新型化工廠自動化儀表的發(fā)展研究

劉晟

[摘? ? 要 ]化工行業(yè)是中國國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。在新時期，以智能工廠、綠色工廠為主線，化工行業(yè)對可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略積極踐行，并在生產(chǎn)過程中不斷地引進先進的科學(xué)技術(shù)成果，生產(chǎn)裝置實現(xiàn)自動化運行，實現(xiàn)化工生產(chǎn)的有效控制，本質(zhì)安全，環(huán)境友好。本論文著重于研究新時期化工廠自動化儀表和控制系統(tǒng)方面的內(nèi)容。

[關(guān)鍵詞]自動化;儀表;智能工廠;綠色工廠

[中圖分類號]TQ056 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）11–00–03

[Abstract]Chemical industry is the pillar industry of China's national economic development. In the new era， with intelligent factory and green factory as the main line， the chemical industry actively practices the sustainable development strategy， and constantly introduces advanced scientific and technological achievements in the production process， so as to realize the automatic operation of production devices and effective control of chemical production， which is intrinsically safe and environmentally friendly. This paper focuses on the research of chemical plant automation instrumentation and control system in the new era.

[Keywords]automation; instrument; intelligent factory; green factory

化工行業(yè)生產(chǎn)過程危險系數(shù)高，根據(jù)對化工裝置的物料特性分析，往往含有易燃易爆有毒的介質(zhì)。而化工企業(yè)需要安全、高效、連續(xù)和穩(wěn)定地運行，對于生產(chǎn)參數(shù)控制存在很高的要求。儀表及控制系統(tǒng)應(yīng)安全可靠、技術(shù)先進，應(yīng)能充分滿足工藝過程的操作要求，實現(xiàn)集中控制、平穩(wěn)操作、安全生產(chǎn)、長期可靠，充分發(fā)揮工藝裝置的生產(chǎn)能力，提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量[1]。隨著中國化工行業(yè)進一步發(fā)展，國家和行業(yè)內(nèi)對于新型化工企業(yè)越來越強調(diào)其生產(chǎn)管理高效智能、生產(chǎn)過程安全環(huán)保。新目標(biāo)對于自動化儀表有了更高的要求。

1 化工廠對自動化儀表的要求

1.1 化工生產(chǎn)自動化儀表的作用

化工生產(chǎn)中的傳統(tǒng)自動化儀表可以簡單的分為檢測儀表、顯示儀表、控制儀表、執(zhí)行器四大類。當(dāng)化工企業(yè)進行生產(chǎn)的時候，各項工藝指標(biāo)都在時刻發(fā)生變化，包括溫度、壓力、物位、流量以及成分等。自動化儀表需要實現(xiàn)在任一生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，當(dāng)檢測儀表檢測到工藝指標(biāo)產(chǎn)生變化時，顯示儀表能夠及時反映，控制儀表能對指標(biāo)的變化情況進行分析，根據(jù)分析結(jié)果通過執(zhí)行器對其進行有效控制，保證產(chǎn)品的質(zhì)量合格和生產(chǎn)過程的安全可靠?；ば袠I(yè)的快速發(fā)展進程中，儀表運行的形式以及所發(fā)揮的作用都會相應(yīng)地出現(xiàn)變化[2]。

1.2 新型化工廠對自動化儀表的要求

根據(jù)近年大中型化工企業(yè)的建設(shè)項目來看，高效互聯(lián)的智能工廠和節(jié)能環(huán)保的綠色工廠是當(dāng)前化工企業(yè)的重點建設(shè)方向，而這兩個目標(biāo)的實現(xiàn)離不開自動化儀表技術(shù)的發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用。

智能工廠要求現(xiàn)有自動化儀表更加智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。傳統(tǒng)的DCS、SIS、GDS、SCADA等過程控制系統(tǒng)需實現(xiàn)一體化，一體化的控制系統(tǒng)應(yīng)高度智能化，不僅實現(xiàn)對過程數(shù)據(jù)的采集，對智能設(shè)備本身也應(yīng)具有自我分析、判斷規(guī)劃能力，在信息數(shù)據(jù)集成的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)整個工廠生產(chǎn)控制設(shè)備管理系統(tǒng)的集成。

清潔、高效、低碳、循環(huán)的綠色工廠要求自動化儀表不再局限于傳統(tǒng)工藝參數(shù)的檢測，還包括監(jiān)控生產(chǎn)中的能源損耗、廢棄物排放。為了實現(xiàn)環(huán)境友好目標(biāo)，國家和化工行業(yè)要求設(shè)置設(shè)多種在線分析檢測儀表，網(wǎng)格化布置、全面覆蓋生產(chǎn)設(shè)施，從企業(yè)廠區(qū)內(nèi)延伸至廠界，即時監(jiān)測大氣、水體污染物的排放情況。

2 智能工廠中的自動化儀表

2.1 智能工廠的自動化儀表需求

《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》（2018版）中對于石油化工行業(yè)的設(shè)計、交付、智能生產(chǎn)和集成優(yōu)化都有明確規(guī)定，其區(qū)別于傳統(tǒng)工廠具有智能化、數(shù)字化、自動化、集成化的特征，要求合理地設(shè)置足夠的智能檢測儀表或者必須的工藝參數(shù)、設(shè)備運行數(shù)據(jù)、安全報警情況[3]。

智能工廠的信息管理系統(tǒng)整體架構(gòu)主要由3個層面組成：生產(chǎn)經(jīng)營管理層（ERP）、生產(chǎn)運行管理層（MES）、過程控制層（PCS），其中過程控制層主要由自動化控制系統(tǒng)和儀表構(gòu)成（圖1）。

參照《江蘇省流程性智能工廠示范要點》的要求，自動化儀表要實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備自管理，通過傳感器采集相關(guān)工藝參數(shù)，實現(xiàn)在線數(shù)據(jù)處理和分析判斷，在線監(jiān)測儀表設(shè)備工作狀態(tài)，及時進行故障自動報警和預(yù)診斷，部分設(shè)備可自動調(diào)試修復(fù)，還更進一步要求采用工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線等技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)裝備、傳感器、控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)等的互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、流轉(zhuǎn)和處理。

智能工廠要求傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)需要能與管理信息網(wǎng)絡(luò)即安全隔離又互聯(lián)互通，在一個綜合信息平臺下縱向集成?；S的檢測儀表和執(zhí)行器都要選用新型的智能儀表，生產(chǎn)運行管理層需要建設(shè)智能儀表設(shè)備管理系統(tǒng)對儀表設(shè)備進行綜合管控。

2.2 智能傳感器

傳統(tǒng)檢測儀表隨著集成電路技術(shù)、微處理器技術(shù)的發(fā)展逐步智能化，主要體現(xiàn)在以下方面：

2.2.1 智能儀表信息管理

儀表啟動時，所有相關(guān)狀態(tài)和配置信息都會從傳感器自動傳輸?shù)阶兯推?，可自動識別制造商、傳感器、型號、序列號、最新的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)歷史記錄可用于趨勢分析。儀表安裝時“即插即測”降低安裝的復(fù)雜性，

2.2.2 智能儀表生命周期管理

智能傳感器的在線診斷功能實時提供傳感器的損耗度和動態(tài)使用壽命，自動計算校準(zhǔn)的時間間隔，用來制定傳感器的維護和更換計劃，在降低維護成本的同時優(yōu)化操作效率，避免發(fā)生安裝事故。

2.2.3 智能信號處理

儀表能夠自主完成信號的非線性處理，溫度與壓力的補償，量程刻度標(biāo)尺的變換，零點的漂移與修正等功能。

2.2.4 遠程故障診斷

用戶可以通過智能儀表設(shè)備管理系統(tǒng)，將診斷維護數(shù)據(jù)遠程傳送至制造工廠的服務(wù)器，制造廠的技術(shù)專家對分析數(shù)據(jù)進行診斷后，將診斷結(jié)果及處理辦法發(fā)回用戶的監(jiān)控服務(wù)器，以便協(xié)助用戶現(xiàn)場維護人員及時排除隱患。

2.3 智能執(zhí)行器

自控閥門在配置了智能閥門定位器和多種檢測傳感器后，可通過智能定位器對閥門的閥位、輸出、氣源等參數(shù)的傳感器進行信息采集傳送。每臺閥門出廠的預(yù)制信息可存儲在配套的智能定位器中，通過數(shù)據(jù)比對進行性能診斷，顯示閥門內(nèi)件的健康狀況，定位運行不正常或者性能開始惡化的閥門，協(xié)助工廠安排檢維修計劃[4]。

2.4 智能儀表設(shè)備管理系統(tǒng)

智能儀表設(shè)備管理系統(tǒng)是針對現(xiàn)場智能儀表設(shè)備進行故障診斷、在線組態(tài)、維護保養(yǎng)、數(shù)據(jù)記錄存儲及管理的一體化系統(tǒng)，在智能工廠信息架構(gòu)中是MES層重要組成。它可通過信息采集模塊與現(xiàn)場智能儀表相連接，支持Modbus、HART及OPC等多種通信協(xié)議，與DCS等控制系統(tǒng)無縫集成。它使智能儀表通過網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)遠程管理、操作、維護和數(shù)字通信等功能。

智能儀表設(shè)備管理系統(tǒng)的基本功能包括儀表設(shè)備信息管理、儀表設(shè)備狀態(tài)管理、儀表設(shè)備報表管理、報警及安全信息管理、儀表的預(yù)測性維護[5]。

3 綠色工廠中的自動化儀表

3.1 綠色工廠的自動化儀表需求

隨著國家對生態(tài)環(huán)保的要求逐步提高，“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”逐漸成為提升企業(yè)核心競爭力的關(guān)鍵要素，建成清潔、高效、低碳、循環(huán)的綠色企業(yè)，要求化工企業(yè)做好大氣/水體污染的防治工作[6]。

為將企業(yè)的大氣/水體污染物排放濃度達到國家和地方標(biāo)準(zhǔn)要求，自動化儀表的設(shè)置需要實現(xiàn)以下功能。

（1）網(wǎng)格化環(huán)境監(jiān)測：建設(shè)集數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸和管理于一體的可無人值守的網(wǎng)格化、全覆蓋在線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

（2）繪制污染地圖：繪制基于監(jiān)測網(wǎng)得到的“污染地圖”，可結(jié)合溯源模型等手段，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)區(qū)域內(nèi)定向治理，以減少廢棄物擾民投訴事件。

（3）建立環(huán)境監(jiān)控平臺：通過網(wǎng)絡(luò)建立數(shù)字化平臺，落實各部門資源共享、業(yè)務(wù)協(xié)同的管理目標(biāo)，做到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享、統(tǒng)一指揮、聯(lián)動運行。

3.2 廠區(qū)管道泄漏監(jiān)測儀表

廠區(qū)內(nèi)腐蝕性物料管道和熱力管道可能的“跑冒滴漏”現(xiàn)象，是污染物無組織性排放的一個重要途徑。為對特定的污染物管道泄露實現(xiàn)自動監(jiān)測、實時定位，上報至環(huán)境監(jiān)控平臺處理，一些在礦山、長輸管道領(lǐng)域有多年成熟運用經(jīng)驗的在線式管道泄漏監(jiān)測儀表也開始在化工廠使用。

光纖分布式溫度檢漏儀是以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，伴隨管道平行敷設(shè)，感知和傳輸管道溫度，通過局部溫度變化來定位泄露位置，具有抗干擾能力強、使用壽命長、耐腐蝕、免維護的優(yōu)勢。

電纜式檢漏儀是以特定類型的電纜與物料管道平行敷設(shè)，當(dāng)物料泄露時，會滲入電纜引起電纜特征的相應(yīng)變化，通過前后數(shù)據(jù)對比就可以對泄露位置進行檢測定位。它對于工藝物料的緩慢滲漏檢測效果良好。

3.3 網(wǎng)格化大氣、水體監(jiān)測站儀表

化工企業(yè)將多個微型的網(wǎng)格化空氣站、水體檢測站布置在裝置的界區(qū)，監(jiān)控大氣和水體的排放指標(biāo)。根據(jù)工藝物料泄放情況，空氣站內(nèi)可設(shè)置在線式的有機物氣相色譜分析儀、氮氧化物分析儀、臭氧分析儀、小型化顆粒物分析儀等。水體檢測站可設(shè)置在線式化學(xué)需氧量分析儀、pH計、總磷/總氮分析儀、氨氮分析儀、重金屬分析儀等。

這些監(jiān)測站點內(nèi)通常設(shè)置SCADA等自動監(jiān)控數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，自動采集現(xiàn)場環(huán)境、安全等各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，可采用RS485通訊、有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)（含4G/5G）等多種通訊技術(shù)，與其他監(jiān)測站點、控制室、監(jiān)管部門進行數(shù)據(jù)組網(wǎng)。監(jiān)控人員可遠程查看原始數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步轉(zhuǎn)發(fā)上報。

3.4 移動監(jiān)測走航車儀表

近年來VOCs飛行時間質(zhì)譜法（TOF-MS）監(jiān)測儀表逐步在化工領(lǐng)域國產(chǎn)化并成熟應(yīng)用，其檢測器為基于微通道板的離子檢測器，監(jiān)測原理為高分辨率飛行時間質(zhì)譜。該類儀表能對所有氣體組分進無選擇性歧視的取樣，結(jié)構(gòu)簡單，可監(jiān)測對象范圍大，分析速度快速[7]?；诖隧椉夹g(shù)可以對VOCs等大氣指標(biāo)進行移動式監(jiān)測。

大型化工企業(yè)開始配置新一代的移動監(jiān)測走航車，以工具車為載具，車內(nèi)主要配置了自動控制系統(tǒng)、VOCs在線飛行時間質(zhì)譜法監(jiān)測儀和其它的便攜式檢測儀表。當(dāng)車輛沿企業(yè)內(nèi)部或者周邊道路的走航過程中，系統(tǒng)能實時處理監(jiān)測結(jié)果，并統(tǒng)計所監(jiān)測物質(zhì)的濃度，能利用檢測到的污染數(shù)據(jù)信息，結(jié)合污染溯源模型算法，逐步追溯到對應(yīng)污染源，能自動解析質(zhì)譜圖，并給出譜圖中定性出的物種清單及其對應(yīng)的濃度。走航車在走航巡視過程中，可以將走航路線與地圖關(guān)聯(lián)，并實時處理走航結(jié)果將其顯示于對應(yīng)地理位置，走航地圖中可以觀察到污染程度信息，并以不同顏色區(qū)分。地圖中可調(diào)出各個點位監(jiān)測到的物種清單。

4 結(jié)束語

隨著化工行業(yè)對于智能工廠、綠色工廠的建設(shè)需要，自動化儀表不在拘泥于傳統(tǒng)的工藝參數(shù)監(jiān)控，對于設(shè)備儀表狀態(tài)和工廠環(huán)境指標(biāo)監(jiān)控要求的深度和廣度都在逐步提高。最新的智能儀表較上一代電氣儀表，以信息技術(shù)、智能化技術(shù)的發(fā)展成果為基本框架，深度融合工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、人工智能，較以往更智能、更全面、更環(huán)保、更敏捷。它對于新型化工廠而言，可以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的全流程監(jiān)控，對化工廠及周邊環(huán)境進行全生命周期保護。

參考文獻

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