化工安全生产中DCS自动化控制的应用分析

摘要：化工企业生产中高度重视安全问题，严格按照操作流程进行，确保生产环节的安全性。通过引入DCS自动化控制技术，转变传统操作模式的不足之处。有鉴于此，文中分析化工安全生产中DCS自动化控制的优势，探讨了DCS自动化控制的具体应用，切实发挥其确保化工安全生产的作用。

关键词：化工生产；DCS自动化控制；安全

在信息化与工业化深度融合的产业背景下，化工生产领域正经历着第四次技术革新浪潮。作为该进程中的重要技术载体，分布式控制系统（DCS）凭借其独特的架构优势，近年来在化工安全生产实践中展现出显著的应用价值。DCS技术体系本质上构建了分层递进的控制网络，依托底层数据采集终端、中间层逻辑运算单元与顶层人机交互界面的协同运作，形成了覆盖全生产链的实时监测网络。

1  化工安全生产中DCS自动化控制的优势

DCS是一种分布式控制系统，系统的设计体现的是分散控制、集中操作及分组管理的基本思想。DCS控制系统配置灵活、组态方便，其优势为：

1.1精确性

DCS系统的多通道传感器阵列可同步捕获温度、压力等核心参数，其分布式架构设计使数据采集延迟控制在0.5秒内。相较于传统人工巡检存在的15～30分钟检测周期，DCS平台通过智能变送器组网实现了关键节点数据的实时回传。以连续反应装置为例，当检测到温升速率超过3℃/s的异常工况时，系统在触发三级声光报警的同时，可自动执行冷却剂注入、切断原料供应等联锁动作。

1.2集成性

在现代化工生产体系中，大型装置通常由反应、输送、储存等多个功能单元构成子系统集群[1]。根据2022年《流程工业自动化发展报告》数据，这类多单元协同系统普遍存在15%～22%的协同效率损失，主要源于各子系统间的信息壁垒。DCS控制系统的架构创新体现在三个层面：在物理层，通过标准化通信协议实现传感器网络与执行机构的有机衔接；在数据层，构建中央数据库实现全流程参数可视化；在应用层，开发协同决策算法优化资源配置。

1.3智能诊断

现代DCS平台的智能化演进突出表现为诊断能力的范式转变。在工艺安全领域，DCS平台引入的迁移学习算法，可将相似装置的异常样本库进行知识迁移，特别适用于识别非稳态工况下的参数耦合风险。这种诊断逻辑的革新，实质上重构了化工安全管理的预防性机制。

2  化工安全生产中DCS自动化控制的应用

2.1实时监控设备运行状态

在现代化工装置安全控制体系中，DCS系统通过分布式传感器网络构建起立体化监测架构。温度变送器、压力传感器等智能仪表组成的检测单元，持续采集反应器压力、介质流量等关键参数，经冗余通信模块上传至控制站。操作人员依托人机界面（HMI）的组态画面，可实时观察重要设备的运行趋势曲线。以聚合反应釜的温控为例，当检测到内温偏离设定值±2%时，系统不仅触发声光报警，还会自动开启急冷阀并联锁停止进料泵，这种故障安全模式有效避免了超温引发的分解风险。DCS的远程操控功能实现了本质安全提升——通过控制站的安全逻辑处理器，可直接切断高危区域的电机电源或调节阀门开度，这种非接触式操作降低了人工介入频次[2]。

2.2参数优化与动态调节

化工生产过程对反应条件的稳定性要求具有显著的特殊性。以催化反应体系为例，其温度波动阈值通常不超过±2.5℃，压力容差范围多控制在±0.05MPa区间，超出该临界值将导致副反应产物生成量呈指数级增长。DCS系统的核心优势体现在其具备过程参数的协同优化能力，通过分布式PLC模块组态，采用改进型PID控制算法对多变量耦合系统实施动态补偿。

传统操作模式下，操作员需依赖现场压力表（精度±1.5%）和间歇采样的液相色谱数据（2小时/次）进行经验性调节，导致塔顶轻组分收率波动幅度达±8.7%。升级为中控ECS-700系统后，配置了12组PT100温度传感器（A级精度）和在线气相色谱仪（3分钟/周期），结合Aspen Plus建立的严格机理模型，实现了再沸器热负荷的模糊逻辑控制。

2.3故障诊断与早期预警机制

在化工生产系统的可靠性维护中，故障诊断环节始终面临着人工巡检效率瓶颈。中国化工安全协会2023年行业报告显示，传统巡检方式对渐进性隐患的漏检率高达37.6%，这主要源于操作人员对参数漂移现象的感知滞后。基于DCS的智能诊断系统通过历史数据建模，可实现管道压力异常波动的趋势预测。例如，在压力值尚未触发报警阈值的情况下，系统能根据累积速率预判管道结构失效风险，较人工诊断提前发出预警信号。

该系统的容错机制设计允许在检测到电气元件老化特征时，自动激活冗余控制回路，并通过负荷动态分配维持基础产能。在现代化安全工程实践中，分布式控制系统的紧急停车模块已形成分级响应机制。该系统的安全层级包含实时监测、风险评估与执行控制三个核心单元。当工艺参数偏离设定阈值时，系统通过三重冗余控制模块实施渐进式干预：初级预警启动自校正程序，中级偏差触发联锁保护，最终级异常则激活全装置停车指令[3]。

2.4安全联锁保护功能

在过程工业领域，DCS系统的安全联锁机制遵循IEC 61511标准的功能安全要求。当储罐液位超出预设阈值（通常设定为容器的90%高报值）或压缩空气压力降至0.45MPa以下时，系统将依据预先编制的安全仪表执行分级控制策略。有效解决了传统人工干预存在的响应延迟问题。

以氨制冷系统和天然气处理装置为例，其联锁逻辑采用故障树分析（FTA）方法构建。当有毒气体探测器检测到氨气浓度超过25ppm，或甲烷体积分数达到爆炸下限（LEL）的15%时，系统立即启动包括切断阀紧急关闭（响应时间≤300ms）、事故排风系统全负荷运行在内的多层次防护措施。联锁程序的执行时序严格遵循ISA-84.01规定的1oo2（二取一）表决机制。在2019年吉林某石化企业的实际应用中，该机制成功将压缩机喘振故障的连锁反应控制在单元设备级别，避免了全厂停车事故。

此外，在化工生产过程中，反应塔液位参数的精确控制直接影响物料平衡与反应动力学特性。基于串级控制理论，操作人员可通过DCS系统实施液位－流量协同控制策略，其中主控制器的输出量会实时跟踪预设参数值，副回路则通过动态前馈补偿机制消除进料扰动。

2.5 应用时的注意事项

在合成氨、氯碱等典型化工生产场景中，DCS自动化控制系统的部署需重点考量环境适应性问题。根据ISA-71.04标准，控制室环境等级应维持在G1级别，这要求实施以下防护措施：

首先，温湿度控制需遵循PID调节原理。当环境温度超出20±2℃、相对湿度高于60%时（参照GB/T 29814-2013），系统误码率将呈指数级增长；其次，粉尘防护需执行IP5X防护等级标准。在煤化工等粉尘浓度＞5mg/m³的工况下（依据AQ 3036），建议采用正压通风柜体设计，同时配置粒子计数器实现动态监测。

关于电磁兼容性（EMC），需满足IEC 61000-4系列标准要求。具体实施中，建议将控制电缆与动力电缆间距保持≥300mm（参照SH/T 3019），对4—20mA信号线实施双层屏蔽接地；物理防护方面，建议执行API RP 551振动控制标准。对压缩机等振动源设备，应在基座安装固有频率＜8Hz的减振装置，同时确保机柜安装面的振动烈度＜1.12mm/s（RMS值）。

结语

综上所述，分布式控制系统（DCS）作为一种先进自动化技术，在保障化工生产安全方面发挥着不可替代的重要作用。从基础设施管理到动态调节，再到故障诊断、安全联锁及数据驱动决策，每一项功能都直接服务于提高整体运营效率和降低潜在风险。随着技术不断革新，相信未来更多智能模块将融入其中，为构建更加完善、更具前瞻性的工业生态体系提供支持。

参考文献

[1]陈辉.探析自动化控制在化工安全生产中的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2025，45（03）：34-36.

[2]周渝，徐卫琼.自动化控制技术在化工安全生产与风险防范中的优化应用[J].当代化工研究，2024，（20）：134-136.

[3]聂辛丽，刘霞，叶雯，等.自动化控制在石油化工安全生产中的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2024，44（18）：25-27.