黃守勝，喻將平，鄧 霞，楊繼華，苑曉迪

（1.浙江中控技術(shù)股份有限公司，杭州310053；2.山東潔晶集團(tuán)股份有限公司，日照276800）

巖藻黃素也被稱為褐藻黃素、巖藻黃質(zhì)，是類胡蘿卜素中葉黃素類的一種天然色素，顏色呈淡黃至褐色，為褐藻、硅藻、金藻及黃綠藻所含有的色素，廣泛存在于各種藻類、海洋浮游植物、水生貝殼類等動(dòng)植物中，并具有減肥、抗炎、抗糖化、抗氧化的作用，因此廣泛應(yīng)用于藥物、護(hù)膚美容產(chǎn)品以及保健品。

山東潔晶集團(tuán)股份有限公司經(jīng)過(guò)調(diào)研并結(jié)合智能工廠建設(shè)需要，最終決定采用浙江中控技術(shù)股份有限公司的新型DCS控制系統(tǒng)（WebField JX-300XP）對(duì)新建巖藻黃素生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，為企業(yè)智能工廠建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1 新型DCS控制系統(tǒng)介紹

WebField JX-300XP 控制系統(tǒng)是浙江中控技術(shù)股份有限公司推出的新型DCS控制系統(tǒng)，應(yīng)用了最新信號(hào)處理技術(shù)、高速網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、可靠的軟件平臺(tái)和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，采用了高性能的微處理器和成熟的先進(jìn)控制算法，全面提高了控制系統(tǒng)的功能和性能，同時(shí)，它實(shí)現(xiàn)了多種總線兼容和異構(gòu)系統(tǒng)綜合集成，各種國(guó)內(nèi)外DCS、PLC及現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備都可以接入到JX-300XP 控制系統(tǒng)中，使其成為一個(gè)全數(shù)字化、結(jié)構(gòu)靈活、功能完善的開(kāi)放式集散控制系統(tǒng)，能適應(yīng)更廣泛更復(fù)雜的應(yīng)用要求。

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、控制運(yùn)算、控制輸出、設(shè)備和狀態(tài)監(jiān)視、報(bào)警監(jiān)視、遠(yuǎn)程通信、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和顯示、歷史數(shù)據(jù)管理、日志記錄、事故順序識(shí)別、事故追憶、圖形顯示、控制調(diào)節(jié)、報(bào)表打印、高級(jí)計(jì)算，以及所有這些信息的組態(tài)、調(diào)試、打印、在線下載、自診斷等功能[1]。

新型的DCS控制系統(tǒng)主要是為了智能工廠需要，突破了傳統(tǒng)DCS、PLC 等控制系統(tǒng)的概念和功能，重點(diǎn)體現(xiàn)在平臺(tái)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、數(shù)字化，也實(shí)現(xiàn)了企業(yè)內(nèi)過(guò)程控制、設(shè)備管理的合理統(tǒng)一，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

新型DCS在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，改善和新增功能如下：

（1）突出智能化應(yīng)用和維護(hù)，簡(jiǎn)化了工業(yè)自動(dòng)化的體系結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了過(guò)程控制的功能和效率，同時(shí)提高工業(yè)自動(dòng)化的整體性和穩(wěn)定性；

（2）將工業(yè)視頻直接嵌入了新型DCS 解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)無(wú)法融合的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作、智能視頻以及安全聯(lián)動(dòng)、智能巡檢等一體化監(jiān)控；

（3）新型DCS 與SIS、視頻、PLC、智能儀表通訊等進(jìn)行無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、控制獨(dú)立；

（4）新型DCS控制系統(tǒng)增強(qiáng)了開(kāi)發(fā)性、兼容性以及集成功能，將傳統(tǒng)的、單一的控制系統(tǒng)演變成了一個(gè)生產(chǎn)信息控制平臺(tái)，不僅集成了生產(chǎn)裝置的DCS 和SIS、PLC、智能儀表等的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而且DCS還集成了生產(chǎn)區(qū)域的視頻信號(hào)和智能設(shè)備信息，將有效的生產(chǎn)信息通過(guò)OPC 方式接入企業(yè)數(shù)據(jù)中心，為生產(chǎn)管理和企業(yè)經(jīng)營(yíng)提供真實(shí)、有效、及時(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 主要工藝流程

本項(xiàng)目采用沉降法工藝路線從馬尾藻中提取巖藻黃素，其主要工藝流程如圖2所示。

圖2 巖藻黃素生產(chǎn)工藝流程Fig.2 Process flow chart of fucoxanthin production

主要生產(chǎn)過(guò)程如下：

（1）將馬尾藻用水進(jìn)行浸泡，經(jīng)清洗機(jī)清洗，洗去無(wú)機(jī)鹽、泥土等雜質(zhì)，洗凈的馬尾藻取出進(jìn)入下一工序；

（2）采用切割機(jī)將馬尾藻切碎后通過(guò)離心機(jī)離心至合適含水量的海藻；

（3）離心后的凈藻放入提取罐浸提，經(jīng)一次過(guò)濾、低溫濃縮等得到過(guò)濾后的沉淀物，再經(jīng)冷凍干燥得成品巖藻黃素；

（4）過(guò)濾出巖藻黃素的濃縮液經(jīng)乙酸乙酯萃取2次后，得到酯相褐藻多酚和水相褐藻多酚，酯相褐藻多酚經(jīng)干燥得到酯相褐藻多酚產(chǎn)品，水相褐藻多酚經(jīng)過(guò)大孔樹(shù)脂純化，再放入冷凍干燥機(jī)中干燥，得到水相褐藻多酚[2]。

3 總體方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目巖藻黃素生產(chǎn)裝置以間歇生產(chǎn)方式為主，工藝流程長(zhǎng)，工序多，生產(chǎn)設(shè)備多，工藝控制點(diǎn)多，其總體方案設(shè)計(jì)按照企業(yè)智能工廠建設(shè)要求設(shè)計(jì)，其生產(chǎn)過(guò)程盡可能實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)自動(dòng)化。

根據(jù)工藝特點(diǎn)和自控要求以及智能工廠需要，本項(xiàng)目采用DCS+SIS+視頻集成DCS 一體化平臺(tái)對(duì)生產(chǎn)裝置進(jìn)行安全生產(chǎn)的自動(dòng)保護(hù)和監(jiān)控，生產(chǎn)裝置采用DCS 進(jìn)行生產(chǎn)自動(dòng)監(jiān)控和SIS 進(jìn)行安全聯(lián)鎖控制，采用視頻嵌入DCS 技術(shù)對(duì)生產(chǎn)區(qū)內(nèi)視頻進(jìn)行監(jiān)控[3]。

3.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

巖藻黃素裝置的新型DCS控制系統(tǒng)由3個(gè)操作站（OS）、1個(gè)DCS 兼SIS 工程師站（ES）、2個(gè)DCS控制站、1個(gè)SIS控制站、1個(gè)視頻工程師站、1個(gè)視頻服務(wù)器、1個(gè)OPC 服務(wù)器、6個(gè)外配柜和一套過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)組成。企業(yè)信息網(wǎng)與OPC 服務(wù)器之間通過(guò)OPC 通訊采集數(shù)據(jù)，本控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。在圖3中，1# 控制站主要對(duì)巖藻黃素生產(chǎn)裝置進(jìn)行生產(chǎn)自動(dòng)監(jiān)控，2# 控制站主要對(duì)罐區(qū)裝置進(jìn)行生產(chǎn)自動(dòng)監(jiān)控，SIS控制站主要對(duì)罐區(qū)裝置進(jìn)行安全聯(lián)鎖控制，電能表和離心機(jī)、冷媒系統(tǒng)分別與對(duì)應(yīng)的控制站進(jìn)行Modbus 通訊互聯(lián)。

圖3 巖藻黃素裝置新型DCS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Network structure diagram of new DCS in fucoxanthin device

為了滿足智能工廠建設(shè)需要，本項(xiàng)目采用了較多的智能化設(shè)備，自動(dòng)化檢測(cè)覆蓋率高，大幅度提高了基礎(chǔ)自動(dòng)化，檢測(cè)變送測(cè)量裝置212臺(tái)（溫度傳感器90個(gè)、壓力傳感器30個(gè)、液位傳感器20個(gè)、流量計(jì)10臺(tái)、在線質(zhì)量分析儀2臺(tái)、可燃?xì)怏w檢測(cè)設(shè)備10臺(tái)、電能傳感器50臺(tái)）；電動(dòng)切斷閥120臺(tái)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥81臺(tái)、變頻器15臺(tái)；受控電氣設(shè)備64臺(tái)。自控程度高，控制回路共有96個(gè)，以常規(guī)控制為主，對(duì)有特殊要求和行業(yè)自控難題采用特殊控制方案[3]，其DCS系統(tǒng)規(guī)模如表1所示。

3.2 沉降批量控制

本項(xiàng)目不僅沉降釜數(shù)量特別多，而且沉降時(shí)間特別長(zhǎng)，其生產(chǎn)是典型的化工間歇批量生產(chǎn)，因此控制系統(tǒng)需要按照批量控制的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)工藝要求，并結(jié)合JX-300XP 控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，本項(xiàng)目采用DCS 的邏輯功能和軟件平臺(tái)來(lái)編程完成批量控制，以順序控制為核心，結(jié)合配方程序、先進(jìn)控制程序（包括常規(guī)單回路、串級(jí)、比率、分程、反饋、選擇等）、安全管理程序、操作與管理程序等構(gòu)成批量控制系統(tǒng)[4]。

根據(jù)批量控制的特點(diǎn)和要求，在生產(chǎn)過(guò)程中，JX-300XP系統(tǒng)的順控程序需要判斷各個(gè)變量、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的反饋和控制信號(hào)、操作指令和狀態(tài)。同時(shí)將沉降生產(chǎn)過(guò)程設(shè)計(jì)為一個(gè)主程序，同時(shí)將4個(gè)主要的操作階段（配方、進(jìn)料、反應(yīng)、出料）各設(shè)計(jì)為對(duì)應(yīng)的一個(gè)子程序，而子程序是相對(duì)獨(dú)立的。每個(gè)子程序需要執(zhí)行任務(wù)的依據(jù)是主程序的要求、上個(gè)子程序是否完成或操作人員的操作指令。預(yù)置的配方數(shù)據(jù)和配方計(jì)算結(jié)果需要保密，并存在控制器的緩存區(qū)，控制站通過(guò)順序控制程序、先進(jìn)控制程序、圖形化程序?qū)崟r(shí)調(diào)用計(jì)算數(shù)據(jù)，完成批量控制中的邏輯判斷、回路賦值、PID 調(diào)節(jié)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備動(dòng)作、操作指示、操作與管理、報(bào)警處理等控制任務(wù)，如圖4所示。

沉降釜批量控制各程序的功能如下：

順序控制程序根據(jù)工藝流程需要完成加料、反應(yīng)、出料的邏輯順序控制。

圖4 沉降釜邏輯控制流程Fig.4 Logic control flow chart of settling kettle

配方程序品種選擇完成配方數(shù)據(jù)設(shè)置，同時(shí)配方數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、計(jì)算、傳輸。

安全管理程序完成配方數(shù)據(jù)、關(guān)鍵工藝操作參數(shù)的保密和行為限制。

先進(jìn)控制程序完成控制回路賦值、PID 調(diào)節(jié)、溫度控制趨勢(shì)判斷。

操作與管理程序完成人機(jī)操作界面、記錄操作歷史等。

3.3 視頻嵌入控制系統(tǒng)

為了提升化工生產(chǎn)環(huán)境中各種監(jiān)管效率，越來(lái)越多的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件不僅可以監(jiān)視生產(chǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)還需要提供對(duì)重要設(shè)備的可視監(jiān)控以及廠區(qū)環(huán)境的安全監(jiān)視等功能，做到監(jiān)控?zé)o盲區(qū)、全覆蓋，以及視頻監(jiān)控與DCS 監(jiān)控的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)可視化安全管理。

本項(xiàng)目罐區(qū)距離生產(chǎn)裝置較遠(yuǎn)，人工巡檢效率較低，有時(shí)環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大；還有罐體內(nèi)液體會(huì)隨著環(huán)境溫度的升高而需要采取自動(dòng)降溫措施；采用傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控與控制系統(tǒng)是完全分離的，分屬不同的操作管理人員，如有安全事故時(shí)決策和執(zhí)行的及時(shí)性較差，因此需要采用視頻嵌入DCS 無(wú)縫融合技術(shù)，與DCS、SIS 三重措施監(jiān)控罐區(qū)的安全聯(lián)鎖、自動(dòng)監(jiān)控等功能，讓罐區(qū)監(jiān)控?zé)o盲區(qū)、全覆蓋，自動(dòng)巡檢、及時(shí)示警和聯(lián)動(dòng)控制，減少安全事故發(fā)生。

3.3.1 機(jī)泵遠(yuǎn)程控制

精細(xì)化工生產(chǎn)過(guò)程中，各種機(jī)泵啟動(dòng)之前，操作人員必須對(duì)機(jī)泵現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行確認(rèn)，因此操作人員首先彈出機(jī)泵現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控畫(huà)面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，現(xiàn)場(chǎng)安全后可遠(yuǎn)程啟動(dòng)機(jī)泵。

3.3.2 視頻巡檢

本項(xiàng)目采用視頻定時(shí)自動(dòng)巡檢遠(yuǎn)程罐區(qū)的可燃?xì)怏w泄漏監(jiān)測(cè)和機(jī)泵設(shè)備運(yùn)行狀況，并報(bào)警和提示；視頻嵌入軟件支持巡檢路徑組態(tài)；巡檢路徑支持流程圖、彈出式趨勢(shì)、視頻、位號(hào)面板聯(lián)動(dòng)巡檢；支持巡檢過(guò)程手動(dòng)或者自動(dòng)標(biāo)記巡檢有無(wú)異常。

3.3.3 示警與視頻畫(huà)面聯(lián)動(dòng)控制

儲(chǔ)罐溫度和液位、可燃?xì)怏w、現(xiàn)場(chǎng)視頻信號(hào)均接入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)罐區(qū)智能控制策略自動(dòng)進(jìn)行智能監(jiān)控，如果監(jiān)測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)有異常事件觸發(fā)源信號(hào)（各個(gè)位號(hào)和視頻報(bào)警、流程圖對(duì)象動(dòng)作動(dòng)態(tài)、定時(shí)觸發(fā)如關(guān)鍵工序錄像等）則根據(jù)智能控制策略要求控制系統(tǒng)優(yōu)先DCS 自動(dòng)彈出觸發(fā)源的視頻畫(huà)面，并支持彈出攝像頭時(shí)將攝像頭轉(zhuǎn)向預(yù)置方位。

罐體內(nèi)液體因環(huán)境溫度升高時(shí)需要報(bào)警提示，如果繼續(xù)升高需要及時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和降溫系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面上及時(shí)彈出對(duì)應(yīng)的視頻畫(huà)面，并提醒操作人員和指揮人員。

可燃?xì)怏w報(bào)警時(shí)，需要及時(shí)報(bào)警并啟動(dòng)智能控制策略，在控制系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面上及時(shí)彈出對(duì)應(yīng)的視頻畫(huà)面，找到現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警點(diǎn)，啟動(dòng)事故應(yīng)急預(yù)案聯(lián)動(dòng)機(jī)制，如啟動(dòng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、公共廣播、音頻示警等進(jìn)行及時(shí)有效的統(tǒng)一聯(lián)動(dòng)，以便及時(shí)、有效處理安全事故，如圖5所示。

圖5 罐區(qū)示警與視頻聯(lián)動(dòng)控制策略圖Fig.5 Diagram of warning video linkage control in tank farm

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目自投運(yùn)以來(lái)，新型DCS 各項(xiàng)功能和指標(biāo)完全滿足工藝的要求，為智能工廠建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①新型DCS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全、可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，具有詳盡的事故判斷及快速反映能力，同時(shí)集成了多種智能化元素，形成了一體化平臺(tái)，本項(xiàng)目?jī)H用了一個(gè)數(shù)據(jù)上傳接口；②本項(xiàng)目工藝數(shù)據(jù)采集率達(dá)到了96%，實(shí)現(xiàn)了全流程自動(dòng)化生產(chǎn)，比原定崗操作人員降低60%，同時(shí)大幅度提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)過(guò)程的可控性及產(chǎn)品質(zhì)量，降低了人員勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了生產(chǎn)環(huán)境；③本項(xiàng)目采用視頻嵌入DCS 技術(shù)替代人工完成了遠(yuǎn)程罐區(qū)的自動(dòng)監(jiān)控、智能巡檢、安全聯(lián)動(dòng)等功能，將原有專人監(jiān)視崗位功能撤銷，為系統(tǒng)無(wú)（少）人值守和智能化提供一種新的、有效的監(jiān)測(cè)方法。