靠性设计原则，设计出经济、合理以及可靠性高的人机系统，更好地服务于安全生产。

在安全人机系统中，人始终起着核心和主导作用，机器起着安全可靠的保证作用。解决安全生产事故发生的根本方法之一就是实现生产过程的机械化或自动化，用工业智能机器人或自动化模块程序控制处在危险环境中的操作点，将人解脱出来，实现安全生产。

笔者多年从事离子膜电解制碱工艺的安全生产管理工作，现结合山东鲁泰化学有限公司(以下简称“鲁泰化学”)烧碱生产现场，对安全人机系统理论及其在离子膜电解制碱工艺中的应用进行分析。

1 安全人机系统的分类与特点[1]

人机系统主要分为两类：一类为机械化、半机械化控制的人机系统(以下简称a类)，另一类为全自动化控制的人机系统(以下简称b类)。

a类人机系统的特点是：人机共体或机为主体，系统的动力源由机器提供，人在系统中主要充当生产过程的操控者与控制者，即控制器主要由人来操作。在控制系统中设置监控装置，如果人操作失误，机器就会拒绝执行或发出警告。如图1所示。

图1 半机械化人机系统的控制过程

a类人机系统在现代工业生产中应用比较广泛，适合用在指标要求相对不太严格的控制点或场所;但是随着计算机信息技术的飞速发展，b类人机系统在工业信息化中得到前所未有的重视，b类人机系统应用程度代表着工业信息化的发展状况。b类人机系统的特点是：以机为主，机器的正常运转完全依赖于闭环系统机器自身的调节与控制，操作人员只是一个监视者和管理者，他们利用计算机技术监视自动化程序和机器的工作情况。只有在自动化控制程序出现故障时，人们才进行干预，采取有效措施。如图2所示。

图2 全自动人机系统的控制过程

b类人机系统虽然实现了全自动化控制，但是在实际生产中，由于调节比较敏感，适合用在对指标要求较严格的控制点或场所，监控数据波动较大时，调节较困难。因此设计了自动和手动功能，还设计了微调和粗调功能。操作者可以通过计算机鼠标或键盘等输入设备进行功能切换与选择。这样，a类和b类在功能上实现了相互转化。

在现代化工业大生产中，人们根据对岗位或场所的不同要求设置了不同的人机系统，使它们有机结合起来，发挥不同的优势，为安全生产保驾护航。

2 安全人机系统在离子膜电解制碱工艺中的应用

2.1二次盐水精制工序

本工序的主要任务是利用螯合树脂塔内树脂的吸附作用将盐水中的Ca2+、Mg2+等进一步去除，使盐水中的Ca2+、Mg2+质量分数之和小于20×10-9。一般是两塔工作一塔再生，树脂塔的切换、再生程序非常繁琐复杂，操作阀门众多，如果靠人工操作十分困难，为此本工序设置了b类人机系统，实现了全自动化控制。当再生程序进行到某步骤时，对应的电磁调节阀、电磁开关阀就会自动开启或关闭；当塔内压力过高时，自动阀就会开启泄压，压力正常后阀门自动关闭；如果某个自动阀出现了故障，再生程序就会停止运行。操作者可以将程序改为手动或半自动调节，如果技术人员检修阀门还可以将程序暂停。

对于树脂塔再生程序的某些步骤的细节方面，可以设置a类人机系统。例如树脂塔进行酸洗时，根据工艺要求，对酸洗流量设定了上下限范围，对酸洗的时间也进行了设定。如果由于酸泵等其他原因造成酸流量较大波动，且超出了指标范围，则对应调节阀立即关闭，计时器停止计时，酸洗停止；此时DCS发出流量异常报警，操作人员马上进行有效调节，使酸洗恢复正常。正常情况下，操作人员进行巡检时，如果发现物料的流量偏高或偏低，即使在正常范围内，也会主动进行调节，将流量调为工艺要求的最佳状态。但是，如果操作人员调节幅度过大，流量超出范围，程序就会终止，以保护树脂不受损害。

2.2电解工序

电解槽和离子膜是本工序的核心设备，也是制碱工艺的心脏，盐水进入离子膜电解槽，经电解后，32%的成品烧碱溶液就从本工序中生产出来，同时产生大量的氯气和氢气。高温碱液具有强腐蚀性；氯气具有很大的毒性，可使人窒息，空气中的最大容许质量浓度为1 mg/m3；氢气为易燃易爆气体，在空气中的爆炸极限为4%～75%：因此，电解工序的安全管理工作非常重要。离子膜电解槽对物料的流量要求比较高，对气体的压力比较敏感，一旦流量或气体压力、压差超出范围就会对设备造成巨大的损害，容易引发爆炸事故，严重威胁员工的生命安全。

为了从根本上杜绝安全隐患，设计者根据岗位特点在此工序许多控制点设置了不同的人机系统。a类人机系统主要包括现场氯气和氢气浓度自动监测与报警。b类人机系统包括：入电解槽阴极液和阳极液流量调节、氢气压力氯气压力及压差自动调节、电解槽加酸自动调节、阴极纯水加入流量自动调节、氯中含氢在线监测、电解槽槽温自动控制与调节、阴极系统停车自动充氮、槽电压自动监测等。这些全自动化控制或调节点大多与电解槽直流电源连锁控制，指标一旦超出正常范围，电解槽保护连锁立即启动，失电停车。

电解工艺的DCS是整个工艺的中枢，设有电池组冗余备用电源，大面积停电后仍能正常工作，对现场进行监测。

2.3脱氯工序

本工序的主要任务是利用蒸汽喷射器将脱氯塔内部抽成-66.67 kPa的负压环境，出电解槽80 ℃的含氯淡盐水在塔内沸腾后，大量的残余氯气被脱出，进入氯气总管，送往氯氢处理工段。

为了将脱氯塔内的压力稳定在正常范围，更彻底地脱除氯气，本工序设置了b类人机系统，主要包括：氯气冷却自动控制、蒸汽压力自动控制、入塔淡盐水pH值调节自动控制、出塔淡盐水pH值调节自动控制、亚硫酸钠溶液流量自动控制。

2.4打碱工序

打碱工序主要是利用离心泵，将储存在碱中间槽的32%的成品碱输送至罐区，主要设有碱液温度自动控制、碱中间槽液位自动报警系统。

在离子膜电解制碱生产现场，大部分的流体输送泵采用了并联方式，这些泵的动力开关设在现场，与所属的槽罐液位连锁报警。这些都属于a类人机系统研究的范畴。

3 电解工序DCS主控操作岗位人机系统可靠度计算与评价

鲁泰化学电解工序主控操作岗位集中了电解现场所有的远传数据，利用计算机技术进行监测、分析、控制与调节，操作人员要连续观察数据变化及自动化程序的运行情况。一旦操作失误，很容易造成连锁停车，危及生命和设备安全。因此，必须根据人机工程学的原理对此岗位进行有效地科学管理。

由于人机系统中影响人的可靠性的因素众多，且随机变化，因此人的可靠性是不稳定的，人的可靠度计算也比较困难。

3.1人的基本可靠度

系统不因人体差错发生功能降低和故障时人的成功概率，称为人的基本可靠度，用r表示。人在进行作业操作时的基本可靠度可用下式表示：

r=a1·a2·a3。

式中：a1为输入可靠度，考虑感知信号及其意义，时有失误；a2为判断可靠度，考虑进行判断时失误；a3为输出可靠度，考虑输出信息时运动器官执行失误，如按错开关。

上式是外部环境在理想状态下的可靠度值，a1、a2、a3各值见表1。

表1 可靠度a1、a2、a3值

电解工序DCS的多数变量在6个以下，人的基本可靠度较高。对于氯工程的电解槽，随着运行时间延长，槽电压会逐渐升高，须定期修改电压上限连锁值，每台电解槽须输入15个变量，共计须输入240个变量，完成每台电解槽的输入任务。人的基本可靠度在0.970 3以下。为了确保万无一失，需两人进行操作，一人键入数据，另一人确认无误后，再执行输入。为了保证安全，电解工序的所有操作都遵循这个原则。

电解工序的操作是一个连续作业过程，控制人员须连续操作计算机控制系统调节参数，连续作业人的基本可靠度可通过下式进行计算：

式中：r(t)为连续操作人的基本可靠度；λ(t) 为t时间内的差错率；t为连续工作时间。

电解工序为连续性作业，每班操作人员的最长工作时间为8 h，统计平均差错率为0.000 01，则基本可靠度为：

exp(-0.000 01×8)=0.999 99。

离子膜电解工序操作人员的平均基本可靠度比较高。但是对于同一个人来说，在不同的时间λ(t)是不同的，比如夜班与白班的差异;不同的人λ(t)也是不同的，比如技术能力强的人与技术能力差的人的差异、老员工与新员工的差异。因此,在计算r(t)值时是根据不同的人、在不同时间进行同一项操作时所出差错率的平均值，得到的统计学数据。

3.2人机系统的可靠度计算

人机系统组成串联系统的可靠度可以按下式计算：R=R1·R2。

式中：R为人机系统可靠度；R1为人的操作可靠度；R2为机器设备可靠度。

统计电解工序机器设备平均可靠度在0.985 00，则人机系统平均可靠度：

R=0.999 99×0.985 00=0.984 99。

可以采用并联方法来提高可靠度，常用的并联方法有：并行工作冗余法和后备冗余法。并行工作冗余法是使用2个以上相同单元来完成同一系统任务。当一个单元失效时，其余单元仍能完成工作。如电解工序的DCS主控操作岗位采用3人3台计算机并联操作。后备冗余法也是配备2个以上相同单元来完成同一系统任务，它与并行工作冗余法不同之处在于后备冗余法有备用单元。备用单元平时不工作，只有当系统出现故障时，才启用备用单元。如离子膜电解工段生产现场每台泵设有一两台备用泵，离子膜电解槽电源设有备用回路等，这些都是保障安全生产的有力措施。

4 结语

安全人机系统是实现本质安全的重要途径，是指导企业推进现代工业信息化发展的理论基础，通过对安全人机系统的研究、分析与应用，鲁泰化学最终一定会全面实现本质安全生产。

[1] 吴宗之，樊晶光.安全生产技术[M].北京：中国大百科全书出版社，2008:167-168.

[编辑：董红果]

Applicationofsafetyhuman-machinesystemincausticsodaproductionprocess

CHANGGang

(Shandong Lutai Chemical Co., Ltd., Jining 272350,China)

safety human-machine system; secondary brine; electrolysis; depleted brine; chlorine removing; reliability; calculation

The classification and characteristics of safe human-machine system and its application in caustic soda production process were introduced. The reliability calculation method of human-machine system was analyzed.

TQ056

B

1008-133X(2017)08-0026-03

常刚(1980—)，男，工程师，国家注册安全工程师，2005年毕业于德州学院化学系，现于山东鲁泰化学有限公司氯碱车间从事安全生产管理工作。

2017-05-15