化工儀表智能自動(dòng)化的應(yīng)用

劉真，陸飛(陜西北元集團(tuán)錦源化工有限公司，陜西 神木 719319)

1 化工儀表的類型

現(xiàn)在的化工操作早已不是全人工、手動(dòng)、機(jī)械的體力勞動(dòng)，而是在化工流程的諸設(shè)備上配置一些自動(dòng)化裝置，并將其與計(jì)算機(jī)連接，進(jìn)行近遠(yuǎn)程控制，來(lái)完成復(fù)雜的化工生產(chǎn)過(guò)程?；ぷ詣?dòng)化主要依靠化工儀表來(lái)實(shí)現(xiàn)，化工儀表有不同的分類方式，按照功能、測(cè)量參數(shù)等劃分很多種類。

1.1 儀表組合形式

根據(jù)儀表組合形式，可分為基地式儀表，單元組式合儀表。

基地式儀表把測(cè)量部分、顯示部分與控制部分等集中組裝于同一個(gè)表殼中，進(jìn)而形成為一整體，該類儀表可實(shí)現(xiàn)就地安裝。

單元組合式儀表則是把一整套的儀表分為獨(dú)立性的、可以實(shí)現(xiàn)指定功能的若干單元，每個(gè)單元之間應(yīng)用統(tǒng)一性的信號(hào)開(kāi)展各個(gè)單元之間的聯(lián)系。

1.2 儀表功能

按照儀表的功能可以將其劃分為檢測(cè)類、顯示類、控制類與執(zhí)行類等。檢測(cè)類儀表主要是對(duì)生產(chǎn)中產(chǎn)生的壓力、物位、溫度、濕度、流量等一些生產(chǎn)參數(shù)變化進(jìn)行感受的元件。如變送器的作用是將獲取的現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換，比如轉(zhuǎn)換成電信號(hào)、電壓或者頻率等，同時(shí)把這些信號(hào)發(fā)送至顯示類儀表或者調(diào)節(jié)儀表，通過(guò)顯示及調(diào)節(jié)儀表進(jìn)行顯示、記錄及調(diào)節(jié)等[1]。顯示類儀表可以顯示、記錄與累計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中的各類參數(shù)，一般劃分為模擬式顯示儀表、數(shù)字式顯示儀表、圖像式顯示儀表三類。

控制類儀表又被稱為調(diào)節(jié)器，主要功能是針對(duì)被調(diào)節(jié)參數(shù)的測(cè)量值開(kāi)展各類運(yùn)算，包括比例運(yùn)算、計(jì)分運(yùn)算、微分運(yùn)算等。

執(zhí)行器則能夠?qū)φ{(diào)節(jié)器發(fā)送來(lái)的信號(hào)、指令等進(jìn)行接收，對(duì)被調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量進(jìn)行改變，進(jìn)而將被調(diào)節(jié)的參數(shù)控制于可控制要求的范圍之內(nèi)，執(zhí)行器是自動(dòng)化調(diào)節(jié)體系中非常關(guān)鍵的一部分。

1.3 被測(cè)參數(shù)

依照被測(cè)參數(shù)可以將儀表劃分為溫度測(cè)量類儀表、壓力測(cè)量類儀表、濕度測(cè)量類儀表、流量測(cè)量類儀表與液位測(cè)量類儀表等。對(duì)于溫度測(cè)量?jī)x表，主要包括膨脹式溫度計(jì)、熱點(diǎn)偶、熱電阻三種，其中膨脹式溫度計(jì)進(jìn)行溫度測(cè)量的原理為物體受熱膨脹，包括液體與固體膨脹式兩類，對(duì)于固體膨脹式溫度計(jì)，其是把兩類膨脹系數(shù)不同的金屬片進(jìn)行焊接，相對(duì)牢固，可以測(cè)量氣體和液體的溫度。熱電偶由于響應(yīng)迅速，所以使用最多，具有精度高、范圍廣、簡(jiǎn)單便捷的特點(diǎn)。熱電效應(yīng)是熱電偶對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量的原理。熱電阻的測(cè)量原理是應(yīng)用金屬類導(dǎo)體電阻伴隨溫度的升高而增加，主要用于500 ℃以下的中低溫測(cè)量，精度高，適用于低溫。

壓力測(cè)量?jī)x表主要?jiǎng)澐譃橐褐?、彈性式、電氣式、活塞式四類壓力?jì)。液柱式壓力計(jì)最常見(jiàn)的為U 型壓力計(jì)。彈性式壓力計(jì)的測(cè)量范圍很廣，品種規(guī)格繁多。電氣式壓力計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)性能好，靈敏度高。活塞式壓力計(jì)主要依照水壓機(jī)液體傳送壓力把被測(cè)量壓力轉(zhuǎn)為活塞上砝碼的質(zhì)量開(kāi)展壓力的測(cè)量，壓力測(cè)量?jī)x表的使用一定要注意安裝時(shí)取壓點(diǎn)的選擇，以及測(cè)量的時(shí)候最小值不能低于儀表最大值的三分之一。流量測(cè)量?jī)x表對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量與安全有重要作用，流量測(cè)量?jī)x表主要包括差壓式、容積式、渦輪、超聲波及質(zhì)量流量計(jì)等幾類。差壓式流量計(jì)是應(yīng)用差壓來(lái)對(duì)流量的大小開(kāi)展測(cè)量，在工廠中應(yīng)用較為廣泛。渦輪流量計(jì)價(jià)格較為昂貴，一般安裝在輸出線。超聲波流量計(jì)可以避免壓力損失，一般用于放火炬氣線。質(zhì)量流量計(jì)不受溫度的影響，故一般用在原料或產(chǎn)品的計(jì)量上[2]。

液位測(cè)量?jī)x表包括玻璃液位計(jì)、靜壓式液位計(jì)、浮力式液位計(jì)、電測(cè)式液位計(jì)、超聲波式液位計(jì)、放射性液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)等幾類。電測(cè)式液位計(jì)也稱為電容式液位計(jì)，是根據(jù)電極之間的電容變化來(lái)測(cè)量的，適用于腐蝕性或者高壓的液體。超聲波式液位計(jì)和雷達(dá)液位儀通過(guò)測(cè)量發(fā)射出去的超聲波被液面反射再返回接收裝置的時(shí)間來(lái)測(cè)量，廣泛應(yīng)用于液體和固體之中，由于并不是直接接觸，所以具有防止干擾的作用。放射性液位儀的測(cè)量原理是液位發(fā)生變化時(shí)測(cè)量放射線被液體吸收后的變化量，適用于密閉容器內(nèi)高溫、高壓、高黏度、強(qiáng)腐蝕性、粉塵、顆粒等狀態(tài)的測(cè)量。

2 化工自動(dòng)化的發(fā)展歷程

20 世紀(jì)40 年代是自動(dòng)技術(shù)和理論形成的關(guān)鍵時(shí)期，在此之前大部分的化工生產(chǎn)都是手工操作，工人按照經(jīng)驗(yàn)操作，不僅效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，勞動(dòng)條件差，而且花費(fèi)龐大。

20 世紀(jì)50—60 年代期間，為了提高生產(chǎn)速率，人們開(kāi)始強(qiáng)化開(kāi)發(fā)化工生產(chǎn)的各類單元操作，促使化工生產(chǎn)向規(guī)?；⒏咝Щ?、生產(chǎn)連續(xù)性、利用方向綜合性發(fā)展與進(jìn)步。在這樣的背景環(huán)境下，單元組合式儀表(氣動(dòng)Ⅱ型和電動(dòng)Ⅱ型)、智能化儀表獲得了飛速發(fā)展。自動(dòng)化控制體系主要是對(duì)壓力、溫度、流量及液位等四大類參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單化的控制。串級(jí)、比值、多沖量等相對(duì)復(fù)雜化的控制體系也獲得一定程度發(fā)展。自動(dòng)化的技術(shù)工具主要包括基地式電動(dòng)、氣動(dòng)儀表，膜片式的單元組合儀表。在自動(dòng)化控制體系的設(shè)計(jì)、參數(shù)的整定中，采用的是半經(jīng)驗(yàn)、半理論設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及整定公式。

20 世紀(jì)70 年代后，化工行業(yè)自動(dòng)化技術(shù)獲得較大的進(jìn)步與提升，計(jì)算機(jī)開(kāi)始被應(yīng)用于化工生產(chǎn)控制之中，智能化的控制裝置出現(xiàn)在化工行業(yè)，其主要以微處理器作為主要的構(gòu)成單元，主要有集散控制系統(tǒng)(DCS)、可編程邏輯控制器(PLC)、工業(yè)PC 機(jī)(工控機(jī)) 和數(shù)字控制器等，以上幾種智能化控制系統(tǒng)逐漸成為化工行業(yè)主要的控制裝置。同時(shí)，現(xiàn)代化控制理論也出現(xiàn)在大眾視野，其最基本的特點(diǎn)是最優(yōu)化控制理論，傳統(tǒng)性的單輸入單輸出系統(tǒng)也逐漸發(fā)展為多輸入多輸出系統(tǒng)[3]。

到20 世紀(jì)90 年代后，現(xiàn)代信息科技迅猛發(fā)展，化工行業(yè)出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)，導(dǎo)致過(guò)程化控制系統(tǒng)在體系與功能結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了重大的改革，數(shù)字化、智能化的現(xiàn)場(chǎng)儀表標(biāo)志著全數(shù)字化控制系統(tǒng)的形成。人工智能與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論在這一時(shí)期盛行，管控一體化的現(xiàn)場(chǎng)控制體系獲得較快發(fā)展，綜合自動(dòng)化成為新時(shí)期化工生產(chǎn)過(guò)程化控制的發(fā)展趨勢(shì)與方向。

3 智能自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)

3.1 數(shù)據(jù)處理能力

智能化工儀表自動(dòng)化通常有微數(shù)據(jù)處理單元，以此提高其功能性作用，使化工儀表數(shù)據(jù)更方便、準(zhǔn)確、全面，避免了不必要的操作誤差，此外還可以根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息的設(shè)置進(jìn)行自動(dòng)分析和處理。智能自動(dòng)化技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，提高了數(shù)據(jù)處理的效率和精度。與傳統(tǒng)的電子化工儀器不同，自動(dòng)化化工儀表可以更加有效地解決生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，如數(shù)據(jù)分析和匯總處理等，進(jìn)而滿足現(xiàn)代化工生產(chǎn)的多樣化要求。

3.2 記憶存儲(chǔ)能力

化工儀器應(yīng)用智能自動(dòng)化技術(shù)，能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行即時(shí)記錄，而以往的傳統(tǒng)儀器僅僅只能傳輸信號(hào)，卻無(wú)法對(duì)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，方便現(xiàn)場(chǎng)工作人員根據(jù)數(shù)據(jù)分析儀器的運(yùn)行狀況。

3.3 自我監(jiān)測(cè)能力

當(dāng)下，化工生產(chǎn)中所應(yīng)用的智能化自動(dòng)儀表具備較好的自我檢測(cè)能力，這與智能化自動(dòng)化儀表中所具備的大容量智能模塊、通信傳感器相關(guān)。智能化模塊能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)化的信息進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，然后通過(guò)對(duì)檢測(cè)信息的對(duì)比、分析等監(jiān)控、處理異常情況。以此為基礎(chǔ)，還可以依照實(shí)際的需求對(duì)異常的信息開(kāi)展自動(dòng)化傳輸，這在很大程度上可以有效降低化工生產(chǎn)安全事故的發(fā)生概率。通信傳感器主要是進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)信息的傳輸，并與智能技術(shù)、集成技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，保障數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)木_性，避免受到外部干擾。

3.4 程序可塑性

自動(dòng)化程序能夠依照某一特定需要在化工儀器中進(jìn)行相關(guān)程序的植入，賦予其程序執(zhí)行與思維能力。通過(guò)安裝、調(diào)整程序，可以提升化工儀器的可塑性，增強(qiáng)其整體性功能，對(duì)傳統(tǒng)化工儀器的外設(shè)硬件狀況進(jìn)行優(yōu)化。比如，延時(shí)功能作為化工儀器中是比較常見(jiàn)的功能，通過(guò)在儀器中植入對(duì)應(yīng)的程序，就可實(shí)現(xiàn)。

3.5 遠(yuǎn)程操控能力

智能化、自動(dòng)化化工儀表具備比較強(qiáng)大的信息監(jiān)控能力，可以有效結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)整個(gè)化工生產(chǎn)過(guò)程開(kāi)展遠(yuǎn)程化監(jiān)控，對(duì)于化工生產(chǎn)、特殊場(chǎng)所的精準(zhǔn)化控制具備較高的適用性，可以被廣泛地應(yīng)用于化工生產(chǎn)過(guò)程中。

4 化工儀表的智能自動(dòng)化發(fā)展方向

4.1 向高精度化方向發(fā)展

目前，社會(huì)對(duì)化工產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高的要求，國(guó)家頒布了關(guān)于工業(yè)節(jié)能減排的相關(guān)政策文件，并作出了具體化的規(guī)定與要求。所以，相關(guān)人員要高度重視自動(dòng)化儀表、自動(dòng)化控制體系的精準(zhǔn)度。

4.2 向智能化方向發(fā)展

當(dāng)下，化工儀表自動(dòng)化發(fā)展的關(guān)鍵是智能化，有助于實(shí)現(xiàn)化工儀表控制體系的開(kāi)放性、互換性與互操性。將CPU 微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入在化工儀表中，可以實(shí)現(xiàn)儀表的自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)量程切換、自動(dòng)校準(zhǔn)等?；x表的智能化發(fā)展進(jìn)一步提升了儀表的自動(dòng)化水平與功能，所以，從其發(fā)展趨勢(shì)出發(fā)，智能化必然會(huì)成為化工儀表發(fā)展的核心與方向。

4.3 向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展

我國(guó)計(jì)算機(jī)信息技術(shù)進(jìn)步迅猛，以網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為基本特征的自動(dòng)儀表成為新時(shí)期控制網(wǎng)絡(luò)新的發(fā)展趨勢(shì)。FCS 主要是利用數(shù)字通信技術(shù)使生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、自動(dòng)控制體系、企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效連接，充分發(fā)揮儀器智能化功能。化工儀表以飛速發(fā)展的信息技術(shù)為基礎(chǔ)將實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表。尤其是以嵌入式網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的工業(yè)自動(dòng)化。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，智能自動(dòng)化開(kāi)始應(yīng)用于各行各業(yè)中。在化學(xué)儀表中應(yīng)用智能自動(dòng)化技術(shù)，不僅可以將儀表的相關(guān)功能進(jìn)行拓展，而且強(qiáng)化了化工儀表的記憶功能、編程功能以及對(duì)數(shù)據(jù)的處理功能。同時(shí)減少了化學(xué)儀表的誤差，最終提高了化學(xué)儀表的精度和對(duì)復(fù)雜功能的有效控制。利用網(wǎng)絡(luò)對(duì)化學(xué)儀表進(jìn)行管理、操作，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的工業(yè)自動(dòng)化。