基于LabVIEW的DAP單元安全生產(chǎn)仿真系統(tǒng)

摘要：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)。

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，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。

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)

2NH3H2O+H3PO4=(NH4)2HPO4/2H2O

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。

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)。

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

系統(tǒng)采用LabVIEW SQL Toolkit實(shí)現(xiàn)對(duì)Aeeess數(shù)據(jù)庫的訪問。通過在ODBC數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建Data Source Name(DSN)，建立LabVIEW SQL Tool kit與數(shù)據(jù)庫的連接，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G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。

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。

3)生產(chǎn)模擬。假設(shè)DAP生產(chǎn)嚴(yán)格按照國家安全監(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2/3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。

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。

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。