探析自动化控制在化工安全生产中的应用

摘要：随着化工行业规模不断扩大，安全生产问题日益突出，自动化控制技术成为保障化工安全生产的关键手段。本文深入探讨自动化控制在化工安全生产中的应用，分析其应用意义、现状、优势，揭示在技术、管理、成本及数据安全等方面面临的问题，并针对性提出优化策略。自动化控制可显著提升化工生产安全性、效率与质量，降低人力成本，实现智能化管理，但也存在系统漏洞、维护不足、资金短缺和数据安全隐患等问题。

关键词：自动化控制；化工安全生产；应用优势；现存问题；优化策略

引言

化工行业作为国民经济的重要支柱，在能源供应、材料制造等领域发挥着不可替代的作用。然而，化工生产过程涉及众多高危环节，如高温高压反应、有毒有害物料处理等，安全风险极高。近年来，江苏响水爆炸、河南义马气化厂爆炸等重大安全事故频发，不仅造成巨大的人员伤亡和财产损失，还引发严重的环境污染与社会恐慌，凸显出加强化工安全生产管理的紧迫性。

一、自动化控制在化工安全生产中的应用意义

化工行业作为国民经济的支柱产业，其生产过程涉及大量易燃易爆、有毒有害的危险化学品，且生产工艺复杂，涵盖高温、高压、强腐蚀等高危环节。传统人工操作模式下，化工生产安全风险极高，人为失误、操作不规范等因素极易引发安全事故。自动化控制技术的引入，通过实时监测、精准调控和智能决策，从根本上改变了化工安全生产的管理模式，对行业发展具有重要意义。对化工生产过程的设备、系统实施自动控制，可以对影响产品质量的关键过程参数进行自动、连续地监视和调控，如化工反应釜的温度、压力、液位以及物料管线的流量、流速等，一旦参数偏离预设值，可及时发出报警信号，并自动地采取相应的调节手段，防止事故发生。通过实施自动化控制系统之后，可以应用PID调节算法实现对冷却介质流量的精确控制，将温度控制在±1℃范围内，实现对硝化反应的温度波动的有效控制，最大程度降低反应失控的几率。通过实施自动化的安全控制，在提高产品生产效率与质量方面也有明显的效果。在传统的化工间歇式生产方式中，需要由人工进行加料和控制反应过程，反应过程停留时间长，产品质量难以稳定。而通过实施化工自动化控制系统，使化工生产过程达到连续化、自动化生产的水平，根据预先编写的程序自动化地完成化工生产的全部流程，节约生产过程中不必要的中间环节所占用的时间，达到提高生产效率30%～50%的效果。通过自动化控制，可以利用大数据的分析技术更加优化工艺参数和原料、辅料的投入等过程的自动分析，使化工生产过程达到最大限度的节约资源、降低能耗、减少人工成本和企业生产制造成本的目的，进而提升企业的市场竞争力。

二、自动化控制在化工安全生产中的应用现状

2.1 自动化控制技术在化工生产中的应用场景

化工生产的反应过程控制是自动化控制技术最重要的应用阶段，如合成氨生产包含造气、脱硫、变换、脱碳、甲烷化、氨合成，这些工序中涉及温度、压力、气相组分的控制，而自动化控制系统利用分布式控制系统（DCS）对整个流程进行集中管理、分散控制，操作人员在中控室即可对整个流程进行监视，再通过操作站修改控制参数，以此调节整个流程的控制状态。而在氨合成塔温度控制中，可通过整个合成塔进出口温度和压力数据自动调节循环气量和水冷器水量的大小，保证其反应温度始终处于适宜区间，最大限度提升氨生成效率。对于物料的输送及储存，往往容易在流程中形成安全隐患，而通过自动化控制技术加以管理，可以将问题风险率降到最低。对于液体物料的输送，往往可以安装质量流量计和电磁流量计监测管道中输送的物料流量，并以此数据与管道中泵的变频器进行链接，达到调节液体流量的目的，当管道压力大于设定参数时则自动将阀门关闭，避免发生液体的泄漏。对于储罐的管理可以应用自动化液位控制系统，其中可应用雷达液位计或磁翻板液位计测定储罐液位高度，当液位达到高限时则自动接通进料程序，当达到低限时则自动接通出料程序。

2.2 典型化工企业自动化控制应用案例分析

巴斯夫（BASF）是全球化工行业的巨头，公司在自动化控制应用方面拥有丰富的经验。巴斯夫位于路德维希港的生产基地建立了一个统一的中央控制室，DCS系统对数百生产装置进行了集中监控，操作人员通过大屏幕可以实时观察所有装置的运行参数和工艺流程，将人工智能算法引入生产过程中对生产数据进行大数据分析，预测设备故障、工艺异常提前执行维护和调节动作，比如，通过分析压缩机的振动数据，可以提前3-5天预测出轴承磨损情况，避免由此引发现场停工检修。国内万华化学集团也拥有着丰富的自动化控制应用经验，万华化学在烟台工业园建设智能化工厂，采用了自主开发的过程控制系统和安全仪表系统。其中，WHC—PCS系统完成了对生产过程的全部生产装置进行自动化控制，包括原料输入、反应控制、产品分离等，通过对控制算法的优化，使产品质量稳定性大幅提升。而WHC—SIS系统在可靠性以及响应时间上达到很高水平，在0.5秒内即可动作，完成安全联锁，保障安全。万华化学还运用数字孪生技术，对生产装置开展虚拟建模，用虚拟建模来模拟运行优化工艺参数，降低生产能耗和成本。

三、自动化控制在化工安全生产中的优势

3.1 提高生产过程安全性

自动化控制减少了由于人的不规范操作而带来的化工事故，人工操作受操作者的自身情绪、疲劳度、水平的影响较大，存在着规范操作水平不高、不按照标准操作等问题，而自动化控制的系统是严格按照系统给定的程序而开展操作，不受到人为因素的影响，能够控制好生产操作参数，对生产过程中操作的不当而带来的安全事故的发生起到了较好的预防作用。而且自动化系统实时监测作用使得潜在存在的安全风险问题可以第一时间得到发现，比如设备问题、管道漏气等，能够立即采取措施进行处理。在化工装置上人工巡检必然存在着漏检、错判等，而自动化在线监测系统可以连续监测设备的振动、温度、声音等参数，通过大数据分析，可以及时找到设备的问题，事故消灭在萌芽状态。

3.2 提升生产效率与质量

化工自动化控制实现了化工生产过程的连续化、自动化，提高了化工生产的效率。在传统生产过程中，化工的生产中生产物料的添加、反应的控制、产品的分离等操作需要操作人员不断进行人工介入，生产的周期长，生产效率低。化工的自动化控制系统根据生产工艺要求实现了生产中各步的控制，节省了中间过程操作的时间损耗，也大大提高了生产的连续性。化工自动化系统实现了生产过程各步骤精确控制，保证了产品的稳定性与一致性。在各个生产控制参数中，能够实现严格的精确性控制，使化工产品中各项指标符合质量要求，减少不合格产品的产生。在精细化工产品生产中，能够控制产品的纯度在误差±0.1%范围内，能够满足高端客户对质量控制方面严格要求，提高企业竞争力。

3.3 降低人力成本与劳动强度

自动化控制的应用使得化工生产的程序化更加彻底，节省了企业的人工成本。传统化工生产的生产工艺往往需要很多人进入车间进行化工产品的生产操作以及监控，自动化生产水平较高后，可以基本替代工人完成一些岗位的操作，并且生产现场一些危险工种也可以交由自动化装置，只需企业安排少量的技术工、管理人员就可实现自动化生产线的系统监控与维护工作。化工生产过程中，尤其是涉及一些易燃易爆、高温、高压、剧毒等危险物品，人工操作存在着一定的危险性，劳动强度也比较高，自动化控制系统将工人从危险、繁重的工作环境中解放了出来，在相对安全、较为舒适的环境中工作。在危险化学品的装卸过程中，自动化的装卸系统投入使用后，无需直接接触危险化学品物品，在控制室进行装卸物品操作，减少了操作工人对身体产生的健康风险。

3.4 实现智能化安全管理

自动化技术、物联网技术、大数据技术、人工智能技术的结合为化工安全智能化的发展提供了支持，自动化控制系统在重要生产装置、生产设备、管道等关键位置设置传感器，实时监测温度、压力、液位、振动等数据，通过物联网技术将数据上传到云端，通过大数据挖掘分析技术将海量生产数据进行分析挖掘出生产过程中的潜在规律与异常，可实现风险的预判。人工智能算法可根据生产数据分析计算得出的参数自动控制输出控制策略，实现生产过程的自适应控制，提高生产效率，保证生产安全。智能化安全管理系统的使用将使得化工企业的安全管理更加科学、高效。

四、自动化控制在化工安全生产中面临的问题

4.1 技术层面问题

由于自动化控制技术在化工安全生产上的应用可能存在着系统的漏洞、设备的故障等风险，很多的自动化控制系统采取的是通用的操作系统与通信协议，很容易被黑客入侵及病毒入侵。2017年发生的全球性WannaCry勒索软件攻击就使得数家化工企业自身的自动化控制系统出现瘫痪的现象，甚至生产活动被迫暂停。而自动化设备长时间运行下会存在着磨损老化等因素，如传感精度下降、执行机构动作失灵等均会影响系统的正常运转。

4.2 管理层面问题

化工企业自动化控制系统的管理制度存在问题，有些企业对自动化控制系统维护重视不够，没有建立自动化控制系统的维护管理制度和计划，导致出现自动化控制系统设备维护不及时，自动化控制系统经常出现故障。自动化控制的操作员对企业自动化控制系统操作原理、控制流程、发生故障以后的维修方法等操作不熟练，发现不了和解决不了自动化控制系统的运行过程中的故障。企业自动化控制系统应用的安全管理措施与实际情况不相符合，企业使用的传统安全管理模式不符合自动化生产要求，自动化控制系统操作员的安全检查、风险评估等方面都还是采用人工操作的方式，费时费力，并且效果不理想。

4.3 成本与资金问题

自动控制系统的建设和维护成本高，也是限制自动控制系统推广应用的瓶颈之一。自动控制系统的硬件设备，比如传感器、控制器、执行机构等价格昂贵，并且随着技术的不断更新改造需要定期更新设备，使得企业的投资成本增加。自动控制系统的软件研发、软件维护都需要大量资金的投入。包括系统开发费用、数据存储费用、软件授权等费用。对于大部分的中小型化工企业来说，高昂的成本又使其难以承受，严重影响到自动控制系统技术的推广应用。政府对化工企业自动化改造的资金投入不大，对于企业应用自动化控制系统没有必要的政策激励，也制约了企业应用自动化控制系统技术的积极性。

4.4 数据安全与隐私问题

化工生产过程自动化控制系统过程中产生了庞大的生产数据，面临信息泄露、篡改等数据安全威胁。化工行业的生产数据包含了生产过程中的工艺变量、设备运行状态、产品质量等核心生产数据，数据的泄露将导致同行业竞争者对有关数据信息的掌握，给化工企业造成一定的经济损失。由于黑客的恶意攻击、企业内部人员恶意篡改数据的行为等可能导致数据遭到恶意篡改，影响生产过程和产品质量。由于自动化控制系统与互联网的融合，化工生产过程中的生产数据在通过互联网传输数据时面临网络监听、中间人等网络攻击方式导致数据的泄露、传输错误等数据安全威胁。化工企业目前的生产数据安全防护缺乏有效的保护手段，存在技术落后、生产数据安全和隐私保护管理制度不健全等问题。

五、优化自动化控制在化工安全生产中应用的策略

5.1 加强技术创新与升级

鼓励化工企业与科研院所、高校联合开展产学研合作，加大对自动化控制技术的研发投入力度，攻克核心关键技术问题，着力研发拥有自主知识产权的自动化控制软件、硬件设备等，实现对自动化控制系统的稳定性、可靠性等方面的提升。研发应用抗干扰能力好的传感器、可靠性的控制器及安全的通讯协议，提升自动化控制系统安全性和抗攻击性能等。推动自动化控制技术与人工智能、区块链等新技术深度融合，实现系统的智能化水平提升等。利用人工智能算法，实现自动化控制系统的自适应控制以及故障预测功能；利用区块链技术保障数据真实性、完整性，提高数据安全防范能力。

5.2 完善管理体系与制度

化工企业建立自动化控制系统管理制度，形成一套完善的管理办法。编制自动化设备维护管理制度，明确自动化设备维护周期、内容与标准，定时对自动化设备进行检查、保养、维修等，以保证设备能稳定运转。加强自动化控制操作人员培训，制定科学、系统的培训计划，有系统的理论培训与实践培训，提高自动化控制操作人员的操作水平，增强人员的安全意识。完善安全管理制度，将自动化控制系统作为企业安全管理的重要板块，建立安全风险管理、隐患排查整治，定时对自动化控制系统进行安全检查，并评估出安全隐患，进行及时处理。健全应急管理体系，建立自动化控制系统故障应急措施，定时演练，提高企业应对突发紧急事件的能力。

5.3 加大资金投入与政策支持

政府可以通过出台政策，加强对化工企业自动化改造的支持力度，在相应的机构中设立补贴专项资金，并对采用先进的自动化控制技术的企业给予财政补贴，以此来减轻企业的投资成本，让更多的企业能够应用先进的自动化控制技术；政府可给予税收减免、贷款贴息等优惠政策，以此支持各类金融机构给予化工企业自动化改造融资保障；政府还可以加强对化工行业应用自动化控制技术的引导和规范工作，出台一些自动化控制技术规范与标准，共同推动行业的技术发展。同时，化工企业自身也要加大应用先进自动化控制技术的资金投入力度，要将自动化改造应用与化工企业发展计划相结合，做好资金的安排工作，确保自动化控制系统能够正常建设并投入使用，还要做好自动化控制系统的维护工作。

5.4 强化数据安全保护

化工企业需要结合各种技术手段来提高自动化控制过程中数据的安全防护。在存储数据方面，可以利用加密技术对敏感数据进行加密存储，避免数据泄露。建立数据备份与恢复机制，对于数据应进行定期备份，保障数据完整性和可用性。在数据传输方面，利用安全的数据传输协议，利用SSL/TLS等协议对数据进行加密传输，避免发生数据窃取以及数据篡改现象。加强网络的安全防护，通过防火墙、入侵探测系统等安全设备有效避免黑客攻击以及病毒感染。此外，还可以建立企业的数据安全管理制度，对数据访问权限予以明确，加强对内部员工的管控，有效避免内部员工出现违规操作问题而导致数据泄露。

结语

自动化控制技术在化工安全生产中的应用，显著提升了生产安全性、效率与质量，推动行业向智能化、绿色化转型。然而，技术漏洞、管理不足、成本高昂及数据安全隐患等问题，仍制约其深度应用。未来，需通过产学研协同创新攻克技术难题，完善管理制度，加大政策扶持力度，并强化数据安全防护。随着技术的持续迭代与产业生态的完善，自动化控制必将为化工安全生产注入更强动力，助力行业实现高质量、可持续发展。

参考文献

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