基于模糊算法的化工企業(yè)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)如何增強(qiáng)化工企業(yè)在復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境下的自動(dòng)控制能力問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于模糊算法的自動(dòng)化儀表系統(tǒng)。首先，明確了化工企業(yè)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)的組成和工作原理及特點(diǎn)。其次，設(shè)計(jì)了自動(dòng)化儀表系統(tǒng)監(jiān)測(cè)總體方案。再次，提出了一種基于模糊算法的儀表設(shè)備故障診斷模型。最后，通過對(duì)監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的方法在動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性方面的優(yōu)越性。結(jié)果表明，基于模糊算法的自動(dòng)化儀表系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)控制器在各個(gè)性能指標(biāo)上均有顯著提升。

關(guān)鍵詞：模糊算法；化工企業(yè)；自動(dòng)化儀表

中圖分類號(hào)：TP273；TH86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著全球工業(yè)化步伐的加快，化工行業(yè)作為支柱產(chǎn)業(yè)之一，在塑造現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和提升社會(huì)生活質(zhì)量方面扮演著不可或缺的角色。近年來(lái)，化工企業(yè)面對(duì)日益復(fù)雜的生產(chǎn)流程、嚴(yán)格的安全法規(guī)和日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，其自動(dòng)化程度亟須提升。自動(dòng)化儀表系統(tǒng)作為化工生產(chǎn)的核心組成部分，能夠有效地監(jiān)測(cè)、控制以及優(yōu)化生產(chǎn)過程，進(jìn)而提升生產(chǎn)效率、降低成本和改善產(chǎn)品質(zhì)量，確保企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。為了解決上述問題，現(xiàn)代化工企業(yè)亟須尋求更有效的控制策略。模糊控制作為一種基于模糊集合理論的控制方法，通過對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的模糊化處理，可以更靈活地應(yīng)對(duì)不確定性和復(fù)雜性的挑戰(zhàn)。本文基于行業(yè)狀況和技術(shù)需求，通過引入模糊控制理論，設(shè)計(jì)了一個(gè)新型的自動(dòng)化儀表系統(tǒng)，以期在復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的生產(chǎn)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更高效的控制。

1 化工企業(yè)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)

1.1 自動(dòng)化儀表系統(tǒng)組成

化工企業(yè)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)由多個(gè)關(guān)鍵部件組成，包括控制系統(tǒng)、傳感器、執(zhí)行元件、通信網(wǎng)絡(luò)等[1]?？刂葡到y(tǒng)是整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)接收來(lái)自傳感器的信號(hào)并根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯進(jìn)行處理，然后向執(zhí)行元件下達(dá)指令。傳感器負(fù)責(zé)采集各種參數(shù)數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、流量等，以便控制系統(tǒng)做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)和控制動(dòng)作。執(zhí)行元件負(fù)責(zé)執(zhí)行控制系統(tǒng)下達(dá)的指令，如開關(guān)閥門、啟停電機(jī)等。通信網(wǎng)絡(luò)則是各個(gè)部件之間傳輸數(shù)據(jù)和信息的媒介，確保各個(gè)部件之間的協(xié)調(diào)和配合?；て髽I(yè)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)的組成部件既相互獨(dú)立又相互依賴，共同構(gòu)成了整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的工作機(jī)制[2]。

1.2 自動(dòng)化儀表系統(tǒng)工作原理及特點(diǎn)

化工企業(yè)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)是煉油廠生產(chǎn)過程中的重要組成部分，主要包括各種輸送設(shè)備、壓縮機(jī)、泵站、加熱爐、分餾塔、反應(yīng)器等設(shè)備，如圖1 所示。這些設(shè)備通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，從而實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化。自動(dòng)化儀表系統(tǒng)的工作原理主要是通過傳感器、執(zhí)行器和控制器組成的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煉油生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)和控制。傳感器用于采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)數(shù)據(jù)，執(zhí)行器負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作和調(diào)節(jié)，而控制器則負(fù)責(zé)處理傳感器采集的數(shù)據(jù)并下達(dá)控制指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和調(diào)控。自動(dòng)化儀表系統(tǒng)具有高效、精準(zhǔn)、可靠和安全等特點(diǎn)[3]。

2 自動(dòng)化儀表系統(tǒng)監(jiān)測(cè)總體方案

隨著石油企業(yè)的發(fā)展，自動(dòng)化儀表系統(tǒng)所需的電氣設(shè)備數(shù)量增加，然而由于運(yùn)行環(huán)境惡劣，設(shè)備故障率較高，因此石油企業(yè)常常需要停機(jī)檢查設(shè)備，這給石油企業(yè)的生產(chǎn)造成了不必要的生產(chǎn)損失。為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況并進(jìn)行預(yù)警提示，避免設(shè)備故障帶來(lái)的生產(chǎn)損失。同時(shí)，設(shè)備維修人員能夠根據(jù)系統(tǒng)提供的故障預(yù)警信息，快速定位故障設(shè)備，有效提高設(shè)備的檢修效率[4]。

2.1 功能需求

自動(dòng)化儀表系統(tǒng)的功能需求：①數(shù)據(jù)采集。通過物聯(lián)網(wǎng)的感知節(jié)點(diǎn)感知自動(dòng)化儀表系統(tǒng)溫度、濕度、氨氣濃度、硫化氫氣體濃度。②設(shè)備控制。通過用戶端對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)濕簾、風(fēng)機(jī)、暖氣等設(shè)備的啟停控制。③數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。能夠?qū)⒉杉沫h(huán)境參數(shù)生成歷史記錄和設(shè)備狀態(tài)的運(yùn)轉(zhuǎn)日志保存到后臺(tái)，并提供下載端。④數(shù)據(jù)可視化。將環(huán)境參數(shù)采集值通過表格或折線圖進(jìn)行展示，以方便用戶了解環(huán)境的變化。⑤自動(dòng)化功能。系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行設(shè)備調(diào)控以滿足環(huán)境參數(shù)的設(shè)定值[5]。

2.2 監(jiān)控框架

自動(dòng)化儀表系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)框架主要是根據(jù)三層物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)以及云平臺(tái)的系統(tǒng)開發(fā)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2 所示。

2.3 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸通道

石油企業(yè)網(wǎng)絡(luò)普遍采用星形加環(huán)形的配置方式。設(shè)備完成回采任務(wù)后，需要將其搬移到采區(qū)并拆除其網(wǎng)絡(luò)。因此，采區(qū)選用星形網(wǎng)絡(luò)接線，而石油的主干網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形與星形網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的布置方式，更加穩(wěn)定可靠[6]。

目前，現(xiàn)場(chǎng)總線（field bus）、以太網(wǎng)（Ethernet）和光纖通信是主流的工業(yè)通信方式。當(dāng)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)時(shí)，通過RS-485 通信的方式將故障信息傳輸至上位機(jī)。RS-485 抗干擾能力強(qiáng)，能夠有效降低礦井中變頻器等設(shè)備的干擾，單節(jié)通信距離可達(dá)1 200 m，傳輸速度可達(dá)10 Mb/s。此外，RS-485 還具有多節(jié)點(diǎn)雙向通信的特點(diǎn)，多個(gè)從機(jī)可以同時(shí)響應(yīng)主機(jī)的命令，增加了驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性。SP3485EN 芯片是一款用于RS-485 通信的半雙工收發(fā)器件，支持20 Mb/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，具有短路保護(hù)和熱關(guān)斷保護(hù)的功能；內(nèi)部電源電壓穩(wěn)定器可以在寬電壓范圍內(nèi)工作，增強(qiáng)對(duì)外部電源噪聲和波動(dòng)的抵抗能力；具有熱插拔保護(hù)功能，可防止在設(shè)備開關(guān)或通信連接時(shí)產(chǎn)生潛在的電氣損壞。RS-485 電路的芯片輸入/ 輸出采用光耦進(jìn)行光電隔離，采用F0303LS DC-DC 直流隔離電源模塊作監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸通道接口隔離，提高RS-485 的通信能力。綜上，光纖通信具備高速率、高安全性、高可靠性、長(zhǎng)壽命和低成本等優(yōu)點(diǎn)。

3 基于模糊算法的設(shè)備故障診斷

比例積分微分（proportional integral derivative，PID）控制是一種經(jīng)典且實(shí)用的控制方法，是目前工業(yè)中廣泛應(yīng)用的線性反饋控制。PID 控制具有簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)、適用性廣泛、魯棒性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，常用參數(shù)的整定已經(jīng)較為成熟，可以快速調(diào)試出正確的整定值，這使其在各個(gè)領(lǐng)域都具有重要的價(jià)值。目前，PID 控制經(jīng)常應(yīng)用于溫度控制、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域。PID 控制結(jié)構(gòu)中，P 代表比例控制，I代表積分控制，D 代表微分控制，分別對(duì)應(yīng)比例、積分、微分環(huán)節(jié)，PID 控制就是根據(jù)輸出值與參考值的誤差，分別調(diào)節(jié)比例、積分、微分的增益系數(shù)來(lái)控制系統(tǒng)，一般需要多次調(diào)節(jié)來(lái)達(dá)到期望的控制效果，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般PID 控制器的傳遞函數(shù)G（s）計(jì)算如下：

模糊控制器和被控對(duì)象共同組成了模糊控制系統(tǒng)，其中，模糊控制器由模糊化、知識(shí)庫(kù)、決策邏輯和解模糊化4 個(gè)模塊構(gòu)成，而知識(shí)庫(kù)又由隸屬度函數(shù)和模糊控制規(guī)則2 個(gè)模塊組成。由于模糊控制器只能處理模糊值，所以需要模糊化模塊根據(jù)模糊控制規(guī)則將輸入的精確值模糊化，從而將初始論域映射到模糊論域，以進(jìn)行模糊推理和應(yīng)用。同時(shí)，模糊化也是輸入變量進(jìn)入模糊控制器的第一個(gè)模塊。語(yǔ)言變量用于確定輸入/ 輸出參數(shù)和參考值的關(guān)系，與參考值進(jìn)行比較。

4 模型性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

確定好模型結(jié)構(gòu)及超參數(shù)后，為了驗(yàn)證所提出模型的學(xué)習(xí)能力，對(duì)模型進(jìn)行20 次迭代訓(xùn)練。圖3揭示了模型在不同負(fù)載條件下對(duì)數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練過程和驗(yàn)證過程的迭代曲線。模型在數(shù)據(jù)集下訓(xùn)練過程都表現(xiàn)較為穩(wěn)定，并且在之后的迭代中保持穩(wěn)定的狀態(tài)，沒有出現(xiàn)梯度爆炸的現(xiàn)象。這證明了所提出的模型對(duì)單一傳感器和多傳感器融合的數(shù)據(jù)集都具有良好的學(xué)習(xí)能力。

由圖3 可知，系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)方向位移實(shí)際值在峰值處均略大于理論值，其他時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)軌跡基本重合，表明控制器中的模糊算法具有良好的追蹤性能。

5 結(jié)論

本文不僅在理論上拓展了模糊算法在化工自動(dòng)化控制領(lǐng)域的應(yīng)用，還在實(shí)踐中提供了全新的解決方案，具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)集中在兩個(gè)方面：一方面，提出了一種結(jié)合模糊邏輯控制和機(jī)器學(xué)習(xí)的多層次控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，這為提高化工企業(yè)的自動(dòng)化水平奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；另一方面，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模糊控制在不確定環(huán)境中的有效性，為相應(yīng)理論的應(yīng)用提供了實(shí)踐證明。希望本文能夠?yàn)榛て髽I(yè)的自動(dòng)化水平提升和智能化改造提供可供借鑒的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

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