精細(xì)化工過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展方向

閻智峰

（河南鑫利安全技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，河南 安陽(yáng) 450000）

1 精細(xì)化工過(guò)程控制技術(shù)概述

精細(xì)化工是指在化工生產(chǎn)中，對(duì)產(chǎn)品中所含有的雜質(zhì)成分去除，使其達(dá)到特定的純度和規(guī)格要求的一種生產(chǎn)方式。精細(xì)化工生產(chǎn)涉及高精度的工藝操作和控制，需要使用高效的過(guò)程控制技術(shù)來(lái)保證產(chǎn)品的質(zhì)量、效率和安全性。精細(xì)化工過(guò)程控制技術(shù)是一種用于監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)和控制過(guò)程中變量的一組方法。這些變量可以是溫度、壓力、濃度、流量及其他影響過(guò)程結(jié)果的參數(shù)。精細(xì)化工過(guò)程控制技術(shù)主要包括傳統(tǒng)的PID 控制器和反饋控制策略，以及現(xiàn)代的模型預(yù)測(cè)控制（MPC）、自適應(yīng)控制、優(yōu)化控制、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等先進(jìn)技術(shù)。傳統(tǒng)的PID 控制器和反饋控制策略是過(guò)程控制領(lǐng)域中最常用的工具之一。PID 控制器通過(guò)比較實(shí)際輸出和目標(biāo)值的差異，計(jì)算出控制信號(hào)，以調(diào)節(jié)輸入變量，從而控制輸出變量。反饋控制策略則通過(guò)對(duì)系統(tǒng)變量的連續(xù)監(jiān)測(cè)和比較，來(lái)確定控制操作的方向和大小。然而，對(duì)復(fù)雜、高時(shí)變的精細(xì)化工過(guò)程，傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)不再適用。因此，模型預(yù)測(cè)控制（MPC）技術(shù)、自適應(yīng)控制技術(shù)、優(yōu)化控制技術(shù)和魯棒控制技術(shù)等先進(jìn)的過(guò)程控制技術(shù)逐漸得到了應(yīng)用。這些技術(shù)不僅能夠解決復(fù)雜過(guò)程的控制問(wèn)題，還能夠提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[1]。

2 精細(xì)化工過(guò)程控制技術(shù)的困難和挑戰(zhàn)

2.1 過(guò)程復(fù)雜性

精細(xì)化工過(guò)程通常涉及多個(gè)反應(yīng)器、分離器和再生器等復(fù)雜的單元操作。這些單元操作之間相互耦合、相互影響，使得整個(gè)過(guò)程的控制更加困難。此外，過(guò)程中可能存在非線性和時(shí)變性質(zhì)，使得傳統(tǒng)的線性控制方法不再適用。

2.2 多變量性

在精細(xì)化工過(guò)程中，往往需要同時(shí)控制多個(gè)變量，例如溫度、壓力、流量、濃度等。這些變量之間存在相互關(guān)聯(lián)和相互影響，對(duì)傳統(tǒng)的單變量控制策略提出了更高的要求。對(duì)多變量系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和協(xié)調(diào)控制是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

2.3 安全性和可靠性

精細(xì)化工過(guò)程往往涉及高溫、高壓和易燃易爆的物質(zhì)，對(duì)過(guò)程的安全性要求非常高，其中，火災(zāi)爆炸事故有毒有害物質(zhì)釋放比例見(jiàn)表1。過(guò)程控制技術(shù)需要能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)和響應(yīng)異常情況，并確保過(guò)程的穩(wěn)定性和安全性。同時(shí)，過(guò)程控制技術(shù)還需要具備高可靠性，能夠應(yīng)對(duì)設(shè)備故障和突發(fā)情況。

表1 火災(zāi)爆炸事故有毒有害物質(zhì)釋放比例（%）

3 新興技術(shù)在精細(xì)化工過(guò)程控制中的應(yīng)用

3.1 神經(jīng)模糊控制技術(shù)

神經(jīng)模糊控制技術(shù)在精細(xì)化工過(guò)程控制中的應(yīng)用具有廣泛的潛力和重要性。精細(xì)化工過(guò)程通常面臨復(fù)雜的非線性、時(shí)變性和多變量性等挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的線性控制方法往往無(wú)法滿足需求。在這種情況下，神經(jīng)模糊控制技術(shù)作為一種結(jié)合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯的控制方法，能夠有效地克服這些困難，提高過(guò)程的控制性能和效果。首先，神經(jīng)模糊控制技術(shù)在精細(xì)化工過(guò)程控制中的應(yīng)用非常適應(yīng)非線性系統(tǒng)。精細(xì)化工過(guò)程中存在復(fù)雜的非線性行為，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以利用其強(qiáng)大的非線性映射能力來(lái)對(duì)這些行為進(jìn)行建模和預(yù)測(cè)。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力，控制系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)整參數(shù)以實(shí)現(xiàn)更好的控制效果。其次，神經(jīng)模糊控制技術(shù)在處理多變量系統(tǒng)方面表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。神經(jīng)模糊控制技術(shù)通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的并行計(jì)算能力和模糊邏輯的整體控制能力，可以在多變量系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，并保持變量之間的協(xié)調(diào)和穩(wěn)定。此外，精細(xì)化工過(guò)程往往需要考慮安全性和可靠性的要求。神經(jīng)模糊控制技術(shù)通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性和魯棒性，能夠應(yīng)對(duì)參數(shù)變化、外部干擾和設(shè)備故障等不確定性，保證過(guò)程的穩(wěn)定性和安全性。此外，神經(jīng)模糊控制技術(shù)還可以對(duì)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和響應(yīng)，以防止?jié)撛诘奈ｋU(xiǎn)情況的發(fā)生。其中，化工行業(yè)主要風(fēng)險(xiǎn)因素見(jiàn)圖1。另外，精細(xì)化工過(guò)程中通常需要進(jìn)行過(guò)程模型的建立和參數(shù)辨識(shí)。神經(jīng)模糊控制技術(shù)通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力，能夠從大量的過(guò)程數(shù)據(jù)中自適應(yīng)地建立和優(yōu)化模型。這使得控制系統(tǒng)能夠更好地理解過(guò)程的動(dòng)態(tài)行為，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化[2]。

圖1 化工行業(yè)主要風(fēng)險(xiǎn)因素

3.2 模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)

新興技術(shù)在精細(xì)化工過(guò)程控制中的應(yīng)用方面，模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)（Model Predictive Control，MPC）被廣泛關(guān)注和采用。MPC 是一種先進(jìn)的控制策略，它基于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的未來(lái)行為來(lái)優(yōu)化控制決策，將未來(lái)的控制動(dòng)作以最優(yōu)的方式應(yīng)用于系統(tǒng)中。MPC 技術(shù)在精細(xì)化工過(guò)程中有著多方面的應(yīng)用。首先，MPC 可以通過(guò)建立精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)復(fù)雜的化工過(guò)程進(jìn)行建模和仿真，以獲得對(duì)系統(tǒng)行為的深入理解。這使得工程師能夠更好地優(yōu)化控制算法，并針對(duì)具體過(guò)程調(diào)整參數(shù)。其次，MPC 技術(shù)在實(shí)時(shí)優(yōu)化中發(fā)揮著重要作用。通過(guò)不斷更新并優(yōu)化預(yù)測(cè)模型，MPC 技術(shù)可以針對(duì)不同的運(yùn)行條件和限制條件調(diào)整控制策略，以實(shí)現(xiàn)最佳的操作點(diǎn)選擇和控制優(yōu)化。這有助于提高過(guò)程的效率、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。此外，MPC 技術(shù)還支持對(duì)多個(gè)變量進(jìn)行聯(lián)合控制。由于精細(xì)化工過(guò)程中的多變量相互聯(lián)系，傳統(tǒng)的控制策略可能無(wú)法同時(shí)考慮各個(gè)因素的影響。而MPC 技術(shù)可以通過(guò)建立多變量模型，綜合考慮各個(gè)因素之間的相互作用，實(shí)現(xiàn)更全面的過(guò)程控制。此外，MPC技術(shù)還具有強(qiáng)大的魯棒性和魯棒優(yōu)化能力。通過(guò)預(yù)測(cè)和優(yōu)化，MPC 可以更好地處理系統(tǒng)不確定性、噪聲和干擾等問(wèn)題，并能夠在系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)做出及時(shí)調(diào)整。然而，在使用MPC 技術(shù)時(shí)也面臨一些挑戰(zhàn)。MPC 技術(shù)對(duì)精確的數(shù)學(xué)模型和準(zhǔn)確的過(guò)程參數(shù)要求較高，因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行充分的系統(tǒng)建模和參數(shù)辨識(shí)。此外，MPC 技術(shù)計(jì)算復(fù)雜度較高，需要強(qiáng)大的計(jì)算資源來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。

3.3 大數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)

大數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)是近年來(lái)在精細(xì)化工過(guò)程控制中得到廣泛關(guān)注的一種新興技術(shù)。它可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化處理、分析和挖掘，為過(guò)程控制和優(yōu)化提供更強(qiáng)大的支持和幫助。在精細(xì)化工過(guò)程中，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常龐大和復(fù)雜，這些數(shù)據(jù)中包含了大量的有用信息和規(guī)律。通過(guò)采用大數(shù)據(jù)分析和挖掘技術(shù)，可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，從而預(yù)測(cè)和優(yōu)化過(guò)程的行為和性能。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以建立統(tǒng)計(jì)模型、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)模型，并利用這些模型來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程的預(yù)測(cè)和優(yōu)化。通過(guò)對(duì)歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析和挖掘，可以發(fā)現(xiàn)過(guò)程的潛在模式和關(guān)聯(lián)規(guī)律，從而幫助進(jìn)行預(yù)測(cè)和決策。此外，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)還可以在精細(xì)化工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)故障診斷和監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和監(jiān)控，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和診斷異常情況或設(shè)備故障，這些技術(shù)可以幫助制定有效的預(yù)警策略，降低設(shè)備損壞和生產(chǎn)延誤的風(fēng)險(xiǎn)，其中，產(chǎn)品管道損壞原因及事故率見(jiàn)表2。另外，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以在精細(xì)化工過(guò)程的優(yōu)化和控制中發(fā)揮作用。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，可以識(shí)別出影響過(guò)程性能和效果的因素，并針對(duì)性地制定控制策略和優(yōu)化方案。這些技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)過(guò)程的自適應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化，提高過(guò)程的性能和效率。采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以將傳感器和設(shè)備的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程的智能化監(jiān)測(cè)和控制，使得企業(yè)能夠更快速、準(zhǔn)確地做出決策，并優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

表2 產(chǎn)品管道損壞原因及事故率

4 精細(xì)化工過(guò)程控制技術(shù)未來(lái)發(fā)展的展望

4.1 多源數(shù)據(jù)集成和分析

①多源數(shù)據(jù)集成將會(huì)變得更加高效和智能化。隨著物聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)工藝的發(fā)展，將會(huì)有越來(lái)越多的數(shù)據(jù)源產(chǎn)生，這些數(shù)據(jù)源會(huì)來(lái)自不同的傳感器、設(shè)備、系統(tǒng)和站點(diǎn)。未來(lái)的技術(shù)將會(huì)更加注重將這些數(shù)據(jù)源集中化，并通過(guò)智能化的手段進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和集成。這將有助于提高精細(xì)化工過(guò)程的監(jiān)控、分析和優(yōu)化效率。②多源數(shù)據(jù)分析將變得更加準(zhǔn)確和高質(zhì)量。多源數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展將更加重視對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘、分析和建模。這方面的技術(shù)包括機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘等。通過(guò)將這些分析技術(shù)應(yīng)用于多維度、多模態(tài)的數(shù)據(jù)源中，可以更加準(zhǔn)確地分析生產(chǎn)過(guò)程和過(guò)程行為，發(fā)現(xiàn)潛在的關(guān)聯(lián)規(guī)律和窗口期。③多源數(shù)據(jù)集成和分析將會(huì)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和創(chuàng)新。多源數(shù)據(jù)信息的綜合分析和應(yīng)用可以幫助實(shí)現(xiàn)更加智能化、綠色化和可持續(xù)的生產(chǎn)方式。如多源數(shù)據(jù)分析可以用于改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)業(yè)品質(zhì)和降低能源消耗。此外，多源數(shù)據(jù)分析還可以用于發(fā)現(xiàn)新的工藝變化、潛在的工業(yè)投資機(jī)會(huì)和增長(zhǎng)點(diǎn)，從而推動(dòng)精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新和升級(jí)。

4.2 高效能源利用和環(huán)境友好

首先，未來(lái)的發(fā)展將注重優(yōu)化能源利用效率。精細(xì)化工過(guò)程通常涉及高能耗的反應(yīng)和分離過(guò)程，因此在能源利用方面的改進(jìn)具有重要意義。未來(lái)，精細(xì)化工過(guò)程控制技術(shù)將專注于優(yōu)化能源的使用和減少能源浪費(fèi)。這可以通過(guò)自動(dòng)化控制、智能優(yōu)化算法和先進(jìn)的過(guò)程監(jiān)控技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，可以減少能源消耗并提高能源利用效率。其次，環(huán)境友好性將成為未來(lái)發(fā)展的主要考慮因素之一。精細(xì)化工過(guò)程控制技術(shù)將更加關(guān)注減少污染物的排放和廢棄物的處理。這可以通過(guò)先進(jìn)的廢氣處理技術(shù)、廢物回收和再利用等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。智能化的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)可以幫助提高環(huán)境監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，并且可以及時(shí)檢測(cè)和預(yù)測(cè)潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，其中，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源的分類如圖2所示。此外，未來(lái)的發(fā)展將促進(jìn)更加環(huán)保的綠色工藝技術(shù)的應(yīng)用。綠色工藝技術(shù)是指通過(guò)改變生產(chǎn)工藝或使用環(huán)保材料來(lái)減少環(huán)境污染和資源消耗的技術(shù)。如可替代風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)、推廣可再生能源的使用和開(kāi)發(fā)更高效的催化劑等，這些綠色工藝技術(shù)將成為精細(xì)化工過(guò)程控制技術(shù)中的重要發(fā)展方向。最后，發(fā)展可持續(xù)能源技術(shù)將進(jìn)一步推動(dòng)精細(xì)化工過(guò)程控制技術(shù)的環(huán)境友好性。隨著可再生能源技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的精細(xì)化工控制過(guò)程可能會(huì)更多地采用可再生能源，并減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴。如使用太陽(yáng)能或風(fēng)能來(lái)為工藝提供動(dòng)力，同時(shí)可減少溫室氣體的排放。

圖2 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源的分類

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)精細(xì)化工過(guò)程控制技術(shù)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了探析，精細(xì)化工過(guò)程控制技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新將為化工行業(yè)帶來(lái)更高的效益和質(zhì)量保障，并為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。因此，在未來(lái)的研究和實(shí)踐中，應(yīng)該進(jìn)一步關(guān)注以上提到的發(fā)展方向，并不斷推動(dòng)精細(xì)化工過(guò)程控制技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。