化工自動化分析

摘要:化工生產過程自動化是一門綜合性的技術學科，它是利用自動控制器儀表學科，以及計算機學科的理論與技術，服務于化學工程學科的。

關鍵詞:化工儀表;化工自動化

中圖分類號:TP

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)21-0296-02

1 引言

化學工業是國民經濟中必不可少的重要組成部分，它不但直接影響國計民生而且與國民經濟的其他部門密切相關，同時又是農業、輕工、紡織、國防、交通運輸等部門發展的不可或缺的基礎工業之一。化工生產過程，往往是在密閉的容器和設備中，在高壓、真空、高溫、深冷的情況下連續進行的。此外，不少介質還具有毒、易燃、易爆、有腐蝕的性質。因此，為使化工生產正常地、高效地進行，就必須把各項工藝參數維持在某一最佳范圍之內，并盡量使生產過程自動化、現代化。所謂化工生產過程自動化，就是在化工設備上，配置一些自動化裝置，代替操作人員的部分直接勞動，使生產在不同程度上自動地進行。

2 化工自動化釋義及其重要意義

在化工設備上，配備上一些自動化裝置，代替操作人員的部分直接勞動，是生產在不同程度上自動地進行，這種用自動化裝置來管理化工生產過程的辦法稱為化工自動化。實行化工自動化的重要意義:

(1)加快生產速度，降低生產成本，提高產品產量和質量;

(2)減輕勞動強度，改善勞動條件;

(3)能夠保證生產安全，防止事故發生和擴大，達到延長設備使用壽命，提高設備利用能力的目的;

(4)生產過程自動化的實現，能根本改變勞動方式，提高工人文化技術水平，為逐步地消滅體力勞動和腦力勞動之間的差別創造條件。

3 化工自動化儀表與控制系統的基本現狀

進入21世紀，我國制造業的高速發展，拉動了對化工自動化儀表與控制系統的需求，我國新上的大型項目所用化工自動化儀表和控制系統的先進程度已經處于世界領先水平。當前傳統制造業在發達國家已經過了輝煌期，與之配套的化工自動化儀表自然就增長緩慢。化工自動化儀表發展的熱點在新興市場的價格問題從兩個方面夾擊儀表制造商，一是新興市場的用戶對產品價格敏感度很高;二是在那里往往可以找非常便宜的替代品，這樣就難以激發跨國企業花大成本研制新型儀表。

雖然化工自動化儀表新產品的推出速度減緩，但是化工自動化儀表的技術發展史持續不斷的，化工自動化儀表制造商近兩年新技術發展積極性不高，但化工自動化儀表用戶發展自動化技術的積極性越來越高。最近，在信息技術的融入、儀表安全技術、無線通信技術等各方面都有令人矚目的發展。另外國外新產品推出的減速，為我國化工自動化儀表的發展帶來了機遇。國內化工自動化儀表近兩年繼續健康發展，信息安全、過程自動化、環境和質量控制、無線與網絡通信、企業集成;這六個方面反映了近兩年化工自動化儀表領域的主要發展動向。

4 化工自動化的發展趨勢

隨著科學技術的飛速發展及其在工業生產中廣泛和深入的應用，近幾十年工業生產的發展體現著兩個明顯的特征，一是生產規模越來越大，二是生產技術水平越來越高。長期以來，我國化學工業技術水平較低，導致能耗物耗高，限制了化學工業的發展。要改變這種局面，根本的出路就是走科技進步的道路，采用先進實用的技術改造傳統產業。鑒于化學工業工藝復雜、高溫、高壓，許多物料易燃、易爆、有毒等特性，特別需要有劑干粉，活性恢復率超過100%。利用其它有機廢水也可生產性能良好的絮凝劑。可靠有效的檢測與控制手段來保證安全生產和優質高產。

4.1 先進控制及其特點

先進控制(APC)是那些不同于常規單回路控制，并具有比常規PID控制效果更好的控制策略的統稱，這些控制策略是先進性的，但它們目前在工業過程中還很少被使用。由于先進控制的內涵豐富，同時帶有較強的時代特征，因此至今對先進控制還沒有嚴格的、統一的定義。先進控制最具有代表性的技術是“多變量預估控制”。先進控制具有以下主要特點:

(1)與傳統的PID控制不同，先進控制是一種基于模型的控制策略，如模型預測控制和推斷控制等。智能控制正成為先進控制的一個重要發展方向;

(2)先進控制通常用于處理復雜的多變量過程控制問題，如大時滯、多變量耦合、被控變量與控制變量存在著各種約束等。

(3)先進控制的實現需要足夠的計算能力作為支持平臺。近一二十年來，計算機的飛速發展及各種功能強大的應用軟件的不斷推出為這個平臺提供了可能。

4.2 先進控制的主要內容

4.2.1 過程辨識技術

過程辨識技術即確立一些變量以及它們之間的相互關系來表征一個實際過程。對于一個復雜工業過程，需要借助強有力的辨識軟件，根據模擬實驗數據或者獲取的實際工業數據，在剔除一些錯誤或虛假數據的基礎上，對有效數據進行有機組織，最終在實際工業生產環境下進行現場裝置試驗，建立一個多輸入多輸出的動態數學模型。

4.2.2 過程變量數據的采集、處理和軟測量技術

過程變量的采集是指與生產過程有關的過程變量的具體數值的實際測定和匯總。利用大量的實測信息是先進控制的優勢所在，由于這些數據是實際生產現場測量得到的，保證了這些數據的有效性和可靠性。實際生產中有些變量是不能直接測量得到的，例如飽和蒸汽壓、反應熱、某些精餾塔兩端質量指標等，這類變量的數值在先進控制中只能借助軟測量技術得到。

4.2.3 先進控制策略

先進控制采用合理的控制目標和控制結構，可更好地適應工業生產過程的需要。先進控制所采取的主要策略有:

(1)個別重要過程變量控制性能的改善，主要采用單變量模型預測控制與原控制回路構成所謂的“透明控制”方式;

(2)解決約束多變量過程的協調控制問題，主要采用帶協調層的多變量預測控制策略;

(3)先進控制涉及的主要控制策略有:傳統的串級、比值、前饋控制等，當前的推斷控制、基于模型的多變量預測控制、自適應控制、協調控制、質量卡邊控制、統計過程控制等以及正在興起與開發中的智能控制，包括專家系統、模糊控制、神經控制、非線性控制和魯棒控制等;

(4)在線檢測和處理系統:包括過程的在線故障檢測、預報、診斷和處理等。

5 化工自動化控制儀表優勢功能

化工自動化控制儀表主要特點是采用先進的微電腦芯片及技術，減小了體積，并提高了可靠性及抗干擾性能。實現真正的以逸待勞以及待人的目的。

(1)儀表有了可編程功能:計算機的軟件進入儀表，可以代替大量的硬件邏輯電路，這叫硬件軟化。特別是在控制電路中應用一些接口芯片的位控特性進行一個復雜功能的控制，其軟件編程很簡單(即可以用存儲控制程序代替以往的順序控制)。而如果帶之以硬件，就需要一大套控制和定時電路。所以軟件移植入儀器儀表可以大大簡化硬件的結構，代替常規的邏輯電路。

(2)儀表有了記憶功能:以往的儀表采用組合邏輯電路和時序電路，只能在某一時刻記憶一些簡單狀態，當下一狀態到來時，前一狀態的信息就消失了。但微機引入儀表后，由于它的隨機存儲器可以記憶前一狀態信息，只要通電，就可以一直保存記憶，并且可以同時記憶許多狀態信息，然后進行重現或處理。

(3)儀表有了計算功能:由于自動化化儀表內含微型計算機，因此可以進行許多復雜的計算，并且具有很高的精度。在自動化儀表中可經常進行諸如乘除一個常數、確定極大和極小值、被測量的給定極限檢測等多方面的運算和比較。

(4)儀表有了數據處理的功能:在測量中常常會遇到線性化處理、自檢自校、測量值與工程值的轉換以及抗干擾問題。由于有了微處理器和軟件，這些都可以很方便的用軟件來處理，一方面大大減輕了硬件的負擔，又增了豐富的處理功能。自動化儀表也完全可以進行檢索、優化等工作。

6 化工自動化控制儀表的功能開發

(1)儀表的測量精度高了:由于自動化儀表的中心控制系統是微型計算機，可以進行快速多次重復測量，然后求平均值。這樣就可以排除一些偶然的誤差與干擾。

(2)儀表具有修正誤差的能力:實時地修正測量值誤差是較為復雜的功能。裝有微處理器的儀表可以減少誤差，依靠限制干擾來提高精度。

(3)儀表能夠實現復雜的控制功能:實現自動化以后，一些常規儀表不易實現的功能，在自動化儀表中就很容易實現。比如一臺氣相或液相色普儀，這種儀器利用對于復雜化學混合物進行色層分離的方法來確定樣品中存在的每一種化學成分的含量。