化工自動化控制關(guān)鍵技術(shù)分析

姚 明，甘學(xué)青

（青海大學(xué)，青海西寧 810000）

化學(xué)工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)體系中占據(jù)重要位置，對于我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展起到了重要的推動作用。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，化學(xué)工業(yè)不僅實現(xiàn)了規(guī)模的擴(kuò)展，同時也提升了自身的科學(xué)技術(shù)水平，但是整體水平依舊和國外化工業(yè)存在一定的差異。在國內(nèi)，一些資源和能源被浪費(fèi)，資源和能源的實際利用率并不高，這難免會影響化學(xué)工業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。所以要重點探討化工自動化控制的關(guān)鍵技術(shù)，以推動化學(xué)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 化工自動化控制技術(shù)概述

化工自動化是化工產(chǎn)品加工的具體環(huán)節(jié)，需要依靠大量的科學(xué)技術(shù)手段，也就是要求使用自動化控制技術(shù)，盡可能避免人為操作誤差的出現(xiàn)。尤其是在產(chǎn)品加工方面，針對流量、溫度、壓力、儀表液位等關(guān)鍵指標(biāo)的調(diào)控都需要進(jìn)行計算機(jī)編程，通過參數(shù)設(shè)置來實現(xiàn)高效的控制，確保產(chǎn)品加工能夠更加規(guī)范化、精準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)化[1]。

一般來說，自動化設(shè)備組裝和運(yùn)用能夠?qū)崿F(xiàn)部分人工替代目標(biāo)，這有助于適應(yīng)高質(zhì)量化工生產(chǎn)需要，提供生產(chǎn)安全性保障。化工行業(yè)一直以來都在為發(fā)展經(jīng)濟(jì)事業(yè)做巨大貢獻(xiàn)，化工安全生產(chǎn)也引起了人們高度的關(guān)注，而對于存在一定危險性的化工操作流程，不僅會威脅到操作人員的生命安全，對于生產(chǎn)作業(yè)效率也會帶來較大的負(fù)面影響。以往的加工模式已經(jīng)無法滿足時代的需求，現(xiàn)實的生產(chǎn)效率無法得到對應(yīng)的提升。為了妥善解決問題，必須要做好技術(shù)創(chuàng)新工作，最終推動化工業(yè)健康快速發(fā)展。因此，考慮到化工行業(yè)生產(chǎn)作業(yè)帶有危險性，為了進(jìn)一步提升化工生產(chǎn)效率，防范安全事故的發(fā)生，就需要考慮對化工自動化控制技術(shù)的合理使用，增大監(jiān)管力度，通過合理有效的技術(shù)手段和監(jiān)管避免這類情況的出現(xiàn)。

2 化工自動化控制和通常化工方法之間的差別

相比普通的化工生產(chǎn)方式，化工自動化控制最為明顯的差別在于動態(tài)與反饋兩個方面，找準(zhǔn)兩者之間的差別能夠?qū)ぷ詣踊刂朴懈庇^的理解。

2.1 動態(tài)

在控制流程之中，穩(wěn)態(tài)指的是各種各樣的工藝所依托的均衡狀態(tài)。當(dāng)生產(chǎn)處于穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)下，被意外因素干擾的時候就可能導(dǎo)致偏離穩(wěn)態(tài)的情況出現(xiàn)，最后在控制作用下才能緩慢恢復(fù)，這個過程就稱之為動態(tài)過程。一般來說，出現(xiàn)偏離現(xiàn)象之后無法完全恢復(fù)，有繼續(xù)偏離的可能，也有偏離出全新穩(wěn)態(tài)的可能。大部分工藝設(shè)施的設(shè)計都需要基于可能出現(xiàn)的最大偏離來進(jìn)行分析，不能按照穩(wěn)態(tài)進(jìn)行處理。

2.2 反饋

自動化控制是否成功的關(guān)鍵在于是否反饋消息。在控制系統(tǒng)之中，如果在控制器發(fā)生控制動作以后可以直接向控制器傳遞控制效果，進(jìn)行對比處理，就可以明確下一步校正，向控制器回傳控制效果的流程就是消息反饋[2]。

3 化工自動化控制存有的問題分析

3.1 自動化業(yè)務(wù)流程不夠標(biāo)準(zhǔn)

目前，運(yùn)用自動化控制模式的大多是獨立研發(fā)模型，原因主要在于自動化操控模型和獨立研發(fā)模型進(jìn)行了信息的交換，工業(yè)信息和模型也有互換關(guān)系的存在。因此，自動化業(yè)務(wù)流程對出現(xiàn)混亂的、不標(biāo)準(zhǔn)的情況，盡管各種模型有著自己獨立的自動化控制水平，但整體缺乏競爭力，很多時候都不具備設(shè)備流程模式和優(yōu)化流程工藝的條件。

3.2 自動化控制質(zhì)量管控參數(shù)規(guī)范性偏差

質(zhì)量管控存在于自動化控制中，是一個重要流程，要求做好屬性與標(biāo)準(zhǔn)的明確，這部分?jǐn)?shù)據(jù)在實際的生產(chǎn)活動中就需要加以明確。如客戶要求的主要數(shù)據(jù)信息，實際的化工產(chǎn)品參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)通常都沒有整體性規(guī)劃，從而使實際的自動化控制過程受到一定的負(fù)面影響。

3.3 自動化產(chǎn)業(yè)規(guī)模偏小

如今化工工藝類型越來越多，科研單位盡管具備一定的科研水平，但往往缺少資金力量，最終導(dǎo)致研發(fā)模型通用能力相對較低，并且產(chǎn)業(yè)化規(guī)模不足，從而導(dǎo)致已經(jīng)存在的過程模型消耗大量人力與財力，技術(shù)產(chǎn)品優(yōu)化也是如此。并且高級研究人員直接參與產(chǎn)品化程序的研發(fā)，耗費(fèi)大量財力、人力和技術(shù)力量。

3.4 自動化控制體系集成管理水平有待進(jìn)一步加強(qiáng)

在自動化控制體系之中，一般來說都是采取常規(guī)化的操作體系，但是這樣會導(dǎo)致超過九成的設(shè)施難以發(fā)揮其作用，研發(fā)與普及集成管控能力更強(qiáng)的自動化管控體系，就可以提升其自主優(yōu)化技術(shù)與流程模擬，同時也要求能夠增強(qiáng)相關(guān)的科研力度。

4 化工自動化控制的關(guān)鍵技術(shù)

化工自動化的傳統(tǒng)控制模式主要依靠機(jī)械或者單一線性程序，但是在實際生產(chǎn)中可能會出現(xiàn)突發(fā)情況或者非線性關(guān)系，進(jìn)而無法準(zhǔn)確判斷程序，需要依靠人工操作的方式進(jìn)行生產(chǎn)。有時候工作人員不能及時發(fā)現(xiàn)程序故障，極有可能引發(fā)安全事故，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失。如今電子信息技術(shù)持續(xù)發(fā)展和更新，化工自動化生產(chǎn)水平和質(zhì)量得到相應(yīng)的提升，更多企業(yè)紛紛在自動化控制系統(tǒng)里面添加計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以便積極應(yīng)對復(fù)雜的情況。但是大部分化工企業(yè)在實施自動化控制的過程中依舊是考慮到傳統(tǒng)的PID控制，這就要求進(jìn)一步加快創(chuàng)新，建立可靠的、先進(jìn)的控制程序，以此來減輕化工企業(yè)的負(fù)擔(dān)，提升經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。因此，主要探討了預(yù)測控制、人工智能控制、自適應(yīng)控制、MIS控制、監(jiān)測模型控制以及緊急停車控制，以便對化工自動化控制關(guān)鍵技術(shù)有更全面的了解。

4.1 預(yù)測控制

PID控制涵蓋定值、隨動以及程序等類型不同的傳統(tǒng)控制，不過核心機(jī)制統(tǒng)一，要通過儀表監(jiān)測參數(shù)指示值和測量值的區(qū)別，然后通過負(fù)反饋控制系統(tǒng)來加以調(diào)整，讓測量值和指示值能夠保持相互一致。PID控制對應(yīng)的時間精度要求不高，能發(fā)揮更大的作用，然而現(xiàn)代化工產(chǎn)品正逐漸朝著高效化、精密化發(fā)展，PID控制存在時間上的滯后性，不能適應(yīng)產(chǎn)品生產(chǎn)需要。在這一情況下預(yù)測控制出現(xiàn)了，基于PID控制進(jìn)行模型算法的預(yù)測，系統(tǒng)在一次負(fù)反饋校正之后就可以利用算法進(jìn)行下一次指示值的自動預(yù)估，接下來利用反饋系統(tǒng)把測量值直接調(diào)整為預(yù)估值水平。最后結(jié)合指示值進(jìn)行預(yù)估值的調(diào)控，因為指示值與預(yù)估值屬于相對接近關(guān)系，調(diào)整速度極大高于PID控制?；诓粩嗟姆e累提升預(yù)測模型算法精度，最終提升系統(tǒng)的整體效率[3]。

4.2 人工智能控制

在21世紀(jì)，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)理論的發(fā)展，在理論計算、數(shù)據(jù)分析等方面取得了驚人的成果，化工行業(yè)引入人工智能概念。目前，很多化工企業(yè)都嘗試添加人工智能程序，以便提升自動化水平。專家系統(tǒng)是較為簡單的一種人工智能控制系統(tǒng)，涉及大量理論知識、生產(chǎn)實踐經(jīng)驗。當(dāng)系統(tǒng)在特殊條件下無須人工操作時，就可以直接利用專家系統(tǒng)，基于相應(yīng)的理論與經(jīng)驗來實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的合理調(diào)整。專家系統(tǒng)既有最初知識信息寫入，又能通過專家實現(xiàn)新知識與新內(nèi)容的不斷補(bǔ)充，同時修改錯誤的、過時的信息[4]。

如國電赤峰3052煤制尿素項目就屬于智能制造裝備發(fā)展的專項項目，屬于國電智深公司控制系統(tǒng)在化工領(lǐng)域的首次運(yùn)用。在項目控制中，按照現(xiàn)實要求涵蓋了兩個部分：中央控制系統(tǒng)、動力車間控制系統(tǒng)，系統(tǒng)配置如圖1所示。利用域管理技術(shù)可以科學(xué)分解系統(tǒng)處理模塊，實現(xiàn)不同功能的接入、隔離，為獨立裝置監(jiān)控、全流程集中監(jiān)控提供支持。

圖1 化工項目智能化控制系統(tǒng)圖

4.3 自適應(yīng)控制

傳統(tǒng)程序控制系統(tǒng)對應(yīng)比較簡單的算法程序，在工作人員設(shè)定好算法之后，系統(tǒng)就根據(jù)固定參數(shù)算法完成所需操作。在時間的推移中，算法最后會失去效用。有的時候在實際操作中反應(yīng)器內(nèi)部環(huán)境會有突發(fā)性的改變，造成既有算法很難發(fā)揮應(yīng)有效用。所以，傳統(tǒng)的程序控制系統(tǒng)在實際的運(yùn)行中需要配合人工的算法調(diào)節(jié)，一旦沒能第一時間調(diào)節(jié)，就可能造成原材料的損失，也可能會直接損壞設(shè)備。自適應(yīng)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)能夠很好地解決這類問題，自適應(yīng)系統(tǒng)基于傳統(tǒng)的程序控制增加了決策控制和環(huán)境評估，系統(tǒng)主要是利用儀表對反應(yīng)器的環(huán)境做出綜合性評估，然后通過決策程序來產(chǎn)生控制決策，實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)算法的自動調(diào)節(jié)[5]。

4.4 MIS控制

隨著化工自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，化工自動化技術(shù)必定會滲透到數(shù)據(jù)采集整理、經(jīng)營管理、生產(chǎn)決策等多個環(huán)節(jié)中。就MIS控制系統(tǒng)而言，它本身在化工行業(yè)擁有較為廣闊的發(fā)展前景，通過一體化信息平臺，在科學(xué)技術(shù)的推動下成為自動化控制系統(tǒng)。圖2展示的MIS控制系統(tǒng)圖，能夠?qū)崿F(xiàn)更為科學(xué)的自動化管理，促進(jìn)化工行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

圖2 MIS控制系統(tǒng)圖

4.5 監(jiān)測模型控制

針對這一環(huán)節(jié)，具體的化工生產(chǎn)監(jiān)督涉及對模型的分析，其本身對于保護(hù)整個生產(chǎn)鏈的安全性有至關(guān)重要的作用。在化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)使用監(jiān)控模型技術(shù)加以分析，主要是分析實際執(zhí)行情況，能夠提供工具和有關(guān)工作人員的其他信息，很多都可以直接進(jìn)行現(xiàn)實生產(chǎn)情況的用戶化處理。只要能夠全面把握，快速確定生產(chǎn)設(shè)備發(fā)生的故障和問題，尤其是在大范圍出現(xiàn)的時候，依舊有助于化工生產(chǎn)安全性與可靠性的提升。

在實際控制中，需要對化工生產(chǎn)細(xì)節(jié)有更準(zhǔn)確的理解、把控，提高整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全性、可靠性。通過細(xì)致地分析化工生產(chǎn)涉及的每一個環(huán)節(jié)，知道生產(chǎn)設(shè)備的故障和一些安全隱患，以便及時進(jìn)行挖掘，這樣才能夠及時發(fā)展問題，并且將設(shè)備對應(yīng)的質(zhì)量風(fēng)險與安全風(fēng)險真正解決。

4.6 緊急停車系統(tǒng)控制

在應(yīng)用自動化控制技術(shù)中，運(yùn)用緊急停車系統(tǒng)是非常關(guān)鍵的，特別是對化工自動化控制有重要意義。為了能夠有效地避免安全事故的發(fā)生，如果生產(chǎn)設(shè)備或者生產(chǎn)裝置達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，就會觸發(fā)這一系統(tǒng)，從而避免惡性安全事故的出現(xiàn)[6]。對于化工自動化控制、緊急停車系統(tǒng)，兩者是有區(qū)別的，前者以連續(xù)的、動態(tài)的控制為主，做好生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)測處理，確保將各項生產(chǎn)指標(biāo)均控制在合理的標(biāo)準(zhǔn)范疇；后者則以檢測關(guān)鍵參數(shù)的對應(yīng)臨界值為主，只要設(shè)備的參數(shù)超過臨界值，緊急停車系統(tǒng)即刻進(jìn)行干預(yù)，保證整個生產(chǎn)過程安全可靠。

針對緊急停車系統(tǒng)，其本身主要是結(jié)合實際的停車方式，將其直接劃分成為全面緊急停車、局部緊急停車、正常停車，以此確?；どa(chǎn)安全。對于全面緊急停車而言，以由突發(fā)意外事件引發(fā)的停電停水問題為主；局部緊急停車以由電源損壞或者設(shè)備發(fā)生故障等引起的問題為主；正常停車是有規(guī)律的、有計劃的停車現(xiàn)象，以便工作人員能夠做好全面的檢查與維護(hù)。所以，就需要盡可能避免出現(xiàn)太多的中間設(shè)備。針對故障安全原則，主要涉及執(zhí)行單元、檢測單元，一旦故障出現(xiàn)，就可能會滋生危險，即刻啟動緊急停車系統(tǒng)，以此來規(guī)避事故的發(fā)生，保證運(yùn)行效益。

5 結(jié)語

科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和更新使得化工自動化控制技術(shù)也跟隨時代的發(fā)展步伐而不斷創(chuàng)新?；诩夹g(shù)層面分析，在化工業(yè)發(fā)展中需要做好對應(yīng)的自動化控制探究與實踐，這樣才能實現(xiàn)自動化控制技術(shù)的不斷創(chuàng)新，推動化工行業(yè)的有序、穩(wěn)定發(fā)展，最終推動國民經(jīng)濟(jì)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。