黃向軍

(上海森松制藥設(shè)備工程有限公司，上海 201323)

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模塊化制造中儀控安裝技術(shù)探討

黃向軍

(上海森松制藥設(shè)備工程有限公司，上海 201323)

摘要：以在建的某萬噸級合成項目的工藝模塊化裝置為例，闡述了模塊化制造技術(shù)相比于傳統(tǒng)制造技術(shù)的優(yōu)勢，對儀控專業(yè)在模塊化制造中的相關(guān)技術(shù)進行了介紹，主要包括： 儀控設(shè)備選型，儀控三維設(shè)計，控制系統(tǒng)模塊化、儀控設(shè)備的安裝調(diào)試等。通過不斷創(chuàng)新和實踐，克服了模塊化制造中的眾多技術(shù)難題，該在建項目對探索工業(yè)裝置的模塊化建造具有典型的工程實際參考價值。

關(guān)鍵詞：模塊化制造三維設(shè)計控制系統(tǒng)緊急停車系統(tǒng)

在新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中，全球制造業(yè)的發(fā)展格局正發(fā)生著巨大的變化，工業(yè)化的快速發(fā)展也使得工業(yè)裝置日趨復(fù)雜化和超大型化。傳統(tǒng)的制造技術(shù)已不能滿足當(dāng)下需要，取而代之的模塊化制造技術(shù)不僅可以實現(xiàn)不同模塊在多地點間的平行施工，而且可以在同一模塊內(nèi)實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)、機械設(shè)備、管線搭建，包括儀控、電氣等專業(yè)間的交叉作業(yè)，從而大幅縮短了制造周期，降低了制造成本，提高了制造質(zhì)量。筆者以某公司在建的國內(nèi)某萬噸級合成項目的工藝模塊化裝置為例，對模塊化制造中的儀控關(guān)鍵技術(shù)進行了介紹。

1模塊化制造的發(fā)展

傳統(tǒng)的制造方式往往要求在工作現(xiàn)場或同一場地完成施工和組裝，受場地條件限制大，制造周期長，施工成本高[1]。在20世紀(jì)60年代初期，模塊化制造技術(shù)首先應(yīng)用于海上平臺領(lǐng)域。隨后，該技術(shù)在造船業(yè)發(fā)達(dá)的美國、日本以及歐洲各國得到了快速發(fā)展，并逐步成為一種成熟高效的建造技術(shù)。20世紀(jì)80年代中期，該技術(shù)引入國內(nèi)，經(jīng)過30多年的發(fā)展，已逐漸被應(yīng)用于現(xiàn)代造船、海洋平臺、石油化工等領(lǐng)域[2]。模塊化制造技術(shù)是指將目標(biāo)產(chǎn)品分成不同的模塊，主要部件在運輸安裝和抵達(dá)現(xiàn)場之前就完成了預(yù)制和組裝，這樣不僅可以減少制造過程中出現(xiàn)的偏差，而且在材料投入、人工投入以及設(shè)備投入方面都有效地降低了施工成本。

2儀控專業(yè)在模塊化設(shè)計中的基本流程

在模塊化制造中，儀控專業(yè)主要包括儀表選型、儀表配管配線、供氣設(shè)計、靜電接地設(shè)計、伴熱保溫設(shè)計、中心控制室設(shè)計、儀表橋架的敷設(shè)等設(shè)計內(nèi)容，其設(shè)計基本流程如圖1所示。

圖1儀控模塊化設(shè)計的基本流程示意

2.1制訂模塊化方案

1) 由工藝專業(yè)依據(jù)工藝流程圖、相關(guān)功能以及運輸條件將主要設(shè)施分為若干個工藝模塊。

2) 由設(shè)備專業(yè)依據(jù)工藝要求確定設(shè)備的尺寸和相應(yīng)管嘴分布，由結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計滿足強度和尺寸要求的鋼結(jié)構(gòu)框架，由管道專業(yè)初步定義模塊內(nèi)部輸入/輸出主管道。

3) 由儀控專業(yè)依據(jù)工藝要求和管道走向確定工藝模塊內(nèi)的輸入/輸出點和中心控制室的設(shè)計方案，并確定模塊內(nèi)儀表接線箱劃分原則，模塊內(nèi)按需布置接線箱與橋架。

2.2模塊化儀控總體設(shè)計

模塊化方案確定后，儀控模塊化總體設(shè)計隨即展開。一方面，與客戶確定儀控專業(yè)的對接方案，包括控制方案、主橋架出口方位、通信對接方案以及模塊外圍接地樁布置等。另一方面，設(shè)計人員通過詳細(xì)研讀客戶設(shè)計要求，明確模塊產(chǎn)品的實際運行工況和當(dāng)?shù)氐乃牡乩砬闆r，對儀控設(shè)備的選型、防護等級進行初步設(shè)計。

2.3模塊內(nèi)部儀控詳細(xì)設(shè)計

在模塊內(nèi)部的儀控詳細(xì)設(shè)計中，關(guān)鍵在遵守儀控設(shè)計規(guī)范和保證設(shè)備功能的前提下，需充分考慮模塊的拆裝和運輸，盡可能地避免橋架、保護管、儀表氣源管線、測量管線、電纜和儀表的重復(fù)拆裝，從而有效地降低了勞動成本。在該項目中，上海森松制藥設(shè)備工程有限公司通過前期周密設(shè)計，避免了全部橋架和保護管的重復(fù)拆裝以及90%電纜的二次敷設(shè)工作。在模塊跨接必要銜接處，設(shè)置可拆卸斷點，如拆分法蘭、連接片等，便于運輸拆分與現(xiàn)場組裝。

3儀控模塊化設(shè)計的技術(shù)研究

充分保障儀控設(shè)備的安全可靠運行，是儀控設(shè)計人員的首要責(zé)任。為此，在儀控模塊化設(shè)計過程中，應(yīng)嚴(yán)格遵守以下設(shè)計原則： 遵照國內(nèi)及國際上現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范進行設(shè)計；以“安全、適用、可靠、環(huán)保”為基本原則，選擇適宜的自控方案；結(jié)合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境特點，選用技術(shù)成熟可靠的現(xiàn)場設(shè)備和控制系統(tǒng)，保證儀表設(shè)備及系統(tǒng)的可靠性。

3.1儀控設(shè)備選型

在模塊化設(shè)計中，儀表選型不僅影響到企業(yè)的效益，而且直接關(guān)系到設(shè)備的安全生產(chǎn)。所以，對于儀控設(shè)計人員而言，合理的儀控設(shè)備選型顯得尤為重要。但是，由于不同項目所在地設(shè)計原則、使用環(huán)境和操作特點等不盡相同，因而在選型時就要遵循相應(yīng)的選型原則，從而實現(xiàn)所選儀控設(shè)備可以精確完成運行和測量任務(wù)。儀控設(shè)備的選型原則主要包括安全原則、準(zhǔn)確原則、便于模塊安裝原則和經(jīng)濟原則[3]。

1) 大型模塊化產(chǎn)品多用于油氣處理、海洋平臺、煤化工生產(chǎn)等易燃易爆場所，因而儀表設(shè)備也多工作在較為危險苛刻的環(huán)境中[4]。在選型前，要根據(jù)爆炸危險區(qū)域劃分圖選擇對應(yīng)防爆等級的儀控設(shè)備，確保所選的儀表滿足安全生產(chǎn)需求。

2) 受所測物體的特性和儀表自身特性的影響，不同類型儀表的測量準(zhǔn)確性是不盡相同的。為了更好地完成測量任務(wù)，應(yīng)依據(jù)測量物體特性和使用環(huán)境選擇最為適合的儀表。

3) 應(yīng)考慮模塊化安裝空間緊湊的特點，盡量選用管道上直接安裝的一體式儀表，對于流量儀表應(yīng)選擇前后直管段要求短的類型，避免或減少渦街流量計等長直管段要求的現(xiàn)場儀表。

4) 作為企業(yè)，獲得更大的利益是運營的最終目標(biāo)。因此，在選擇儀表時，在充分保證安全、準(zhǔn)確的前提下，要考慮儀表購置、安裝、后期維護等多個環(huán)節(jié)所需要的成本[5]。

3.2儀控三維設(shè)計

由于大型模塊化制造項目普遍存在工期緊、要求高、多專業(yè)同步作業(yè)、設(shè)計施工同步進行等特點，基于二維的傳統(tǒng)儀控設(shè)計方法已不能滿足需求，取而代之的是基于工廠設(shè)計管理系統(tǒng)PDMS(plant design management system)平臺的三維空間設(shè)計[6]，可以有效地提高設(shè)計效率和準(zhǔn)確性，其主要功能包括：

1) 搭建包括鋼結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道、儀控等專業(yè)的三維模型，可以直觀地反映模塊化產(chǎn)品的空間布置情況。

2) 從三維模型中可以抽出物料的相關(guān)屬性和信息，如儀表橋架料單、平面布置圖等。

3) 實時檢查碰撞，最大程度地避免施工過程中因碰撞引發(fā)的修改，為了保障足夠的儀控設(shè)備安裝空間，模型中的儀控設(shè)備均依據(jù)其外形尺寸按1∶1比例建立，并預(yù)留出足夠的安全通道和維修空間。

4) 施工階段，借助第三方瀏覽軟件(Review，Navisworks等)可以快速定位儀控設(shè)備位置，提高施工效率。

3.3控制系統(tǒng)模塊化

在采用傳統(tǒng)建造方式的項目中，控制系統(tǒng)往往在項目執(zhí)行的后期進行現(xiàn)場安裝，這種方式使得儀表只能在現(xiàn)場進行調(diào)試，其復(fù)雜且過長的調(diào)試周期勢必會影響項目的整體進度。在該項目中，控制系統(tǒng)中的中心控制室也相應(yīng)采取了模塊化建造方式，即在項目初期，依據(jù)工藝需求確定控制系統(tǒng)的軟硬件方案，并同步開展模塊化設(shè)計；現(xiàn)場儀表通過多對電纜接入該模塊內(nèi)的接線箱中，并采用多芯電纜與中心控制室相連[7]。該方案使得模塊中的儀表設(shè)備在模塊工廠預(yù)制階段就可以接線和初步調(diào)試，同時完成控制室內(nèi)控制系統(tǒng)的成橇組裝與調(diào)試，在現(xiàn)場只需完成接線箱到控制室的主電纜連接，從而使現(xiàn)場的儀控施工量降到最低。

為了保障模塊化裝置的可靠運行和操作人員的人身安全，在該項目中建立了有效的控制系統(tǒng)方案，如圖2所示。該控制系統(tǒng)主要包括過程控制系統(tǒng)(PCS)和安全儀表系統(tǒng)(SIS)兩部分。

1) 過程控制系統(tǒng)主要解決生產(chǎn)過程中溫度、壓力、流量、液位以及產(chǎn)品物性的自動監(jiān)測和控制問題，包括集散式控制系統(tǒng)(DCS)和邏輯控制系統(tǒng)(PLC)等，設(shè)計時應(yīng)遵循以下原則：

a) 安全性原則。指在整個生產(chǎn)過程中，要充分確保人身和設(shè)備的安全。

b) 經(jīng)濟性原則。指要求生產(chǎn)成本低而效率高。

c) 穩(wěn)定性原則。指系統(tǒng)應(yīng)具有抵抗外部干擾，保證生產(chǎn)過程可以長期穩(wěn)定運行。

2) 安全儀表系統(tǒng)的主要作用是在工藝生產(chǎn)過程中發(fā)生危險故障時將其自動或手動帶回預(yù)先設(shè)計的安全狀態(tài)，以避免重大人身傷害及設(shè)備損壞事故的發(fā)生，包括緊急停車系統(tǒng)(ESD)、火災(zāi)報警和氣體檢測系統(tǒng)(FGS)等[8]。模塊化設(shè)計過程中，SIS應(yīng)獨立于上述基本過程控制系統(tǒng)，獨立完成安全保護功能。一方面，要保證SIS的檢測元件、控制單元和執(zhí)行機構(gòu)單獨設(shè)置；另一方面，應(yīng)單獨設(shè)置ESD信號接線箱，避免其與基本控制系統(tǒng)的信號接入同一控制柜內(nèi)。

圖2　控制系統(tǒng)框架

4儀控模塊化施工的技術(shù)要點

在模塊化建造中，儀控的安裝主要是完成儀表與管道、儀控設(shè)備與接線箱、接線箱與中心控制室間連接工作[9]。為了準(zhǔn)確地完成安裝工作，要結(jié)合工藝流程對儀控設(shè)備布置進行分析，確定儀控設(shè)備的安裝用途。安裝人員要嚴(yán)格按照施工圖紙與儀控安裝技術(shù)規(guī)范執(zhí)行，并做好儀控設(shè)備材料管理。儀控設(shè)備的安裝應(yīng)遵循以下步驟：

1) 安裝前，要檢驗所使用的儀表是否存在質(zhì)量問題，避免因儀表損壞引起的重復(fù)拆裝工作。

2) 安裝儀控室內(nèi)的儀表盤和現(xiàn)場的主要儀表橋架。

3) 待模塊內(nèi)工藝設(shè)備和管道搭建完工后，完成現(xiàn)場儀表和接線箱的安裝。

4) 安裝儀表電纜相應(yīng)保護管和敷設(shè)電纜[10]。為了避免運輸過程中管線和電纜的重復(fù)拆裝，在安裝保護管時要本著模塊化的思想，盡可能地減少保護管的跨模塊安裝。與此同時，為了保證安裝牢靠性，在空間布置允許的情況下，保護管的敷設(shè)應(yīng)靠近鋼結(jié)構(gòu)，以便于支架安裝。

所有設(shè)備安裝完成后，要進行相應(yīng)調(diào)試，其流程主要包括： 檢查儀表線路的連接情況，確保所有儀表接線連接無誤；在空載和帶載情況下分別通電試車，觀察不同工作狀態(tài)下儀表的變化；在工藝條件允許的情況下進行過載試車，觀察儀表的運行情況，并檢查相應(yīng)安全聯(lián)鎖機制能否正常啟動。

5結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，模塊化制造技術(shù)將是未來工業(yè)裝置制造的發(fā)展趨勢。大量的項目案例證明，模塊化制造相對于傳統(tǒng)制造方式可以有效地降低項目成本，提高生產(chǎn)效率，縮短制造周期。其中，儀控專業(yè)作為模塊化建造中的關(guān)鍵專業(yè)，其設(shè)計和施工人員應(yīng)具備整體模塊化思想，嚴(yán)格遵循模塊化制造過程中的基本流程、技術(shù)要求以及相關(guān)規(guī)范，確保在項目時間節(jié)點內(nèi)完成各項工作。

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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

作者簡介：黃向軍(1980—)，男，2007年畢業(yè)于浙江大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于上海森松制藥設(shè)備工程有限公司重工海工事業(yè)部，任工程師。

中圖分類號：TP205

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：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。