自動(dòng)化儀表在工業(yè)過(guò)程控制中的應(yīng)用

張冬良

（福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

自動(dòng)化儀表作為正常生產(chǎn)運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，其對(duì)工業(yè)生產(chǎn)高效、安全具有直接的影響。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化要求逐漸提高，自動(dòng)化儀表應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)化儀表配置及過(guò)程控制技術(shù)應(yīng)用深度決定了企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平的高低。在自動(dòng)化儀表及過(guò)程控制系統(tǒng)支持下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各類裝置設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析對(duì)裝置異常狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，從而提高工業(yè)生產(chǎn)效率。

1 自動(dòng)化儀表分類及其應(yīng)用特點(diǎn)

自動(dòng)化儀表種類較多，按照被測(cè)對(duì)象可分為溫度儀表、壓力儀表、物位儀表、流量?jī)x表等等。自動(dòng)化儀表主要包括以下幾個(gè)部分：傳感器、變送器、顯示屏、執(zhí)行器。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中被測(cè)對(duì)象原始數(shù)據(jù)由傳感器實(shí)時(shí)采集，變送器將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)以便接入控制系統(tǒng)，同時(shí)在顯示屏上展示測(cè)量數(shù)值。對(duì)于調(diào)節(jié)型儀表，可通過(guò)執(zhí)行器對(duì)控制命令進(jìn)行響應(yīng)，從而調(diào)整生產(chǎn)工況[1]。

1.1 溫度儀表

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中需對(duì)各裝置、設(shè)備工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保裝置、設(shè)備運(yùn)行在設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)，避免發(fā)生安全事故。對(duì)溫度控制要求較高的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，將溫度控制在最優(yōu)區(qū)間內(nèi)，有利于降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量，因此選用的溫度檢測(cè)儀表必須可靠、精確。目前工業(yè)生產(chǎn)中使用較為普遍溫度儀表包括熱電阻、熱電偶。熱電阻的工作原理是在溫度作用下，感溫元件的電阻值隨溫度變化而變化，溫度與電阻值成線性關(guān)系，精度較高，其主要由感溫元件、外保護(hù)管、接線盒、固定裝置組成，如圖1熱電阻構(gòu)成示意圖。熱電偶的工作原理是兩種不同成分的導(dǎo)體兩端焊接后形成回路，當(dāng)兩端存在溫差時(shí)，回路電子流動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，其電動(dòng)勢(shì)只與導(dǎo)體材質(zhì)、溫度差相關(guān)，由此可測(cè)的溫度值。在實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)場(chǎng)溫度低于500℃時(shí)選用熱電阻測(cè)量可保證較高測(cè)量精度，在高溫區(qū)測(cè)量溫度則推薦采用熱電偶。

圖1 熱電阻構(gòu)成示意圖

1.2 壓力儀表

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)壓力監(jiān)測(cè)的重要性不亞于溫度。壓力儀表從類型上可分為差壓儀表、表壓儀表、絕壓儀表。壓力儀表主要由測(cè)量元件本體、過(guò)程連接、隔離膜片、壓感器、表頭等組成，被測(cè)介質(zhì)壓力經(jīng)過(guò)程連接傳遞至測(cè)量元件上，進(jìn)而經(jīng)隔離膜片及填充液作用在壓感器上，從而測(cè)得壓力值。在壓力儀表選型時(shí)，除儀表精度、測(cè)量壓力范圍外，量程比也是壓力儀表的重要參數(shù)，其決定了實(shí)際可設(shè)量程及實(shí)際應(yīng)用精度。同時(shí)，表壓儀表在具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮當(dāng)?shù)卮髿鈮杭竟?jié)性變化對(duì)表壓儀表零點(diǎn)漂移的影響。選用帶Hart協(xié)議的壓力儀表，即在4～20mA信號(hào)上疊加Hart信號(hào)，可便于通過(guò)Hart手操器現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、維護(hù)。

1.3 物位儀表

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，與溫度、壓力測(cè)量相比，物位的測(cè)量要更為復(fù)雜，其測(cè)量與被測(cè)介質(zhì)物理性質(zhì)、狀態(tài)、倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境密切相關(guān)，因此物位儀表的種類也紛繁復(fù)雜。從應(yīng)用類型上物位儀表可分為物位開關(guān)、連續(xù)物位計(jì)。根據(jù)測(cè)量原理，物位開關(guān)包括振棒式物位開關(guān)、音叉式物位開關(guān)、阻旋式物位開關(guān)、射頻導(dǎo)納物位開關(guān)等；連續(xù)物位計(jì)包括雷達(dá)物位計(jì)、超聲波物位計(jì)、重錘式物位計(jì)等。

以振棒式物位開關(guān)為例，其主要由探桿、振動(dòng)元件、電子傳感器組成，振動(dòng)元件由電路驅(qū)動(dòng)，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)與探桿接觸時(shí)，振幅發(fā)生變化，電子傳感器對(duì)振幅變化進(jìn)行分析并轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用選型時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注諧振頻率、最小介質(zhì)密度參數(shù)。同時(shí)，靈敏度可調(diào)、延時(shí)報(bào)警等功能可適應(yīng)物料種類頻繁變化工況，并消除虛假報(bào)警。雷達(dá)物位計(jì)由天線系統(tǒng)發(fā)射微波到被測(cè)介質(zhì)上，經(jīng)被測(cè)介質(zhì)表面反射后被天線系統(tǒng)接收，通過(guò)微波發(fā)射與接收的時(shí)間差計(jì)算出物料與物位計(jì)之間的距離，進(jìn)而獲得物料高度。隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)物位計(jì)天線系統(tǒng)從喇叭口天線到平面天線、微波頻率從20GHz低頻到80GHz甚至100GHz高頻、從脈沖波到連續(xù)波，其測(cè)量精度明顯提升，應(yīng)用范圍大幅擴(kuò)大。在實(shí)際應(yīng)用選型時(shí)，除測(cè)量精度外，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注波速角是否與物料倉(cāng)匹配，最小介電常數(shù)是否與物料性質(zhì)相符。同時(shí)，對(duì)于有揚(yáng)塵的工況，增加外吹掃可以避免物料粘附，延長(zhǎng)物位計(jì)的維護(hù)周期。

1.4 流量?jī)x表

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，流量測(cè)量對(duì)象包括液、氣、汽，根據(jù)測(cè)量對(duì)象的性質(zhì)、工藝條件、精度要求采用不同類型的流量?jī)x表。典型的液體流量?jī)x表包括電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)等；氣汽流量?jī)x表包括孔板流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、巴類流量計(jì)等。對(duì)于中小管徑液體流量測(cè)量，電磁流量計(jì)是比較常用的儀表，其管內(nèi)無(wú)阻流及活動(dòng)部件，因此不會(huì)造成額外的能量損失、不會(huì)堵塞，特別適合液固兩相流體，但不適用導(dǎo)電性能較低的液體，如除鹽水。

2 自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制系統(tǒng)的集成應(yīng)用

工業(yè)生產(chǎn)是一系列生產(chǎn)設(shè)備協(xié)同工作的流程作業(yè)，工藝控制上存在高度耦合的現(xiàn)象，對(duì)技術(shù)人員的要求比較高。隨著現(xiàn)代工業(yè)精細(xì)化、大型化，引入過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)或全自動(dòng)化生成已經(jīng)成為必然的選擇。作為過(guò)程控制系統(tǒng)的“眼睛”，自動(dòng)化儀表提供了一切控制所需的原數(shù)據(jù)，因此自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制系統(tǒng)集成應(yīng)用是提高工業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定性和安全性最有效方式之一，其主要體現(xiàn)在以下幾方面：

2.1 數(shù)據(jù)傳輸與處理

自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制系統(tǒng)之間采用IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳輸保證了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、完整性，其信號(hào)類型包括數(shù)字量信號(hào)、模擬量信號(hào)兩大類。信號(hào)傳輸介質(zhì)通常采用帶屏蔽層的銅芯電纜，在電磁干擾比較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)考慮采用分屏+總屏的計(jì)算機(jī)電纜，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。在控制系統(tǒng)側(cè)，用于與自動(dòng)化儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的模塊為IO卡件，包括AI卡件、AO卡件、DI卡件、DO卡件及特殊通訊卡件等。為增加系統(tǒng)安全性和可靠性，模擬量卡件的每個(gè)通道都有各自的A/D或D/A轉(zhuǎn)換器，所有輸入和輸出都配置光或電隔離，且具有防抖動(dòng)濾波處理功能。數(shù)字量卡件采用繼電器隔離輸出以便直接驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)定位器、電磁閥、執(zhí)行器等自動(dòng)化儀表，繼電器觸點(diǎn)容量應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)儀表相適應(yīng)。過(guò)程控制系統(tǒng)中的SCADA可長(zhǎng)期存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化儀表產(chǎn)生的全部數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析、事故追溯提供所需的歷史數(shù)據(jù)[2]。

2.2 控制邏輯編程

自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制系統(tǒng)的集成應(yīng)用還體現(xiàn)在控制邏輯編程方面。計(jì)算機(jī)硬件和軟件編程技術(shù)在工業(yè)儀表中發(fā)展及普及，為集散控制系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)提供助力。過(guò)程控制系統(tǒng)以可編程控制器為中心，通過(guò)與之配套的軟件，以圖形化的方式對(duì)各種設(shè)備、儀表進(jìn)行編程，使復(fù)雜的工藝流程控制得以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于比較重要的工藝系統(tǒng)，可編程控制器通常按一用一備冗余配置，任一控制器的故障都完全不影響工藝系統(tǒng)安全及現(xiàn)場(chǎng)儀表運(yùn)行。通過(guò)控制邏輯編程，進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及自動(dòng)化儀表的運(yùn)行方式，使得控制更精確，工藝參數(shù)更合理[3]。

2.3 高級(jí)控制功能

基礎(chǔ)的過(guò)程控制主要以單個(gè)儀表或設(shè)備為控制對(duì)象，即實(shí)現(xiàn)儀表設(shè)備的單操功能。隨著工業(yè)應(yīng)用大型化、復(fù)雜化，以工藝子系統(tǒng)或成組設(shè)備為被控對(duì)象的聯(lián)動(dòng)操作逐漸成為主流需求，即過(guò)程控制系統(tǒng)高級(jí)控制功能。高級(jí)控制功能包括前饋控制、反饋控制、模糊控制及以特定工藝為控制對(duì)象的自定義高級(jí)功能算法等，其中以PID為代表的閉環(huán)反饋控制應(yīng)用最為廣泛。PID三個(gè)參數(shù)分別代表比例、積分、微分，其控制算法原理如圖2所示。

圖2 PID 控制原理圖

在控制機(jī)制上，比例帶越大調(diào)節(jié)速度越慢，偏差越大調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)；積分越小就靈敏，偏差的時(shí)間越長(zhǎng)積分調(diào)節(jié)作用越大；微分主要是解決控制滯后的問(wèn)題，微分?jǐn)?shù)值越大或者偏差變化速率越大調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)。在不同應(yīng)用中，PID的設(shè)置參數(shù)需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況逐一整定，以達(dá)到很好的控制效果，從而提高生產(chǎn)效率[4]。

3 自動(dòng)化儀表在工業(yè)過(guò)程控制中的質(zhì)量保障措施

3.1 提高自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)選型準(zhǔn)確性

作為工業(yè)生產(chǎn)中最重要的環(huán)節(jié)之一，自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)充分了解被測(cè)量所處的工況條件。首先根據(jù)測(cè)量要求確定測(cè)量原理及其儀表類型，然后根據(jù)介質(zhì)性確定儀表的規(guī)格要求，最后比較各個(gè)品牌中滿足規(guī)格要求的儀表的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定儀表品牌及型號(hào)。同時(shí)，設(shè)計(jì)選型應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，以便適應(yīng)后期工藝調(diào)整升級(jí)。

3.2 加強(qiáng)自動(dòng)化儀表的日常維護(hù)

在工業(yè)生成過(guò)程中，為提高自動(dòng)化儀表及其控制系統(tǒng)可靠性，消除隱患，減少突發(fā)故障，應(yīng)加強(qiáng)日常維護(hù)工作，特別是關(guān)鍵工藝上的儀表。日常維護(hù)工作主要包括：日常巡檢、定期校驗(yàn)、定期評(píng)估儀表可靠性。同時(shí)，加強(qiáng)儀表備品備件的管理，將突發(fā)故障的損失降至最低[5]。

3.3 重視自動(dòng)化儀表的升級(jí)改造

在以科技創(chuàng)新為引領(lǐng)的信息時(shí)代，電子技術(shù)日新月異，自動(dòng)化儀表升級(jí)換代的周期越來(lái)越短，掌握并合理應(yīng)用最新的測(cè)量技術(shù)是提高生產(chǎn)效率的重要手段之一。因此，條件具備時(shí)應(yīng)分階段、分目標(biāo)、有計(jì)劃地進(jìn)行自動(dòng)化儀表升級(jí)改造。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化儀表在工業(yè)過(guò)程控制的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了工藝系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，在過(guò)程控制系統(tǒng)支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類裝置設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)控制，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析對(duì)裝置異常狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，從而提高工業(yè)生產(chǎn)效率。