譚田天，張東勝，胡敬芬，王成碩

（北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100010）

基于LabVIEW的DAP單元安全生產(chǎn)仿真系統(tǒng)

譚田天，張東勝，胡敬芬，王成碩

（北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100010）

磷酸氫二銨（DAP）生產(chǎn)實(shí)物操作與實(shí)驗(yàn)具有相當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)性，文中將危險(xiǎn)性與可操作性分析（HAZOP）方法與虛擬儀器設(shè)計(jì)相結(jié)合，開發(fā)基于LabVIEW的DAP安全生產(chǎn)單元仿真系統(tǒng)，通過生產(chǎn)中關(guān)鍵參數(shù)偏差超限的監(jiān)測(cè)報(bào)警，顯示該超限的原因分析、后果預(yù)測(cè)、預(yù)防應(yīng)對(duì)措施，實(shí)現(xiàn)單元安全生產(chǎn)仿真、為DAP的安全生產(chǎn)與設(shè)備維護(hù)提供指導(dǎo)。

仿真系統(tǒng)；LabVIEW；危險(xiǎn)性與可操作性分析；DAP

二元高效復(fù)肥磷酸氫二銨（DAP）生產(chǎn)及工藝過程伴隨有毒有害物料，實(shí)物操作與實(shí)驗(yàn)的安全培訓(xùn)具有一定的危險(xiǎn)性，生產(chǎn)工藝參數(shù)失控有可能造成不可忽視的財(cái)產(chǎn)損失、人員傷亡、環(huán)境破壞。DAP單元安全生產(chǎn)仿真系統(tǒng)軟件的開發(fā)為非實(shí)際工作環(huán)境下改變條件和參數(shù)偏差分析系統(tǒng)的行為提供了可能。相對(duì)于傳統(tǒng)的安全措施，其具有成本低、風(fēng)險(xiǎn)低、無需實(shí)際工作環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。

1 DAP生產(chǎn)單元HAZOP分析

1.1 HAZOP分析簡(jiǎn)介

HAZOP是以系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)的一種定性分析或定量評(píng)價(jià)的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法[1-2]，通過分析生產(chǎn)運(yùn)行過程中工藝、操作控制中可能出現(xiàn)的偏差，以及這些變動(dòng)與偏差對(duì)系統(tǒng)的影響及可能導(dǎo)致的后果，找出偏差的原因，明確裝置或系統(tǒng)內(nèi)及生產(chǎn)過程中存在的主要危險(xiǎn)、危害因素，并針對(duì)變動(dòng)與偏差的后果提出對(duì)應(yīng)采取的措施[3-8]。

1.2 DAP單元生產(chǎn)的HAZOP分析

磷酸氫二銨化工生產(chǎn)是由磷酸溶液與氨水溶液加入到帶夾套的攪拌反應(yīng)釜中發(fā)生中和反應(yīng)所生成的DAP放入一密閉貯槽中。根據(jù)DAP的生產(chǎn)工藝流程，文中將其劃分為4個(gè)單元（如表1），分別為：氨水貯槽、磷酸貯槽、反應(yīng)釜、DAP貯槽。

表1 HAZOP單元?jiǎng)澐旨岸x關(guān)鍵參數(shù)Tab.1 HAZOP units’ division and key parameters’definition

HAZOP小組利用頭腦風(fēng)暴法，對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)單元的生產(chǎn)裝置、生產(chǎn)運(yùn)行狀況中的關(guān)鍵參數(shù)使用引導(dǎo)詞（如表1），逐一細(xì)致地進(jìn)行危險(xiǎn)可操作性分析，根據(jù)分析結(jié)果，DAP單元生產(chǎn)過程中關(guān)鍵參數(shù)偏差過大可能發(fā)生的原因有：人為誤操作；管道堵塞、泄漏；流量控制閥、流量計(jì)、溫度計(jì)故障；進(jìn)料泵故障；管道被腐蝕；原料在貯槽內(nèi)變質(zhì)；原料配置不合格；進(jìn)料時(shí)混入雜質(zhì)、異物；高溫酷暑使容器、管線中的物料發(fā)生膨脹；安全閥故障；貯槽、反應(yīng)釜的降溫降壓未按照先高后低的順序；突然斷電；地震、火災(zāi)等自然災(zāi)害。

可能造成的事故有：中毒窒息事故，爆炸、燃燒事故，灼燙、機(jī)械傷害、物體打擊、觸電、高處墜落。

可采取的預(yù)防措施有：進(jìn)料前進(jìn)行物質(zhì)鑒定和濃度檢查；選用抗腐蝕性能較好的材料的儲(chǔ)罐容器、反應(yīng)釜及管道；進(jìn)料管路控制閥選用單向閥，倒流自動(dòng)關(guān)閉；定期切換備用進(jìn)料設(shè)備來檢查維護(hù)清潔原進(jìn)料設(shè)備管道，控制閥，流量計(jì)、溫度計(jì)、壓力表等；定期為安全閥做泄壓試驗(yàn)；安裝液位監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置預(yù)防容器內(nèi)的物料存儲(chǔ)過滿；貯槽、反應(yīng)釜進(jìn)料管道安裝帶警報(bào)器的流量計(jì)；嚴(yán)格把關(guān)原料，進(jìn)料前檢測(cè)流量和濃度；加強(qiáng)人員培訓(xùn)，嚴(yán)守操作規(guī)程，聘專職安全人員監(jiān)督；氨水貯槽、反應(yīng)釜采用封閉結(jié)構(gòu)，并抽真空通入氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣；工作區(qū)域保持通風(fēng)良好，安裝工作區(qū)氨氣監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置；貯槽、反應(yīng)釜安裝液位監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置；制定事故應(yīng)急預(yù)案，加強(qiáng)人員安全培訓(xùn)，佩戴防護(hù)用具；裝置危險(xiǎn)處安裝防護(hù)措施。

應(yīng)對(duì)措施有：檢測(cè)進(jìn)料流量設(shè)置，更改錯(cuò)誤設(shè)置；檢測(cè)進(jìn)料流量計(jì)、進(jìn)料控制閥、進(jìn)料泵以及管道有無泄漏，若故障則更換相應(yīng)備用器具，并診斷維修原進(jìn)料裝置作為備用；貯槽、反應(yīng)釜溫度報(bào)警立即采用間歇性噴淋降溫、排風(fēng)扇等降溫措施同時(shí)換備用溫度計(jì)測(cè)量溫度是否正常，兩個(gè)或兩個(gè)以上高溫報(bào)警降溫按照先高溫后低溫的順序進(jìn)行；情況嚴(yán)重或以上應(yīng)對(duì)措施無效則立即啟動(dòng)相應(yīng)的事故應(yīng)急預(yù)案。

2 仿真系統(tǒng)在LabVIEW平臺(tái)的設(shè)計(jì)

本文采用LabVIEW2009，核心是VI（G語言編寫程序）,根據(jù)目標(biāo)功能系統(tǒng)分為3個(gè)模塊：管理員登陸模塊、生產(chǎn)模擬模塊、監(jiān)測(cè)報(bào)警模塊（如圖1），各模塊呈現(xiàn)高內(nèi)聚，低耦合的特點(diǎn)。

圖1 DAP生產(chǎn)單元仿真仿真系統(tǒng)框架Fig.1 DAP production unit simulation system simulation framework

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的動(dòng)態(tài)創(chuàng)建

系統(tǒng)采用LabVIEW SQL Toolkit實(shí)現(xiàn)對(duì)Access數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問。通過在ODBC數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建Data Source Name（DSN)，建立LabVIEW[8-10]SQL Toolkit與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，并通過配置DSN，導(dǎo)出相關(guān)信息至DSN1.reg、DSN2.reg，再將兩個(gè)文件中的注冊(cè)表信息合并為一個(gè)注冊(cè)表文件，另存為Datafile.reg，配置Driver(ODBC驅(qū)動(dòng)程序的路徑)、DBQ（標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)源文件的存放路徑），通過獲得數(shù)據(jù)源文件路徑確定其鍵值，編寫vi導(dǎo)入剛才創(chuàng)建的Datafile.reg至注冊(cè)表，修改“DBQ”項(xiàng)值為當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)文件存放路徑，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源的動(dòng)態(tài)創(chuàng)建。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.2.1 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面是評(píng)價(jià)軟件的重要指標(biāo)，得益于LabVIEW高效的 語言編程方式和靈活的控件屬性設(shè)置。本文的系統(tǒng)根據(jù)人機(jī)原理構(gòu)建了友好的人機(jī)界面(如圖2，延緩視覺疲勞，各界面簡(jiǎn)潔明了、生動(dòng)形象，便于使用。當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，顯示管理員登錄系統(tǒng)界面，登錄成功后轉(zhuǎn)入工作界面，點(diǎn)擊啟動(dòng)生產(chǎn)，磷酸、氨水開始進(jìn)料，點(diǎn)擊各貯槽、反應(yīng)釜流量、壓力、溫度、工作區(qū)氨氣監(jiān)測(cè)報(bào)警開關(guān)，調(diào)節(jié)隨機(jī)擾動(dòng)大小，同時(shí)可觀察超限報(bào)警、原因后果分析及預(yù)防應(yīng)對(duì)措施。

圖2 管理員登陸界面設(shè)計(jì)Fig.2 Administrator login interface design

2.2.2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)初始化。程序開始運(yùn)行，首先完成5個(gè)初始化任務(wù)：①清空用戶名和密碼輸入欄。②隱藏工作界面相關(guān)控件。③各貯槽、反應(yīng)釜流量、壓力、溫度、工作區(qū)氨氣監(jiān)測(cè)報(bào)警開關(guān)和生產(chǎn)開關(guān)的關(guān)閉。④各貯槽、反應(yīng)釜流量、壓力、溫度、工作區(qū)氨氣初始值歸零。⑤磷酸、氨水進(jìn)料流量初始值設(shè)置。

2）管理員信息驗(yàn)證。管理員輸入用戶名、密碼后點(diǎn)擊“登錄”按鈕，系統(tǒng)核對(duì)該用戶名和密碼數(shù)據(jù)庫(kù)中是否存在，若存在，登陸成功，顯示歡迎信息，進(jìn)入工作界面。否則將提示輸入錯(cuò)誤，請(qǐng)重新輸入。具體圖3所示。

圖3 管理員信息驗(yàn)證程序框圖Fig.3 Administrator to verify the block diagram

3）生產(chǎn)模擬。假設(shè)DAP生產(chǎn)嚴(yán)格按照國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)化工過程安全管理的指導(dǎo)意見 （安監(jiān)總管三〔2013〕88號(hào)）中開停車的相關(guān)規(guī)定，從開始進(jìn)料流量到達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)過程的風(fēng)險(xiǎn)低，不在HAZOP分析范圍內(nèi)，因此生產(chǎn)模擬通過LabVIEW自帶數(shù)學(xué)工具創(chuàng)建公式節(jié)點(diǎn)，輸入液位流量表達(dá)式，并通過LabVIEW數(shù)據(jù)流運(yùn)行模式實(shí)現(xiàn)試車的快速模擬。設(shè)定溢出臨界液位的為液位上限，設(shè)置登陸成功后登陸界面相關(guān)控件隱藏，同時(shí)顯示工作界面相關(guān)控件，在While循環(huán)的順序結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建磷酸、氨水進(jìn)料輸入控件與連接調(diào)節(jié)旋鈕的仿真信號(hào)△θi相加。

圖4 DAP化工生產(chǎn)的工藝流程模型圖Fig.4 DAP chemical production process model

圖5 生產(chǎn)模擬vi程序框圖Fig.5 Production simulation block diagram vi

4）監(jiān)測(cè)報(bào)警。模擬生產(chǎn)進(jìn)入持續(xù)穩(wěn)定階段，啟動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。創(chuàng)建監(jiān)測(cè)報(bào)警SUBVI，基于LabVIEW數(shù)據(jù)流運(yùn)行模式，當(dāng)數(shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)監(jiān)測(cè)報(bào)警SUBVI輸入端口時(shí)，監(jiān)測(cè)報(bào)警SUBVI可被視為同步執(zhí)行。通過選項(xiàng)卡控件實(shí)現(xiàn)磷酸、氨水貯槽，反應(yīng)釜，DAP貯槽流量、壓力、溫度、液位監(jiān)測(cè)報(bào)警及工作區(qū)氨氣監(jiān)測(cè)報(bào)警5個(gè)監(jiān)測(cè)報(bào)警區(qū)的劃分，并創(chuàng)建HAZOP方法定義關(guān)鍵參數(shù)的局部變量，由于不涉及數(shù)組結(jié)構(gòu)等空間復(fù)雜度較高的變量結(jié)構(gòu)，可忽略內(nèi)存復(fù)制增加問題，在While循環(huán)中創(chuàng)建布爾變量連接CASE結(jié)構(gòu)，為真實(shí)關(guān)鍵參數(shù)與報(bào)警上下限控件輸入值進(jìn)行比較，超限時(shí)報(bào)警燈及報(bào)警音樂啟動(dòng)，顯示關(guān)鍵參數(shù)超限的HAZOP原因后果分析及預(yù)防應(yīng)對(duì)措施指導(dǎo)，操作管理員可根據(jù)系統(tǒng)指示，及時(shí)排查原因，采取措施防止事故的發(fā)生。

圖6 工作界面誤操作報(bào)警Fig.6 Working interface malfunction alarm

3 結(jié)束語

文中基于LabVIEW，將HAZOP方法的DAP生產(chǎn)單元仿真系統(tǒng)與HAZOP方法相結(jié)合的虛擬儀器設(shè)計(jì)，為非實(shí)際工作環(huán)境下對(duì)DAP化工生產(chǎn)危險(xiǎn)性及事故預(yù)防的全面認(rèn)識(shí)提供了可能，該設(shè)計(jì)可為操作人員增強(qiáng)自身安全防范意識(shí)及裝置的安全管理提供指導(dǎo)。同時(shí)也是非實(shí)物條件下 安全、快速、深入了解磷酸氫二銨（DAP）生產(chǎn)的有效方法。

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Security producing unit simulation system based on LabVIEW

TAN Tian-tian，ZHANG Dong-sheng，HU Jing-fen，WANG Cheng-shuo
（College of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100010,China）

the physical operation and experiment of Diammonium phosphate (DAP)production have a lot of risk,the paper combined Operability Analysis (HAZOP)analysis (HAZOP)with virtual instrument design for the development of safe production unit DAP simulation system based on LabVIEW,to achieve cell safe production process simulation,analysis of the reasons for the alarm monitoring,predicting consequences,prevention countermeasures for the safe production and maintenance of equipment to provide guidance.

simulation system；LabVIEW；hazard and operability analysis；DAP

TN86；TP391

A

1674-6236（2014）13-0018-03

2014-02-10 稿件編號(hào)：201402027

教育部大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（091001018）

譚田天（1989—），女，新疆庫(kù)爾勒人，碩士研究生。研究方向：管理信息系統(tǒng)。