精細(xì)化工過程控制技術(shù)及其發(fā)展趨勢

丁敦敦

（廣東政和工程有限公司湖北分公司，湖北 武漢 430075）

0 引言

社會的進(jìn)步帶動了化工行業(yè)的高速發(fā)展，精細(xì)化工過程控制在此期間受到了非常廣泛的關(guān)注。精細(xì)化工過程控制技術(shù)在發(fā)展期間會將市場需求作為發(fā)展核心，利用各類新興技術(shù)來加強(qiáng)過程控制，進(jìn)而為化工生產(chǎn)賦予更多附加值，提高化工產(chǎn)品的市場優(yōu)勢。因此，為了進(jìn)一步提高化工生產(chǎn)質(zhì)量，就必須加強(qiáng)對精細(xì)化工過程控制技術(shù)的研究。

1 精細(xì)化工過程控制技術(shù)綜述

精細(xì)化工過程控制的技術(shù)水平極高，通過將集成、自動化等技術(shù)相融合，以化工生產(chǎn)需求為核心，可以將精細(xì)化工過程控制技術(shù)的作用完全發(fā)揮出來。精細(xì)化工過程控制主要特征如下：第一，規(guī)模小、品種全。我國精細(xì)化工領(lǐng)域的產(chǎn)品構(gòu)成相對較為復(fù)雜，因為其主要會應(yīng)用在各種專業(yè)部門，所以會在經(jīng)營發(fā)展中受到規(guī)模限制。而且由于產(chǎn)品更新速度過快，還會促使精細(xì)化工生產(chǎn)周期縮短。第二，間歇性。精細(xì)化工生產(chǎn)需要將市場需求作為導(dǎo)向，市場的不斷變化將會導(dǎo)致精細(xì)化工生產(chǎn)的工作連續(xù)性受到影響，所以為了滿足化工產(chǎn)品的實際生產(chǎn)需求，就需要在設(shè)置期間加入多個起步階段，利用非連續(xù)性生產(chǎn)來降低化工生產(chǎn)事故的發(fā)生概率。在此期間，化工生產(chǎn)中的技術(shù)參數(shù)也將呈現(xiàn)出動態(tài)性，此時的控制系統(tǒng)能夠在可調(diào)控的范圍內(nèi)自由運(yùn)轉(zhuǎn)。第三，流程多。精細(xì)化工所采用的間歇生產(chǎn)模式，將會促使其工藝步驟明顯增加，各個環(huán)節(jié)需要有多個部門來參與，所以應(yīng)該適當(dāng)加強(qiáng)對于自動化技術(shù)的應(yīng)用，以此來達(dá)到降低工作難度的目的。第四，企業(yè)規(guī)模小。由于我國當(dāng)前精細(xì)化工生產(chǎn)的整體規(guī)模較小，所以企業(yè)規(guī)模將會受到限制，當(dāng)設(shè)備儀器更新過于緩慢時，就會導(dǎo)致難以形成產(chǎn)業(yè)鏈。因此為了實現(xiàn)精細(xì)化工過程控制的進(jìn)一步發(fā)展，就應(yīng)該針對產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究，通過集中產(chǎn)業(yè)園的發(fā)展模式來形成一套合理的產(chǎn)業(yè)鏈，進(jìn)而提高生產(chǎn)規(guī)模，帶動行業(yè)發(fā)展的良性循環(huán)[1]。

2 精細(xì)化工過程控制技術(shù)分析

2.1 集成控制技術(shù)

精細(xì)化工過程多為小規(guī)模間歇生產(chǎn)，所以企業(yè)為了降低投資，往往會選擇利用模擬儀表、智能數(shù)字儀表等儀表設(shè)備來進(jìn)行控制，這會導(dǎo)致手動操作增加。而在技術(shù)發(fā)展的作用下，基于PC的小型控制系統(tǒng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。通過將屏幕作為操作界面、PLC為控制器的控制系統(tǒng)用于精細(xì)化控制，能夠使精細(xì)化工過程控制變得更好?？刂葡到y(tǒng)功能的不斷豐富不僅為集成控制技術(shù)提供了更加廣闊的發(fā)展機(jī)遇，還能夠促使整個生產(chǎn)流程的管控一體化。

2.2 自動批量生產(chǎn)

間歇性生產(chǎn)在使用期間一次投料對應(yīng)著一次產(chǎn)出，因此能夠以批量的方式來實現(xiàn)周期性高效生產(chǎn)。當(dāng)每一批次生產(chǎn)結(jié)束之后，需要針對原材料進(jìn)行重新添加，循環(huán)重復(fù)性投料。在設(shè)備運(yùn)行過程中，往往需要頻繁進(jìn)行開/停車操作，并針對不同需求制定配方。而在發(fā)展過程中，則會繼續(xù)向著多品種的生產(chǎn)模式進(jìn)行發(fā)展，所以需要增加生產(chǎn)柔性，在控制系統(tǒng)上要結(jié)合生產(chǎn)需求自動切換不同的生產(chǎn)配方，以此來達(dá)到自動批量生產(chǎn)的效果。為了保證經(jīng)濟(jì)性，可以在DCS中利用順序控制功能圖（SFC）、結(jié)構(gòu)化編程語言（SCL）等技術(shù)來自行開發(fā)批量控制配方，進(jìn)而提高精細(xì)化工過程控制效果。

2.3 優(yōu)化控制

精細(xì)化工生產(chǎn)時需要提前進(jìn)行程序、參數(shù)設(shè)計，這樣能夠有效提高生產(chǎn)過程的可重復(fù)性，每一批次的生產(chǎn)過程都需要保證一致性。因為化工生產(chǎn)流程相對較為復(fù)雜，而且在自動化程度不足時還要利用人工操作的方式來加強(qiáng)控制，所以操作人員的經(jīng)驗、技術(shù)將會對生產(chǎn)效果帶來一定影響。因為精細(xì)化工生產(chǎn)具有動態(tài)性，隨著物料狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，將會使生產(chǎn)期間的一致性受到影響。所以在生產(chǎn)過程控制中，可以結(jié)合前一批次的結(jié)果來實現(xiàn)過程反饋，通過迭代學(xué)習(xí)控制的方式來優(yōu)化間歇性控制過程。作為學(xué)習(xí)控制策略，能夠在具有重復(fù)性的操作中對出現(xiàn)的誤差進(jìn)行修正。此時就可以令被控制系統(tǒng)的實際輸出軌跡盡可能達(dá)到期望。除此之外，利用迭代學(xué)習(xí)控制進(jìn)行優(yōu)化還能夠有效解決精細(xì)化工過程的參數(shù)問題，降低由人為操作所帶來的影響，通過與其他反饋控制策略進(jìn)行融合還能夠進(jìn)一步提高控制效果[2]。

2.4 綜合性統(tǒng)計過程控制

精細(xì)化工過程控制通常會在生產(chǎn)開始、中間、終點(diǎn)等有限點(diǎn)開展化驗分析，統(tǒng)計過程控制可以利用數(shù)理統(tǒng)計的方式實現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)管。通過針對生產(chǎn)過程進(jìn)行分析、評價，就可以通過反饋信息來掌握異常因素，通過采用相應(yīng)措施就可以消除異常因素所帶來的影響，進(jìn)而將整個過程保持在可控范圍內(nèi)。在對自適應(yīng)、多變量的SPC方法進(jìn)行開發(fā)與應(yīng)用時，應(yīng)該保證操作過程中的穩(wěn)定性，即確保均值、協(xié)方差不發(fā)生改變。但是在實際控制環(huán)節(jié)，過程變量將會隨著時間的推移而發(fā)生改變。這是因為設(shè)備磨損、老化所導(dǎo)致的問題。相較于過程故障而言，此類偏移大多比較緩慢，而且隨時間發(fā)生的改變還有可能導(dǎo)致誤診情況的出現(xiàn)。因此可以通過遞歸的方式將新測出的數(shù)據(jù)，按照權(quán)值的形式投入數(shù)據(jù)矩陣并開展主元分析，以此來提高對于均值、方差變化的適應(yīng)性。

2.5 安全保護(hù)控制

精細(xì)化工過程其介質(zhì)往往是具有毒性、腐蝕性的化學(xué)品，所以在開展過程控制時往往具有一定的危險性，因此必須重點(diǎn)關(guān)注安全保護(hù)控制。在傳統(tǒng)工藝中，安全控制系統(tǒng)往往會針對工藝參數(shù)異常進(jìn)行警報。然后利用邏輯保護(hù)的方式來實現(xiàn)對于控制閥的管控，進(jìn)而完成連鎖保護(hù)。但是因為邏輯保護(hù)系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定性不足的問題，所以很難在施工中保證足夠的安全性，而且事后報警無法提前對安全問題進(jìn)行預(yù)判。因此可以對傳統(tǒng)安全保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以此來實現(xiàn)安全事故預(yù)警，從而將事故隱患提前清除。

在安全保護(hù)系統(tǒng)中，防護(hù)層可以分為正常、非正常工況區(qū)以及災(zāi)害發(fā)生區(qū)三層面。其中正常工況區(qū)可以歸結(jié)為過程控制區(qū)域，在相關(guān)系統(tǒng)的作用下，能夠促使整個生產(chǎn)流程的所有變量均處于合理范圍，而且在正常工況區(qū)還不需要操作員的介入。而在非正常工況區(qū)域中，在其防護(hù)層中存在操作員介入層，通過對過程控制系統(tǒng)進(jìn)行操作，可以在必要時對超限問題進(jìn)行處理，如果超限問題并未及時得到處理，就有可能從小事故發(fā)展成為較大的安全事故問題。當(dāng)操作人員難以處理時，應(yīng)該進(jìn)入安全控制層進(jìn)行自動停車，以此來避免安全問題的出現(xiàn)。災(zāi)害發(fā)生區(qū)共存在三個防護(hù)層，積極防護(hù)層可以通過釋放閥、放空閥等設(shè)備來避免問題的出現(xiàn)。如果該防護(hù)層難以發(fā)揮出其應(yīng)有的作用，就需要將消極防護(hù)層啟動，通過利用提前建成的圍堰系統(tǒng)來防止安全問題的發(fā)生。當(dāng)消極防護(hù)層無法發(fā)揮出應(yīng)有的作用時，則要啟動緊急響應(yīng)層，通過開展緊急行動來降低安全問題[3]。

3 精細(xì)化工過程控制技術(shù)的發(fā)展方向研究

3.1 過程安全仿真

在化工生產(chǎn)領(lǐng)域中，動態(tài)模擬與實物仿真模擬能夠完成對信息的綜合分析，通過構(gòu)建安全仿真綜合系統(tǒng)，能夠有效實現(xiàn)全流程動態(tài)模擬，通過制定安全操作規(guī)程以及監(jiān)控方案，能夠讓相關(guān)人員安全技能、操作能力的培訓(xùn)變得更加簡單。在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以利用分布式設(shè)計的方式，以此來將計算機(jī)、服務(wù)器相連，進(jìn)而形成安全體系。在化工生產(chǎn)軟件中，可以通過添加動態(tài)仿真系統(tǒng)以及事件觸發(fā)等軟件，當(dāng)識別出生產(chǎn)安全問題時，就可以自動對其開展針對性處理。除此之外，系統(tǒng)運(yùn)行期間還可以針對安全事故流程進(jìn)行模擬，以此來達(dá)到提高突發(fā)事件處理能力的作用。

3.2 微化工技術(shù)

傳統(tǒng)化工生產(chǎn)技術(shù)屬于微化工技術(shù)的基礎(chǔ)，相較于傳統(tǒng)化工技術(shù)而言，微化工可以采用微通道系統(tǒng)中的微反應(yīng)器來實現(xiàn)產(chǎn)品加工。微反應(yīng)器作為技術(shù)核心，能夠在化工生產(chǎn)中發(fā)揮出極為關(guān)鍵的作用，反應(yīng)器在制作期間必須明確換熱、分離等操作，在使用期間完成實現(xiàn)對催化劑的高效篩選，篩選次數(shù)、頻率的提高正是未來發(fā)展中的核心。作為精細(xì)化工過程控制中的重要一環(huán)，微化工技術(shù)將會帶動化工生產(chǎn)的持續(xù)創(chuàng)新。

3.3 綠色催化技術(shù)

綠色催化技術(shù)在使用期間需要將催化劑作為輔助材料，在滿足生態(tài)環(huán)保需求的同時降低各類廢棄物的排放。例如可以利用相轉(zhuǎn)移催化來降低能量消耗，在保證工作效率的同時壓縮生產(chǎn)成本。還可以利用酶來提高催化效果，作為生物類產(chǎn)品，經(jīng)過調(diào)整酶能夠?qū)崿F(xiàn)對生產(chǎn)的調(diào)整，進(jìn)而滿足能源消耗的實際需求。除此之外，在精細(xì)化工過程控制的發(fā)展過程中，還具有一種不對稱催化，其主要特征就是能夠加速對于單一分子的獲取，進(jìn)而保證精細(xì)化工過程控制質(zhì)量。

3.4 智能控制技術(shù)

自動化控制技術(shù)的持續(xù)發(fā)展可以使化工生產(chǎn)過程控制變得更加細(xì)致，在發(fā)展階段通過融入智能操作技術(shù)不僅可以加速信息采集與監(jiān)管，還能夠顯著降低相關(guān)工作人員的操作復(fù)雜性。在智能技術(shù)的使用發(fā)展中，需要將安全生產(chǎn)作為核心關(guān)鍵，以此來實現(xiàn)監(jiān)管、生產(chǎn)一體化。在智能技術(shù)的作用下，精細(xì)化工過程控制將會逐漸變得更加具有綜合性，多種技術(shù)的綜合利用將會促使化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)變得更加便捷。在面對諸如環(huán)境等外界影響因素時，也可以通過智能技術(shù)來實現(xiàn)合理管控，進(jìn)而促使化工產(chǎn)品的生產(chǎn)品質(zhì)得到保障[4]。

4 結(jié)語

總而言之，精細(xì)化工過程控制技術(shù)是保證化工生產(chǎn)的核心，不同于傳統(tǒng)控制技術(shù)，精細(xì)化工過程控制將會使生產(chǎn)流程得到優(yōu)化，并提高化工產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。相信隨著更多人了解到精細(xì)化工過程控制技術(shù)的重要性，精細(xì)化工過程控制技術(shù)的發(fā)展一定會變得更加順利。