化工自動化儀表及控制系統(tǒng)智能化研究

王 博

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西西安 710075）

化工儀表是對化工生產(chǎn)中產(chǎn)品及生產(chǎn)設(shè)備情況進行檢測信息顯示的裝置，化工生產(chǎn)自動化體系中應(yīng)用自動化儀表進行信息收集能夠為自動化控制邏輯單元提供全面的信息，而后對相應(yīng)生產(chǎn)階段設(shè)備發(fā)出指令反饋，能夠有效提升化工生產(chǎn)的針對性與科學(xué)性。自動化儀表在未來會積極融合當前先進的人工智能技術(shù)，提升儀表運行的智能化水平，為化工企業(yè)生產(chǎn)向著智能化控制方向發(fā)展提供基礎(chǔ)條件。

1 化工儀表及其自動化系統(tǒng)的發(fā)展歷程

在過去的化工生產(chǎn)中，傳統(tǒng)化工生產(chǎn)儀表的數(shù)量相對較少，且運行結(jié)構(gòu)也相對簡單，操作也比較簡便，它們的運行操作也通常由生產(chǎn)技術(shù)人員來執(zhí)行。從20世紀中葉開始，科技迅猛發(fā)展，自動化控制技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍，在電學(xué)與自動化技術(shù)有效融合的技術(shù)背景下，自動化控制儀表應(yīng)運而生，在我國當前的化工生產(chǎn)中測量控制儀表以及相應(yīng)的自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用。

化工生產(chǎn)的環(huán)境特殊，很多設(shè)備中的化學(xué)反應(yīng)過程都要在高溫高壓等苛刻條件下進行，如果環(huán)境控制不好不僅會影響化工產(chǎn)品的質(zhì)量，還可能發(fā)生生產(chǎn)安全事故，因此針對這些設(shè)備安裝自動化運行、精確的自動化儀表是非常有必要的。將自動化技術(shù)與化工儀表結(jié)合起來能夠有效提升儀表運行的可靠性，并能夠?qū)υO(shè)備運行情況、設(shè)備內(nèi)部環(huán)境參數(shù)信息進行有效捕捉，為自動化控制系統(tǒng)的運行提供有效參數(shù)依據(jù)。將儀表采集的化工生產(chǎn)信息傳輸給邏輯處理器可以為控制動作裝置下達科學(xué)指令，對生產(chǎn)設(shè)備控制閥門進行開閉，以保證化工生產(chǎn)環(huán)境符合要求。

在進入21世紀之后，化工生產(chǎn)的綜合性以及產(chǎn)品高質(zhì)量性要求越來越高，為了保證化工生產(chǎn)的效果，對生產(chǎn)裝置進行有效優(yōu)化，化工生產(chǎn)設(shè)備的控制點越來越高，工藝控制精度要求也在不斷升高。自動化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了模塊化與集成化發(fā)展，而自動化儀表在其中扮演著重要角色。

2 化工儀表的主要種類

2.1 溫度測量儀表

化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)是一項利用化學(xué)反應(yīng)過程進行物質(zhì)生產(chǎn)的生產(chǎn)項目，化學(xué)反應(yīng)通常要在一定的環(huán)境中進行，通?；どa(chǎn)的溫度非常特殊，部分化工反應(yīng)要在-200～1800℃進行，為了保證化工生產(chǎn)的有序進行，就要對化工生產(chǎn)設(shè)備中的溫度進行控制，具體測量裝置就是溫度測量儀表。熱點偶和熱電阻儀表是一種常用的溫度測量儀表，當前先進的自動化儀表是在采用總線技術(shù)、搭載了電子信息技術(shù)的技術(shù)環(huán)境下運行的，它可以有效獲得溫度信息，溫度采集系統(tǒng)能夠?qū)⑺杉臏囟刃畔鬏斀o自動化系統(tǒng)中，為設(shè)備內(nèi)部保持符合生產(chǎn)需求提供保障。

2.2 壓力測量儀表

這種儀表就是對設(shè)備內(nèi)部運行壓力的狀態(tài)信息進行采集，在化工生產(chǎn)中，設(shè)備內(nèi)部壓力是一種非常重要的變量，壓力的變化會直接影響化工生產(chǎn)的產(chǎn)品純度。在具體化工生產(chǎn)中通常要針對壓力設(shè)備使用專用壓力儀表，壓力儀表通常融合了壓力傳感器與特種壓力表等裝置，為了保證化工生產(chǎn)中壓力儀表的運行安全，這種儀表通常具有抗腐蝕及抗高壓的性能。

2.3 物力測量儀表

化工生產(chǎn)中原料的使用情況影響著生產(chǎn)質(zhì)量，為了對原材料使用情況進行有力控制，需要對各種物力信息進行監(jiān)測，而物力測量儀表通常包括波雷達儀表、浮力式儀表等，這些自動化儀表當中，相對來講測量精度較高的波雷達儀表，它能夠幫助化工生產(chǎn)人員更好地對物料用量進行有力控制，進而保證化工生產(chǎn)的有序推進。

2.4 流量測量儀表

這種儀表的測量對象是化工生產(chǎn)過程中管道及設(shè)備中的流量，流量對于各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的化工生產(chǎn)中各種物料的配比情況有較大影響，因此測量流量是非常重要的化工生產(chǎn)控制依據(jù)，流量速度測量及流量容積測量是流量測量的重要工作，主要的測量儀器有浮子流量計以及電磁測量計。

3 化工自動化儀表的主要控制功能分析

3.1 自動化系統(tǒng)可編輯功能

當前的化工儀表在實現(xiàn)自動化功能方面通常是結(jié)合了電子控制軟件以及儀表電子電路設(shè)計技術(shù)，新型自動化控制儀表的控制模塊一般采用可編程的控制模塊，它為自動化儀表操作與控制提供了靈活編程能力，為邏輯單元的控制靈活性優(yōu)化提供了保證。

3.2 儀表記憶功能

記憶功能是一種結(jié)合了信息自動保存技術(shù)的自動化控制系統(tǒng)功能，傳統(tǒng)化工生產(chǎn)中的儀表通常利用邏輯電路與時序電路共同實現(xiàn)儀表的信息記錄，但是這種模式存在較為明顯的缺陷，因為這種模式在進行信息記錄的過程中，出現(xiàn)下段信息記錄后會直接覆蓋上段信息記錄，因此無法對信息進行追溯、總結(jié)。而在化工儀表結(jié)合了自動化與信息化技術(shù)后，儀表內(nèi)部搭載了小型信息模塊，它可以對儀表產(chǎn)生的隨機記憶信息進行有效存儲，不僅避免了信息丟失，還能夠防止信息被篡改。并且當前的化工儀表還增加了邏輯運算模塊，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)儀表信息的極值運算等功能。

3.3 化工儀表具有數(shù)據(jù)處理能力

在當前的化工生產(chǎn)中，信息數(shù)據(jù)會以非常快的速度生成，而這些信息的運算與分析，是化工儀表科學(xué)調(diào)整的依據(jù)，當前的自動化化工儀表就具有較高的信息運算功能，化工儀表能夠?qū)λ@取的信息進行線性化處理，例如對化工裝置信息進行校正等，采用數(shù)據(jù)處理技術(shù)的化工儀表不僅能夠?qū)どa(chǎn)信息進行記錄，還能夠提升儀表設(shè)備的信息采集精準性。

4 化工測控技術(shù)向智能化方向發(fā)展的趨勢分析

4.1 未來化工自動化測控儀表發(fā)展智能化的趨勢

數(shù)字化測量以及智能化數(shù)據(jù)分析處理、控制能力可靠性評估是當前各領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)精準自動化控制及計量工作的基礎(chǔ)，而科學(xué)的傳感器是實現(xiàn)數(shù)字化測量的前提，因此數(shù)字化傳感器是當前業(yè)界關(guān)注的重點。DSP 數(shù)字處理電路以及信息微處理器技術(shù)都在不斷發(fā)展，為化工檢測儀表當中的傳感器優(yōu)化以及智能傳感器的研發(fā)提供了助力。

智能傳感器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)精確測量、測量效果穩(wěn)定且搭載了高性能微控制器技術(shù)的先進智能傳感器。它利用數(shù)字化技術(shù)將傳統(tǒng)傳感器轉(zhuǎn)化為具有抗干擾能力以及響應(yīng)時間短的，并且可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)有效性分析功能的智能化傳感器，這種傳感器的運行優(yōu)勢是不容小覷的。在化工生產(chǎn)中智能傳感器的優(yōu)勢也是非常明顯的，因為傳統(tǒng)傳感器是不能對某種化工產(chǎn)品的質(zhì)量全指標進行快速測量的，但是搭載了多種信息化技術(shù)、集成了智能診斷與自我學(xué)習(xí)功能模塊的智能化傳感器則可以以非?？斓乃俣戎苯舆M行化工產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)的測量，并對一些具有函數(shù)關(guān)系的數(shù)據(jù)進行綜合分析，而后結(jié)合自身具有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建數(shù)學(xué)分析模型，從而對化工產(chǎn)品質(zhì)量進行分析與定性。當前自動化技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)與智能化技術(shù)進行了融合，智能化傳感器也已經(jīng)集成了數(shù)字電極以及智能稱重等高新技術(shù)模塊，傳感器功能十分強大。而自動化控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器則是根據(jù)所接收的邏輯控制器下達的控制指令進行被控對象控制響應(yīng)，比如對被控介質(zhì)流量進行調(diào)節(jié)，進而將被控變量調(diào)整到符合化工生產(chǎn)需求的范圍內(nèi)，因此執(zhí)行器就是自動化系統(tǒng)當中非常重要的結(jié)構(gòu)?；どa(chǎn)過程中用到的執(zhí)行器主要有控制閥門、變頻器等，目前行業(yè)已使用的智能型執(zhí)行器有智能型控制閥。智能型控制閥采用總線和微處理器技術(shù)，配合精密機械結(jié)構(gòu)，能夠在控制閥內(nèi)實現(xiàn)流量特性修改、閥門正反作用修改、調(diào)整PID 算法、非線性補償、運行狀態(tài)監(jiān)測、閥門故障診斷、故障安全位置鎖定等一系列功能。采用離散式微處理器運算控制，分擔了需DCS 提供的控制運算，并可與DCS 分享運行數(shù)據(jù)，具有更高的靈活性、可靠性。智能型測控儀表具備數(shù)字和模擬兩種輸出組網(wǎng)方式，其故障診斷預(yù)警和智能維護功能的實現(xiàn)，為工廠節(jié)省了運行成本、減少了檢修維護時間，確保了生產(chǎn)安全高效。

4.2 自動化控制系統(tǒng)的智能化發(fā)展趨勢

智能化數(shù)據(jù)分析，主動式維護保養(yǎng)控制系統(tǒng)是整個工廠的核心，負責(zé)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)采集、運算，再通過對現(xiàn)場執(zhí)行單元的調(diào)節(jié)控制，是整個生產(chǎn)裝置的大腦。而隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及現(xiàn)場總線控制技術(shù)的飛速發(fā)展，自帶微處理器的智能傳感器和智能執(zhí)行器的大量應(yīng)用，分擔了大多數(shù)需要傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的運算處理，控制系統(tǒng)也由直接面對現(xiàn)場測控儀表的生產(chǎn)控制演變成工廠數(shù)據(jù)處理中心，負責(zé)與現(xiàn)場測控儀表處理器的數(shù)據(jù)共享、運行數(shù)據(jù)信息化、工藝方案優(yōu)化、故障預(yù)警和主動式維護保養(yǎng)等，形成以智能型控制系統(tǒng)為數(shù)據(jù)處理核心、測控功能下放的分工協(xié)作網(wǎng)絡(luò)模式。

4.3 安全儀表系統(tǒng)的冗余和仲裁技術(shù)發(fā)展

預(yù)防事故發(fā)生，主動消除事故、或降低事故損失化工生產(chǎn)規(guī)?；螅踩殉蔀樯a(chǎn)的重中之重。根據(jù)應(yīng)急管理部〔2009〕116號令有關(guān)15種危險工藝（安監(jiān)總管三〔2013〕3號補充為18種）及實施措施，要求設(shè)置安全儀表系統(tǒng)SIS。安全儀表系統(tǒng)以IEC61508作為基礎(chǔ)標準，遵循國際安全協(xié)會規(guī)定。包括檢測單元、控制單元和執(zhí)行單元以容錯的多重冗余結(jié)構(gòu)，提高故障裕度，保證了單一硬件故障不會導(dǎo)致系統(tǒng)安全功能喪失。通過自診斷功能，發(fā)現(xiàn)并預(yù)防潛在的危險，防止事故的發(fā)生，降低事故帶來的危害及其影響。安全儀表系統(tǒng)基于自身硬件多重冗余架構(gòu)，在將來相當長的時間內(nèi)，會繼續(xù)為大型化工裝置的安全保駕護航。未來隨著冗余型智能型測控儀表的進一步發(fā)展、在已滿足功能安全的情況下，集中式的安全儀表系統(tǒng)也許會被更直接面對工藝生產(chǎn)裝置的離散型冗余智能型測控儀表取代。

5 結(jié)束語

總之，在我國化工行業(yè)迅猛發(fā)展的今天，自動化控制技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，自動化儀表作為自動化體系中的重要裝置，在未來與智能化技術(shù)融合的趨勢非常明顯，智能化傳感器以及自診斷功能模塊等的應(yīng)用可以為自動化儀表精確性與運行可靠性優(yōu)化提供更大助力?；どa(chǎn)中運行自動化儀表時要做好運維與管理工作，保證儀表運行的效果，進而為化工生產(chǎn)的有效推進提供保障。